¿Cuáles son los pros y los contras del radar Doppler frente al lidar Doppler?

Algunas naves espaciales diseñadas para aterrizaje autónomo/evitación de peligros (como Surveyor ) utilizan un radar Doppler de tres haces para mediciones de rango, y algunas (como Morpheus ) han utilizado un lidar Doppler de tres haces para lo mismo.

¿Hay ventajas y desventajas para cada uno, como sensibilidad, potencia, rango, etc.?

Nota: ha habido cierta confusión entre los que respondieron sobre el tipo de sensor al que me refiero. Un LIDAR Doppler ( ejemplo ) no es lo mismo que un LIDAR. Mientras que un LIDAR generalmente tiene un solo haz que escanea o dispara láseres simultáneamente en muchos puntos (devolviendo una nube de puntos), un LIDAR Doppler generalmente tiene solo unos pocos haces que apuntan en direcciones fijas. Un LIDAR devuelve solo el rango a cada punto de impacto. Un LIDAR Doppler devuelve el rango, así como la tasa de rango del punto de impacto. Creo que lo mismo es cierto para el radar Doppler.

@uhoh Gracias por los comentarios. Acabo de añadir algunos enlaces.
se ve bien, gracias!
Son las propiedades inherentes de los fotones las que crean las diferencias, no el diseño del sensor (el número/tiempo/dirección de los fotones emitidos y el procesamiento de la señal). Un LIDAR Doppler y un radar doppler tendrán beneficios/costos relativos similares a los de cualquier otro diseño de sensor, ya que la emisión y el procesamiento de fotones se pueden ajustar de manera similar para ambos.
@uhoh ¡Gracias por hacer la recompensa!
La única diferencia entre lidar y doppler lidar es la parte doppler... Al igual que la única diferencia entre el radar y el radar doppler es la parte doppler. Todo lo que Doppler significa es que está midiendo el cambio en la tasa de retorno junto con todo lo demás. Al comparar las diferencias entre el lidar doppler y el radar doppler, las únicas diferencias están en las partes del lidar y del radar, no en las partes del doppler... Es decir, tengo curiosidad por qué esto necesita más atención, dada la respuesta de johnDanger que cubre las diferencias entre lidar y radar...
@DoctorMohawk Comparto su preocupación de que las respuestas hasta ahora se centran en aplicaciones que son muy diferentes de cómo las naves espaciales usarían el radar/lidar. Además, las respuestas actuales no son cuantitativas . Me gustaría ver ¿Existen ventajas y desventajas para cada uno, como sensibilidad, potencia, alcance, etc.? directamente, y para una aplicación espacial específicamente.

Respuestas (2)

NOTA: Esto analiza los sensores de automóviles autónomos, pero la misma física se aplicará a cualquier comparación de sensores de onda larga y de onda corta (el costo es el comodín)

Un paralelismo interesante es la decisión de Tesla Inc. de utilizar el radar como componente activo de su sistema de conducción autónomo en lugar del (mucho más común) LIDAR. Mi recuerdo de los costos/beneficios del radar sobre LIDAR dado por el CEO de Tesla Inc., Elon Musk, en varias entrevistas/discursos es

Beneficios del radar:

  1. costo, los sistemas LIDAR pueden costar entre 10 y 100 veces más que los sistemas de radar

  2. penetración de ciertos materiales, el radar puede "ver" mejor a través de la lluvia, el polvo y las nubes. O como dice el Sr. Musk

Los fotones de la longitud de onda [del radar] viajan fácilmente a través de la niebla, el polvo, la lluvia y la nieve, pero cualquier cosa metálica parece un espejo.

  1. rango, siguiendo el #2, el radar (ondas de radio) viaja una distancia mucho mayor en una atmósfera sin absorción

  2. consumo de energía, cada señal de radar requiere menos energía para enviarse debido a su menor frecuencia (un fotón con una longitud de onda en el espectro visible tiene aproximadamente un millón de veces más energía (~1eV) que uno con una longitud de onda en el espectro de radio (~10E- 6 eV). Esta energía tuvo que ser gastada por el instrumento para crear cada fotón)

Beneficios LIDAR:

  1. mayor resolución, LIDAR puede mapear objetos con mucha más precisión que el radar debido a la diferencia en la longitud de onda. El Sr. Musk describe este problema con el radar

Una lata de refresco desechada en la carretera, con su parte inferior cóncava mirando hacia usted, puede parecer un obstáculo grande y peligroso.

En cuanto a los sistemas de aterrizaje de naves espaciales, pueden estar operando en diferentes entornos y necesitan el sistema que se adapte a su situación específica.

  • ¿Se requiere una alta resolución espacial para evitar rocas o pendientes? Elija LIDAR

  • ¿Hay una restricción de energía o costo? recoger radar

  • ¿Hay polvo o líquidos en la atmósfera que deban ser penetrados? recoger radar

  • ¿Es necesario que el sistema funcione a gran altura en una atmósfera? recoger radar

Me imagino que un sistema ideal usaría un radar para las partes de gran altitud de un descenso y LIDAR para las maniobras finales de aterrizaje.

Las citas del Sr. Musk se tomaron de su publicación de blog en https://www.tesla.com/blog/upgrading-autopilot-seeing-world-radar

A continuación hay dos artículos que analizan las diferencias descritas en más detalle:

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

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

Especialmente interesante es la siguiente imagen del artículo 2 que muestra la diferencia de resolución entre LIDAR (cuya frecuencia está cerca del espectro visible) y el radar.

ingrese la descripción de la imagen aquí

Además, Lidar suele ser más complejo desde el punto de vista mecánico y tiene partes móviles o giratorias. El radar se puede construir para que sea completamente estático. Las piezas móviles siempre son un punto de falla y evitarlas suele ser una buena decisión de ingeniería.
@Dragongeek, esto es cierto para los vehículos de carretera autónomos, pero creo que cualquier nave espacial tendría un conjunto LIDAR fijo orientado hacia abajo. Por supuesto, esto reduciría la diferencia de costos entre los dos sistemas.
Excelentes enlaces, gracias!
Oye, esta es una buena información, pero no totalmente aplicable. Doppler LIDAR es un sensor diferente a un sensor LIDAR; por lo general, tiene de uno a tres haces, no tiene partes móviles y mide la velocidad de alcance al objetivo en lugar de solo el alcance. Creo que lo mismo es cierto para el radar Doppler.
La física general de los sensores activos de onda corta frente a los de onda larga es válida para cualquier factor de forma (siendo el costo la única excepción, de ahí el amplio rango dado). La diferencia entre varios sensores de la misma longitud de onda (Doppler, telémetro, reproductor de imágenes 3D) estará en el número/dirección de los fotones emitidos y los algoritmos de procesamiento de datos utilizados. El comportamiento de los propios fotones no cambiará.
¿Por qué "... cada señal de radar requiere menos potencia para enviar debido a su menor frecuencia"? ¿Puedes hacer un argumento cuantitativo para eso? ¡Gracias!

Creo que quiere hacer la pregunta sobre LIDAR que se usa para medir la velocidad en naves espaciales en lugar del LIDAR que se usa en vehículos autónomos. Aquí, enumero algunos puntos relacionados tanto con los altímetros como con los velocímetros.

Radares de Banda Ka/Velocimetría

  1. Tiene la ventaja de que, en realidad, se puede obtener una especie de información promediada sobre la altitud y la velocidad sobre la superficie rugosa debido al ancho del haz.

  2. En altitudes más altas, estos sensores tienen un rendimiento ligeramente degradado, principalmente debido a la intensidad de la señal.

  3. El consumo de energía es menor, lo que permite datos de mayor frecuencia

  4. En altitudes más bajas, tiene problemas de trayectos múltiples.

  5. Aunque en altitudes más bajas, en realidad puede penetrar el polvo (aumentando a medida que te acercas a la superficie)

  6. Puede penetrar el penacho del motor, por lo tanto, nunca debe preocuparse por el cono del penacho del motor durante el régimen de aceleración total

  7. Los efectos del terreno son un problema para el radar doppler.

Altímetro láser/Lidar Doppler

  1. Puede proporcionar una altitud precisa, por lo tanto, es posible cualquier compensación realizada por el terreno local

  2. La precisión casi permanece igual para el rango operativo completo

  3. Puede proporcionar datos hasta altitudes muy bajas

  4. Alto consumo de energía. Consume mucho tiempo, ya que es necesario bombear el láser para cada operación. Las mediciones de mayor frecuencia conllevan el riesgo de dañar el sensor

  5. ¡El reflejo del penacho/polvo es una verdadera preocupación!

  6. La variación del terreno no tiene importancia aquí. ¡Proporciona la verdadera velocidad de la línea de visión!

Nota: No puedo encontrar la fuente de información ya que estos puntos son por experiencia que fuente real. Así que tómalo con un grano de sal.

He agregado información aclaratoria a la pregunta. No estoy seguro de que todos estén hablando de la misma clase de sensor que yo.
Además, un dispositivo óptico requiere algún tipo de apertura. Los puertos de la lente pueden quedar oscurecidos por el polvo, rayados o dañados. Se puede construir un módulo de radar dentro de un componente sólido y medir el rango a través de una cubierta exterior que está hecha de algo parecido al plástico.
@dragongeek No creo que el polvo sea un problema importante para las misiones espaciales, ya que es solo una vez que aterrizas cuando te acercas lo suficiente, generalmente por debajo de 10 m, solo se usa la navegación inercial hasta el aterrizaje, no hay mucho campo para obtener polvo . A menos que tengamos una misión tipo libélula, entonces tal vez sea una preocupación, creo.
¿Cuáles son los pros y los contras del radar Doppler frente al lidar Doppler?
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