Was ist LiDAR?

Definition von LiDAR

LiDAR steht für Light Detection and Ranging (Lichtdetektion und Entfernungsmessung). Es funktioniert, indem Laserlicht von einem Sender ausgesendet wird, das von Objekten in der Umgebung reflektiert wird. Der Empfänger des Systems erfasst das reflektierte Licht und misst die Laufzeit (die Zeit, die das Licht für den Hin- und Rückweg zu jedem Objekt benötigt). So erstellt LiDAR eine detaillierte Entfernungskarte der Szene.

LiDAR ist eine optische Technologie, die häufig als Schlüsselmethode zur Distanzmessung für autonome Fahrzeuge genannt wird. Viele Hersteller arbeiten an der Entwicklung kostengünstiger, kompakter LiDAR-Systeme. Nahezu alle Hersteller, die autonomes Fahren anstreben, betrachten LiDAR als eine Schlüsseltechnologie, und einige LiDAR-Systeme sind bereits erhältlich. Advanced Fahrerassistenzsysteme (ADAS).

Wie funktioniert LiDAR und welche Lösungen bietet es?

Im Wesentlichen handelt es sich bei LiDAR um ein Entfernungsmessgerät, das die Distanz zu einem Ziel misst. Es misst die Entfernung, indem es einen kurzen Laserimpuls aussendet und die Zeitspanne zwischen dem Aussenden des Lichtimpulses und dem Empfang des reflektierten (rückgestreuten) Lichtimpulses aufzeichnet.

Ein LiDAR-System kann einen Scan-Spiegel, mehrere Laserstrahlen oder andere Mittel nutzen, um den Objektraum abzutasten. Dank seiner Fähigkeit, Entfernungen präzise zu messen, kann LiDAR viele verschiedene Probleme lösen.

In der Fernerkundung können LiDAR-Systeme Streuung, Absorption oder Reemission von Partikeln oder Molekülen in der Atmosphäre messen. Zu diesem Zweck können die Systeme spezifische Anforderungen an die Wellenlänge der Laserstrahlen stellen. Beispielsweise können LiDAR-Systeme die Konzentration bestimmter Molekülspezies in der Atmosphäre, wie Methan und Aerosolbelastung, messen. LiDAR kann auch Regentropfen in der Atmosphäre messen, um die Entfernung eines Gewitters und die Niederschlagsintensität zu bestimmen.

Andere LiDAR-Systeme liefern Profile dreidimensionaler Oberflächen im Objektraum. Bei diesen Systemen sind die Laserstrahlen nicht an bestimmte Spektraleigenschaften gebunden. Stattdessen kann die Wellenlänge der Laserstrahlen so gewählt werden, dass die Augensicherheit gewährleistet oder atmosphärische Spektraleigenschaften vermieden werden. Der Messstrahl trifft auf ein „hartes Ziel“, das ihn zum LiDAR-Empfänger zurückreflektiert.

LiDAR kann auch zur Bestimmung der Geschwindigkeit eines Ziels eingesetzt werden, entweder mithilfe des Doppler-Effekts oder durch die Messung der Entfernung zum Ziel in schneller Folge. Beispielsweise können LiDAR-Systeme die Windgeschwindigkeit in der Atmosphäre und die Geschwindigkeit eines Autos messen.

Darüber hinaus können LiDAR-Systeme genutzt werden, um ein dreidimensionales Modell einer dynamischen Szene zu erstellen, beispielsweise einer Szene, der ein autonom fahrendes Fahrzeug begegnen könnte. Dies kann auf verschiedene Weise geschehen, üblicherweise mithilfe einer Scantechnik.

Welche Herausforderungen gibt es bei LiDAR?

Der Betrieb von LiDAR-Systemen steht vor mehreren bekannten Herausforderungen, die je nach Systemtyp variieren können. Einige gängige Beispiele sind:

Diese Herausforderungen stehen im Mittelpunkt aktiver Forschungs- und Entwicklungsarbeiten zur Verbesserung der Zuverlässigkeit, Sicherheit und Wirtschaftlichkeit der LiDAR-Technologie.

Die Anwendungsgebiete von LiDAR sind vielfältig und umfangreich. Atmosphärenwissenschaftler nutzen LiDAR zur Erfassung verschiedenster atmosphärischer Bestandteile. Sie verwenden es zur Charakterisierung von Aerosolen in der Atmosphäre, zur Untersuchung von Winden in der oberen Atmosphäre, zur Erstellung von Wolkenprofilen, zur Unterstützung der Wetterdatenerfassung und für viele weitere Anwendungen.

