לידאר

לידאר (באנגלית: LiDAR) היא טכנולוגיית מדידת מרחק על ידי הארת המטרה בקרן לייזר, ומדידת הזמן שלוקח לקרן האור לחזור למקלט.

המילה לידאר בלועזית נוצרה משילוב המילים אור (Light) ומכ"ם (Radar), ומבטאת את קיצור המילים "גילוי אור ומדידתו" (בלועזית, Light Detection And Ranging).

לידאר משמש ליצירת מפות ברזולוציות גבוהות, עם יישומים בסקרים, גאומטריה, ארכאולוגיה, גאוגרפיה, גאולוגיה, גאומורפולוגיה, סיסמולוגיה, יערות, פיזיקה אטמוספירית, ניווט, מיפוי חלל, גאודזיה ואף בשימוש ביתי בשואבי אבק רובוטיים. הוא משמש ליצירת תצלומי תלת-ממד של אזורים על פני הקרקע ותחת המים על ידי שינוי אורך הגל של הלייזר. בנוסף הוא משמש גם לשליטה וניווט ברכב אוטונומי ובכלי טיס אוטונומיים דוגמת המסוק אינג'ניואיטי במהלך טיסות מעל פני השטח של מאדים.

היסטוריה ואטימולוגיה

בהוראתו של מלקולם סטיץ', חברת יוז איירקראפט פרסמה את המערכת הראשונה מסוג לידאר בשנת 1961, מיד לאחר גילוי הלייזר. המערכת הייתה מיועדת למעקב אחר לוויינים ומשלבת תמונות במיקוד לייזר עם אפשרות לחישוב מרחקים באמצעות מדידת הזמן של החזרת האות באמצעות חיישנים ואלקטרוניקה מתאימה. המערכת נקראה במקור "קולידאר", שהיוו ראשי תיבות של "זיהוי ומדידה באור קוהרנטי", והשמות נגזרים מהמונח "רדאר", שהוא עצמו ראשי תיבות ל"זיהוי ומדידה ברדיו" (בשפה האנגלית).

כל מד מרחק בעזרת לייזר, מדי גובה באמצעות לייזר ומערכות לידאר מגיעים ממערכות הקולידאר המוקדמות. השימוש המעשי הראשון של קולידאר באפליקציה יבשתית היה ה"קולידאר מארק II", מד מרחק דמוי רובה, שנוצר בשנת 1963 והיו לו טווח של 11 קילומטרים ודיוק של 4.6 מטרים, והיה מיועד לשימוש צבאי.

האזכור הראשון של לידאר כמילה עצמאית בשנת 1963 מרמז על מקורה כתפיסה משולבת של המילים "אור" ו"רדאר": "בסופו של דבר, הלייזר עשוי לספק חיישן בעל יתרון במיוחד לגילוי גלים ממרחקים שהגיעו מעצמים רחוקים. בינתיים, הוא משמש לחקירת הירח על ידי 'לידאר' (רדאר אור)...". השם "רדאר פוטוני" משמש לפעמים כתיאור לאיתור מרחק בספקטרום הנראה כמו לידאר.

היישומים הראשונים של לידאר היו בתחום המטאורולוגיה. המרכז הלאומי למחקר אטמוספירי השתמש בו למדידת עננים וזיהום אוויר. הציבור הרחב התוודע לדיוק ולשימושיות של מערכות לידאר בשנת 1971, במהלך משימת אפולו 15, כאשר האסטרונאוטים השתמשו במד גובה לייזר כדי למפות את פני השטח של הירח.

תיאור כללי

לידאר משתמש באור נראה, על-סגול, או תת-אדום קרוב כדי למפות עצמים. ניתן למפות מספר רב של חומרים, ולא רק מתכות, כגון סלעים, משקעים אטמוספיריים, תרכובות כימיות, תרחיפים, עננים ואפילו מולקולות. קרן לייזר צרה יכולה למפות עצמים קטנים באבחנה גבוהה, לדוגמה: מטוס יכול למפות פני שטח באבחנה של 30 ס"מ או יותר.

לידאר משמש בהרחבה למיפוי אטמוספירי, עננות ומטאורולוגיה. מכשירי מדידה מבוססי לידאר מותקנים במטוסים ובלוויינים המבצעים מיפוי ומדידות - לדוגמה: הסקר הגאולוגי האמריקאי המוטס. נאס"א הכירה בחשיבות הטכנולוגיה לנחיתה של כלי רכב בלתי מאוישים או רובוטיים ורכבי חלל מאוישים על פני כוכבים אחרים.

