Лидар — понятие очень широкое, поэтому сначала о терминологии. Каноническое определение лидара такое. Лидар (Lidar — аббревиатура от Light Detection and Ranging (обнаружение и определение дальности с помощью света) или Laser Imaging, Detection, and Ranging (лазерная визуализация, обнаружение и определение дальности) — это метод определения расстояния до объекта с помощью лазера и измерения времени, за которое отраженный свет возвращается к его детектору. Это определение, объясняющее этимологию (происхождение) и семантику (смысл) термина «лидар», в разных вариациях за последние полвека повторялось тысячи раз в научных статьях и монографиях, курсовых работах студентов и диссертациях их преподавателей, учебниках, энциклопедиях и справочниках. Вчитайтесь в него.
В первом его варианте нет упоминания «лазера». Тем не менее, пишут «ЛИДАР — лазерный локатор, произведено от начальных букв английского термина Light Detection and Ranging», то есть в аббревиатуре нет «лазера», но он все равно «лазерный». И ведь не только сейчас так пишут. Пишут так, повторим, как минимум уже полвека. В данном случае это была цитата из 3-го издания «Метеорологического словаря» инженер-майора С.П. Хромова 1974 года, а в первых двух его изданиях 1955 и 1963 гг. вообще нет никаких лидаров. Выходит, что пока не было лазера, не было и лидаров, а как появился лазер — тут же объявились лидары. Разумеется, это не так, лидары как приборы и как понятие уже были как минимум за четверть века до изобретения лазера, и назвались не как-то иначе, а ЛИДАР (Lidar). Но об этом чуть позже, а сейчас о лазерном лидаре.
Можно с точностью до года вычислить, когда аббревиатура Lidar для аппаратов «лазерной визуализации, обнаружения и определения дальности» вошла в науку и технику. Понятно, что это могло произойти только после появления термина Laser (тоже акронима от light amplification by stimulated emission of radiation — усиление света посредством вынужденного излучения). Первый рабочий оптический квантовый генератор (то есть лазер) собрал и продемонстрировал публике Теодор Майман из Hughes Research Laboratories летом 1960 года. Однако в его статье в журнале Nature, вышедшей в августе того же 1960 года, слово «лазер» напрочь отсутствует.
Майман не претендовал на изобретение лазера, напротив, в своей статье он несколько раз пишет, что лишь реализовал идею лазера Артура Шавлова и Чарлза Таунса из Bell Telephone Laboratories Inc., изложенную ими в подробностях в статье «Infrared and Optical Masers» в декабрьском номере журнала «Physical Review» 1958 года. И у них в этой статье отсутствует понятие Laser. Нет его и в их патенте (US2929922 1960 года, с приоритетом от июля 1958 года) на «Мазеры и мазерную систему связи», где описана конструкция мазера, которая «обеспечивает эффективную, малошумящую, монохроматическую генерацию инфракрасных, видимых или ультрафиолетовых волн».
Не было такого слова и в СМИ, которые после демонстрации летом 1960 года аппарата Маймана сразу же разразились публикациями о смертоносных лучах, рисуя его леденящее кровь будущее почище Алексея Толстого в романе «Гиперболоид инженера Гарина», который западные журналисты едва ли читали.
Впервые в научных публикациях термин «лазер» появляется в 1961 году, и в том же году — в заявках на патенты (см. например, патент US3229222 Питера Сорокина, а далее его употребление растет по экспоненте, и в 1970-е годы становится уже именем нарицательным. Тогда же, в 1961 году, в инженерном лексиконе появляется и «лидар», но под названием «colidar», то есть «когерентный радар». Под этим именем он фигурирует в статье 1961 года Малькольма Стича из Hughes Aircraft Co. «Оптическая дальномерная система с использованием лазерного передатчика». Там они пишут: «Оптический мазер, или лазер, как его иногда называют, обладает уникальными преимуществами... По сравнению с микроволновым радаром, когерентный световой луч мазера на рубине, обеспечивает дальность действия до 2-3 миль». И в том же 1961 году в газетах и на ТВ заговорили о «новом лазерном радаре».
