Imaging lidar prototype with homography and deep learning ranging methods

We report on developing a non-scanning laser-based imaging lidar system based on a diffractive optical element with potential applications in advanced driver assistance systems, autonomous vehicles, drone navigation, and mobile devices. Our proposed lidar utilizes image processing, homography, and deep learning. Our emphasis in the design approach is on the compactness and cost of the final system for it to be deployable both as standalone and complementary to existing lidar sensors, enabling fusion sensing in the applications. This work describes the basic elements of the proposed lidar system and presents two potential ranging mechanisms, along with their experimental results demonstrating the real-time performance of our first prototype.

High-speed 3D imaging using a chaos lidar system

We characterize a new chaos lidar system configuration and demonstrate its capability for high-speed 3D imaging. Compared with a homodyned scheme employing single-element avalanche photodetectors (APDs), the proposed scheme utilizes a fiber Bragg grating and quadrant APDs to substantially increase the system throughput, frame rate, and field-of-view. By quantitatively analyzing the signal-to-noise ratio, peak-to-standard deviation of the sidelobe level, precision, and detection probability, we show that the proposed scheme has better detection performance suitable for practical applications. To show the feasibility of the chaos lidar system, while under the constrain of eye-safe regulation, we demonstrate high-speed 3D imaging with indoor and outdoor scenes at a throughput of 100 kHz, a frame rate of 10 Hz, and a FOV of 24.5$$^\circ $$ ∘ $$\times $$ × 11.5$$^\circ $$ ∘ for the first time.

Designing an Efficient Emergency Response Airborne Mapping System with Multiple Sensors

Multisource remote sensing data have been extensively used in disaster and emergency response management. Different types of visual and measured data, such as high-resolution orthoimages, real-time videos, accurate digital elevation models, and three-dimensional landscape maps, can enable producing effective rescue plans and aid the efficient dispatching of rescuers after disasters. Generally, such data are acquired using unmanned aerial vehicles equipped with multiple sensors. For typical application scenarios, efficient and real-time access to data is more important in emergency response cases than in traditional application scenarios. In this study, an efficient emergency response airborne mapping system equipped with multiple sensors was designed. The system comprises groups of wide-angle cameras, a high-definition video camera, an infrared video camera, a LiDAR system, and a global navigation satellite system/inertial measurement unit. The wide-angle cameras had a visual field of 85° × 105°, facilitating the efficient operation of the mapping system. Numerous calibrations were performed on the constructed mapping system. In particular, initial calibration and self-calibration were performed to determine the relative pose between different wide-angle cameras to fuse all the acquired images. The mapping system was then tested in an area with altitudes of 1000 m–1250 m. The biases of the wide-angle cameras were small bias values (0.090 m, −0.018 m, and −0.046 m in the x-, y-, and z-axes, respectively). Moreover, the root-mean-square error (RMSE) along the planer direction was smaller than that along the vertical direction (0.202 and 0.294 m, respectively). The LiDAR system achieved smaller biases (0.117, −0.020, and −0.039 m in the x-, y-, and z-axes, respectively) and a smaller RMSE in the vertical direction (0.192 m) than the wide-angle cameras; however, RMSE of the LiDAR system along the planar direction (0.276 m) was slightly larger. The proposed system shows potential for use in emergency response systems for efficiently acquiring data such as images and point clouds.

Improvement of Accuracy and Precision of the LiDAR System Working in High Background Light Conditions

Background light noise is one of the major challenges in the design of Light Detection and Ranging (LiDAR) systems. In this paper, we build a single-beam LiDAR module to investigate the effect of light intensity on the accuracy/precision and success rate of measurements in environments with strong background noises. The proposed LiDAR system includes the laser signal emitter and receiver system, the signal processing embedded platform, and the computer for remote control. In this study, two well-known time-of-flight (ToF) estimation methods, which are peak detection and cross-correlation (CC), were applied and compared. In the meanwhile, we exploited the cross-correlation technique combined with the reduced parabolic interpolation (CCP) algorithm to improve the accuracy and precision of the LiDAR system, with the analog-to-digital converter (ADC) having a limited resolution of 125 mega samples per second (Msps). The results show that the CC and CCP methods achieved a higher success rate than the peak method, which is 12.3% in the case of applying emitted pulses 10 µs/frame and 8.6% with 20 µs/frame. In addition, the CCP method has the highest accuracy/precision in the three methods reaching 7.4 cm/10 cm and has a significant improvement over the ADC’s resolution of 1.2 m. This work shows our contribution in building a LiDAR system with low cost and high performance, accuracy, and precision.