אורך הגל שבו משתמשים למדידה מותאם לעצם הנמדד. החל מעשרות מיקרומטר ועד על-סגול (בערך 250 ננומטר). הקרינה מוחזרת בדרך כלל לכיוון המקור. סוגי החזרה שונים משמשים למדידות מסוגים שונים, ומכשירי המדידה מכונים בדרך כלל על פי סוג ההחזרה: לידאר פיזור ריילי, לידאר פיזור מי, לידאר פיזור ראמאן וכולי. לעיתים משתמשים גם בצירוף של אורכי גל שונים למיפוי אטמוספירי וזיהוי חומרים שונים על פי פיזור אורכי הגל השונים.

טכנולוגיה

נוסחה מתמטית

לידאר מגדיר את המרחק של אובייקט או פני הקרקע בעזרת הנוסחה הבאה:

המרחק מהחיישן לאובייקט וחזרה מסומן בצהוב

$Distance={\frac {{\text{speed of light}}*time}{2}}$

בסימול:

$d={\frac {c*t}{2}}$

כאשר:

• c - מהירות האור
• d - המרחק בין החיישן לעצם או לפני הקרקע
• t - הזמן שלוקח לאור הלייזר להגיע אל העצם או לפני הקרקע שצריך לזהות, ולחזור אל החיישן.

סוגי לידאר

ישנם מספר סוגי לידאר השונים אחד מהשני על פי התלות שלהם באי-קוהרנטיות או קוהרנטיות של מקור הלייזר. כל אחת מהשיטות הללו משתמשת בנתיב האופטי מהמקור כדי להשפיע באופן יעיל על עוצמת האות המופעל. מדידת זמן הטיסה (TOF) ושימוש בגל רציף מאופנן משרעת (AMCW) מזהים מרחק על ידי מדידת התכונות הזמניות של עוצמת האור המתקבל. שימוש בגל רציף מאופנן תדר (FMCW) מבוסס על מיפוי תכונות של השדה האופטי המתקבל (אמפליטודה ופאזה) כדי לזהות מרחק.

זמן טיסה - TOF

לידאר מבוסס זמן טיסה (TOF) משתמש בעובדה הידועה שאור נע במהירות קבועה דרך גוף בעל מקדם שבירה קבוע. הדופק המשודר פוגע בעצם היעד, חוזר לכיוון המקור ונאסף על ידי המקלט. המרחק נקבע באמצעות מדידת ההבדל בין זמן ההגעה וזמן השידור של הדופק.

גל רציף מאופנן משרעת- AMCW

לידאר מבוסס גל רציף מאופנן משרעת (AMCW) משתמש בעקרונות דומים ללידאר TOF, בו מתבצעת מדידת השהייה של הגל הפוגע במטרה במקלט. אולם, במקרה של AMCW, דפוס עוצמה מקודד על עוצמת הגל האופטי המשודר, כמו שינוי בתדר רדיו ליניארי. במקרה של AMCW, הנתיב במרחב החופשי מקודד היסט פאזה בשינוי ה-RF, שניתן לזהות במדויק באמצעות מדידת התדר האמצעי לאחר שילוב אות העוצמה המתקבל עם גרסה אלקטרונית לא מושהית של הציוץ.

גל רציף מאופנן תדר - FMCW

לידאר מבוסס גל רציף מאופנן תדר (FMCW) ניתן להציג אנליטית כשיטה דומה ללידאר AMCW עם שינוי RF, חוץ מכך שהשינוי הוא בשדה האופטי של הלייזר. בזמן שלידאר AM עם שינוי משתמש בלייזר כנושא עבור אות RF, והאות RF משליך על העוצמה של מקור האור, לידאר FM משנה את הפאזה של מקור האור, באופן שהתדר האופטי של מקור האור משתנה ישירות. נתיב במרחב החופשי מקודד היסט פאזה על השינוי האופטי, והיסט פאזה מזוהה בתהליך שילוב האות ששונה המוחזר עם גרסה לא מושהית של השינוי. השילוב הזה מתרחש בפוטו-דיודה בעת הזיהוי, ולכן אין צורך בעיצוב מיוחד מעבר לעיצוב הטוב של המקלט כדי להשיג את האפקט של השילוב הזה בדיוק גבוה.

