Was sind die Vor- und Nachteile von Doppler-Radar gegenüber Doppler-Lidar?

Einige Raumfahrzeuge, die zur autonomen Landung/Gefahrenvermeidung ausgelegt sind (wie Surveyor ), verwenden ein Dreistrahl-Doppler-Radar für Entfernungsratenmessungen, und einige (wie Morpheus ) haben dafür ein Dreistrahl-Doppler-Lidar verwendet.

Gibt es jeweils Vor- und Nachteile wie Empfindlichkeit, Leistung, Reichweite usw.?

Hinweis: Es gab einige Verwirrung unter den Antwortenden über den Sensortyp, auf den ich mich beziehe. Ein Doppler-LIDAR ( Beispiel ) ist nicht dasselbe wie ein LIDAR. Während ein LIDAR typischerweise einen einzelnen Strahl hat, der viele Punkte abtastet oder gleichzeitig Laser auf viele Punkte schießt (was eine Punktwolke zurückgibt), hat ein Doppler-LIDAR normalerweise nur wenige Strahlen, die in feste Richtungen gerichtet sind. Ein LIDAR gibt nur die Entfernung zu jedem Schlagpunkt zurück. Ein Doppler-LIDAR gibt sowohl die Entfernung als auch die Entfernungsrate des Schlagpunkts zurück. Ich glaube, das gleiche gilt für Doppler-Radar.

@uhoh Danke für das Feedback. Ich habe gerade ein paar Links hinzugefügt.
sieht gut aus, danke!
Es sind die inhärenten Eigenschaften der Photonen, die die Unterschiede verursachen, nicht das Design des Sensors (Anzahl/Timing/Richtung der emittierten Photonen und die Signalverarbeitung). Ein Doppler-LIDAR und ein Doppler-Radar haben ähnliche relative Vorteile/Kosten wie jedes andere Sensordesign, da die Photonenemission und -verarbeitung für beide ähnlich angepasst werden kann.
@uhoh Danke, dass du das Kopfgeld gemacht hast!
Der einzige Unterschied zwischen Lidar und Doppler-Lidar ist der Doppler-Teil ... Genauso wie der einzige Unterschied zwischen Radar und Doppler-Radar der Doppler-Teil ist. Alles, was Doppler bedeutet, ist, dass es zusammen mit allem anderen die Änderung der Rendite misst. Beim Vergleich der Unterschiede zwischen Doppler-Lidar und Doppler-Radar bestehen die einzigen Unterschiede in den Lidar- und Radarteilen, nicht in den Dopplerteilen ... Das heißt, ich bin neugierig, warum dies angesichts der Antwort von JohnDanger, die die Unterschiede abdeckt, mehr Aufmerksamkeit erfordert Lidar und Radar...
@DoctorMohawk Ich teile Ihre Besorgnis, dass sich die bisherigen Antworten auf Anwendungen konzentrieren, die sich zu sehr von der Verwendung von Radar/Lidar durch Raumfahrzeuge unterscheiden. Auch aktuelle Antworten sind nicht quantitativ . Ich würde gerne sehen. Gibt es jeweils Vor- und Nachteile, wie z. B. Empfindlichkeit, Leistung, Reichweite usw.? direkt adressiert und speziell für eine Weltraumanwendung.

Antworten (2)

HINWEIS: Hier werden autonome Autosensoren besprochen, aber die gleiche Physik gilt für jeden Vergleich von Langwellen- und Kurzwellensensoren (Kosten sind der Platzhalter).

Eine interessante Parallele ist die Entscheidung von Tesla Inc., Radar als aktive Komponente für ihr autonomes Fahrsystem zu verwenden, anstatt (viel häufiger) LIDAR. Meine Erinnerung an die Kosten/Nutzen von Radar gegenüber LIDAR, die Tesla Inc. CEO Elon Musk in mehreren Interviews/Reden gegeben hat, sind

Radar-Vorteile:

  1. Kosten können LIDAR-Systeme 10- bis 100-mal mehr kosten als Radarsysteme

  2. Durch das Eindringen bestimmter Materialien kann Radar besser durch Regen, Staub, Wolken "sehen". Oder wie Mr. Musk es ausdrückt

Photonen der [Radar-]Wellenlänge bewegen sich leicht durch Nebel, Staub, Regen und Schnee, aber alles Metallische sieht aus wie ein Spiegel.

  1. Reichweite, nach Nr. 2, Radar (Radiowellen) legen in einer Atmosphäre ohne Absorption eine viel größere Entfernung zurück

  2. Stromverbrauch, benötigt jedes Radarsignal aufgrund seiner niedrigeren Frequenz weniger Energie zum Senden (ein Photon mit einer Wellenlänge im sichtbaren Spektrum hat etwa eine Million Mal mehr Energie (~1eV) als eines mit einer Wellenlänge im Radiospektrum (~10E- 6 eV. Diese Energie musste vom Instrument aufgewendet werden, um jedes Photon zu erzeugen.)

LIDAR-Vorteile:

  1. Aufgrund der höheren Auflösung kann LIDAR aufgrund des Wellenlängenunterschieds Objekte viel genauer abbilden als Radar. Herr Musk beschreibt dieses Problem mit Radar

Eine weggeworfene Getränkedose auf der Straße, deren konkaver Boden zu Ihnen zeigt, kann wie ein großes und gefährliches Hindernis erscheinen

Landesysteme für Raumfahrzeuge können in unterschiedlichen Umgebungen betrieben werden und benötigen das System, das zu ihrer spezifischen Situation passt.

  • Ist eine hohe räumliche Auflösung erforderlich, um Felsen oder Hänge zu vermeiden? Wählen Sie LIDAR

  • Gibt es eine Leistungs- oder Kostenbeschränkung? Wählen Sie Radar

  • Gibt es Staub oder Flüssigkeiten in der Atmosphäre, die durchdrungen werden müssen? Wählen Sie Radar

  • Muss das System in großer Höhe in einer Atmosphäre betrieben werden? Wählen Sie Radar

Ich würde mir vorstellen, dass ein ideales System Radar für die Abschnitte in großer Höhe eines Abstiegs und LIDAR für letzte Landemanöver verwenden würde.

Die Zitate von Mr. Musk stammen aus seinem Blogbeitrag unter https://www.tesla.com/blog/upgrading-autopilot-seeing-world-radar

Im Folgenden finden Sie zwei Artikel, in denen die beschriebenen Unterschiede weiter erörtert werden:

  1. https://medium.com/@intellias/the-ultimate-sensor-battle-lidar-vs-radar-2ee0fb9de5da

  2. http://robotsforroboticists.com/lidar-vs-radar/

Besonders interessant ist das folgende Bild aus Artikel 2 , das den Auflösungsunterschied zwischen LIDAR (dessen Frequenz nahe dem sichtbaren Spektrum liegt) und Radar zeigt.

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Darüber hinaus ist Lidar in der Regel mechanisch komplexer und hat bewegliche oder sich drehende Teile. Radar kann so konstruiert werden, dass es vollständig statisch ist. Bewegliche Teile sind immer ein Fehlerpunkt und ihre Vermeidung ist normalerweise eine gute technische Entscheidung
@Dragongeek dies gilt für autonome Straßenfahrzeuge, aber ich würde denken, dass jedes Raumfahrzeug eine feste, nach unten gerichtete LIDAR-Baugruppe haben würde. Dies würde natürlich den Kostenunterschied zwischen den beiden Systemen verringern.
Super Links, danke!
Hey, das ist eine gute Information, aber nicht ganz zutreffend. Doppler-LIDAR ist ein anderer Sensor als ein LIDAR-Sensor – normalerweise hat er ein bis drei Strahlen, keine beweglichen Teile und misst die Entfernungsrate zum Ziel und nicht nur die Entfernung. Ich glaube, das gleiche gilt für Doppler-Radar.
Die allgemeine Physik von kurzwelligen vs. langwelligen aktiven Sensoren gilt für jeden Formfaktor (Kosten sind die einzige Ausnahme, daher die große Auswahl). Der Unterschied zwischen verschiedenen Sensoren der gleichen Wellenlänge (Doppler, Entfernungsmesser, 3-D-Bildgeber) wird in der Anzahl/Richtung der emittierten Photonen und den verwendeten Datenverarbeitungsalgorithmen liegen. Das Verhalten der Photonen selbst bleibt unverändert.
Warum benötigt "... jedes Radarsignal aufgrund seiner niedrigeren Frequenz weniger Sendeleistung"? Können Sie das quantitativ begründen? Danke!

Ich denke, Sie wollen die Frage nach LIDAR stellen, wie es zur Geschwindigkeitsmessung in Raumfahrzeugen verwendet wird, und nicht nach LIDAR, das in autonomen Fahrzeugen verwendet wird. Hier liste ich einige Punkte auf, die sich sowohl auf Höhenmesser als auch auf Geschwindigkeitsmesser beziehen.

Ka-Band-Radare/Geschwindigkeitsmessung

  1. Es hat den Vorteil, dass man aufgrund der Strahlbreite tatsächlich eine Art gemittelte Informationen über Höhe und Geschwindigkeit über der rauen Oberfläche erhalten kann

  2. In größeren Höhen haben diese Sensoren hauptsächlich aufgrund der Signalstärke eine leicht verminderte Leistung

  3. Der Stromverbrauch ist geringer und ermöglicht daher Daten mit höherer Frequenz

  4. In niedrigeren Höhen hat es Probleme mit Mehrwegeausbreitung

  5. In geringeren Höhen kann es jedoch tatsächlich in den Staub eindringen (steigt auf, wenn Sie sich der Oberfläche nähern).

  6. Kann die Motorfahne durchdringen, machen Sie sich daher keine Sorgen über den Konus der Motorfahne bei voller Drosselung

  7. Die Geländeeffekte sind ein Problem für den Radardoppler

Laser-Höhenmesser/Doppler-Lidar

  1. Kann punktgenaue Höhe liefern, daher ist jede Kompensation für lokales Gelände möglich

  2. Die Genauigkeit bleibt über den gesamten Betriebsbereich nahezu gleich

  3. Kann Daten bis in sehr niedrige Höhen liefern

  4. Hoher Stromverbrauch. Zeitaufwändig, da der Laser für jede Operation gepumpt werden muss. Messungen mit höheren Frequenzen bergen das Risiko einer Beschädigung des Sensors

  5. Schwaden-/Staubreflexion ist eine echte Sorge!

  6. Die Geländevariation spielt hier keine Rolle. Es gibt wahre Sichtliniengeschwindigkeit!

Hinweis: Ich kann keine Informationsquelle finden, da diese Punkte erfahrungsgemäß als tatsächliche Quelle gelten. Also nimm es mit Salzkörnchen.

Ich habe der Frage einige klärende Informationen hinzugefügt. Ich bin mir nicht sicher, ob Sie alle von der gleichen Sensorklasse sprechen wie ich.
Außerdem erfordert ein optisches Gerät eine Art Blende. Objektivöffnungen könnten durch Staub verdeckt, zerkratzt oder beschädigt werden. Ein Radarmodul kann in eine feste Komponente eingebaut werden und durch eine äußere Abdeckung, die etwa aus Kunststoff besteht, Entfernungsmessungen durchführen
@dragongeek Ich glaube nicht, dass Staub für Weltraummissionen ein großes Problem darstellt, da es nur eine einmalige Landung ist, wenn Sie nahe genug kommen, im Allgemeinen unter 10 m. Bis zum Aufsetzen wird nur Trägheitsnavigation verwendet. Es gibt nicht viel Spielraum, um Staub zu bekommen . Es sei denn, wir haben eine Libellen-Mission, dann ist es vielleicht eine Sorge, denke ich
Was sind die Vor- und Nachteile von Doppler-Radar gegenüber Doppler-Lidar?
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