LiDAR — что это такое, как работает и где применяется

Лидары давно перестали быть прерогативой военных и вышли в гражданские отрасли: от автопилотов до охраны объектов.

Этот курс поможет вам разобраться, что такое система лидар, как она устроена, какие типы существуют и зачем она вообще нужна. Материал будет особенно полезен тем, кто интересуется технологиями, работает с данными, занимается проектированием устройств или просто хочет глубже понимать мир вокруг.

Что такое LiDAR простыми словами

LiDAR (Light Detection and Ranging — обнаружение и определение дальности с помощью света) — это, по сути, очень умный лазерный дальномер на стероидах. Если обычный лазерный уровень умеет измерить расстояние до одной точки, то лидар способен «простреливать» миллионы точек в секунду и строить из них детальную трёхмерную карту окружающего мира.

Принцип работы до смешного прост: устройство выстреливает лазерным импульсом, ждёт, когда он отразится от препятствия и вернётся обратно, засекает время и вычисляет расстояние. Всё как в детской игре «эхо» в горах, только вместо крика — лазер, а вместо ушей — фотодиод.

Главное отличие от радара в том, что lidar использует световые волны (обычно инфракрасные), а не радиоволны. Это даёт ему фантастическое разрешение — он может различить провод толщиной в палец на расстоянии в сотню метров. Как правило, радар не обеспечивает такого высокого разрешения, как лидар, из-за большей длины радиоволны.

От сонара отличается ещё проще: сонар работает со звуком (помните дельфинов?), лидар — со светом. Скорость света в миллион раз выше скорости звука, соответственно, и точность измерений кардинально лучше.

Сравнение технологий:

• LiDAR: свет, точность до миллиметров, дальность до сотен метров.
• Радар: радиоволны, точность до метров, дальность до километров.
• Сонар: звук, точность до сантиметров, дальность до десятков метров.

Горизонтальное сравнение трёх сенсорных технологий по ключевым параметрам: дальность, точность, погодная устойчивость и детализация. Диаграмма показывает явное преимущество LiDAR в точности и детализации, но также подчёркивает его уязвимость к погодным условиям.

Как работает LiDAR

Принцип измерения расстояния

Всё начинается с того, что лазер генерирует короткий световой импульс — настолько короткий, что его длительность измеряется наносекундами. Этот импульс летит со скоростью света (примерно 300 миллионов метров в секунду, если кто забыл школьную физику) до ближайшего препятствия.

Отразившись от объекта, импульс возвращается обратно к приёмнику lidar. Умная электроника засекает время полёта и делает простейший расчёт: расстояние = (скорость света × время полёта) ÷ 2. Делим на два, потому что свет прошёл путь туда и обратно.

Но один импульс — это всего лишь одна точка в пространстве. Чтобы получить полноценную картину мира, лидар должен «прострелить» тысячи направлений. Современные устройства генерируют от нескольких сотен тысяч до 10 миллионов импульсов в секунду — получается настоящий пулемёт из света.

В результате формируется то самое «облако точек» — массив координат X, Y, Z для каждой отражающей поверхности в зоне видимости. Представьте себе трёхмерную модель в Blender, только вместо полигонов — миллионы крошечных точек, каждая из которых знает своё точное местоположение.

Из чего состоит LiDAR

Любой lidar — это симбиоз трёх ключевых компонентов, каждый из которых должен работать с часовой точностью.

Источник излучения — обычно полупроводниковый лазер, работающий в ближнем инфракрасном диапазоне (около 905 нм или 1550 нм). Почему именно инфракрасный? Потому что он невидим для человеческого глаза (безопасность прежде всего), хорошо отражается от большинства поверхностей и относительно мало поглощается атмосферой.

Приёмник — высокочувствительный фотодиод или лавинный фотодиод (APD), способный засечь даже слабенький отражённый сигнал. Эта штука должна работать с пикосекундной точностью — малейшая задержка даст ошибку в измерениях.

Сканирующий механизм — и здесь начинается самое интересное. Классические лидары используют вращающуюся головку с зеркалами — помните эти характерные «ведёрки» на крышах беспилотников Google? Современные решения всё чаще переходят на MEMS-зеркала (микроэлектромеханические системы) или вообще отказываются от подвижных частей в пользу фазированных антенных решёток.

Весь этот механизм управляется сложнейшей электроникой, которая должна синхронизировать излучение, приём и сканирование с точностью атомных часов. Неудивительно, что первые автомобильные lidar стоили как крыло от Boeing.

Краткая история развития LiDAR

История лидара началась практически сразу после изобретения лазера в 1960 году — военные, как обычно, первыми почуяли потенциал новой технологии. Уже в начале 60-х появились первые экспериментальные системы лазерной локации, правда, размером с холодильник и стоимостью как истребитель.

1960-е: эпоха пионеров и военных экспериментов. Первые lidar были чудовищно громоздкими установками, требующими целой команды операторов. Военные использовали их для определения расстояний до целей — гораздо точнее, чем радары, но и гораздо капризнее.

1969: лунная одиссея. Самый знаменитый эксперимент того времени начался с миссии «Аполлон-11». Астронавты Нил Армstrong и Базз Олдрин установили на лунной поверхности первый лазерный отражатель (Laser Ranging Retroreflector) — по сути, очень точное зеркало из уголковых призм. А мощные лазеры остались на Земле — в обсерваториях MacDonald в Техасе и Côte d’Azur во Франции. Учёные «стреляли» лазерными импульсами по этому крошечному отражателю с расстояния 384 тысячи километров и засекали отражённый сигнал.

Эксперимент оказался настолько успешным, что «Аполлон-14» и «Аполлон-15» доставили ещё два отражателя (последний — самый крупный из всех). Измерения продолжаются до сих пор, и именно благодаря им мы знаем, что Луна удаляется от Земли со скоростью 3,8 см в год. Кстати, СССР тоже поучаствовал — луноходы «Луноход-1» и «Луноход-2» несли на борту французские лазерные отражатели.

1970-80-е: твердотельная революция. Переход от газовых лазеров к твердотельным кардинально изменил ситуацию. Устройства стали компактнее, надёжнее и не требовали сложных систем охлаждения. Появились первые гражданские применения — геодезия, картография, исследования атмосферы.

1990-е: выход из лабораторий. NASA начало активно использовать лидары на спутниках и самолётах. В 1994 году проект LITE впервые применил lidar на орбите для изучения земной атмосферы. Параллельно технология проникла в археологию — в 1995 году с помощью лидара обнаружили скрытый разлом на острове Бейнбридж.

2000-е: коммерциализация и миниатюризация. Лидары наконец-то стали доступными для коммерческого использования. В 2007 году компания Velodyne представила первый серийный 360-градусный автомобильный лидар, что дало старт развитию беспилотников. Гораздо позже, в 2020 году, технология в упрощенном виде добралась и до потребительской электроники, когда Apple встроила сканер LiDAR в свои iPhone и iPad Pro

Сегодня мы живём в эпоху, когда lidar размером с монету может делать то, для чего 60 лет назад требовалась комната, полная оборудования. Прогресс, одним словом.

Какие бывают типы

Механический LiDAR

Классика жанра — те самые «вёдра» на крышах беспилотников, которые крутятся как сумасшедшие. Внутри такого устройства находится система зеркал или призм, которая физически поворачивается, направляя лазерный луч в разные стороны. Принцип работы прост до гениальности: хочешь осмотреть 360 градусов — крути механизм 360 градусов.

• Плюсы: феноменальная точность и дальность действия (до 200+ метров), проверенная временем технология, отличная детализация. Velodyne HDL-64E, например, долгие годы был золотым стандартом в беспилотных автомобилях.

• Минусы: механика есть механика — детали изнашиваются, требуют обслуживания и не любят тряску. Плюс эти устройства довольно габаритные и энергожадные. А ещё они выглядят как НЛО приземлилось на вашу крышу.