פלאש לידאר

בפלאש לידאר, כל שדה הראייה מואר במחזור רחב של קרני לייזר בדופק אחד. זאת בניגוד ללידאר סריקה מסורתי, שמשתמש בקרני אור מקבילות המאירות נקודה יחידה בכל פעם, והקרן עובדת לפי תוכנית סריקה קבועה מראש, כדי להאיר את שדה הראייה נקודה אחר נקודה. שיטת הקרנת הלייזר הזו מחייבת גם שיטת גילוי שונה. בשני הלידאר: סריקה ופלאש, משתמשים במצלמת זמן טיסה (Time-of-flight camera) לאיסוף מידע על מיקום ה-3D והעוצמה של האור הנכנס על ידה בכל מסגרת. אולם, בלידאר סריקה, מצלמת זמן הטיסה מכילה רק חיישן נקודה, בעוד שבפלאש לידאר, המצלמה מכילה מערך חיישנים תלת-ממדי או דו-ממדי, כאשר כל פיקסל מצביע על מיקום ה-3D והבהירות.

בשני המקרים, מידע העומק נאסף באמצעות מצלמת זמן טיסה, על הרכיב שפולט את הלייזר וזה שקולט את הפוטונים להיות מסונכרנים. התוצאה היא מצלמה שמצלמת מרחק, למעשה, במקום צבעים. לפלאש לידאר יתרון מיוחד, בהשוואה ללידר סריקה, כאשר המצלמה, התמונה או שניהם נעים, מאחר שהסצנה כולה מוארת בו זמנית. בלידאר סריקה, תנועה יכולה לגרום ל"רעידות" מתוך הפסק זמן בין נקודה אחת לאחרת שבו הלייזר סורק את הסצנה.

כמו עם כל סוג של לידאר, ההארה מתבצעת על בסיס מקור פנימי. האות שמתקבל מעובד על ידי אלגוריתמים מוטמעים כדי ליצור הפקת תמונת תלת-ממד של עצמים ותכונות פני השטח בתחום הראייה של החיישן. תדירות המסגרות מאפשרת ליצור וידאו תלת-ממד עם אבחנה גבוהה ודיוק. קצב התמונה הגבוה של החיישן עושה אותו כלי שימושי למגוון רחב של יישומים שדורשים תצוגה בזמן אמת, למשל פעולות נחיתה מרחוק בדיוק. על ידי החזרה מיידית של תמונת תלת-ממד, חיישן פלאש יכול לשמש לזיהוי אזורי נחיתה אופטימליים בתרחישי נחיתה של רכב חלל אוטונומי.

בטיחות

ההישגים הנדרשים ללידאר בהיבטי מרחק היעד דורשים התפרצות חזקה של אור. האנרגיה נדרשת להיות מוגבלת לרמות שאינן גורמות נזק לעיניים. מצלמות הסיליקון בעלות נמוכה אינן קוראות את האור בטווח המבטיח בטיחות לעין. במקום זאת, דרושות מצלמות גליום ארסניד, היכולות להעלות את העלויות ל-200,000 דולר. גליום ארסניד הוא אותה תרכובת שמשמשת ליצור פאנלים סולאריים יעילים בעלות גבוהה, המשמשים בדרך כלל ביישומים בחלל.

רכיבי המערכת

מערכות לידאר מורכבות ממספר רכיבים עיקריים:

לייזר

לייזרים בטווח של 600–1000 ננומטר הם הכי נפוצים ליישומים שאינם מדעיים. עוצמת הלייזר מוגבלת, ובשימושים אוויריים משתמשים במערכת כיבוי אוטומטית שמכבה את הלייזר בגבהים מסוימים, כדי להבטיח בטיחות לעיניים של האנשים בקרקע.

חלופה נפוצה היא שימוש בלייזרים בתדירות של 1550 ננומטר - הם בטוחים לעין ברמות עוצמה יחסית גבוהות מאחר שהגלאי הזה אינו נספג בעין בצורה חזקה. טכנולוגיית החיישן פחות מתקדמת, ולכן בדרך כלל משתמשים בגלאים אלו בטווחים ארוכים יותר עם דיוקים נמוכים יותר. הם גם משמשים ליישומים צבאיים כיוון שגלאי 1550 ננומטר אינו נראה באמצעי ראיית לילה, להבדיל מלייזר תת-אדום בתדירות 1000 ננומטר הנראה בהם.

מערכות לידאר למיפוי טופוגרפי באוויר נהוגות להשתמש בלייזרים באורך גל 1064 ננומטר, מסוג YAG המופעלים באמצעות דיודה. לעומתן, מערכות מחקר בעומק המים נוהגות להשתמש בלייזרים באורך גל של 532 ננומטר, המכפילים את התדירות של הדיודה, מסוג YAG. זאת עקב היכולת הגבוהה של גלאי 532 ננומטר לחדור למים עם הנחתה פחות מאשר גלאי 1064 ננומטר. הגדרות הלייזר כוללות תדירות חזרה של הלייזר (המשפיעה על מהירות איסוף הנתונים). אורך הדופק בדרך כלל תלוי באורך המהוד האופטי של הלייזר, מספר המעברים הנדרשים דרך החומר המרווח (YAG, YLF וכולי) ומהירות ה-Q. אבחנת מטרה טובה יותר מושגת עם דפקים קצרים יותר, בהנחה שיש למקלטי הלידאר ולמערכת האלקטרוניקה המתאימה רוחב פס מספיק.

מערך מופע

מערך מופע מאפשר הארה בכל כיוון על ידי שימוש במערך מיקרוסקופי של אנטנות יחידות. באמצעות שליטה על הפאזה של כל אנטנה, ניתן להפנות את האות המאוחד בכיוון מסוים.

המערכות משמשות במכ"ם מאז שנות ה-40 של המאה ה-20. באותה טכניקה ניתן להשתמש גם עם אור. מיליון אנטנות אופטיות נמצאות בשימוש כדי לראות את דפוס הקרינה בגודל ובכיוון מסוימים. שבב יחיד (או מספר מועט) מחליף מערכת אלקטרו-מכנית בעלות של 75,000 דולרים, מה שמפחית את העלויות בצורה משמעותית.

מספר חברות עובדות על פיתוח יחידות לידאר מסחריות בטכנולוגיית מצב מוצק.

מערכת השליטה יכולה לשנות את צורת העדשה כדי לאפשר פונקציות זום אינטראקטיביות. תת-אזורים ספציפיים יכולים להיות ממוקדים במרווחים של פחות משנייה.

יחידות לידאר אלקטרו-מכני פועלות בין 1,000 ל-2,000 שעות. בניגוד לכך, לידאר מוצק יכול לפעול עד 100,000 שעות.

מערכות מיקרו אלקטרו-מכניות (MEMS)

מערכות מיקרו-אלקטרו-מכניות (MEMS) אינן לחלוטין מצב מוצק. עם זאת, גודלן המיקרוסקופי מספק הרבה מהיתרונות הכלכליים הדומים. לייזר יחיד מופנה אל מראה יחידה שניתן לשנות את כיוונה כדי לצפות בחלק מכמות המידע הרצויה. המראה מסתובבת במהירות גבוהה. מערכות MEMS עשויות להיפגם מתזוזה חולפת/רטט ועשויות לדרוש כיול חוזר כמה פעמים.

סורקים ורכיבים אופטיים

מהירות פיתוח התמונה מושפעת ממהירות הסריקה שלהן. בחירת האופטיקה משפיעה על האבחנה הזוויתית והטווח שניתן לזהות.

גלאי פוטונים

ישנן שתי טכנולוגיות עיקריות לחיישני תמונה שמשמשים בלידאר: חיישני תמונה מצב מוצק כגון דיודות, פוטו-דיודות סיליקון במצב קריסה, או מגברי תמונה. רגישות המקלט היא פרמטר נוסף שיש לאזן בעיצוב של לידאר.

GPS

חיישני לידאר המותקנים על פלטפורמות ניידות כמו מטוסים או לוויינים דורשים ציוד לקביעת מיקום והתמצאות מוחלטים של החיישן. כלים כאלה כוללים בדרך כלל GPS ו-IMU.

חיישן

לידאר משתמש בחיישנים פעילים המספקים מקור תאורה משל עצמם. מקור האנרגיה מגיע לעצמים והאנרגיה המשתקפת מוחזרת ונמדדת על ידי החיישנים. המרחק לעצם נקבע על ידי רישום הזמן בין הדפקים הנשלחים והמשובצים, ועל ידי שימוש במהירות האור לחישוב המרחק שעבר. פלאש לידאר מאפשר תמונה בתלת-ממד בזכות יכולת המצלמה לשדר פלאש גדול ולקלוט את היחסים המרחביים והממדים של אזור העניין עם האנרגיה המוחזרת. זה מאפשר תמונה מדויקת יותר מכיוון שלמסגרות שנלכדות אין צורך להתפשט יחד, והמערכת אינה רגישה לתנועת הפלטפורמה. זה מוביל לתמונה פחות איכותית.

סוגי היישומים

ללידאר מגוון רב של יישומים שניתן לחלקם למערכות מוטסות ולמערכות קרקעיות. על פי סוג היישום נקבעים מאפייני הגלאי, הנדרש להיות מותאם לסוג המידע הדרוש, גודל העצם הנסרק, מרחק המדידה, הדיוק, עלות הציוד וכולי.

