LiDAR: principio de funcionamiento y principales aplicaciones

LiDAR: principio de funcionamiento y principales aplicaciones

LiDAR: principio de funcionamiento y principales aplicaciones

LiDAR: principio de funcionamiento y principales aplicaciones

LiDAR: principio de funcionamiento y principales aplicaciones

LiDAR (del inglés light detection and range) es una tecnología que apareció en la década de 1960, poco después de la invención del láser. En este post explicaremos su principio de funcionamiento, los principales tipos de LiDAR y las aplicaciones más importantes.

 

La tecnología LiDAR consiste en enviar un haz láser a un objeto o target y medir la luz reflejada con un fotodetector para determinar de este modo la distancia al target y así generar un mapa preciso del entorno circundante. Las principales ventajas de la tecnología LiDAR es que puede proporcionar una posición precisa en grandes áreas y que es rápida, lo que permite recopilar información con una velocidad y un grado de detalle que no sería posible de otra manera.

 

La tecnología LiDAR funciona utilizando de dos conjuntos de medidas. La primera información requerida es la posición (el sistema de escaneo puede ser fijo o en movimiento) y la dirección a la que apunta el láser para cada medida. La segunda es la distancia, que se puede medir de diferentes formas.

 

Una de ellas consiste en emplear un láser pulsado y medir el tiempo de vuelo, es decir, el tiempo que tarda la luz en llegar a una superficie y regresar al emisor, por tanto:

D = c · ΔT/2

donde D es la distancia al target, c es la velocidad de la luz y ΔT es el tiempo de vuelo. Este sistema solo está limitado por la necesidad de disponer de una señal de retorno, lo que significa que deben emplearse láseres potentes cuando se deban medir distancias de varios kilómetros.

LiDAR: principle and applications. Time of flight pulsed laser.
Figura 1. Medida del tiempo de vuelo con un láser pulsado. Reproducido de [1].

Otro método para calcular distancias se basa en medir la fase. En este caso, se utiliza un láser de forma de onda continua de amplitud modulada (AMCW). El cambio de fase entre la luz incidente y la que regresa se emplea para deducir la distancia:

D = c/2 · ΔΦ/(2·π·fM)

donde D y c son de nuevo la distancia al target y la velocidad de la luz, respectivamente; ΔΦ es el cambio de fase y fM es la frecuencia de modulación de la amplitud de la señal. La principal desventaja de este método es que el rango que se puede medir sin ambigüedad es corto, normalmente alrededor de 100 m.

 

LiDAR: principle and applications. Time of flight AMCW laser.
Figura 2. Medida del tiempo de vuelo por medio de la fase con un láser AMCW. Reproducido de [1].

Una tercera forma sería la onda continua de frecuencia modulada (FMCW), donde la frecuencia óptica instantánea emitida se modifica periódicamente, normalmente variando la potencia aplicada a la fuente. Una resolución típica para los dos primeros métodos es de 1 cm, mientras que en el último caso es de 0,1 cm.

 

Hay dos tipos principales de LiDAR: aéreos y terrestres. Los LiDAR aerotransportados generalmente se instalan en una aeronave o helicóptero apuntando hacia el suelo y normalmente miden un rango angular de 180º. Entre los LiDAR aéreos hay dos subtipos: topográfico y batimétrico. Los LiDAR topográficos se emplean en silvicultura, planificación urbana o ecología del paisaje para examinar la superficie, mientras que los LiDAR batimétricos se utilizan para medir la elevación y profundidad del agua en las costas, costas o riberas.

 

LiDAR: principle and applications. Airborne LiDAR
Figure 3. Example of an image of an urban area taken with airborne LiDAR. Reproduced from [2].

Por otro lado, los LiDAR terrestres pueden ser 1-D o 2-D, cubriendo 180º o 360º en este último caso. Se utilizan para caracterizar con gran detalle instalaciones e infraestructuras y para crear modelos 3D de lugares. Hay dos subtipos básicos: móvil o estático, dependiendo de si el sistema de escaneo está montado en un vehículo en movimiento o en un trípode fijo. Los LiDAR móviles se utilizan en carreteras, autopistas, ferrocarriles; mientras que los LiDAR estáticos se emplean en ingeniería, arqueología o minería.

 

Los sistemas LiDAR han ganado popularidad en los últimos años debido a su presencia en el vehículo autónomo. La tecnología LiDAR permite mapear el entorno que rodea al automóvil de forma más rápida y precisa que el sonar (del inglés sound navigation and ranging) o el radar (del inglés radio detection and ranging, basado en el uso de microondas). La tecnología LiDAR se considera los “ojos” del vehículo autónomo, siendo la encargada de evitar choques con peatones, obstáculos u otros vehículos. Sin embargo, los sistemas LiDAR aún tienen cuestiones pendientes como su funcionamiento bajo niebla, lluvia o nieve (la detección se degrada por la absorción y dispersión provocada por las gotas de agua) o la necesidad de aumentar aún más su resolución para detectar pequeños obstáculos en la carretera, por lo que algunos fabricantes prefieren un sistema basado en visión con cámaras para el mismo propósito.

 

En conclusión, la tecnología LiDAR permite obtener una imagen del entorno circundante mediante el uso de la luz en muchas disciplinas diferentes como la agricultura, la arqueología, la robótica, la silvicultura o los vehículos autónomos, y se espera que su utilización aumente exponencialmente en un futuro próximo.

 

Bibliografía

 

[1] Royo, S.; Ballesta-Garcia, M. An Overview of Lidar Imaging Systems for Autonomous Vehicles. Appl. Sci. 2019, Vol. 9, Page 4093 20199, 4093, doi:10.3390/APP9194093.

 

[2] Wang, Y.; Chen, Q.; Liu, L.; Zheng, D.; Li, C.; Li, K. Supervised Classification of Power Lines from Airborne LiDAR Data in Urban Areas. Remote Sens. 2017, Vol. 9, Page 771 20179, 771, doi:10.3390/RS9080771.

 

[3] Harrap, R.; publication, M.L.-N.; 2010, An overview of LIDAR: collection to application.

 

[4] Mehendale, N.; Neoge, S. Review on Lidar Technology. SSRN Electron. J. 2020, doi:10.2139/SSRN.3604309.

 

[5] What Lidar Is and Why It’s Important for Autonomous Vehicles 

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