MEMS LiDAR

Представьте микроскопическое зеркало размером с волос, которое может поворачиваться тысячи раз в секунду с точностью до долей градуса. Это и есть MEMS (микроэлектромеханические системы) — технология, которая позволила lidar стать компактными.

Такие зеркала управляются электростатическими или электромагнитными силами и могут направлять лазерный луч практически мгновенно. Никаких крутящихся моторчиков — только физика полупроводников и умная электроника.

• Плюсы: компактность (можно втиснуть в смартфон), низкое энергопотребление, высокая надёжность (меньше движущихся частей), относительно недорогие в производстве.

• Минусы: пока что уступают механическим собратьям в дальности и разрешении. Угол обзора тоже ограничен — полные 360 градусов получить сложно.

Фазированная антенная решётка (Phased Array LiDAR)

Самая хайтековая технология из всех — здесь вообще нет движущихся частей. Лазерный луч управляется чисто электронным способом, как в радарах ПВО. Массив излучателей работает синхронно, а направление луча изменяется за счёт разности фаз между элементами решётки.

Звучит как фантастика, но это реальность — компании вроде Quanergy и Luminar активно развивают именно это направление.

• Плюсы: абсолютная надёжность (никакой механики), мгновенное переключение направления луча, компактность, потенциально низкая стоимость при массовом производстве.

• Минусы: пока что в стадии активной разработки, сложность в производстве, ограниченный угол обзора.

*При массовом производстве

Три основных типа лидаров: механический (с вращающейся головкой), MEMS (с микро-зеркалом) и фазированная антенная решётка (без подвижных частей). Иллюстрация помогает визуально сопоставить их конструктивные особенности и принцип работы.

Где применяется LiDAR

Лидары уже давно вышли за рамки военных лабораторий и научных экспериментов — сегодня эта технология тихо революционизирует десятки отраслей. От археологических раскопок до марсианских роверов, от вашего iPhone до беспилотных комбайнов — они везде, просто мы их не замечаем.

Автономный транспорт

Здесь разворачивается настоящая битва технологий и идеологий. С одной стороны — практически все производители беспилотников (Waymo, Cruise, Яндекс, китайские гиганты), которые считают lidar обязательным элементом. С другой — Tesla с Илоном Маском, упорно доказывающие, что достаточно камер и радаров.

Автомобили: 

Яндекс, например, устанавливает на свои беспилотники сразу несколько лидаров — один с обзором 360 градусов для общего понимания обстановки, другой с обзором 120 градусов для детального анализа дороги впереди. Результат: машина «видит» пешехода в темноте на расстоянии 200 метров и может рассчитать его траекторию движения.

Дроны: 

Здесь lidar решают задачи от банального облёта препятствий до сложнейшего картографирования местности. DJI встраивает лидары даже в потребительские дроны — теперь ваш квадрокоптер может автоматически огибать ветки деревьев.

Картография и геодезия

Лидары буквально перевернули представление о том, как нужно изучать земную поверхность. Вместо месяцев кропотливых измерений с теодолитом — несколько часов полёта дрона с lidar, и готова детальная карта местности с точностью до сантиметра.

Археология: 

Самый зрелищный пример — обнаружение в 2018 году в джунглях Гватемалы огромного комплекса цивилизации майя. Лидар «просветил» густую растительность и выявил пирамиды, дороги, каналы — целый мегаполис, скрытый под пологом леса. Аналогичные открытия делают в Камбодже (Ангкор), в Перу, в Мексике.

Геодезия: 

Строительство автомагистралей, планирование городов, мониторинг оползней — везде, где нужны точные измерения рельефа, lidar стали незаменимы.

Промышленность и строительство

Обмеры зданий: 

Вместо традиционных рулеток и дальномеров строители используют ручные лидары для создания точных планов помещений. Сканирование здания занимает часы, а не недели.

Контроль котлованов: 

При строительстве метро или небоскрёбов lidar следят за деформацией грунта в реальном времени — если где-то начинается просадка, система мгновенно подаёт сигнал.

