۱۳۹۸/۰۷/۰۷ ۰۰:۰۰ ۲۳۳
طبقه بندی: معرفی تجهیزات آزمایشگاهی
چچ
لیدار و انواع آن - LIDAR

لیدار و انواع آن - LIDAR

لیدار و انواع آن - LIDAR
در این قسمت به مبحث لیدار از منظر تجهیزت سخت افزاری و نرم افزاری بدون اشاره مفصل به کاربرد پرداخته می شود. عبارت لیدار به معنای Light Detection and Ranging می باشد. انواع تجهیز لیدار شامل موارد ذیل می باشد:
•    لیدار اتمسفری و اقیانوس شناسی
•    لیدار توپوگرافی
•    لیدار زمینی
•    لیدار هیدروگرافی
•    لیدار ثبت پیوسته موج
بصورت کلی می توان گفت با داشتن موقعیت از GPS (Global Navigation System) و توجیهات از INS (Inertial Navigation System) موقعیت و توجیهات سنجنده مشخص میشود و با داشتن زمان رفت و برگشت و جهت موج ارسالی در نهایت می توان موقعیت نقطه برگشت موج از روی زمین را محاسبه کرد. لیدار اتمسفری با استفاده از آنالیز موج برگشتی به تخمین درصد هواویز ها در جو و یا پدیده های موجود در سطح آب می پردازد.
شکل 1- لیدار اتمسفری
در لیدار هیدروگرافی از دو نوع طول موج مختلف برای محاسبه عمق آب استفاده می نماید. در طول سالیان گذشته، لیدار توانسته خود را به عنوان یک ابزار قوی برای ایجاد مدل سطح زمین و اتمسفر در حالت سه بعدی و در مقیاس بزرگ معرفی کند. این سیستم قادر به ایجاد ابر نقاط با تراکم بالا (یک نقطه در متر مربع یا بالاتر) و با دقت نسبتاً خوب m) -  در ارتفاع و m -  در سطح برای ارتفاع پرواز کمتر از 2Km) از زمین برای لیدار توپوگرافی در مدت زمان نسبتاً کوتاهی میباشد.
 
شکل 2- لیدار هیدروگرافی
اگر چه اولین لیزر اپتیکی در سال 1960 توسط Hughes توسعه پیدا کرد، اما کاربرد لیزرها برای اندازهگیری زمین از سال 1970 آغاز شد و آن زمانی بود که آنها در APR (Airborne Profile Recorder) استفاده شدند. این سیستمها پروفیلهایی را با اندازهگیری فاصله قائم از هواپیما تا سطح زمین بدست میآوردند. موقعیت هواپیما به وسیله عکسهایی که در طول پرواز اخذ میشد مشخص میگردید و در عوض موقعیت نقاط در سطح زمین مشخص شده بودند. به هر حال، با راه اندازی GPS تجاری در 1980 علاقمندیها برای استفاده از لیزر در جهت اخذ سطح زمین به صورت رقومی مجدداً افزایش یافت. این علاقه منجر به توسعه ALS (Airborne Laser Scanner) بدان میزان گردید که سیستمهای کنونی به دقتهای اندازهگیری در حدود سانتی متر دست پیدا کردهاند همچنین فواصل نقاط در ابر نقاط به چند دسی متر رسیده است.
استفاده تجاری از ALS به میزان قابل توجهی افزایش یافته است. اکنون لیدار برای تهیه نقشه توپوگرافی، هیدروگرافی، تعیین درصد آلودگی در جو و سطح اقیانوس، نقشه گیاهان (جنگلها، زمینهای مسطح و ...)، نقشه راهروها و دالانها (راهها، خطوط ریلی، خطوط نیرو و ...) و مدلسازی شهری (فضاهای شهری، ارتباطات بیسیم و ...)، کارهای مهندسی (محاسبات حجم و ...) و مهندسی و مدیریت نواحی ساحلی استفاده میشود.
 