לידאר מוטס

סריקת לידאר באמצעות כטב"ם

במסגרת שימוש זה הלידאר מחובר למטוס במהלך טיסה, ויוצר ענן נקודות בשלושה ממדים של הנוף. זו השיטה המדויקת והמפורטת ביותר ליצירת מודלים דיגיטליים של גובה השטחים, והיא מחליפה את הפוטוגרמטריה. אחד מהיתרונות המרכזיים של הלידאר המוטס בהשוואה לפוטוגרמטריה הוא היכולת לסנן את התגובות המתקבלות מהצמחייה, כך שניתן ליצור מודל גבול דיגיטלי המייצג במדויק משטחים כמו נהרות, נתיבים, אתרים תרבותיים ועוד, ללא הפרעה מהצמחייה.

לעיתים מבצעים הבחנה בין יישומים בגובה גבוה ובגובה נמוך, אך ההבדל העיקרי הוא ירידה בבטיחות ובצפיפות הנקודות של הנתונים שנרכשים בגבהים גבוהים יותר. לידאר מוטס יכול גם לשמש ליצירת מודלים מימיים במים רדודים.

המודלים העיקריים של לידאר מוטס כוללים מודלים דיגיטליים של גובה (DEM) ומודלים דיגיטליים של פני השטח (DSM). לטובת פענוח חריצי שפת האדמה הסמויים, כמו תעלות סלע, סדקי מתח או עצים מוטים, משתמשים בלידאר תלוי תעופה. מודלים דיגיטליים של גובה בלידאר מוטס מאפשרים לצפות דרך צמחיית היערות, לבצע מדידות מפורטות של תעלות סלע, חרישה והטיה של עמודי חשמל.

לידאר קרקעי

יישומי לידאר קרקעיים הנעשים על פני כדור הארץ ויכולים להיות נייחים או ניידים. יישומים קרקעיים נייחים נפוצים במדידות ומיפוי, סריקות ארכאולוגיות וזיהוי פלילי. יישומים ניידים מאפשרים מיפוי נתיבי תנועה, רחובות, קווי חשמל, גבהי גשרים, גבולות צמחייה וכולי.

לידאר ימי

עומק המים שניתן למדוד בעזרת לידאר תלוי בצפיפות המים ובהנחתת אורך הגל בו משתמשים. המים הם הכי שקופים לאור ירוק וכחול, לכן אלה יחדרו לעומק הכי גדול במים נקיים. עוצמת הדופק מתערערת בצורה מעריכית כתלות במרחק שהוא עובר במים. לידאר יכול למדוד עומקים בטווח של כ-0.9 עד 40 מטרים, עם דיוק אנכי בסדר של 15 ס"מ.

יישומים

ישנן מגוון רחב של יישומים לטכנולוגיית לידאר, בנוסף ליישומים שמפורטים למטה. היישומים הללו נקבעים במידה רבה על ידי טווח הגילוי היעיל של עצמים, האבחנה, שהיא היכולת של הלידאר לזהות ולסווג עצמים במדויק, והחסינות של המכשיר מרעש, כלומר כמה הלידאר יכול לראות משהו בנוכחות עצמים מבריקים, כמו לוחות שמש מצופים מחזירים או אור שמש בהיר.

חברות לידאר פועלות להפחית את מחיר החיישנים. מחירים נמוכים יכניסו את הלידאר לשווקים חדשים.

חקלאות

רובוטים חקלאיים נמצאים בשימוש למגוון מטרות החל מפיזור זרעים וחומרי דשן, דרך טכניקות חישה ועד משימות בקרת מזיקים.

לידאר יכול לעזור לקבוע איפה לדשן. זה יכול ליצור מפה טופוגרפית של השדות, לחשוף מדרונות וחשיפת שמש של האדמה החקלאית. חוקרים בשירות המחקר החקלאי השתמשו בנתוני הטופוגרפיה הזו יחד עם תוצאות היבול של השדות משנים קודמות, כדי לסווג את האדמה לאזורים של תוצאות גבוהות, בינוניות או נמוכות. זה מציין איפה להחיל דשן כדי למקסם את התוצאות.

לידאר משמש כיום למעקב אחר חרקים בשדה. שימוש בלידאר מאפשר לזהות את תנועת והתנהגות החרקים המעופפים באופן יחידני, עם אפשרות לזיהוי לפי מין וזן. בשנת 2017 פורסמה בקשה לפטנט בארצות הברית, באירופה ובסין לטכנולוגיה זו.