Neue Einblicke in Strömungsphänomene im Gewitterumfeld durch gezielte Messungen mittels flugzeuggetragenem Doppler-Lidar

<p>Flugzeuggetragene Doppler-Lidar Messungen stellen ein wertvolles Werkzeug für die meteorologische Forschung dar, da sie gezielte und räumlich hoch aufgelöste Beobachtungen atmosphärischer Strömungsphänomene ermöglichen.</p> <p>In den letzten Jahren wurde vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT) gemeinsam mit der TU Braunschweig ein neues flugzeuggetragenes Doppler-Lidar System für den Einsatz an Bord des Forschungsflugzeugs Dornier 128-6 (Rufzeichen D-IBUF) entwickelt. Das System besteht aus einem Lockheed Martin WindTracer WTX Doppler-Lidar und einem speziell für das Flugzeug von der Arges GmbH entwickelten 2-Achsen-Scanner. Im Vergleich zu bereits existierenden flugzeuggetragenen Doppler-Lidaren bietet das neue System eine höhere räumliche Auflösung und mehr Flexibilität für gezielte Messungen, u.a. aufgrund der niedrigen Fluggeschwindigkeit und VFR-Fähigkeit des Trägerflugzeugs Dornier 128.</p> <p>Im Sommer 2021 wurde unter Führung des Instituts für Meteorologie und Klimaforschung (IMK-TRO) des KIT die <em>Swabian MOSES</em>-Feldmesskampagne als Teil des Helmholtz-Verbundvorhabens MOSES im Südwesten Deutschlands durchgeführt, an der sich 10 deutsche wissenschaftliche Einrichtungen beteiligten. Hierbei fanden erste ausführliche Messungen mit dem neuen flugzeuggetragenen System statt. Eines der Ziele der Messkampagne ist die Untersuchung hochreichender konvektiver Systeme, wie sie häufig zwischen dem Schwarzwald und der Schwäbischen Alb im Südwesten Deutschlands beobachtet werden.</p> <p>Der Beitrag stellt Ergebnisse vor, die durch die Kombination aus flugzeuggestützten und bodengebundenen Lidar-Messungen erzielt wurden. Die durch das Messkonzept ermöglichten Beobachtungen sollen Einblicke in Strömungsprozesse im Gewitterumfeld geben. Nach einem Überblick über die durchgeführten Messungen wird die erreichte Messqualität des flugzeuggetragenen Doppler-Lidar validiert. Der Vergleich mit Messungen von bodengebundenen Doppler-Lidar an drei Standorten ergibt dabei eine gute Übereinstimmung. Es zeigt sich, dass die hochauflösenden, linienhaften flugzeuggetragenen Doppler-Lidar Messungen in der Lage sind, einzigartige Einblicke in die Strömungsdynamik zu liefern. Der Einfluss der Orographie auf die Strömung ist eindeutig nachweisbar, sowohl lokale Talzirkulationen als auch Gebirgsleeeffekte sind zu beobachten. Die Kombination von flugzeuggestützten und bodengebundenen Doppler-Lidar Messungen ermöglicht es zudem, die Repräsentativität der bodengebundenen Messungen zu beurteilen. Eine weitere Kombination mit Radarbeobachtungen liefert den Kontext für die mit dem Strömungsfeld assoziierte Gewitteraktivität. Somit erweist sich die Kombination von flugzeuggetragenem Doppler-Lidar mit bodengebundenen Fernerkundungsnetzwerken als geeignetes Verfahren, um neue Einblicke in Strömungsphänomene im Gewitterumfeld zu gewinnen. Abschließend wird das weitere Potenzial der Doppler-Lidar Messungen diskutiert und mögliche zukünftige Aktivitäten aufgezeigt.</p>