شکل 3- لیدار زمینی
به هر حال، این تکنولوژی در حال تحول است و هنگامی که با تصویربرداری اپتیکی ترکیب میشود محدوده کاربردها و محصولات آن افزایش مییابد. در حقیقت در هر سازمان فضایی یک آزمایشگاه لیدار بایستی توانایی برطرف نمودن نیاز ها را در هر یک از کاربردهای ذکر شده و طراحی سیستم مناسب و انجام آزمایشهای لازم برای ارائه پارامترهای بهینه برای آن کاربرد را داشته باشد. از طرفی بایستی بتواند نیاز های اطلاعاتی دیگر آزمایشگاهها را در زمینه اخذ اطلاعات مدل رقومی زمین و بستر آب برطرف کند. در ادامه به بررسی انواع تجهیزات سخت افزای لیدار پرداخته می شود.
  شکل 4 -  لیدار ثبت پیوسته موج

لیدار جوی – Atmospheric Lidar

لیدار جوی، جهت اندازه گیری هواویزها و خواص آنها کاربرد دارد. تجهیزات لیدار به ما اجازه می دهند که یک اندازه گیری فعال از ذرات معلق جو داشته باشیم.لیدار یک دستگاه می باشد که از پالسهای کوتاه نور لیزر، برای کشف ذرات معلق یا گازها در جو استفاده می نماید. با استفاده از لیدار یک پروفیل از ساختار جو در طول مسیر موج لیزر استخراج می شود. سپس محققان می توانند موقعیت، توزیع و ذرات جو و نوع مولکولها را با استفاده از روشهای پیشرفته لیدار که تکنیک لیدار جذبی تفاضلی نامیده می شود، تعیین نمایند. (Differential Absorption Lidar, DIAL). در شکل زیر سیستم لیدار جوی بصورت شماتیک نشان داده شده است.
 
شماتیک سیستم لیدار جوی
لیزر قوی، امواج را به جو می فرستد و سیگنالهای برگشتی توسط تلسکوپ جمع شده و به سمت دتکتورهای حساس هدایت می-شود. با استفاده از فاصله زمانی میان سیگنال تابیده شده و سیگنال برگشتی، پروفیل قائم شدت را می توان استخراج نمود. انواع مختلف لیدارها، ویژگیهای مختلف اتمسفر را اندازه گیری می نماید. با توجه به اینکه مولکولهای مختلف، نور را تنها در یک طول موج خاص جذب می نمایند، بنابراین می توان با تنظیم پالسهای لیزر در طول موجهای مختلف برای مولکولهای مختلف اتمسفر، آنها را با استفاده از روش DIAL مورد مطالعه قرار داد. این نوع از سنجنده های لیزری در حال حاضر توسط چند کشور بصورت محدود تولید می شود. این سنجنده موج لیزری را به سطح اقیانوس، دریا و یا ارتفاع خاصی از جو تابانده و نحوه سیگنال برگشتی و مقدار آن را مورد بررسی قرار می دهد. با مطالعه و اندازه گیری رفتار های کنش امواج و سطوح برای اجسام مختلف و شبیه سازی آن برای درصد های مختلف مواد مختلف، می توان با بررسی مقدار موج جذبی، پخش شده و ... میزان تراکم و نوع مواد تشکیل دهنده پدیده مورد مطالعه را اندازه گیری کرد.
از مزایای این سنجنده می توان به مطالعه نوع و میزان هوایز ها در جو، مطالعه پروفیل دمای جو، مطالعه سرعت بادها و جهت آنها در ارتفاعات مختلف جوی، مطالعات پدیده ها ی اقیانوسی و اندازه گیری درصد جلبک ها، دمای لایه های زیر سطح آب، شناسایی نفت در سطح آب و ضخامت آن و اندازه گیری کلروفیل دریا اشاره نمود.  
 
اجزا مختلف یک سیستم لیدار اتمسفر و اقیانوس شناسی
میتوان از مهمترین قسمت ها به منبع تولید کننده لیزر با طول موج مناسب، منبع تامین کننده انرژی، فرستنده و گیرنده موج لیزری و سیستم اندازه گیری و مانیتورینگ و کنترل اشاره نمود. LIDAR جوی در انواع مختلف شامل Backscatter Lidar، Raman، MicroPulse و DIAL وجود دارد.
     انواع دستگاه لیدار شامل لیدار Backscatter، لیدار RAMAN و آزمایشگاه مربوطه، لیدار دایال و لیدار micro pulse