В 1962 - 63 гг. «лазерные радары» уже использовались как дальномеры для военной техники, причем это были не опытные образцы, а серийная техника, а также на аэродромах для сканирования облачности. Вероятно, в США на них брали патенты, а в нашей стране их конструкторы получали авторские свидетельства. Но то ли по соображениям секретности, то ли по какой-то другой причине (включая острое нежелание историков лидара тратить свое время на поиски в неоцифрованных архивах), первые свободно доступные патенты на лидары в оцифрованном виде датируются 1965 годом. Например, в патентной заявке Рональда Коллиса из Стенфордского исследовательского института в Менло-Парке на «Метеорологическую лидарную систему» изобретатель пишет: «С развитием лазерных технологий было предложено использовать лазерную радиолокационную систему, далее именуемую лидаром…».
Таким образом, в нынешнем 2025 году мы могли бы отметить 60-ю годовщину патентной истории лазерного лидара. Только за эти 60 лет в отличие от «лазера», который, как пишут в своих научных статьях лингвисты, «на данном этапе характеризуется высшей степенью освоенности на лексико-семантическом, синтаксическом и фонетическом уровнях», «лидар» в разговорном языке до сих пор находится на начальном этапе подобной освоенности.
Производители и ритейлеры лидаров, не пуская это дело на самотек, стараются сделать лидар ближе к народу. Например, на сайте крупнейшего в нашей стране ритейлера бытовой техники уже лет десять висит постоянно обновляемая статья о лидарах, где с завидной для энциклопедий и справочников краткостью и четкостью описана история и принцип действия лазерного лидара и польза его применения в повседневной жизни – от «полицейских радаров (на самом деле лазерных сканеров)» и «лазерных сторожей в “умном доме”» до карманной лазерной рулетки «для подарка дедушке» и лазерной лидарной надстройки на продвинутых моделях роботов-пылесосов с обзором в 360 градусов, стопроцентно гарантирующих, что робот не наедет на тапки хозяина или туалет хозяйского кота.
Однако история лидара начинается все же не с его лазерной версии. История световых дальномеров как минимум втрое длиннее. Да и саму аббревиатуру Lidar современные историки лидарной техники не так давно обнаружили в третьем, 1953 года, издании монографии «Метеорологические приборы» («Meteorological instruments») Уильяма Миддлтона из университета Торонто и океанографа Ательстана Спилхауса, декана Технического института (технического факультета) университета Миннесоты.
В первых двух изданиях (1941 и 1943 гг.) этой книги Миддлтона и Спилхауса не было никаких лидаров, а в третьем издании 1953 года вдруг появились. Хотя ничего удивительного в этом нет, напротив, удивительно, что это не произошло раньше. Как еще коротко можно было назвать класс световых метеорологических дальномеров, то есть предназначенных для исследования воздушного пространства, если уже были подобные инструменты – радары, прочно вошедшие во время войны в научно-технический и даже бытовой лексикон? Оставалось заменить две буковки, и радар (radio detecting and ranging — радиообнаружение и определение дальности) превращался в лидар (light detection and ranging — обнаружение и определение дальности с помощью света), термин короткий, удобный в пользовании и звучный, запоминающийся, ничуть не хуже в этом плане, чем «радар».
В середине 1950-х годов появились первые световые импульсные моностатические лидары, которые работали в общем-то по принципу лазерных лидаров. Передатчик в них, генерирующий очень краткие импульсы света, и приемник, ловящий эхо отраженного от цели света, не были разнесены подальше друг от друга для простоты и точности тригонометрических расчетов дальности цели, а расположены в одном месте и вычисляли расстояние до цели одним простым действием — умножением скорости света на время задержки светового эха. А сканирование ее, цели, лучом прожектора давало визуализацию, в данном случае картинку рэлеевского рассеяния в земной атмосфере на высотах до 40 км. Для чего, собственно, и был изобретен учеными данный моностатический прожекторный лидар, их интересовала картинка плотности стратосферы на высотах, недоступных для традиционных замеров с помощью аэростатов с приборами.
Только построили такой световой лидар обладатели Phd Стивен Фридланд, Генри Катценштейн и Реймонд Зацик с физфака университета Коннектикута не на университетские деньги, а на грант Командования воздушных исследований и разработок ВВС США, о чем свидетельствует ссылка в их статье «Импульсный прожектор для исследования атмосферы» («Pulsed searchlighting the atmosphere»), опубликованной в 1956 году в «Журнале геофизических исследований» («Journal of Geophysical Research»). Военные, вероятно, хотели таким способом проверить степень погрешностей своих радаров при сканировании цели на больших высотах из-за вторичного излучения объектов слежения, да и лишним такой прожектор для них в любом случае не был. Ведь до изобретения Рональдом Коллисом фактически такого же прожектора, только лазерного, оставалось еще почти десять лет.
В своей статье Стивен Фридланд и его коллеги писали: «Для измерения профиля плотности верхних слоев атмосферы была разработана оптическая импульсная прожекторная система. Источник света, излучающий импульс мощностью 50 мегалюмен, длительность которого составляет 20 микросекунд, размещен в фокальной точке 60-дюймового зеркала. Фотоумножитель, который является частью логарифмической регистрирующей системы, охватывающей динамический диапазон четырех порядков, размещен в фокальной точке аналогичного зеркала. При каждом импульсе света получается полный профиль плотности. Наблюдалась высота над уровнем моря более 40 км. Обсуждаются предложения и методы получения сигналов с больших высот. Данные, полученные на сегодняшний день, согласуются с результатами предыдущих исследований и теоретических расчетов».
Что же касается «предыдущих исследований» в данном конкретном направлении, то им на тот момент было больше четверти века. Автором идеи прожекторного сканирования атмосферы считается ирландский физик Эдвард Синдж. В истории науки и техники он остался как «автор концепции лидара» и одним из заочных (по письмам) знакомых Альберта Эйнштейна, которых последний опекал и многократно хлопотал за них. В 1930 году Синдж сделал расчеты (и тоже послал их Эйнштей��у, прежде чем опубликовать в «London and Edinburgh Philosophical Magazine and Journal of Science»), согласно которым достаточно ста мощных зенитных прожекторов (о них надо договориться с военными, писал Синж), чтобы, «сконцентрировав их свет на одном и том же участке неба и используя 36-дюймовое зеркало в сочетании с фотоэлементом в приемнике, с точностью до одного процента рассчитать рассеяние света на высотах в 30 км».
Его идея была реализована в те же 1930-е годы, правда, не в таких масштабах и не на таких высотах. Только сам Синдж к этому времени после обострения врожденного аутизма в возрасте 45 лет был уже в «доме престарелых», куда, если верить ирландским историкам науки, у них в Ирландии в те годы отправляли неизлечимых пациентов. Куда еще деть гениального ученого?
Самая ранняя успешная попытка провести эксперимент Синджа датируется 1935 годом, а в 1937 году было обнаружено, что на высотах более 10 км теоретически рассчитанный рэлеевское рассеяние составляло практически все измеренное, что подтверждало ценный для ученых факт, что «только рэлеевское рассеяние было важным фактором на высотах свыше 10 км».
Зная все это, можно найти исходную точку в истории создания лидара. По своей конструкции все лидары прошлого века, и световые оптические лидары, как бистатические, когда источник и приемник света находятся на значительном, вплоть до нескольких километров, расстоянии друг от друга, так и моностатические, и пришедшие им на смену лазерные лидары, — все они основаны на измерении времени задержки отраженного от цели света. И как ни тривиально это звучит, их попросту не было бы, если бы скор��сть света была неизвестна.
Как известно, впервые скорость света рассчитал Олаф Рёмер в XVII веке в ходе наблюдения за спутниками Юпитера и получил ее значение в 220 000 000 м/с. В XVIII веке Джеймс Брэдли дал более точное ее значение — 308 000 000 м/с. А первым определил скорость света экспериментальным способом в земных условиях французский физик-оптик Ипполит Физо в 1848-49 гг. Сконструированный им для этого прибор был одним из самых интересных в истории лидара. И не только потому, что измеренная Физо скорость света (313 274 304 м/с) была довольно точной, всего на 4,5 % выше истинного ее значения — 299 792 458 м/с, а потому, что этот его прибор измерял задержки эха импульсов света, как больше ста лет спустя делали оптические и лазерные лидары второй половины XX века.
Кому интересны подробности, может почитать оригинал статьи Физо 1849 года «Sur une expérience relative à la vitesse de propagation de la lumière» («Об эксперименте, касающемся скорости распространения света») в оцифрованном номере журнала «Comptes rendus hebdomadaires des séances de l'Académie des Sciences» («Еженедельные отчеты о заседаниях Академии наук»), а схему его определителя скорости света можно посмотреть, например, здесь.