יישום נוסף הוא מיפוי נגעים בפרדסים ובכרמים, הצורך בגיזום או תחזוקה נוספת, לזיהוי שינויים ביצירת פירות או ספירת צמחים.

סיווג מיני צמחים

תהליך בקרת הזנים מחייב זיהוי מיני הצמחים. ניתן לבצע זאת באמצעות לידאר תלת-ממד ולמידת מכונה. לידאר מייצר קווי צורות של הצמחים כמו ענן נקודות עם ערכים של מרחק והחזרה. הנתונים הללו נאספים ומתוכם מופקים מאפיינים. אם המין מוכר, המאפיינים מתווספים כנתונים חדשים. שיטה זו יעילה מכיוון שהיא משתמשת בלידאר באבחנה נמוכה ובלמידה מודרכת. היא כוללת סט של תכונות שניתן לחשב בקלות עם תכונות סטטיסטיות נפוצות שאינן תלויות בגודל הצמח.

ארכאולוגיה

ללידאר יש הרבה שימושים בארכאולוגיה, כולל תכנון של מבצעי שטח, מיפוי של מאפיינים תחת קרקע וסקירה של מאפיינים רחבים ורציפים שאי אפשר להבחין בהם מהקרקע. את תוצרי הלידאר ניתן לשלב בקלות במערכת מידע גאוגרפי (GIS) לניתוח ופרשנות.

לידאר יכול גם לעזור ביצירת מודלים דיגיטליים ברזולוציה גבוהה של אתרים ארכאולוגיים, שיכולים לחשוף מיקרו-טופוגרפיה שמוסתרת בתוך הצמחייה. עוצמת האות שמתקבל מלידאר יכולה לשמש לזיהוי מאפיינים טמונים מתחת למשטחים המכוסים בצמחייה שטוחה, כמו שדות, במיוחד כאשר מבצעים מיפוי באמצעות הספקטרום התת-אדום. קיומם של מאפיינים אלו משפיע על גידול הצמחים ולכן על הכמות של האור התת-אדום המוחזר. לדוגמה, באתר היסטורי-לאומי של מבצר בוסז'ור תבנית:אמג בקנדה, נמצאו באמצעות לידאר מאפיינים ארכאולוגיים הקשורים למצודת המבצר בשנת 1755. מאפיינים שלא ניתן היה להבחין בהם בקרקע או באמצעות תמונות אוויריות זוהו על ידי שילוב של גוני גבעה במודל שנוצר עם תאורה מלאכותית מזוויות שונות. דוגמה נוספת היא המחקר באתר קרקול (Caracol) של ארלן צ'ייס ואשתו דיאן זאינו צ'ייס. בשנת 2012 נעשה שימוש בלידאר כדי לחפש את העיר האגדית לה סיודאד בלאנקה (La Ciudad Blanca) באזור לה מוסקיטיה בג'ונגל ההונדורסי. במהלך תקופת מיפוי של שבעה ימים נמצאו ראיות למבנים ידניים. ביוני 2013 הוכרז על הגילוי מחדש של העיר מהנדרפרווטה (Mahendraparvata).

כלי רכב אוטונומיים

מכונית אוטונומית עם חמישה התקני לידאר על גגה

כלי רכב אוטונומיים יכולים להשתמש בלידאר לזיהוי ומניעת מחסומים על מנת לנווט בבטיחות בסביבה. ההכנסה של לידאר הייתה אירוע מפתח שהיה הגורם המאפשר המרכזי מאחורי סטנלי, הרכב האוטונומי הראשון שהצליח להשלים בהצלחה את מרוץ האתגר הגדול של דארפ"א. פלט ענן הנקודות שמתקבל מחיישן הלידאר מספק את המידע הנדרש לתוכנה של הרובוט לקביעת מיקומם של מחסומים אפשריים בסביבה ולקביעת מיקומו של הרובוט ביחס למחסומים האפשריים הללו. Singapore's Singapore-MIT Alliance for Research and Technology (SMART) מפתחת טכנולוגיות פעילות לרכבים אוטונומיים עם לידאר. כיום ברור כי הלידאר יהווה חלק בלתי נפרד מהרכב האוטונומי בעתיד וישנן חברות טכנולוגיה רבות בשוק זה.