Маркшейдерия: 

В шахтах лидары помогают строить точные карты горных выработок и контролировать безопасность — технология видит трещины в кровле, которые человек может пропустить.

Метеорология и экология

Лидарные облакомеры: 

В аэропортах lidar измеряют высоту облаков с точностью до метра — критически важная информация для безопасности полётов.

Мониторинг атмосферы: 

Специальные атмосферные лидары отслеживают концентрацию аэрозолей, измеряют скорость ветра на разных высотах, определяют температурные профили. NASA использует такие системы для изучения изменений климата.

Лесное хозяйство: 

Лидары помогают подсчитывать запасы древесины, отслеживать вырубки, контролировать пожары. В Австралии система lidar-мониторинга следит за поглощением углерода лесами — данные нужны для торговли углеродными квотами.

Космос

NASA превратило лидары в один из основных инструментов космических исследований. Проект GEDI на МКС изучает мировые леса, определяя их роль в климатической системе Земли. Марсианские роверы используют lidar для навигации и анализа атмосферы красной планеты.

Как обрабатывают данные с LiDAR

Если вы думаете, что lidar — это просто «умный лазерный дальномер», то вы сильно недооцениваете масштаб проблемы. Современный автомобильный лидар за секунду генерирует столько данных, сколько обычный пользователь скачивает из интернета за час. И вся эта информация должна быть обработана, проанализирована и превращена в решения буквально в реальном времени.

Облако точек и Big Data

Представьте себе: lidar создаёт 10 миллионов точек в секунду, каждая точка содержит координаты X, Y, Z плюс интенсивность отражения — получается около 160 мегабайт «сырых» данных в секунду. За час работы — почти 600 гигабайт. А теперь умножьте это на несколько лидаров на одном автомобиле, плюс данные с камер, радаров, GPS… Получается настоящий потоп информации.

Облако точек — это не просто набор координат, это трёхмерный «отпечаток» реального мира в цифровом формате. Каждая точка знает своё точное местоположение в пространстве, но не знает, что она собой представляет — часть дерева, кусок асфальта или крыло автомобиля.

Здесь в игру вступают Data Engineers — специалисты, которые создают пайплайны для обработки этих терабайтов информации. Они должны очистить данные от шумов (отражения от дождевых капель, пыли, насекомых), синхронизировать их с данными других датчиков, подготовить для машинного обучения. Это как быть дирижёром оркестра, где каждый инструмент играет свою партию, а результат должен быть идеальной симфонией.

ML-инженеры решают ещё более сложную задачу — научить алгоритмы понимать, что означает каждая точка в облаке. Нейросети обучают на миллионах размеченных примеров: «вот эти точки — это пешеход, эти — автомобиль, а это — дорожный знак». Процесс напоминает обучение ребёнка различать предметы, только ребёнку достаточно увидеть собаку пару раз, а нейросети нужны тысячи примеров.

Интеграция с камерами и радарами

Лидар, каким бы крутым он ни был, не всемогущ. Он отлично измеряет расстояния и строит геометрию объектов, но плохо различает цвета и текстуры. Попробуйте объяснить lidar разницу между красным и зелёным сигналом светофора — он увидит только два одинаковых круглых объекта.

Поэтому в серьёзных системах лидары работают в связке с камерами и радарами — каждый датчик дополняет остальных:

Камеры дают цветную картинку и помогают распознавать знаки, светофоры, надписи. Плюс они дёшевы и хорошо знакомы разработчикам — алгоритмы компьютерного зрения развиваются уже десятилетия.

Радары отлично измеряют скорость объектов (эффект Доплера) и работают в любую погоду — им всё равно, дождь на улице или туман. Правда, точность у них так себе.

Лидары дают точную геометрию и работают независимо от освещения — им всё равно, день на улице или ночь.

Задача инженеров — объединить все эти данные в единую картину мира. Это называется sensor fusion (слияние датчиков) и требует серьёзных алгоритмических решений. Нужно учесть задержки между датчиками, их разную точность, возможные сбои. Плюс всё это должно работать в реальном времени — у беспилотного автомобиля нет права на ошибку.

