O que é LiDAR?

Definição de LiDAR

LiDAR é a sigla para Light Detection and Ranging (Detecção e Medição de Distância por Luz). Ele funciona enviando um feixe de laser a partir de um transmissor, que é refletido pelos objetos no ambiente. O receptor do sistema detecta a luz refletida e, ao medir o tempo que a luz leva para ir e voltar de cada objeto (conhecido como tempo de voo), o LiDAR cria um mapa detalhado das distâncias da cena.

O LiDAR é uma tecnologia óptica frequentemente citada como um método fundamental para a detecção de distâncias em veículos autônomos. Muitos fabricantes estão trabalhando no desenvolvimento de sistemas LiDAR compactos e com boa relação custo-benefício. Praticamente todos os fabricantes que buscam a direção autônoma consideram o LiDAR uma tecnologia essencial, e alguns sistemas LiDAR já estão disponíveis para Sistemas Avançados de Assistência ao Motorista (ADAS).

Como funciona o LiDAR e como ele oferece soluções?

Essencialmente, o LiDAR é um dispositivo de telemetria que mede a distância até um alvo. Ele mede a distância enviando um breve pulso de laser e registrando o intervalo de tempo entre o pulso de luz emitido e a detecção do pulso de luz refletido (retrodifundido).

Um sistema LiDAR pode utilizar um espelho de varredura, vários feixes de laser ou outros meios para “varredar” o espaço do objeto. Graças à sua capacidade de fornecer medições precisas de distâncias, o LiDAR pode resolver diversos problemas.

No sensoriamento remoto, os sistemas LiDAR podem medir a dispersão, a absorção ou a reemissão de partículas ou moléculas na atmosfera. Para esses fins, os sistemas podem ter requisitos específicos quanto ao comprimento de onda dos feixes de laser. Por exemplo, os sistemas LiDAR podem medir a concentração de uma espécie molecular específica na atmosfera, como o metano e a carga de aerossóis. O LiDAR também pode medir gotículas de chuva na atmosfera para estimar a distância de uma tempestade e a intensidade da chuva.

Outros sistemas LiDAR fornecem perfis de superfícies tridimensionais no espaço do objeto. Nesses sistemas, os feixes de laser de sondagem não estão vinculados a características espectrais específicas. Em vez disso, é possível escolher o comprimento de onda dos feixes de laser para garantir a segurança ocular ou para evitar características espectrais atmosféricas. O feixe de sondagem encontra um “alvo rígido”, que o reflete de volta para o receptor LiDAR.

Você também pode usar o LiDAR para determinar a velocidade de um alvo, seja por meio da técnica Doppler, seja medindo a distância até o alvo em rápida sucessão. Por exemplo, os sistemas LiDAR podem medir a velocidade do vento atmosférico e a velocidade de um automóvel.

Além disso, é possível utilizar sistemas LiDAR para criar um modelo tridimensional de uma cena dinâmica, como aquela que um veículo autônomo pode encontrar. Isso pode ser feito de várias maneiras, geralmente por meio de uma técnica de varredura.

Quais são os desafios do LiDAR?

Os sistemas LiDAR operacionais enfrentam vários desafios bem conhecidos, que podem variar dependendo do tipo específico de sistema. Alguns exemplos comuns incluem:

Esses desafios são o foco de atividades intensas de pesquisa e desenvolvimento destinadas a melhorar a confiabilidade, a segurança e a acessibilidade da tecnologia LiDAR.

As áreas de aplicação do LiDAR são amplas e variadas. Os cientistas atmosféricos utilizam o LiDAR para detectar diversos tipos de componentes atmosféricos. Eles o utilizam para caracterizar aerossóis na atmosfera, investigar ventos na atmosfera superior, traçar perfis de nuvens, auxiliar na coleta de dados meteorológicos e em muitas outras aplicações.

Os astrônomos utilizam o LiDAR para medir distâncias, tanto de objetos distantes, como a Lua, quanto de objetos muito próximos. Na verdade, o LiDAR é um dispositivo essencial para melhorar a medição da distância até a Lua com precisão milimétrica. Eles também utilizam o LiDAR para criar estrelas-guia para aplicações astronômicas.

Os cientistas da NOAA utilizam produtos gerados por LiDAR para examinar ambientes tanto naturais quanto artificiais. Os dados de LiDAR apoiam atividades como modelagem de inundações e ondas de tempestade, modelagem hidrodinâmica, mapeamento da linha costeira, resposta a emergências, levantamentos hidrográficos e análise da vulnerabilidade costeira.

Além disso, o LiDAR topográfico utiliza um laser de infravermelho próximo para mapear terrenos e edifícios, enquanto o LiDAR batimétrico utiliza luz verde capaz de penetrar na água para mapear o fundo do mar e leitos fluviais. O setor agrícola utiliza o LiDAR para mapear a topografia e o crescimento das culturas, o que pode fornecer informações sobre as necessidades de fertilizantes e os requisitos de irrigação. Os arqueólogos utilizam o LiDAR para mapear antigos sistemas de transporte sob a densa copa das árvores.

Hoje em dia, os cientistas utilizam frequentemente o LiDAR para criar modelos tridimensionais do mundo ao redor do sensor LiDAR. A navegação autônoma é uma das aplicações que utiliza a nuvem de pontos criada por um sistema LiDAR. É possível encontrar sistemas LiDAR em miniatura até mesmo em dispositivos tão pequenos quanto os celulares.

Como o LiDAR se comporta em situações reais?

Uma aplicação fascinante do LiDAR é a percepção situacional em aplicações como a navegação autônoma. O sistema de percepção situacional de qualquer veículo em movimento precisa estar ciente tanto dos objetos fixos quanto dos móveis ao seu redor. Por exemplo, o radar é utilizado há muito tempo para detectar aeronaves. Os fabricantes de veículos terrestres também consideram o LiDAR muito útil, pois ele pode determinar a distância até os objetos e é muito preciso em termos de direcionalidade. Eles podem direcionar os feixes de sondagem para ângulos precisos e fazer uma varredura rápida para criar uma nuvem de pontos para um modelo tridimensional. A capacidade de fazer uma varredura rápida é fundamental para essa aplicação, pois a situação ao redor do veículo é altamente dinâmica.

Figura 5. Os sensores dos carros autônomos utilizam dados de câmeras, radares e LiDAR para detectar objetos ao seu redor.

Figura 6. O carro autônomo utiliza sensores LiDAR para detectar edifícios e veículos ao redor.

O software é fundamental para todos os aspectos da criação e operação de sistemas LiDAR. Isso significa que o projeto de sistemas LiDAR requer vários tipos de software.

O engenheiro de sistemas precisa de um modelo radiométrico para prever a relação sinal-ruído do feixe de retorno. O engenheiro óptico precisa de um software para criar o projeto óptico. O engenheiro eletrônico precisa de um modelo eletrônico para criar o projeto elétrico. O engenheiro mecânico precisa de um pacote de CAD para realizar o layout do sistema. Os engenheiros também podem precisar de software de modelagem estrutural e térmica.

O funcionamento dos sistemas LiDAR requer software de controle e software de reconstrução que converta a nuvem de pontos em um modelo tridimensional. A Keysight oferece diversas ferramentas ópticas e fotônicas para apoiar o projeto de sistemas e componentes LiDAR: