Nach 15 Jahren Entwicklung für den Militärsektor bietet Harris seine Geiger-Mode LiDAR-Technologien für die großflächige und detaillierte 3D-Topographieerfassung erstmals im kommerziellen LiDAR-Markt an.
GmAPD-Sensoren können schneller, höher und mit größeren Schwadbreiten geflogen werden – ohne Abstriche bei der vertikalen Genauigkeit. Bild: Harris Corporation
Die Harris Corporation, internationaler Hersteller von Kommunikationstechnik und Radaranlagen im Bereich Militärtechnik, bietet seine Geiger-Mode LiDAR-Technologien für die großflächige und detaillierte 3D-Topographieerfassung aus Flughöhen bis 10.000 Metern nun auch für den kommerziellen LiDAR-Markt an. Der sogenannte Geiger-Mode Avalanche Photodiode (GmAPD). LiDAR wurde während der letzten 15 Jahre in Zusammenarbeit mit dem U.S. Verteidigungsministerium entwickelt und eingesetzt. Damals war eine Kommerzialisierung aufgrund staatlicher Verschlusssache nicht möglich. Nun bietet Harris seine Technologie mit der Prämisse an, hochauflösende Geodaten in kürzerer Zeit und damit zu geringeren Kosten als auf dem Markt verfügbare Produkte zu generieren.
Harris verspricht, mit seinem GmAPD gestützen System unter anderem Punktwolken von bis zu 20 Punkten pro Quadratmeter bei einer Abdeckungsrate von 700 Quadratkilometer pro Stunde, und vier Punkten pro Quadratmeter bei 1100 Quadratkilometern pro Stunde generieren zu können. Sprich, eine höhere Auflösung in kürzerer Zeit und in größerer Flughöhe als bisherige, linear betriebene LiDAR Systeme.
Jeder erfasste Bodenpunkt wird über vier Kreise und unter vier verschiedenen Winkeln abgetastet. Bild: Harris Corporation
Grundlage des Harris Systems sind die GmAPD Detektoren: Photodioden, die mithilfe des Avalanche-Effekts in der Lage sind, einzelne Photonen zu erkennen. Derzeit verfügbare GmAPD Elemente weisen eine Photonendetektionseffizienz von bis zu 40 Prozent auf. Dies bedeutet, dass ein reflektierter Puls aus lediglich fünf bis zehn Photonen bestehen muss, damit er mit hoher Wahrscheinlichkeit erfasst wird – eine Größenordnung weniger im Vergleich zu linearen Detektoren. Zusätzlich steigern Mikro-Linsen den effektiven Detektor-Füllfaktor auf ungefähr 75 Prozent. Damit wird sichergestellt, dass jedes einfallende Photon detektiert wird. Die daraus entstehenden sehr großen Datenmengen ermöglichen eine hohe Punktdichte. Außerdem sind für dieses Aufnahmeverfahren weniger starke Laser nötig und der Sensor kann auch in großen Flughöhen eine verhältnismäßig hochauflösende Punktwolke erfassen.
Die Avalanche Photodioden befinden sich in dem GmAPD LiDAR-Sensor und reagieren auf das zurückgeworfene Licht binär, das heißt sie reagieren allein auf die Registrierung eines Photons und nicht auf die Anzahl der Photonen beziehungsweise die Menge des gemessenen Lichts. Wird also ein Laser-Puls ausgesendet, können sie sehr schwache Reflexionen in Form von einzelnen Photonen wahrnehmen und dementsprechend selbst bei einer Höhe von bis zu 11.000 Metern eine bessere Auflösung bieten als lineare LiDAR Systeme bei einer Höhe von 1.500 bis 2.000 Metern. Insgesamt sind 4096 APD Detektoren im Sensor verbaut, das heißt, pro Laser Puls, der von dem Sensor Richtung Boden gesendet und von Objekten zurückgeworfen wird, werden im Sensor 4096 Messungen regisitriert. Der Laser wiederum generiert 50.000 Pulse pro Sekunde was bis zu 205 Millionen einzelne Höhenmessungen ergibt. Bei der Messung der Laserpulslaufzeit reagieren die APDs innerhalb von 100 Picosekunden, (1Picosekunde = 1/1000 Nanosekunden). So ist eine sehr hohe Präzision im Messbereich mit einer hohen Entfernungsauflösung beziehungsweise Zieltrennung möglich. Da das System binär funktioniert, werden die reflektierten Laserimpulse bereits auf der Detektorebene digitalisiert, was die Datenverarbeitung auf dem Boden vereinfacht.
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Allerdings funktioniert das GmAPD LiDAR System aus diesem Grund nicht mit dem für lineare Systeme genutzten Aufnahmeansatz. Da durch die hochsensiblen APD Detektoren im GmAPD LiDAR auch Photonen gemessen werden, die nichts mit dem erwünschten Bild zu tun haben (Rauschen), muss das System Mehrfachimpulse einsetzen, um Oberflächen in den Daten zu erkennen. Denn nur durch die Aussendung multipler Impulse innerhalb des gleichen momentanen Sichtfeldes und deren anschließende Akkumulation ist es möglich, eine Oberfläche vom Rauschen zu unterscheiden.
Für eine optimierte Datenakquisition mit dem GmAPD Sensor wurde ein spezielles Aufnahmeverfahren entwickelt. Jeder Bodenpunkt wird mit der entsprechenden Impulsfolge von einem „Palmer-Scanner“ abgetastet. Daraus ergeben sich separate vorwärts- und rückwärts-gerichtete Schwaden. Zusätzlich werden die Flugstreifen unter Berücksichtigung des Rollwinkels (Neigung des Flugzeugs) mit mindestens 50 Prozent Überlappung ausgerichtet. So wird jeder Bodenpunkt aus vier verschiedenen Richtungen beleuchtet, eine höhere Punktdichte wird erreicht und die Eigenschatten der aufgenommenen Objekte werden reduziert. (linkes Bild) Zudem benötigen Geiger- Mode Sensoren hochgenaue Flugbahninformationen, da die Punktwolken über die Aggregation multipler Impulse generiert werden. Dazu wurde der GmAPD Sensor mit hochpräziser GPS-Technologie ausgestattet.
Insgesamt bietet Harris das GmAPD LiDAR System, bestehend aus Sensoren, Datenverarbeitungsroutinen und Analysewerkzeugen, als Komplettpaket an. Harris stellt nicht die Rohdaten, sondern als Dienstleister die für Kunden angepassten Endprodukte zur Verfügung. Als Hauptargument für seine Technologie nennt Harris die Kosteneffizienz gegenüber bisher auf dem Markt verfügbaren Li- DAR Systemen. In der Praxis ist besonders die Zeitersparnis von Vorteil, zum Beispiel wenn es im Falle einer Naturkatastrophe notwendig ist, möglichst schnell möglicht genaue Daten für eine schnelle Einsatzplanung bereitzustellen. So war Harris in der Lage, 72 Stunden nach dem Erdbeben auf Haiti 2010 eine Schadensanalyse bereitzustellen, sowie verstreute Menschenmengen und Veränderungen und Zerstörungen in der Vegetation aufzuzeigen.