Типичный пайплайн обработки выглядит примерно так: сырые данные → фильтрация шумов → калибровка и синхронизация → сегментация облака точек → классификация объектов → отслеживание траекторий → принятие решений. И весь этот процесс должен уложиться в доли секунды.

Неудивительно, что специалисты по обработке лидарных данных сейчас на вес золота — это уникальная комбинация знаний по компьютерному зрению, машинному обучению, обработке сигналов и параллельным вычислениям.

Какие ограничения и минусы есть у LiDAR

Было бы нечестно петь дифирамбы lidar, не упомянув их слабые места. Как и любая технология, они не лишены недостатков — и некоторые из них довольно серьёзные. Илон Маск не зря называет их «костылём» (правда, его альтернативы пока тоже не идеальны).

Ограничения по погоде — главная ахиллесова пята. 

Лидары работают со светом, а свет имеет неприятную особенность рассеиваться на мелких частицах. Густой туман, сильный дождь, снегопад, пыльная буря — всё это превращает lidar в дорогую игрушку. В сильный ливень он может «видеть» стену воды вместо дороги. Туман ещё хуже — он рассеивает лазерный луч так, что система получает кашу из отражений.

Забавно, что радары в таких условиях работают отлично — радиоволны проходят сквозь дождь и туман как нож сквозь масло. Поэтому в авиации до сих пор используют радарные высотомеры, а не лидарные.

Стоимость — до сих пор кусается. 

Да, цены падают, но автомобильный lidar приличного качества всё ещё стоит как хороший ноутбук. Velodyne HDL-64E когда-то стоил 75 тысяч долларов — больше, чем сам автомобиль. Сейчас можно найти за 1000-2000 долларов, но это всё равно много для массового рынка. Пока что лидары есть только в премиальных моделях типа BMW iX или Mercedes EQS.

Дальность действия — не для всех задач. 

Автомобильные обычно «видят» на 100-200 метров, что достаточно для города, но маловато для автобанов. На скорости 200 км/ч автомобиль проходит 55 метров в секунду — времени на реакцию остаётся не так много. Авиационные работают на километры, но они размером с холодильник и стоят как самолёт.

Обработка данных — вычислительный кошмар. 

Терабайты информации в час требуют серьёзных вычислительных мощностей. Процессор в беспилотном автомобиле может потреблять киловатт электроэнергии — это заметно сказывается на запасе хода электромобиля. Плюс нужны специальные алгоритмы, квалифицированные разработчики, сложная инфраструктура.

Слепые зоны и артефакты. 

Лидары плохо работают с отражающими поверхностями — зеркальная поверхность может направить лазерный луч в сторону, и система решит, что перед ней пустота. Чёрные матовые поверхности, наоборот, поглощают свет слишком сильно. Стекло для lidar практически невидимо — стеклянная стена может стать неприятным сюрпризом.

Безопасность для глаз. 

Лазеры в них обычно безопасны, но при поломке или неправильной настройке могут навредить зрению. Существуют строгие нормы по мощности излучения, что ограничивает дальность действия устройств.

Механическая надёжность. 

Особенно это касается вращающихся — любая механика рано или поздно изнашивается. Подшипники, моторы, зеркала — всё это требует обслуживания и может сломаться в самый неподходящий момент.

Именно поэтому многие инженеры считают, что будущее за комбинированными системами — lidar плюс камеры плюс радары. Каждый датчик компенсирует слабости остальных, а вместе они дают полную картину мира.

Рынок LiDAR и его будущее

Рынок сейчас напоминает зарождение рынка смартфонов в середине нулевых — все понимают, что за этим будущее, но никто точно не знает, какая технология победит и кто станет новой Apple. Только ставки здесь гораздо выше — речь идёт о триллионной индустрии автономного транспорта и «умных» городов.

По данным аналитиков, рынок lidar в 2023 году оценивался в $1,93 млрд, а к 2032 году должен вырасти до $12,3 млрд — среднегодовой рост 22,9%. Для сравнения: весь рынок смартфонов растёт на 2-3% в год. Такой бум случается раз в десятилетие и обычно порождает новых технологических гигантов.