Multi-Lidar-Messungen im Bereich der Standortbewertung von Windenergieanlagen

<p>Für die Planung eines Windparks ist es erforderlich, dass der Standort hinsichtlich seines Windpotentials mit möglichst geringen Unsicherheiten bewertet wird. Dafür werden in der Regel einjährige Messungen in Nabenhöhe mit Ultraschall- und Schalenkreuzanemometern durchgeführt. Nachteile der Mastmessungen sind die langen Baugenehmigungsverfahren, die nicht gegebene räumliche Flexibilität der Messung und die hohen Kosten durch immer weiter steigenden Nabenhöhen der Windenergieanlagen.</p> <p>Eine Alternative können Fernmessmethoden sein. In dieser Arbeit geht es um die Windbestimmung mittels eines Multi-Lidar-Systems. Das Multi-Lidar-System besteht aus mehreren Doppler-Lidargeräten mit beweglicher Optik, die an verschiedenen Standorten aufgestellt werden und dessen Laserstrahlen sich zur Bestimmung der horizontalen Windgeschwindigkeit und der Windrichtung an einem oder mehreren Messpunkten kreuzen. Durch ihre beweglichen Scanköpfe können die Laserstrahlen in verschiedene Richtungen gelenkt werden, sodass mit nur einer Aufstellung die Windbedingung an verschiedenen Punkten bestimmt werden kann und die Unsicherheit der horizontalen Extrapolation bei der Windpotentialbestimmung eines Windparks wegfällt. Für den Einsatz von Multi-Lidar-Messungen im industriellen Umfeld der Standortbewertung fehlen zurzeit die Erfahrungen und Empfehlungen von längeren Messkampagnen, insbesondere in Bezug auf Unsicherheitsaspekte der Messung und den Geräteeinstellungs- und Aufstellungseffekten.</p> <p>Um diese Fragestellungen beantworten zu können, wurden verschiedene Multi-Lidar-Messkampagnen durchgeführt und mit parallel stattfindenden Profiling-Lidar- und Mastmessungen verglichen. Die Ergebnisse aus einer neunmonatigen Messkampagne in Norddeutschland aus dem Jahr 2019 und einer weiteren einjährigen Messkampagne aus Mitteldeutschland sollen vorgestellt werden. Dabei wurden unter anderem verschiedene Geräteeinstellungen und die Funktionalität einer Multi-Lidar-Messung mit Ansteuerung von neun unterschiedlichen Punkten untersucht.</p> <p>Insgesamt zeigen die Vergleiche zwischen den Windmessungen von Multi-Lidar, Profiling-Lidar und Mast eine gute Übereinstimmung, auch wenn teilweise die Verfügbarkeit der Messwerte Verbesserungspotential aufweist. Die Untersuchungen der Geräteeinstellung hat veranschaulicht, dass beispielsweise eine Verdoppelung der Pulslänge die Verfügbarkeit von 35% auf 70% bei einer Entfernung von drei Kilometern erhöhen kann. Ein Vergleich der einzelnen Lidargeräte zeigt allerdings auch, dass sie sich in der Leistung erheblich unterscheiden können. So war beispielsweise die Reichweite eines der Geräte deutlich geringer als bei den anderen beiden.</p> <p>Während der Messkampagne traten Probleme mit der Stabilität der Strahlausrichtung auf. Häufig soll in Entfernungen von mehreren Kilometern gemessen werden, sodass Änderungen in der Ausrichtung von etwa 0,1 Grad bereits zu Abweichungen von mehreren Höhenmetern in der Messung führen können. Eine systematische Analyse der Stabilität der Strahlausrichtung zeigt, dass eine regelmäßige Überwachung und in einigen Fällen eine Korrektur der Scanwinkeleinstellungen notwendig sind, um die Messunsicherheiten gering zu halten.</p> <p>Insgesamt soll dieser Beitrag einen Einblick über die Möglichkeiten und Herausforderungen von Multi-Lidar-Messungen im Bereich der Standortbewertung von Windenergieanlagen geben.</p>

Parameter Simulation and Design of an Airborne Hyperspectral Imaging LiDAR System

With continuous technological development, the future development trend of LiDAR in the field of remote sensing and mapping is to obtain the elevation and spectral information of ground targets simultaneously. Airborne hyperspectral imaging LiDAR inherits the advantages of active and passive remote sensing detection. This paper presents a simulation method to determine the design parameters of an airborne hyperspectral imaging LiDAR system. In accordance with the hyperspectral imaging LiDAR equation and optical design principles, the atmospheric transmission model and the reflectance spectrum of specific ground targets are utilized. The design parameters and laser emission spectrum of the hyperspectral LiDAR system are considered, and the signal-to-noise ratio of the system is obtained through simulation. Without considering the effect of detector gain and electronic amplification on the signal-to-noise ratio, three optical fibers are coupled into a detection channel, and the power spectral density emitted by the supercontinuum laser is simulated by assuming that the signal-to-noise ratio is equal to 1. The power spectral density emitted by the laser must not be less than 15 mW/nm in the shortwave direction. During the simulation process, the design parameters of the hyperspectral LiDAR system are preliminarily demonstrated, and the feasibility of the hyperspectral imaging LiDAR system design is theoretically guaranteed in combination with the design requirements of the supercontinuum laser. The spectral resolution of a single optical fiber of the hyperspectral LiDAR system is set to 2.5 nm. In the actual prototype system, multiple optical fibers can be coupled into a detection channel in accordance with application needs to further improve the signal-to-noise ratio of hyperspectral LiDAR system detection.