Если же совсем коротко, то яркий источник света, вероятно, дуговая лампа (сам Физо это не уточняет) и отражающее его зеркало находились на расстоянии «приблизительно 8633 метров» друг от друга: на холме Монмартр — самом высоком месте в Париже (130 м над уровнем моря), и в бельведере дома Физо на другом берегу Сены в парижском пригороде Сюрен. Такая «приблизительность» с точностью до метра для 8,6-километрового расстояния невольно вызывает улыбку. Разумеется, это расстояние было измерено им заранее с помощью тригонометрического дальномера того времени, возможно, даже не одного. Но ответственность за их точность Физо на себя не взял.
Источник света был закрыт вращающимся зубчатым колесом с 720 зубцами, «приводимым во вращение движение грузами и сконструированным месье Фроманом». Физо увеличивал скорость вращения зубчатого колеса до тех пор, пока свет, проходящий через одну выемку в колесе, не начинал полностью гаситься соседним зубцом. При скорости 12,6 оборота в секунду свет гас. При удвоении этой скорости (25,2 оборота в секунду) свет снова становился видимым. При увеличении скорости в 3 раза снова происходило затмение. Зная скорость вращения колеса и расстояние между колесом и зеркалом, можно было вычислить скорость света: 2 × 8633 м × 720 × 25,2/с = 313 274 304 м/с.
«Эти первые попытки позволили получить значение скорости света, которое лишь немногим отличается от того, которое было получено астрономами», — писал Физо в заключении своей статьи. Его имя присутствует в числе 72 имен самых выдающихся французских ученых и инженеров на Эйфелевой башне, причем он один из троих, чьи имена попали туда еще при их жизни. Изобретатель, определивший скорость света таким гениально простым способом, того заслуживает.
Но это не все. Ответ на вопрос, можно ли считать изобретение Ипполита Физо прообразом импульсного светового лидара, а заодно и лазерного лидара, риторический. Интересен в данной случае другой вопрос: почему прошло столько лет, прежде чем световые лидары вошли в обиход ученых, почему они сразу после опытов Физо не озаботились разработкой если не сканирующих лидаров, то хотя бы световых импульсных дальномеров, просто решив обратную задачу с помощью аппарата Физо?
Причина тут, наверное, очень простая. Дело не в том, что точную скорость света определили только в 1975 году. Шестеренка с зубцами месье Фромана позволяла, варьируя грузами вращать ее с любой скоростью в пределах плюс-минус 5% от истинной скорости света, приемлемой для решения обратной задачи — вычисления с «приблизительной до метра» точностью километровых расстояний до источника света, зная примерную скорость света. Просто не было нужды делать это с такими сложностями.
История дальномеров не в пример древнее истории лидаров. Еще античным землемерам достаточно было нацелиться на что-то, потом отойти в сторонку под углом 90 градусов, снова нацелиться на это что-то под углом и, зная этот угол, решить тригонометрическую задачу с прямоугольным треугольником. А за последующие две тысячи лет тригонометрические оптические дальномеры достигли, можно сказать, совершенства.
Достаточно мощными прожекторами светили в небо уже в конце XIX века, когда там появились аэростаты, а потом, уже в начале прошлого столетия, аэропланы, и этого пока было достаточно. Не было необходимости светить в пустое небо, сканируя нижнюю поверхность облаков, а то и вовсе с целью разгадки цвета неба путем определения рэлеевского рассеяния на разных высотах. Когда же необходимость следить за пустым на первый взгляд небом стала насущной, появились радары, потом довольно быстро — импульсные световые лидары и почти сразу вслед за ними лазерные лидары.
Таким образом, история создания лидара — от исходного ее события до появления лазерного лидара — длилась более века, а затем наступает эпоха лазерного лидара и время совершенствования четырех основных его составляющих — источника излучения, детектора отраженного света, системы управления и программного обеспечения, причем последнее уже епархия машинного зрения, а также того, что можно назвать «социализацией» лидара — поиском областей его применения.
Как образно писал один из историков лидарных технологий, «лазерный радар, появившийся на свет как младший брат микроволнового радара и, обеспечивая более высокое пространственное разрешение и точность, казалось, имел блестящее будущее в тех же областях применения, что микроволновый радар. Однако огромные затраты для создания прототипов-монстров с оптической цепью длиной почти сто метров не оправдались. Младшенький пошел своим собственным путем, иногда все же делясь идеями со своим старшим братом».
Начав свою карьеру в видимой области спектра (рубиновый лазер), лидар в середине 1960-х годов обзавелся Nd:YAG-лазером (патент US3252103 1966 года с приоритетом от мая 1964 на твердотельный лазер на основе легированного неодимом иттрий-алюминиевого граната) и освоил ближний инфракрасный диапазон. А затем и дальний (тепловой) инфракрасный диапазон, получив в свое распоряжение углекислотный лазер (патент US3596202 1971 года с приоритетом от марта 1969 года). Потом он освоил ближний ультрафиолетовый диапазон. А в конечном итоге современные лазерные лидары работают в инфракрасном, видимом и ультрафиолетовом диапазонах — в зависимости от используемого ими лазера, причем они используют также лазеры с непрерывной амплитудной модуляцией вместо коротких импульсов.
В своей световой, прожекторной ипостаси лидар интересовал прежде всего геофизиков атмосферы и метеорологов как инструмент проверки их теорий, а в приземленной практике он был нужен для аэродромных служб для слежения за облачным покровом. Когда же он стал лазерным, его жизнь коренным образом изменилась. Он по-прежнему был одним из главных инструментов в гидрометеорологии, но теперь все чаще и чаще светил не с земли в небо, а наоборот — с неба на землю, а если с Земли (с большой буквы), то, чего уж там размениваться на облака, прямо на Луну.
Первые успешные попытки определить расстояние до Луны с помощью лазерного лидара датируются маем 1962 года («рубиновый» лидар конструкции инженеров Массачусетского технологического института — MIT) и в сентябрем 1963 года (тоже «рубиновый» лидар конструкции ФИАН, установленный в Крымской обсерватории). Эхо отраженных лазерных импульсов ловили зеркальным телескопом (диаметром 1,2 м в MIT и 2,6 м в Крыму) с интерференционным фильтром.
Понятно, что лидары с такими габаритами приемника-фотодетектора на самолет было не пристроить. Первые лазерные лидары, которые поднялись в воздух, чтобы отсканировать местность с высоты имели более компактную конструкцию, да и в такой дальности (до Луны около 400 000 км) они не нуждались. Так в 1960-е годы лидар стал в геодезии незаменимым инструментом для крупномасштабных съемок, а в начале 1970-х годов и в «лунадезии» тоже: с его помощью составляли карту Луны, сканируя ее поверхность с космических аппаратов на ее орбите, а потом оснащали ими луноходы. Затем лидары занялись «марсодезией».
На Земле же их способность «видеть под деревьями», которая определялась их способностью выдавать при сканировании до 10 000 точек в секунду (10 килогерц) (потом инженеры повысили ее до 500 килогерц) произвела революцию в геодезии и географии в целом. Особенно широко пошли такие исследования в первой половине 1970-х, когда лидары стали работать в паре с GPS.
Не следует так��е забывать про взрывную популярность появившегося в 1960-е годы течения «алармизма» (нынешнее его олицетворение — Грета Тунберг) и оформление его в политические партии «зеленых», пугавших граждан близким концом света в результате глобального загрязнения окружающей среды. Лидар стал не последним инструментом в борьбе «зеленых» за депутатские мандаты в западноевропейских парламентах, отложив в сторону свое, лидаровское, академическое чистоплюйство вроде рэлеевского рассеяния и занявшись рамановским рассеянием, характерным для продуктов антропогенного загрязнения в атмосфере.
Как это у него получилось, можно увидеть, посмотрев один из первых патентов 1974 года на систему обнаружения загрязняющих веществ в воздухе с помощью инфракрасного лидара (US3829694) и патент 1994 года на то же самое с помощью углекислотного лидара (US5373160). Вышло неплохо, за 20 лет лидар научился детекции даже радиоактивных микрочастиц атмосферного загрязнения. В этих патентах, взятых исключительно для примера (можно было взять и другие патенты тех же лет) в преамбулах к изобретению четко видно, что знали и умели лидары в области атмосферного загрязнения в начале 70-х и какого прогресса достигли в начале 90-х. А когда в 90-е «зеленые» оседлали нового конька — глобальное потепление и едут на нем до сих пор, у лидара появилась новая пиар-обязанность – мерить парниковые газы. Вот, например, свежий отечественный патент на «Лидар для измерения парниковых газов в атмосфере» Института оптики атмосферы им. В.Е. Зуева Сибирского отделения РАН.
Если же вернуться в шестидесятые годы прошлого столетия, то с рождения лазерный лидар был призван в армию и служит там поныне по двум военно-учетным специальностям: наводчик и разведчик. Это отдельная интересная история, описанная много раз и повторять ее еще раз излишне. ВПК развитых стран был тогда (наряду с гидрометеослужбами) главным заказчиком разработки лидаров, таковым он остается поныне. Можно лишь отметить, что в нашей стране за 16 лет, с 1967 года по 1983 год, «Воениздат» выпустил 11 учебных пособий и монографий, не считая их переизданий в эти же годы и десятков статей в специальных периодических изданиях для армии. Посмотреть, как выглядели в советской армии лидары-новобранцы конца 60-начала 70-х годов по сравнению с такими же «салагами» в армиях США и Норвегии, можно посмотреть здесь. К концу века лидары уже были способны на дистанционное обнаружения и визуализацию противокорабельных мин и подлодок (патент US5231401), а также на детекцию «распыленных противником в атмосфере аэрозолей химического и биологического оружия» (US20020175294A).
Развитие лазерного лидара со дня его рождения сопровождалось многочисленными публикациями, появились новые научные и инженерно-технические журналы, собирались новые симпозиумы и конференции, печатались новые учебники для студентов технических вузов, которых готовили к новым специальностям. Забегая вперед, наверное, будет не лишним сказать, что с 1996 года в нашей стране ежегодно проводится всероссийский конкурс выпускных квалификационных работ (дипломных работ, говоря по-простому) студентов этих специальностей, которых готовят у нас в 12 вузах. Вот, например, две темы их не так давно защищенных дипломов-победителей конкурса: одна прикладная, географическая — «Исследование экологического состояния поверхности моря лидарной системы», вторая инженерно-техническая — «Расчет характеристик лидара для измерения температуры мезосферы на основе доплеровского уширения линий натрия».
В 1980-е у лидара появляется новая работа — в области робототехники, а точнее в автономных наземных транспортных средствах, где на основе того, что он видит и передает в бортовой компьютерный контроллер, тот рулит беспилотным авто. В нулевые года нашего века такие авто уже прочно ассоциируются с лидаром. Рекрутирование лидара в смартфоны было только вопросом времени, не так давно он получил работу и в этом месте.
Сейчас вы не найдете публикаций о патентном ландшафте лидара в целом. Про патентные ландшафты в разных областях его применения — картографии, автономном транспорте, дронах, прочей робототехники, строительстве, АПК и т.д. —таких ландшафтов сколько угодно. Но для лидара как такового их нет, при попытке это сделать ноги, как говорится, разъезжаются до шпагата, слишком вездесущим он стал. Можно лишь сказать, что мировой рынок лидаров в целом приближается к $1,5 млрд, а при сравнении рынков по его разновидностям и профессиям видно, что наибольшим спросом сейчас пользуются лидары автономного транспорта, мобильные лидар-сканеры, лидары дронов, где фигурируют многомиллионные денежные обороты, и еще десятка два других вариаций лидаров по применению с миллионными оборотами.
Сейчас на повестке дня квантовые лидары (см., например, US2023/0375708A1). За Quantum LiDAR, как считают его разработчики, будущее. Возможно, так и будет. Но как тогда назовут лидары? Похоже, что QDAR.
О сервисе Онлайн Патент:
Онлайн Патент — цифровая система № 1 в рейтинге Роспатента. С 2013 года мы создаем уникальные LegalTech‑решения для защиты и управления интеллектуальной собственностью. Зарегистрируйтесь в сервисе Онлайн‑Патент и получите доступ к следующим услугам:
Онлайн‑регистрация программ, патентов на изобретение, товарных знаков, промышленного дизайна;
Опции ускоренного оформления услуг;
Бесплатный поиск по базам патентов, программ, товарных знаков;
Мониторинги новых заявок по критериям;
Онлайн‑поддержку специалистов.