Astronomen nutzen LiDAR zur Entfernungsmessung, sowohl zu weit entfernten Objekten wie dem Mond als auch zu sehr nahen Objekten. LiDAR ist sogar ein entscheidendes Instrument zur Verbesserung der Entfernungsmessung zum Mond bis hin zur Millimetergenauigkeit. Darüber hinaus wird LiDAR zur Erzeugung von Leitsternen für astronomische Anwendungen eingesetzt.

Die Wissenschaftler der NOAA nutzen LiDAR-generierte Produkte, um sowohl natürliche als auch vom Menschen geschaffene Umgebungen zu untersuchen. LiDAR-Daten unterstützen Aktivitäten wie die Modellierung von Überschwemmungen und Sturmfluten, hydrodynamische Modellierung, Küstenkartierung, Katastrophenschutz, hydrographische Vermessung und Küstengefährdungsanalyse.

Darüber hinaus nutzt topografisches LiDAR einen Nahinfrarotlaser zur Kartierung von Land und Gebäuden, während bathymetrisches LiDAR mit wasserdurchdringendem grünen Licht Meeresböden und Flussbetten kartiert. In der Landwirtschaft wird LiDAR zur Kartierung von Topografie und Pflanzenwachstum eingesetzt, wodurch Informationen über Düngemittelbedarf und Bewässerungsanforderungen gewonnen werden können. Archäologen verwenden LiDAR zur Kartierung antiker Verkehrssysteme unter dichtem Blätterdach.

Heutzutage nutzen Wissenschaftler LiDAR häufig, um dreidimensionale Modelle der Umgebung des LiDAR-Sensors zu erstellen. Autonome Navigation ist eine Anwendung, die die von einem LiDAR-System erzeugte Punktwolke verwendet. Man findet sogar miniaturisierte LiDAR-Systeme in Geräten, die so klein sind wie Mobiltelefone.

Wie funktioniert LiDAR in der Praxis?

Eine faszinierende Anwendung von LiDAR ist die Situationserkennung, beispielsweise für die autonome Navigation. Das Situationserkennungssystem eines jeden Fahrzeugs muss sowohl stationäre als auch bewegliche Objekte in seiner Umgebung erfassen. Radar wird beispielsweise seit Langem zur Flugzeugortung eingesetzt. Auch Hersteller von Landfahrzeugen schätzen LiDAR sehr, da es die Entfernung zu Objekten präzise bestimmen und eine hohe Richtungsgenauigkeit aufweisen kann. Sie können die Messstrahlen in exakten Winkeln ausrichten und schnell scannen, um eine Punktwolke für ein dreidimensionales Modell zu erstellen. Die schnelle Scangeschwindigkeit ist für diese Anwendung entscheidend, da die Umgebung des Fahrzeugs hochdynamisch ist.

Abbildung 5. Die Sensoren in selbstfahrenden Autos nutzen Kameradaten, Radar und LiDAR, um Objekte in ihrer Umgebung zu erkennen.

Abbildung 6. Autonomes Auto nutzt LiDAR-Sensoren zur Erkennung von Gebäuden und Autos in der Umgebung.

Software ist für jeden Aspekt der Entwicklung und des Betriebs von LiDAR-Systemen von entscheidender Bedeutung. Das bedeutet, dass für die Entwicklung von LiDAR-Systemen verschiedene Softwaretypen benötigt werden.

Der Systemingenieur benötigt ein radiometrisches Modell zur Vorhersage des Signal-Rausch-Verhältnisses des Rückstrahls. Der Optikingenieur benötigt Software zur Erstellung des optischen Designs. Der Elektronikingenieur benötigt ein Elektronikmodell zur Erstellung des elektrischen Designs. Der Maschinenbauingenieur benötigt ein CAD-Programm zur Systemauslegung. Unter Umständen benötigen die Ingenieure auch Software zur Struktur- und Wärmemodellierung.

Der Betrieb von LiDAR-Systemen erfordert Steuerungssoftware und Rekonstruktionssoftware, die die Punktwolke in ein dreidimensionales Modell umwandelt. Keysight bietet verschiedene optische und photonische Werkzeuge zur Unterstützung der Entwicklung von LiDAR-Systemen und -Komponenten an: