رادار كشف الطائرات بدون طيار: تحليل شامل للمبادئ والتقنيات والتطبيقات

تحليل تقنية LiDAR على الطائرات المسيّرة: المبادئ والتصنيف والتطبيقات

تقنية LiDAR (الكشف وقياس المدى بالضوء) المحمولة على الطائرات المسيّرة هي تقنية قياس عالية الدقة قائمة على الاستشعار عن بعد بالليزر. يبدأ هذا المقال من المفاهيم الأساسية لليزر والرادار وLiDAR، ويحلل بصورة منهجية ما بينها من صلات وفروق، ثم يتعمق في مبادئ عمل LiDAR المحمول جوا وتصنيفاته التقنية وتطبيقاته العملية.

1. الليزر

كلمة “ليزر” اختصار لعبارة “تضخيم الضوء بالانبعاث المحفَّز للإشعاع”. ومبدؤها الأساسي أن إلكترونات الذرة تمتص الطاقة فتنتقل إلى مستوى طاقة أعلى، ثم تطلق فوتونات عند عودتها إلى مستوى أدنى. وتتصف هذه الفوتونات باتساق شديد في خصائصها، فتكوّن معا ضوء الليزر.

ومقارنة بمصادر الضوء العادية، يتميز الليزر بمزايا واضحة:

• نقاء لوني عال
• اتجاهية قوية
• سطوع مرتفع

وبحسب وسط العمل، تُصنف الليزرات أساسا إلى أربعة أنواع:

• الليزر الغازي
• الليزر الصلب
• ليزر أشباه الموصلات
• ليزر الأصباغ

2. الرادار

كلمة “رادار” اختصار لعبارة “الكشف وقياس المدى بالراديو”. وهو يكشف الأهداف ويقيس بعدها وسرعتها واتجاهها السمتي وارتفاعها بإرسال الموجات الكهرومغناطيسية واستقبالها، ولذلك يُعرف أيضا بنظام التحديد الموقعي الراديوي.

والرادار في جوهره جهاز إلكتروني، وظيفته المحورية كشف الأهداف وقياس معالمها باستخدام الموجات الكهرومغناطيسية.

3. LiDAR

LiDAR، أي “الكشف وقياس المدى بالضوء”، تقنية كشف وقياس مدى قائمة على الليزر. ومع تشابه اسمها مع الرادار، يختلف النظامان اختلافا جوهريا في المبدأ التقني وفي أسلوب التطبيق.

أبرز الفروق بين LiDAR والرادار:

1. اختلاف الطول الموجي:

• يستخدم الرادار موجات راديوية أطوالها الموجية عادة في نطاق السنتيمتر إلى الديسيمتر.
• يستخدم LiDAR ضوء الليزر، وأطواله الموجية عادة في نطاق النانومتر إلى الميكرومتر. 2. اختلاف الأجهزة وآليات العمل:
• توليد الموجات الكهرومغناطيسية وإرسالها واستقبالها يتم في كل نظام بأجهزة مختلفة تماما عن الآخر. 3. سبب التسمية:
• شاع استعمال كلمة “رادار” للدلالة على أنظمة الكشف وقياس المدى عموما، فجاءت تسمية “LiDAR” بإضافة البادئة الدالة على الليزر لإبراز ملامحها التقنية.

4. تصنيف LiDAR المحمول على الطائرات المسيّرة ومبادئ قياسه

تنقسم أنظمة LiDAR المحمولة على الطائرات المسيّرة أساسا إلى فئتين:

1. LiDAR الطوري: يحقق قياس مدى عالي الدقة بقياس فرق الطور بين ضوء الليزر المنبعث والعائد، بمبدأ يشبه مبدأ المحطة الشاملة.

2. LiDAR النبضي: يقيس المسافة بحساب فرق الزمن بين إطلاق نبضة الليزر وعودتها. وهذا النوع هو السائد حاليا في الطائرات المسيّرة.

5. LiDAR متعدد الخطوط والحصول على البيانات ثلاثية الأبعاد

يعتمد LiDAR المحمول على الطائرات المسيّرة عادة على أجهزة متعددة الخطوط (مثل Hesai Pandar40) مزودة بعدة باعثات ليزرية (40 خطا مثلا) موزعة رأسيا بزوايا مختلفة. وبالمسح الدوراني تلتقط مباشرة الإحداثيات ثلاثية الأبعاد للأجسام المكشوفة.

المزايا التقنية:

• الحصول بسرعة ودقة عاليتين على بيانات سحابة النقاط ثلاثية الأبعاد واسعة النطاق
• كفاءة جمع البيانات تفوق بكثير كفاءة المحطات الشاملة التقليدية، مما يجعلها ملائمة بوجه خاص لرسم الخرائط الجغرافية واسع النطاق

6. تكامل نظام الإحداثيات مع GPS وقياس الوضعية

في القياس الديناميكي، تعتمد الطائرة المسيّرة على نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) لمعايرة الإحداثيات، بدور يشبه التحديد العكسي للموقع في المحطة الشاملة.

لكن الاعتماد على GPS وحده لا يكفي للقياس عالي الدقة؛ فلا بد من معالم إضافية:

• زاوية الوجهة (الزاوية بالنسبة إلى الشمال الحقيقي)
• زوايا الوضعية (الزاوية الأفقية والزاوية السمتية)

وتشكّل هذه المعالم معا نظام التموضع والتوجيه، فتحل محل عملية “التسوية” التقليدية في المحطات الشاملة. وصحيح أن الطائرة المسيّرة لا تستطيع تحقيق التسوية الفعلية أثناء الحركة، لكن وحدات القياس بالقصور الذاتي (IMU) عالية الدقة ترصد التغيرات الزاوية لحظيا، فتضمن دقة البيانات وموثوقيتها.

الخلاصة

تدمج تقنية LiDAR المحمولة على الطائرات المسيّرة بين قياس المدى بالليزر والمسح متعدد الخطوط وتحديد المواقع بـ GPS وقياس الوضعية بوحدات IMU، لتحقيق إدراك بيئي ثلاثي الأبعاد وجمع للمعلومات الجغرافية بكفاءة ودقة عاليتين. وقد غطت تطبيقاتها مجالات المسح والاستكشاف والهندسة الإنشائية والزراعة الذكية ومراقبة الكوارث، حتى صارت مكونا جوهريا في تقنية المعلومات المكانية الحديثة.

قراءات إضافية

فيما يلي قراءات مختارة حول تقنية LiDAR على الطائرات المسيّرة، تشمل تحليلات تقنية موثوقة وحالات تطبيقية واتجاهات القطاع:

• ليدار
• NASA: GEDI - NASA Science - ليدار محمول على محطة الفضاء الدولية يقيس بنية الغابات ثلاثية الأبعاد: النسخة الفضائية من مبدأ قياس المدى بالليزر نفسه المستخدم في ليدار المسيّرات.