لیدار توپوگرافیک (هوابرد) – Topographic Lidar


اجزای کلی یک سیستم لیدار توپوگرافیک به شرح زیر است:
•    (Laser Range Finder)LRF - برای گسیل و دریافت لیزر و تعیین فاصله
•    (Global Positioning System)GPS - تعیین کننده موقعیت نقاط اسکن
•    (Inertial Measurement Unit) IMU - تعیین حالت
•    Computer - کنترل کننده اخذ دیتا به صورتOn-line  
•    Data Storage Unit - ذخیره سازی داده ها
این اجزای همگی بر روی سکوی هواپیما یا هلیکوپتر سوار می شوند. سیستم های Lidar معمولاً فاصله تا سطح زمین را با اندازه-گیری زمان پرواز (time-of-flight) یک تشعشع کوچک مادون قرمز لیزر تعیین می کنند.
برای به دست آوردن مختصات سه بعدی (طول، عرض، ارتفاع) هر نقطه از سطح که پالس لیزر به آن برخورد کرده است، لازم است که علاوه بر طول اندازه گیری شده دو عامل دیگر نیز معلوم باشند: موقعیت هواپیما که از آن اندازه گیری صورت گرفته است و جهتی که ارتفاع سنج لیزری داشته است. این مقادیر معمولاً به وسیله گیرنده های GPS (Global Positioning System) داخل هواپیما، که گیرنده مرجع آن روی نقطه مشخصی بر روی زمین قرار دارد، و INS  (Inertial Navigation System) بدست می آیند .
با یک سیستم ارتفاع سنج لیزری که با این اجزا ترکیب شده باشد مختصات مطلق نقاط سطح، با خطاهای عمودی و افقی قابل تعیین شدن است. لیزر قابلیت اندازه گیری فاصله را به طور دقیق دارا می باشد اما محدودیت دقت در سیستم های Lidar به خاطر اندازه گیری های GPS و اجزا اینرشیال است. سیستم های اسکن Lidar بسته به میزان دقت مورد نظر و چگالی نقاط قادر به اسکن از ارتفاع تا می باشند. معمولاً یک عامل انسانی روند برداشت را کنترل می کند (شکل 2).
 
 شکل 1 - نمایی از سیستم LIDAR
 شکل 2- نظارت عامل انسانی بر روند برداشت
پالس لیزر به طور کلی به دو صورت گسیل می شود (شکل 3 و شکل4):
o    الگوی موازی (Parallel pattern) که با توجه به اصل آرایه فیبرهای گیرنده و فرستنده بدست می آید.
o    الگوی شبه سینوسی (Sinus like pattern) که با آینه های دوران کننده بدست می آید.
 
شکل 3- الگوهای اخذ داده های LIDAR بصورت سینوسی
شکل 4- اسکنر فیبری TopoSys بصورت موازی
چگالی نقاط (فاصله نمونه برداری) بستگی به روش اسکن دارد و در طول نوار پرواز متغییر است (شکل 5). برای آرایه فیبرها فاصله نقاط در جهت  (X) و عمود بر جهت پرواز (Y) برابر است با :
 
در رابطه فوق ʋ سرعت پرواز، fscan فرکانس اسکن کردن، h ارتفاع پرواز،  Ω معادل FOV و μ قدرت تفکیک زاویه ای مابین المان های فیبرها است.
 
شکل5- (a) تراکم نقاط Lidar , (b) Lidar footprint
جدول 1 منابع اصلی خطا در سیستم های Lidar را نشان می دهد. سیستم های توپوگرافی برای گسیل سیگنال از فرکانس 30000Hz استفاده می کنند.
جدول1- منابع اصلی خطا در سیستم های Lidar
در شکل 6 یک نمونه از عوارض استخراج شده با استفاده از روش برداشت لیدار توپوگرافی ارائه شده است.
 
 
شکل 6- عوارض استخراج شده با استفاده از روش برداشت لیدار توپوگرافی
در نهایت خروجی حاصل از برداشت لیدار در آزمایشگاه بصورت داده های بنیادی ALS می تواند به صورت های زیر باشد:
  • نقاط اندازه گیری شده
در یک سیستم ALS، زمان بازگشت یک پالس لیزر گسیل شده از سطوحی که بر روی زمین قرار دارند، محاسبه می شود تا فاصله بین نقطه گسیل (بر روی پلت فرم هوایی) از سطح زمین به دست آید. زمان رفت و برگشت پالس به وسیله آنالیز الکترونیکی نوع موج پالس برگشتی محاسبه می شود. اکنون فاصله از نقطه گسیل پالس تا سطح زمین با ضرب سرعت نور در نصف زمان رفت و برگشت بدست می آید. یک آرایه از اندازه گیری های فاصله، نوعاً خطی، "یک اسکن" نامیده می شود، زیرا فاصله و موقعیت گسیل های پالس و حالت (Attitude) خط دید در ALS مشخص است، به ترتیب GPS وIMU، موقعیت نقاط روی سطح زمین در یک قالب سه بعدی قابل تعیین خواهند بود. فواصل یک اسکن با نرخی بالاتر از KHz  اندازه گیری می شوند. آخرین مدل سیستم های کنونی قادر به اندازه گیری با نرخی در حدود KHz  می باشند.
فواصل بین نقاط، بستگی به نرخ اندازه گیری، زاویه اسکن، ارتفاع پرواز و سرعت هواپیما دارد. زاویه اسکن (زاویه حاصل از اسکن دو انتها) از   تا   تغییر می کند. ارتفاع پرواز معمولاً از 100 m تا 1Km تغییر می کند، اگر چه سیستم های جدید در ارتفاع های حدود 3Km نیز قابل استفاده می باشند. بنابراین، فواصل نقاط در هر جایی بین 0.1m تا 5m قابل تغییر است. چون عوارض روی زمین در ترکیب مواد و ارتفاع متفاوت می باشند، قدرت سیگنال پالس برگشتی (یعنی پژواک پالس گسیل شده) نیز ضبط می شود و امکان دریافت چندین انعکاس از یک پالس وجود دارد. اولین پالس منعکس شده به نظر می رسد که حاوی اطلاعاتی راجع به گیاهان در مقایسه با پالس برگشتی دوم می باشد. بنابراین، اولین بازگشت های پالس در تولید اورتوفوتو و کاربردهای جنگل داری و تعیین پوشش گیاهی استفاده می شوند در حالی که بازگشت های دوم برای اندازه گیری زمین لخت استفاده می شوند. همانگونه که نوع موج برگشتی برای اندازه گیری زمان بازگشت یک پالس استفاده می شود، اکثر سیستم ها از این مورد برای اندازه-گیری قدرت پالس برگشتی نیز استفاده می کنند.
مواد موجود بر روی سطح زمین خصوصیات طیفی متفاوتی دارند و به همین دلیل امکان بدست آوردن یک تصویر با قدرت تفکیک پایین از قدرت پالس برگشتی وجود دارد. نوعاً، تشعشع استفاده شده در Lidar در محدوده IR از طیف الکترومغناطیس است. بنابراین، موادی مانند گیاه، روشن به نظر می رسند، زمین و آسفالت تیره به نظر می آیند و آب با عمق زیاد تشعشع را جذب می کند. به همین دلیل برای کلاسه بندی تا حدودی می توان از بازتاب استفاده کرد. برخی سیستم های ALS در زمان اسکن کردن، تصویربرداری نیز می کنند. بنابراین، به هر نقطه می توان RGB مربوطه را نسبت داد. وقتی همه اسکن ها به هم پیوسته شدند ابری از نقاط در قالب سه بعدی بدست می آید که بزرگ و حجیم هستند، و اغلب شامل میلیون ها نقطه می باشند.
  • امکان ثبت چندین انعکاس برای هر سیگنال
سیگنال لیزری در زمان ارسال به سمت زمین ممکن است با اشیای مختلفی برخورد کند. ممکن است قسمتی از سیگنال فرستاده شده، به پوشش گیاهی برخورد کند و به سمت گیرنده منعکس شود و توسط آن ثبت گردد و بخشی دیگر از آن به سطح زمین برخورد کند و بازتاب آن توسط گیرنده ثبت شود. علاوه بر این دو بازگشت، ممکن است که سیگنال لیزر به عوارض دیگری هم در بین این دو مسیر برخورد نماید و انعکاس آن توسط سنجنده ثبت شود. سیستم های امروزی قابلیت ثبت حداقل دو انعکاس مختلف برای هر سیگنال فرستاده شده را دارا می باشند که معمولاً به این انعکاس ها "پالس اولیه" (first pulse) و پالس ثانویه (last pulse) گفته می شود. این ویژگی، سیستم های LIDAR را از سیستم های معمول فتوگرامتری متمایز می کند؛ چرا که در مناطق پوشیده از گیاه علاوه بر مدل رقومی سطح منطقه، می توان به کمک پالس ثانویه و بسته به تراکم پوشش گیاهی، بخش زیادی از سطح زمین را نیز نمونه برداری نمود.
  • ثبت اطلاعات رادیومتریک
اطلاعاتی که توسط سیستم اندازه گیری طول LIDAR جمع آوری می شود، به صورت مختصات سه بعدی x,y,z می باشند. در سال های اخیر دو روش عمده به منظور افزودن قابلیت اندازه گیری اطلاعات رادیومتریک عوارض به داده های معمول ارتفاعی LIDAR مورد استفاده قرار گرفته است. یکی از این رو
آدرس کوتاه شده: