Come concetto, il lidar esiste da decenni. Tuttavia, l'interesse per questa tecnologia è cresciuto notevolmente negli ultimi anni, poiché i sensori diventano più piccoli, più complessi e la portata dei prodotti con tecnologia lidar si sta espandendo sempre di più.
La parola lidar è una traslitterazione di LIDAR (Light Detection and Ranging). Si tratta di una tecnologia per ottenere ed elaborare informazioni su oggetti distanti utilizzando sistemi ottici attivi che sfruttano i fenomeni di riflessione e diffusione della luce in supporti trasparenti e semitrasparenti. Lidar come dispositivo è simile a un radar, quindi la sua applicazione è l'osservazione e il rilevamento, ma invece delle onde radio, come in un radar, utilizza la luce generata nella stragrande maggioranza dei casi da un laser. Il termine lidar è spesso usato in modo intercambiabile con Ladar, che sta per rilevamento laser e distanza, sebbene Joe Buck, capo della ricerca presso Coherent Technologies, parte della divisione dei sistemi spaziali di Lockheed Martin, affermi che i due concetti dal punto di vista tecnico sono diversi. “Quando guardi qualcosa che potrebbe essere considerato un oggetto morbido, come il particolato o un aerosol nell'aria, gli esperti tendono a usare il lidar quando parlano di rilevare quegli oggetti. Quando guardi oggetti solidi, solidi come un'auto o un albero, tendi a inclinarti verso il termine Ladar". Per qualche informazione in più sul lidar da un punto di vista scientifico, vedere la sezione "Lidar: come funziona".
"Lidar è stato oggetto di ricerca per molti decenni sin dal suo inizio nei primi anni '60", ha continuato Buck. Tuttavia, l'interesse per esso è cresciuto notevolmente dall'inizio di questo secolo, grazie, prima di tutto, al progresso tecnologico. Ha usato il rendering dell'apertura sintetica come esempio. Più grande è il telescopio, maggiore è la risoluzione dell'oggetto che si può ottenere. Se hai bisogno di una risoluzione estremamente elevata, potrebbe essere necessario un sistema ottico molto più grande, che potrebbe non essere molto pratico da un punto di vista pratico. L'imaging ad apertura sintetica risolve questo problema utilizzando una piattaforma mobile e l'elaborazione del segnale per ottenere un'apertura effettiva che può essere molto più grande dell'apertura fisica. I radar ad apertura sintetica (SAR) sono in uso da molti decenni. Tuttavia, è stato solo all'inizio degli anni 2000 che sono iniziate le dimostrazioni pratiche dell'imaging ottico ad apertura sintetica, nonostante il fatto che i laser fossero già ampiamente utilizzati all'epoca. “In effetti, ci è voluto più tempo per sviluppare sorgenti ottiche che avessero una stabilità sufficiente su un'ampia gamma di regolazioni… Continua il miglioramento dei materiali, delle sorgenti luminose e dei rilevatori (usati nei lidar). Non solo ora hai la possibilità di prendere queste misure, sei in grado di farle in piccoli blocchi, rendendo i sistemi pratici in termini di dimensioni, peso e consumo energetico."
Diventa anche più facile e pratico raccogliere dati dal lidar (o informazioni raccolte dal lidar). Tradizionalmente, è stato assemblato da sensori aeronautici, afferma Nick Rosengarten, capo del Geospatial Exploitation Products Group presso BAE Systems. Tuttavia, oggi, i sensori possono essere installati nei veicoli di terra o persino negli zaini, il che implica la raccolta di dati umani. "Questo apre tutta una serie di possibilità, i dati possono ora essere raccolti sia all'interno che all'esterno", ha spiegato Rosengarten. Matt Morris, Head of Geospatial Solutions presso Textron Systems, afferma: “Il lidar è un set di dati davvero sorprendente perché fornisce i dettagli più dettagliati sulla superficie terrestre. Fornisce un'immagine molto più dettagliata e, per così dire, più colorata rispetto alla tecnologia DTED (Digital Terrain Elevation Data), che fornisce informazioni sull'elevazione della superficie terrestre in determinati punti. Forse uno dei casi d'uso più potenti che ho sentito dai nostri clienti militari è lo scenario di schieramento in un terreno sconosciuto, perché hanno bisogno di sapere dove stanno andando… per arrampicarsi su un tetto o su una recinzione. I dati DTED non ti permettono di vederlo. Non vedrai nemmeno gli edifici."
Morris ha notato che anche alcuni tradizionali dati di elevazione del terreno ad alta risoluzione non ti permetteranno di vedere queste caratteristiche. Ma il lidar ti consente di farlo grazie alla sua "spaziatura di posizione" - un termine che descrive la distanza tra le posizioni che può essere accuratamente mostrata nell'array di dati. Nel caso di un lidar, il “passo” può essere ridotto a centimetri, “così puoi conoscere esattamente l'altezza del tetto di un edificio o l'altezza di un muro o l'altezza di un albero. Questo aumenta davvero il livello di consapevolezza situazionale tridimensionale (3D). " Inoltre, il costo dei sensori lidar sta diminuendo così come le loro dimensioni, rendendoli più convenienti. “Dieci anni fa, i sistemi di sensori lidar erano molto grandi e molto costosi. Avevano davvero un alto consumo energetico. Ma man mano che si sviluppavano, le tecnologie miglioravano, le piattaforme diventavano molto più piccole, il consumo di energia diminuiva e la qualità dei dati che generavano aumentava".
Morris ha affermato che l'uso principale del lidar in campo militare è nella pianificazione e nell'addestramento 3D delle missioni di combattimento. Ad esempio, il prodotto di simulazione di volo Lidar Analyst della sua azienda consente agli utenti di acquisire grandi quantità di dati e "generare rapidamente questi modelli 3D, quindi possono pianificare le loro missioni in modo molto accurato". Lo stesso vale per le operazioni a terra. Morris ha spiegato: "Il nostro prodotto viene utilizzato per pianificare i percorsi di ingresso e di uscita verso l'area di destinazione e, poiché i dati grezzi sono ad alta risoluzione, è possibile condurre un'analisi molto accurata della situazione all'interno della linea di vista".
Insieme a Lidar Analyst, Textron ha sviluppato RemoteView, un prodotto software di analisi delle immagini per le agenzie militari e di intelligence degli Stati Uniti. Il software RemoteView può utilizzare una varietà di origini dati, inclusi i dati lidar. BAE Systems fornisce anche software per l'analisi geospaziale, il suo prodotto di punta è SOCET GXP, che fornisce molte funzionalità, incluso l'uso di dati lidar. Inoltre, Rosengarten ha spiegato che l'azienda ha sviluppato la tecnologia GXP Xplorer, che è un'applicazione per la gestione dei dati. Queste tecnologie sono abbastanza adatte per applicazioni militari. Rosengarten, ad esempio, ha citato uno strumento per il calcolo della zona di atterraggio dell'elicottero che fa parte del software SOCET GXP. "Può prendere dati lidar e fornire agli utenti informazioni su aree a terra che potrebbero essere sufficienti per l'atterraggio di un elicottero". Ad esempio, può dire loro se ci sono ostacoli verticali sulla strada, come alberi: "Le persone possono utilizzare questo strumento per identificare le aree che potrebbero essere più adatte come punto di evacuazione durante le crisi umanitarie". Rosengarten ha anche evidenziato il potenziale della piastrellatura, in cui più set di dati lidar vengono raccolti da un'area specifica e cuciti insieme. Ciò è reso possibile dalla “maggiore fedeltà dei metadati dei sensori lidar in combinazione con software come l'applicazione SOCET GXP di BAE Systems, che può trasformare i metadati in zone precise sul terreno, calcolate utilizzando dati geospaziali. Il processo si basa su dati lidar e non dipende da come i dati vengono raccolti".
Come funziona: lidar
Lidar funziona illuminando il bersaglio con la luce. Il lidar può utilizzare la luce nelle gamme del visibile, dell'ultravioletto o del vicino infrarosso. Il principio di funzionamento del lidar è semplice. L'oggetto (superficie) viene illuminato con un breve impulso luminoso, viene misurato il tempo dopo il quale il segnale ritorna alla sorgente. Lidar lancia brevi impulsi di radiazione laser su un oggetto (superficie) con una frequenza fino a 150.000 impulsi al secondo. Un sensore sul dispositivo misura il tempo tra la trasmissione di un impulso luminoso e la sua riflessione, assumendo una velocità della luce costante di 299792 km/s. Misurando questo intervallo di tempo, è possibile calcolare la distanza tra il lidar e una parte separata dell'oggetto e, quindi, costruire un'immagine dell'oggetto in base alla sua posizione rispetto al lidar.
Taglio del vento
Nel frattempo, Buck ha indicato possibili applicazioni militari della tecnologia WindTracer di Lockheed Martin. La tecnologia commerciale WindTracer utilizza il lidar per misurare il wind shear negli aeroporti. Lo stesso procedimento può essere utilizzato in campo militare, ad esempio, per lanci di precisione. “Devi far cadere i rifornimenti da un'altitudine sufficientemente elevata, per questo li metti su pallet e li lasci cadere da un paracadute. Ora vediamo dove atterrano? Puoi provare a prevedere dove andranno, ma il problema è che mentre scendi, il wind shear cambia direzione a diverse altitudini , ha spiegato. - E poi come fai a prevedere dove atterrerà il pallet? Se puoi misurare il vento e ottimizzare la traiettoria, puoi fornire rifornimenti con una precisione molto elevata.”
Lidar è utilizzato anche nei veicoli terrestri senza equipaggio. Ad esempio, il produttore di veicoli terrestri automatici (AHA), Roboteam, ha creato uno strumento chiamato Top Layer. È una tecnologia di mappatura 3D e navigazione autonoma che utilizza lidar. Top Layer utilizza il lidar in due modi, afferma Shahar Abukhazira, capo di Roboteam. Il primo consente la mappatura in tempo reale degli spazi chiusi. "A volte il video è insufficiente in condizioni sotterranee, ad esempio, potrebbe essere troppo buio o la visibilità si è deteriorata a causa della polvere o del fumo", ha aggiunto Abukhazira. - Le capacità di Lidar ti consentono di allontanarti da una situazione senza orientamento e comprensione dell'ambiente … ora mappa la stanza, mappa il tunnel. Immediatamente puoi capire la situazione, anche se non vedi nulla e anche se non sai dove sei».
Il secondo uso del lidar è la sua autonomia, aiutando l'operatore a controllare più di un sistema in un dato momento. "Un operatore può controllare un AHA, ma ci sono altri due AHA che semplicemente tracciano e seguono un veicolo controllato dall'uomo", ha spiegato. Allo stesso modo, un soldato può entrare nei locali e l'ANA lo segue semplicemente, cioè non c'è bisogno di mettere da parte le armi per azionare l'apparato. "Rende il lavoro semplice e intuitivo." Il più grande AHA Probot di Roboteam ha anche un lidar a bordo per aiutarlo a percorrere lunghe distanze. “Non è possibile richiedere a un operatore di premere un pulsante per tre giorni di seguito… si utilizza un sensore lidar per seguire semplicemente i soldati, o seguire l'auto, o addirittura spostarsi automaticamente da un punto all'altro, il lidar aiuterà a queste situazioni. evitare gli ostacoli. " Abukhazira si aspetta importanti scoperte in questo settore in futuro. Ad esempio, gli utenti volevano avere una situazione in cui un umano e un ANA interagiscono come due soldati. “Non avete il controllo l'uno dell'altro. Vi guardate, vi chiamate e agite esattamente come dovreste. Credo che in un certo senso otterremo questo livello di comunicazione tra persone e sistemi. Sarà più efficiente. Credo che i lidar ci stiano portando in quella direzione".
Andiamo sottoterra
Abukhazira spera anche che i sensori lidar miglioreranno le operazioni in ambienti sotterranei pericolosi. I sensori Lidar forniscono informazioni aggiuntive durante la mappatura dei tunnel. Inoltre, ha notato che a volte in un tunnel piccolo e buio, l'operatore potrebbe anche non rendersi conto che l'AHA sta conducendo nella direzione sbagliata. “I sensori Lidar funzionano come un GPS in tempo reale e fanno sembrare il processo un videogioco. Puoi vedere il tuo sistema nel tunnel, sai dove stai andando in tempo reale.
Vale la pena notare che i sensori lidar sono un'altra fonte di dati e non dovrebbero essere considerati un sostituto diretto del radar. Buck ha notato che c'è una grande differenza di lunghezza d'onda tra le due tecnologie, che hanno i loro vantaggi e svantaggi. Spesso la soluzione migliore è utilizzare entrambe le tecnologie, ad esempio misurando i parametri del vento con una nuvola di aerosol. Le lunghezze d'onda più corte dei sensori ottici forniscono un rilevamento direzionale migliore rispetto alle lunghezze d'onda più lunghe di un sensore RF (radar). Tuttavia, le proprietà di trasmissione dell'atmosfera sono molto diverse per i due tipi di sensori. “Il radar è in grado di attraversare certi tipi di nuvole che sarebbero difficili da affrontare per un lidar. Ma in caso di nebbia, ad esempio, il lidar può funzionare leggermente meglio del radar.
Rosengarten ha affermato che la combinazione del lidar con altre fonti di luce come i dati pancromatici (quando si esegue l'imaging utilizzando un'ampia gamma di lunghezze d'onda della luce) fornirà un'immagine completa dell'area di interesse. Un buon esempio qui è la definizione di un sito di atterraggio per elicotteri. Lidar può scansionare un'area e dire che ha pendenza zero, indipendentemente dal fatto che stia effettivamente guardando il lago. Questo tipo di informazioni può essere ottenuto attraverso l'uso di altre sorgenti luminose. Rosengarten crede che l'industria alla fine fonderà le tecnologie, riunendo diverse fonti di dati visivi e di luce. "Troverà il modo di riunire tutti i dati sotto un unico ombrello… Ottenere informazioni accurate e complete non è solo utilizzare i dati lidar, ma è un compito complesso che coinvolge tutte le tecnologie disponibili".
