LiDAR là từ viết tắt của Light Detection and Ranging (Phát hiện và đo khoảng cách bằng ánh sáng). Trong LiDAR, ánh sáng laser được gửi từ một nguồn (máy phát) và phản xạ từ các vật thể trong hiện trường. Ánh sáng phản xạ được phát hiện bởi bộ thu hệ thống và thời gian bay (time of flight – TOF) được sử dụng để phát triển bản đồ khoảng cách của các vật thể trong cảnh.
LiDAR là một công nghệ quang học thường được coi là phương pháp chính để cảm biến khoảng cách cho các phương tiện tự hành. Nhiều nhà sản xuất đang nỗ lực phát triển các hệ thống LiDAR nhỏ gọn, tiết kiệm chi phí. Hầu như tất cả các nhà sản xuất theo đuổi công nghệ lái xe tự hành đều coi LiDAR là công nghệ hỗ trợ chính và một số hệ thống LiDAR đã có sẵn cho Hệ thống hỗ trợ lái xe tiên tiến (ADAS).
LiDAR hoạt động như thế nào và nó cung cấp giải pháp như thế nào?
Về cơ bản, LiDAR là một thiết bị đo khoảng cách, đo khoảng cách đến mục tiêu. Khoảng cách được đo bằng cách gửi một xung laser ngắn và ghi lại khoảng thời gian trôi qua giữa xung ánh sáng đi ra và việc phát hiện xung ánh sáng phản xạ (tán xạ ngược).
Hệ thống LiDAR có thể sử dụng gương quét (scan mirror), nhiều chùm tia laser hoặc các phương tiện khác để “quét” không gian đối tượng. Với khả năng cung cấp phép đo khoảng cách chính xác, LiDAR có thể được sử dụng để giải quyết nhiều vấn đề khác nhau.
Trong viễn thám, hệ thống LiDAR được sử dụng để đo độ phân tán, hấp thụ hoặc tái phát xạ từ các hạt hoặc phân tử trong khí quyển. Với những mục đích này, hệ thống có thể có các yêu cầu cụ thể về bước sóng của chùm tia laze. Nồng độ của một loại phân tử cụ thể trong khí quyển, ví dụ như có thể đo được lượng khí mê-tan và lượng khí dung. Những giọt mưa trong khí quyển có thể được đo để ước tính khoảng cách của cơn bão và tốc độ mưa rơi.
Các hệ thống LiDAR khác cung cấp các cấu hình của các bề mặt ba chiều trong không gian đối tượng. Trong các hệ thống này, các chùm tia laser thăm dò không bị ràng buộc với các đặc điểm quang phổ cụ thể. Thay vào đó, bước sóng của các chùm tia laser có thể được lựa chọn để đảm bảo an toàn cho mắt hoặc tránh các đặc điểm quang phổ của khí quyển. Chùm tia thăm dò gặp phải và được phản xạ bởi một “mục tiêu cứng” trở lại máy thu LiDAR.
LiDAR cũng có thể được sử dụng để xác định vận tốc của mục tiêu. Điều này có thể được thực hiện thông qua kỹ thuật Doppler hoặc đo khoảng cách đến mục tiêu theo trình tự nhanh chóng. Ví dụ, vận tốc gió trong khí quyển và vận tốc của ô tô có thể được đo bằng hệ thống LiDAR.
Ngoài ra, hệ thống LiDAR có thể được sử dụng để tạo ra mô hình ba chiều của cảnh động, chẳng hạn như những gì một chiếc xe tự hành có thể gặp phải. Việc này có thể được thực hiện bằng nhiều cách khác nhau, thường là sử dụng kỹ thuật quét.
Thách thức của LiDAR là gì?
Về cơ bản, LiDAR là một thiết bị đo phạm vi, đo khoảng cách tới mục tiêu. Khoảng cách được đo bằng cách gửi một xung laser ngắn và ghi lại khoảng thời gian trôi qua giữa xung ánh sáng phát ra và phát hiện xung ánh sáng phản xạ (tán xạ ngược).
- Sự cách ly và loại bỏ tín hiệu từ chùm tia phát ra – Độ bức xạ của chùm tia thăm dò thường lớn hơn nhiều so với chùm tia phản hồi. Phải cẩn thận để đảm bảo chùm tia thăm dò không bị phản xạ hoặc phân tán bởi hệ thống quay trở lại máy thu khiến máy dò bị bão hòa và không thể phát hiện các mục tiêu bên ngoài.
- Tín hiệu phản hồi giả từ các mảnh vỡ trong bầu khí quyển giữa máy phát và mục tiêu dự định – Các mảnh vỡ có thể gây ra sự phản xạ giả mạnh đến mức không thể phát hiện được sự phản xạ từ các mục tiêu dự định.
- Những hạn chế về công suất quang khả dụng -Một hệ thống có công suất lớn hơn trong chùm tia mang lại độ chính xác cao hơn nhưng vận hành tốn kém hơn.
- Tốc độ quét – An toàn có thể là một vấn đề khi nguồn laser hoạt động ở tần số nguy hiểm cho mắt người. Vấn đề này đang được giảm thiểu bằng các phương pháp tiếp cận khác như flash LiDAR, chiếu sáng một khu vực rộng lớn cùng một lúc và hoạt động ở bước sóng an toàn cho mắt.
