LiDARとは何ですか？

LiDARの定義

LiDARは、Light Detection and Rangingの略です。送信機からレーザー光を送信し、それが環境内の物体に反射することで機能します。システムの受信機は反射光を検出し、光が各物体との間を往復するのにかかる時間（飛行時間として知られています）を測定することで、LiDARはシーンの詳細な距離マップを作成します。

LiDARは、自動運転車向けの距離センシングの主要な手法としてしばしば挙げられる光学技術です。多くのメーカーが、費用対効果が高くコンパクトなLiDARシステムの開発に取り組んでいます。自動運転を追求するほぼすべてのメーカーがLiDARを主要なイネーブリングテクノロジーと見なしており、一部のLiDARシステムはすでに先進運転支援システム（ADAS）向けに利用可能です。

LiDARはどのように機能し、どのようにソリューションを提供するのか？

LiDARは本質的に測距装置であり、ターゲットまでの距離を測定します。短いレーザーパルスを送信し、発射された光パルスと反射（後方散乱）された光パルスが検出されるまでの時間差を記録することで距離を測定します。

LiDARシステムは、スキャンミラー、複数のレーザービーム、またはその他の手段を使用して、対象空間を「スキャン」することができます。距離を正確に測定する能力により、LiDARはさまざまな問題を解決できます。

リモートセンシングにおいて、LiDARシステムは、大気中の粒子や分子からの散乱、吸収、または再放出を測定できます。これらの目的のために、システムはレーザービームの波長に対して特定の要件を持つ場合があります。例えば、LiDARシステムは、メタンやエアロゾル負荷など、大気中の特定の分子種の濃度を測定できます。LiDARはまた、大気中の雨滴を測定して、嵐の距離と降雨率を推定することもできます。

その他のLiDARシステムは、対象空間における三次元表面のプロファイルを提供します。これらのシステムでは、プローブ用レーザービームは特定のスペクトル特性に縛られません。代わりに、レーザービームの波長を、目の安全を確保するため、または大気中のスペクトル特性を避けるために選択できます。プローブビームは「ハードターゲット」に遭遇し、それがLiDAR受信機に反射されます。

LiDARは、ドップラー技術を用いるか、またはターゲットまでの距離を高速で連続的に測定することによって、ターゲットの速度を決定するためにも使用できます。例えば、LiDARシステムは、大気中の風速や自動車の速度を測定できます。

さらに、LiDARシステムを使用して、自動運転車が遭遇するような動的なシーンの三次元モデルを作成することもできます。これは通常、スキャン技術を使用してさまざまな方法で行うことができます。

LiDARの課題とは？

運用中のLiDARシステムは、システムの種類によって異なるいくつかのよく知られた課題に直面しています。一般的な例としては、以下のようなものがあります。

これらの課題は、LiDAR技術の信頼性、安全性、および手頃な価格を向上させるための活発な研究開発の焦点となっています。

LiDARの応用分野は深く、多岐にわたります。大気科学者はLiDARを使用して、多くの種類の大気成分を検出します。大気中のエアロゾルの特性評価、高層大気風の調査、雲のプロファイリング、気象データ収集の支援、その他多くのアプリケーションに利用しています。

天文学者はLiDARを使用して、月のような遠方の物体と非常に近い物体の両方の距離を測定します。実際、LiDARは月までの距離の測定をミリメートル精度まで向上させるための重要な装置です。また、天文学アプリケーション用のガイド星を作成するためにもLiDARを使用します。

NOAAの科学者は、LiDARで生成された製品を使用して、自然環境と人工環境の両方を調査します。LiDARデータは、浸水および高潮モデリング、流体力学モデリング、海岸線マッピング、緊急対応、水路測量、沿岸脆弱性分析などの活動をサポートします。

さらに、地形LiDARは近赤外線レーザーを使用して土地や建物をマッピングし、水深測量LiDARは水中を透過する緑色光を使用して海底や川底をマッピングします。農業分野ではLiDARを使用して地形や作物の生育状況をマッピングし、肥料の必要量や灌漑要件に関する情報を提供できます。考古学者はLiDARを使用して、鬱蒼とした森林の樹冠の下にある古代の交通システムをマッピングします。

今日、科学者はLiDARを頻繁に使用して、LiDARセンサー周辺の世界の3次元モデルを作成しています。自律航法は、LiDARシステムによって作成される点群を使用するアプリケーションの1つです。小型LiDARシステムは、携帯電話のような小型デバイスにも搭載されています。

LiDARは実社会でどのように活用されているのでしょうか？

LiDARの魅力的なアプリケーションの1つは、自律航法などの状況認識です。あらゆる移動車両の状況認識システムは、周囲の静止物体と移動物体の両方を認識する必要があります。例えば、レーダーは航空機の検出に長年使用されてきました。地上車両メーカーもLiDARが非常に役立つと考えています。物体までの距離を測定でき、方向性において非常に高精度であるためです。彼らは探査ビームを正確な角度に誘導し、迅速にスキャンして3次元モデル用の点群を作成できます。車両を取り巻く状況が非常に動的であるため、迅速なスキャン能力はこのアプリケーションにとって重要です。

図5. 自動運転車の自動車センサーは、カメラデータ、レーダー、LiDARを使用して周囲の物体を検出します。

図6. 自動運転車はLiDARセンサーを使用して周囲の建物や車を検出します。

ソフトウェアは、LiDARシステムの作成と運用のあらゆる側面において重要です。これは、LiDARシステムを設計するには複数の種類のソフトウェアが必要であることを意味します。

システムエンジニアは、戻りビームの信号対雑音比を予測するために放射測定モデルを必要とします。光学エンジニアは、光学設計を作成するためのソフトウェアを必要とします。電子エンジニアは、電気設計を作成するための電子モデルを必要とします。機械エンジニアは、システムレイアウトを完成させるためにCADパッケージを必要とします。エンジニアは、構造解析および熱解析モデリングソフトウェアも必要とする場合があります。

LiDARシステムの運用には、点群を3次元モデルに変換する制御ソフトウェアと再構成ソフトウェアが必要です。キーサイトは、LiDARシステムおよびコンポーネントの設計をサポートするために、いくつかの光学およびフォトニックツールを提供しています。