LiDAR – Phát hiện ánh sáng và đo khoảng cách

LiDAR là từ viết tắt của cụm từ Light Detection And Ranging, dịch sang tiếng Việt có nghĩa là “Phát hiện ánh sáng và đo khoảng cách”. Đây là một công nghệ sử dụng ánh sáng laser để đo khoảng cách đến các vật thể. Ứng dụng của LiDAR vô cùng đa dạng, từ xe tự lái, khảo sát địa hình đến robot và nhiều lĩnh vực khác.

Cấu trúc của một hệ thống LiDAR cơ bản

Một hệ thống LiDAR điển hình bao gồm các thành phần chính sau:

Nguồn phát laser:

• Chức năng: Tạo ra các xung ánh sáng laser có độ chính xác cao.
• Loại laser: Thường sử dụng laser diode hoặc laser sợi quang.
• Bước sóng: Bước sóng của laser ảnh hưởng đến khả năng xuyên thấu của tia laser trong môi trường khác nhau. Ví dụ, laser hồng ngoại thường được sử dụng để đo khoảng cách trong không khí, trong khi laser xanh lục được sử dụng trong các ứng dụng dưới nước.

Hệ thống quang học:

• Chức năng: Thu thập và tập trung ánh sáng laser phản hồi từ vật thể.
• Thành phần: Gồm các thấu kính, gương, và các bộ phận quang học khác.
• Mục tiêu: Tăng cường cường độ ánh sáng phản hồi và hướng ánh sáng vào cảm biến.

Cảm biến:

• Chức năng: Đo cường độ và thời gian của các xung laser phản hồi.
• Loại cảm biến: Thường sử dụng cảm biến quang điện tử như photodiode, avalanche photodiode (APD).
• Nguyên lý hoạt động: Khi ánh sáng phản hồi chiếu vào cảm biến, nó sẽ tạo ra một tín hiệu điện tỉ lệ với cường độ ánh sáng.

Bộ xử lý tín hiệu:

Chức năng: Xử lý dữ liệu thu được từ cảm biến để tính toán khoảng cách.

Quá trình:

• Xác định thời gian trễ: Tính toán thời gian trễ giữa xung phát ra và xung nhận được.
• Tính toán khoảng cách: Sử dụng công thức: Khoảng cách = (Tốc độ ánh sáng * Thời gian trễ) / 2.
• Lọc nhiễu: Loại bỏ các tín hiệu nhiễu không mong muốn.
• Tạo điểm mây: Tạo ra một tập hợp các điểm 3D đại diện cho các vật thể trong không gian.

Đơn vị đo lường quán tính (IMU):

• Chức năng: Đo các thông số như gia tốc, tốc độ góc để xác định vị trí và hướng của hệ thống LiDAR.
• Thành phần: Gồm gia tốc kế và con quay hồi chuyển.
• Mục tiêu: Cung cấp thông tin bổ sung để tạo ra bản đồ 3D chính xác hơn.

GPS:

• Chức năng: Định vị chính xác vị trí của hệ thống LiDAR.
• Nguyên lý: Sử dụng tín hiệu vệ tinh để xác định tọa độ địa lý.

Nguyên lý hoạt động

Phát xung laser:

• Nguồn phát: Một nguồn laser phát ra các xung ánh sáng có độ chính xác cao.
• Tần số: Tần số của các xung laser có thể thay đổi tùy thuộc vào ứng dụng, nhưng thường rất cao để đảm bảo độ chính xác.
• Bước sóng: Bước sóng của laser cũng ảnh hưởng đến khả năng xuyên thấu và phản xạ của tia laser.

Phản xạ:

• Khi xung laser chạm vào một vật thể, một phần năng lượng của xung sẽ bị phản xạ trở lại.
• Thời gian phản xạ: Thời gian mà xung laser đi từ nguồn phát đến vật thể và quay trở lại cảm biến được đo rất chính xác.

Thu nhận và xử lý:

• Cảm biến: Một cảm biến quang học nhạy bén thu nhận ánh sáng phản xạ.
• Xử lý tín hiệu: Bộ xử lý tín hiệu sẽ tính toán khoảng cách đến vật thể dựa trên thời gian trễ của xung laser. Công thức cơ bản:
• Khoảng cách = (Tốc độ ánh sáng * Thời gian trễ) / 2
• Tạo điểm mây: Mỗi lần quét, hệ thống sẽ tạo ra một điểm trong không gian 3D. Bằng cách liên tục quét, hệ thống sẽ tạo ra một đám mây điểm 3D đại diện cho môi trường xung quanh.

Các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của LiDAR

• Độ dài sóng của laser: Bước sóng ngắn cho độ chính xác cao hơn nhưng khả năng xuyên thấu kém hơn.
• Công suất của laser: Công suất laser cao giúp tăng cường độ tín hiệu phản hồi, đặc biệt trong điều kiện môi trường có nhiều nhiễu.
• Độ nhạy của cảm biến: Cảm biến nhạy giúp thu nhận được cả những tín hiệu yếu.
• Độ chính xác của đồng hồ: Đồng hồ sử dụng để đo thời gian trễ phải có độ chính xác cao.
• Nhiễu: Nhiễu từ môi trường xung quanh có thể ảnh hưởng đến độ chính xác của phép đo.

Các loại LiDAR

• LiDAR cơ học: Sử dụng gương quay để quét tia laser.
• LiDAR MEMS: Sử dụng microelectromechanical systems (MEMS) để điều khiển gương quét.
• LiDAR Flash: Sử dụng một ma trận các điểm laser để chiếu sáng toàn bộ vùng quan sát cùng một lúc.
• LiDAR Solid State: Sử dụng các mảng cảm biến để thu nhận ánh sáng phản hồi từ nhiều hướng khác nhau.

Ứng dụng của LiDAR

Xe tự lái:

• Tạo bản đồ 3D chi tiết của môi trường xung quanh.
• Phát hiện vật cản ở khoảng cách xa và tốc độ cao.
• Định vị chính xác vị trí của xe.

Khảo sát địa hình:

• Tạo các bản đồ địa hình 3D chi tiết.
• Đo đạc cao độ, độ dốc.
• Theo dõi biến đổi địa hình.

Robot:

• Định vị và điều hướng trong môi trường phức tạp.
• Tương tác với môi trường xung quanh.

Khảo cổ học:

• Phát hiện các di tích cổ dưới lòng đất.

Lâm nghiệp:

• Đo lường mật độ rừng, đánh giá sự phát triển của rừng.

An ninh:

Phát hiện vật thể lạ, giám sát biên giới.