Прогнозируемый рост мирового рынка LiDAR-технологий с 2023 по 2032 год. Диаграмма подчёркивает стремительное развитие отрасли, с увеличением объёма почти в 6 раз — с $1,93 млрд до более чем $12 млрд.

Основные игроки делятся на несколько категорий:

• Пионеры и ветераны. Velodyne долгое время была практически монополистом в сфере автомобильных лидаров. Их вращающиеся «вёдра» стояли на всех ранних беспилотниках Google, Uber, GM. Но в 2022 году компания слилась с Ouster — классический признак того, что рынок консолидируется, а борьба обостряется.
• Технологические новаторы. Luminar делает ставку на lidar с большой дальностью действия (300+ метров) для автобанов. Innoviz развивает MEMS-технологии для массового рынка. Quanergy пытается довести до ума твердотельные без движущихся частей.
• Гиганты со стороны. Apple встроила простенький lidar в iPhone и iPad — возможно, отрабатывает технологии для будущего автомобиля. Китайские компании вроде Hesai и Robosense агрессивно демпингуют, предлагая лидары в разы дешевле западных аналогов.
• Автопроизводители. Tesla принципиально отказывается от лидаров, Mercedes и BMW активно их внедряют, Яндекс разрабатывает собственные решения. Каждый выбрал свою стратегию, и пока неясно, кто прав.

Интересно наблюдать за Китаем — там государство директивно поддерживает развитие лидарных технологий, рассматривая их как критически важные для национальной безопасности.

Ключевые тренды, которые будут определять рынок:

1. Удешевление MEMS-лидаров. Если твердотельные лидары действительно смогут производиться на тех же линиях, что и микропроцессоры, их стоимость упадёт до десятков долларов. Тогда они появятся в каждом автомобиле, как сейчас камеры заднего вида.
2. Интеграция в чипы. Intel, NVIDIA и другие гиганты работают над специализированными процессорами для обработки лидарных данных. Чем быстрее обработка, тем дешевле может быть сам лидар.
3. Стандартизация. Пока что каждый lidar говорит на своём «языке» — нет единых форматов данных, протоколов, интерфейсов. Когда появятся стандарты (а они обязательно появятся), рынок резко ускорится.
4. Новые применения. Кроме автомобилей, лидары проникают в дроны, роботов, системы безопасности, дополненную реальность. Каждое новое применение — это дополнительные объёмы и снижение стоимости за счёт эффекта масштаба.

Забавно, что будущее лидаров во многом зависит от решений, которые принимают в офисах автопроизводителей люди, далёкие от технологий. Если BMW решит ставить лидары во все свои модели — рынок рванёт вверх. Если Tesla докажет, что можно обойтись камерами — половина стартапов обанкротится.

Заключение

Лидары — это одна из тех технологий, которые незаметно меняют мир вокруг нас. Пока мы спорим о том, заменит ли ChatGPT программистов, а Stable Diffusion — художников, lidar уже помогают археологам находить потерянные города, роботам-пылесосам не падать с лестниц, а беспилотникам не врезаться в столбы. Подведем итоги:

• Лидар — это система лазерного сканирования. Она измеряет расстояние с высокой точностью с помощью света.
• Существует несколько типов лидаров. Механические, MEMS и фазированные — у каждого есть плюсы и минусы.
• Применения обширны. Беспилотники, дроны, геодезия, экология и даже археология используют лидарные данные.
• Обработка данных требует больших ресурсов. Но именно благодаря ML и сенсорному слиянию лидары стали частью автономных систем.
• У технологии есть ограничения. Погода, стоимость и механическая надёжность остаются проблемами, которые пока не решены полностью.

Если вы только начинаете осваивать профессию, связанную с компьютерным зрением или робототехникой, рекомендуем обратить внимание на подборку курсов по системной аналитике. В этих программах вы найдёте теоретическую базу и практические задания, чтобы быстро вникнуть в суть и начать применять знания на практике.