זיהוי עצמים לטובת מערכות תחבורה

במערכות התחבורה, כדי להבטיח בטיחות הרכב והנוסעים ולפתח מערכות אלקטרוניות שמספקות עזרה לנהג, ישנה חשיבות מרכזית להבנת הסביבה הסובבת את הרכב. מערכות הלידאר משמעותיות בבטיחות מערכות התחבורה. מערכות אלקטרוניות רבות שמשפרות את הסיוע לנהג ואת בטיחות הרכב, כמו בקרת שיוט, סטייה מנתיב, מערכת הבלמים למצבי חירום ומערכת ABS, תלויות בזיהוי סביבת הרכב כדי לפעול באופן אוטונומי או חצי-אוטונומי. מיפוי והערכה באמצעות הלידאר משיגים זאת.

יתרונות

השימוש בחיישן מבטיח עמידות במזג אוויר גרוע ויכול לזהות את העצמים גם בתנאים קשים. לידאר מסוגל לזהות נתוני גובה מפורטים של הקרקע וכך גם את גבול הכביש.

לידאר מספק טווח טוב יותר ושדה ראייה רחב שמסייע בזיהוי מכשולים. זהו יתרון מרכזי על מערכות מכ"ם שיש להן שדה ראייה צר יותר. הצירוף של מדידות לידאר עם חיישנים שונים הופך את המערכת לעמידה ושימושית ביישומים בזמן אמת, מאחר שמערכות המבוססות על לידאר אינן מסוגלות לאמוד את המידע הדינמי אודות העצם שזוהה.

גאולוגיה

מפות גובה דיגיטליות באבחנה גבוהה המופקות באמצעות לידאר המותקן על גבי כלי טיס הביאו להתקדמויות משמעותיות בגאומורפולוגיה (הענף של המדע הגאולוגי המתעניין במקור ובאבולוציה של טופוגרפיית המשטח הארצי). היכולות של הלידאר לזהות תכונות טופוגרפיות סבירות כמו טרסות וגדות נהר, תופעות גלים קרחיות, למדוד את גובה משטח האדמה מתחת לגידולים, לפתור נגזרות מרחביות טובות יותר של הגבהה ולזהות שינויי גובה בין סקרים חוזרים, אפשרו מחקרים חדשים על התהליכים הפיזיים והכימיים שיוצרים את הנוף. בשנת 2005, הר טור רונד (Tour Ronde) בהרי האלפים הפך להר האלפי הראשון שבו נעשה שימוש בלידאר למעקב אחר ההופעה המתמשכת של מפולת סלעים חזקה על מרפסות סלע גדולות הנגרמת כנראה על ידי שינויי האקלים והירידה של הקרחונים בגובה רב.

לידאר משמש גם בגאולוגיה מבנית וגאופיזיקה כשילוב בין לידאר מוטס ומערכת ניווט לוויינית לשם איתור וחקירת העתקים ולמדידת הרמה. פלט השניים יכול ליצור מודלי גובה מדויקים מאוד לפני השטח - מודלים שיכולים אפילו למדוד את הגובה של הקרקע בין עצים. מערכות לידאר מוטסות משקיפות לקרחונים ויש להן יכולת לזהות מגמות עדינות של צמיחה או ירידה. מערכת מבוססת לידאר של נאס"א בשם ICESat כוללת תת-מערכת לידאר למטרה זו. מערכת ה-NASA Airborne Topographic Mapper נמצאת בשימוש נרחב גם למעקב אחר קרחונים ולביצוע ניתוח שינויים בחוף. השילוב משמש גם את מדעני הקרקע בעת חקירת יצירת הקרקע.

אטמוספירה

בהתחלה, על סמך לייזר אודם, בנו לידאר ליישומים מטאורולוגיים מיד לאחר התגלית של הלייזר והצגת היישומים הראשונים של טכנולוגיית הלייזר. טכנולוגיית הלידאר התרחבה במידה רבה מאז ומערכות לידאר משמשות לביצוע מגוון מדידות הכוללות פרופילים של עננים, מדידת רוחות, חקר אירוסולים ומדידת מרכיבים אטמוספיריים שונים. מרכיבים אטמוספיריים יכולים לספק מידע שימושי הכולל לחץ משטח (על ידי מדידת הספיגה של חמצן או חנקן), פליטות גזי חממה (פחמן דו-חמצני ומתאן), פוטוסינתזה, שריפות (פחמן חד-חמצני) ולחות (אדי מים). לידארים אטמוספיריים יכולים להיות מותקנים על גבי הקרקע, מטוס או על לוויינים, תלוי בסוג המדידה.

טכנולוגיית הלידאר לחישה מרחוק באטמוספירה פועלת בשתי דרכים:

1. מדידת החזרת האור מהאטמוספירה
2. מדידת החזרת האור ממשטח הקרקע (כאשר הלידאר נמצא באוויר) או משטח קשה אחר.