- Tín hiệu nhiễu xuyên âm của thiết bị từ các thiết bị LiDAR ở gần có thể gây nhiễu tín hiệu quan tâm. Thách thức hiện nay là làm thế nào để phân biệt các tín hiệu phát ra từ các thiết bị LiDAR khác ở gần đó. Nhiều cách tiếp cận khác nhau với việc tách tín hiệu và cách ly đang được phát triển.
- Chi phí và bảo trì hệ thống LiDAR – Các hệ thống này đắt hơn một số loại cảm biến thay thế tuy nhiên đang có sự phát triển tích cực để khắc phục chi phí cao và sản xuất các hệ thống với giá thấp hơn để sử dụng rộng rãi hơn. Loại bỏ tín hiệu trả về từ các vật thể không mong muốn – Điều này tương tự như việc loại bỏ tín hiệu nhiễu khí quyển như đã đề cập trước đó. Tuy nhiên, nó cũng có thể xảy ra trong các tình huống không khí trong lành. Giải quyết thách thức này thường liên quan đến việc giảm thiểu kích thước của chùm tia ở nhiều khoảng cách mục tiêu khác nhau cũng như trên trường nhìn nhận được tại máy thu LiDAR.
Những ứng dụng khác của LiDAR
Các lĩnh vực ứng dụng của LiDAR rất sâu rộng và đa dạng. Trong khoa học khí quyển, LiDAR đã được sử dụng để phát hiện nhiều loại thành phần khí quyển. Nó đã được sử dụng để mô tả các hạt khí dung trong khí quyển, nghiên cứu gió trên khí quyển, tạo hình mây, hỗ trợ thu thập dữ liệu thời tiết và nhiều ứng dụng khác. Trong thiên văn học, LiDAR đã được sử dụng để đo khoảng cách, đối với cả các vật thể ở xa như mặt trăng và các vật thể rất gần. Trên thực tế, LiDAR là một thiết bị quan trọng để cải thiện việc đo khoảng cách tới mặt trăng với độ chính xác lên đến từng milimet. LIDAR cũng được sử dụng để tạo ra các ngôi sao dẫn đường cho các ứng dụng thiên văn học.
Dữ liệu LiDAR thường được thu thập bằng đường hàng không, chẳng hạn ở hình dưới như với máy bay khảo sát NOAA này (bên phải) trên Cầu Bixby ở Big Sur, California. Ở đây, dữ liệu LiDAR tiết lộ góc nhìn từ trên xuống (trên cùng bên trái) và góc nhìn nghiêng của Cầu Bixby. Các nhà khoa học NOAA sử dụng các sản phẩm do LiDAR tạo ra để kiểm tra cả môi trường tự nhiên và nhân tạo. Dữ liệu LiDAR hỗ trợ các hoạt động như mô hình hóa ngập lụt và bão dâng, mô hình hóa thủy động lực học, lập bản đồ đường bờ biển, ứng phó khẩn cấp, khảo sát thủy văn và phân tích mức độ dễ bị tổn thương của bờ biển.
Hơn nữa, LiDAR địa hình sử dụng tia laser cận hồng ngoại để lập bản đồ đất đai và các tòa nhà, còn LiDAR đo độ sâu sử dụng ánh sáng xanh xuyên qua nước để lập bản đồ đáy biển và lòng sông. Trong nông nghiệp, LiDAR có thể được sử dụng để lập bản đồ địa hình và sự phát triển của cây trồng, có thể cung cấp thông tin về nhu cầu phân bón và yêu cầu tưới tiêu. Trong khảo cổ học, LiDAR đã được sử dụng để lập bản đồ hệ thống giao thông cổ đại dưới tán rừng rậm.
Ngày nay, LiDAR thường được sử dụng để tạo mô hình ba chiều của thế giới xung quanh cảm biến LiDAR. Điều hướng tự động là một ứng dụng sử dụng đám mây điểm do hệ thống LiDAR tạo ra. Hệ thống LiDAR thu nhỏ thậm chí có thể được tìm thấy trong các thiết bị nhỏ như điện thoại di động.
LiDAR hoạt động như thế nào trong tình huống thực tế?
Một ứng dụng thú vị của LiDAR là nhận biết tình huống cho những thứ như điều hướng tự động. Hệ thống nhận thức tình huống cho bất kỳ phương tiện đang di chuyển nào cũng cần nhận biết được cả vật thể đứng yên và vật thể chuyển động xung quanh nó. Ví dụ, radar từ lâu đã được sử dụng để phát hiện máy bay. LiDAR được phát hiện rất hữu ích cho các phương tiện trên mặt đất vì nó có thể xác định khoảng cách đến các vật thể và rất chính xác về mặt định hướng. Các chùm tia thăm dò có thể được hướng đến các góc chính xác và quét nhanh chóng để tạo ra đám mây điểm cho mô hình ba chiều. Khả năng quét nhanh là chìa khóa cho ứng dụng này vì tình huống xung quanh phương tiện có tính động cao.