החזרת האור מהאטמוספירה מאפשרת מדידה ישירה של עננים ואירוסולים. מדידות אחרות שנגזרות ממדיה זו, כגון רוחות או גרגירי קרח צירוס, דורשות בחירה זהירה של אורך הגל ו/או הקוטביות הנמדדת. לידאר דופלר ולידאר ריילי דופלר משמשים למדידת טמפרטורה ומהירות הרוח לאורך הקרן, על ידי מדידת תדירות האור המתקבלת מההחזרה. הרחבה דופלרית של גזים בתנועה מאפשרת לקבוע מאפיינים על פי השינוי בתדירות הגל האלקטרומגנטי. לידארים סורקים, כמו ה-HARLIE (הסוקר החרוטי של נאס"א) משמשים למדידת מהירות הרוח האטמוספירית. משימת הרוח ADM-Aeolus של המשרד לחלל האירופי תכלול מערכת לידאר דופלר על מנת לספק מדידות גלובליות של פרופילי הרוח האנכיים. מערכת לידאר דופלר שימשה באולימפיאדת בייג'ינג (2008) למדידת שדות הרוח במהלך מרוצי הסירות.

השתקפות הקרקע של לידאר מתוך מטוס מספקת מדידה של החזר פני האדמה (בהנחה שהחדירה האטמוספירית ידועה היטב). בדרך כלל נעשה שימוש בהשתקפות הקרקע למדידות ספיגה של האטמוספירה, וכך ניתן לגלות אלו גזים ובאיזה ריכוז מרכיבים את האטמוספירה.

אכיפת החוק

שוטרים משתמשים ברובי לידאר כדי לקבוע מהירות של כלי רכב לצורך אכיפת מגבלות המהירות. בנוסף, הוא משמש כדי לסייע בחקירות מקום הפשע. נערכות סריקות של המקום כדי לרשום פרטים מדויקים של מיקומם של עצמים, דם ומידע חשוב אחר לצורך בדיקה מאוחרת. סריקות אלו יכולות גם לשמש לקביעת מסלול הקליע במקרים של יריות.

צבא

כמה יישומים צבאיים ידועים למערכות לידאר אך הם מסווגים (כמו מדידת המהירות באמצעות לידאר של טיל השיוט הגרעיני AGM-129 ACM). מערכות באבחנה גבוהה מספקות מספיק פרטים כדי לזהות מטרות כמו טנקים. דוגמאות ליישומים צבאיים של לידאר כוללות את מערכת הגילוי של מוקשים באמצעות לייזר בשיטת ALMDS (Airborne Laser Mine Detection System) של חברת Areté Associates לצורך לחימה נגד-מוקשים.

פיזיקה ואסטרונומיה

רשת עולמית של מצפים משתמשת בלידארים כדי למדוד את המרחק למחזירי אור המונחים על פני הירח, וזאת מאפשרת מדידה בדיוק של מילימטר את מיקומו של הירח. בנוסף, מערכת לידאר שהותקנה על גבי לוויין של נאס"א ייצרה סקר טופוגרפי גלובלי מדויק ביותר של מאדים.

רובוטים

טכנולוגיית לידאר משמשת ברובוטיקה לשם תפיסת הסביבה וסיווג עצמים. היכולת של טכנולוגיית הלידאר לספק מפות גובה תלת־ממדיות של הקרקע, מרחק בדיוק גבוה לקרקע ומהירות גישה יכולה לאפשר תנועה בטוחה של רכבים רובוטיים ומאוישים בדיוק גבוה.

טכנולוגיות חלופיות

התפתחויות טכנולוגיות אחרונות מאפשרות מיפוי תלת־ממדי גם באור רגיל או תת-אדום. המידע המרחבי מתקבל על ידי צילום היעד מספר פעמים באמצעות מצלמה רגילה שלרוב היא מצלמה דיגיטלית מכוילת היטב. גם ההתפתחויות האחרונות בטכנולוגיית המכ"ם האופטי קוהרנטי מהוות מתחרה לטכנולוגיות הלידאר.

ראו גם

• מכ"ם
• לייזר

לקריאה נוספת

• Heritage, G., & Large, A. (Eds.), Laser scanning for the environmental sciences, John Wiley & Sons, 2009, ISBN 1-4051-5717-8

קישורים חיצוניים

מדיה וקבצים בנושא לידאר בוויקישיתוף

• לידאר, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית)
• מכ"ם אופטי, דף שער בספרייה הלאומית

• LiDAR Research Group (LRG), University of Heidelberg