LiDAR câștigă rapid interes și este implementat în ADAS și sistemele automate de detectare a vehiculelor, dar există diferite moduri de implementare a tehnologiei. Această lucrare explică aceste abordări și avantajele relative ale detectării coerente LiDAR.
Detectarea și măsurarea luminii (lidar) a fost conceptualizată pentru prima dată în anii 1930, aproape simultan cu detecția și măsurarea radio (radar). Cu toate acestea, tehnologia nu a fost dovedită până la apariția laserelor în anii 1960, iar în anii următori, dezvoltarea comunicațiilor optice a dus la progrese semnificative în domeniul laserelor și al tehnologiei de modulare optică.
În 2008, primul sistem LiDAR disponibil comercial, numit inițial „radar optic”, și-a făcut debutul într-o mașină de pasageri Volvo. Această tehnologie inovatoare alimentează unul dintre primele sisteme de frânare automată de urgență (AEB), permițând vehiculelor să frâneze automat pentru a preveni sau atenua coliziunile din spate.
După introducerea sa timpurie în urmă cu 15 ani (și înlocuirea sa ulterioară cu radar ca alternativă mai ieftină la AEB), lidarul de înaltă rezoluție a evoluat rapid pentru a deveni un senzor cheie de înaltă rezoluție pentru programele de mașini autonome și a promovat o varietate de tehnologii tehnologice. start-up-uri inovatoare și bine finanțate. Oferind o gamă mai mare, rezoluție superioară și vizualizare 3D în timp real a împrejurimilor vehiculului, tehnologia se maturizează acum într-o paradigmă importantă de senzori nu numai pentru conducerea autonomă, ci și pentru a completa sistemele avansate de asistență a șoferului (ADAS) în mașinile de pasageri și comerciale. flotelor.
Senzorii LiDAR emit fotoni în spectrul infraroșu pentru a detecta și a crea imagini 3D ale împrejurimilor. Ele se dovedesc a fi foarte populare în aplicațiile auto. Principalul avantaj al LiDAR față de radar este că lumina utilizată are o lungime de undă foarte scurtă, ceea ce permite măsurători precise. În plus, LIDAR poate funcționa în orice condiții de iluminare și are o rază de detecție mai bună în comparație cu camerele. Datele capturate de senzorii LIDAR pot fi privite ca un „nor de puncte”.
Există multe lucruri de luat în considerare atunci când dezvoltați un sistem LiDAR, cum ar fi ce lungime de undă să utilizați, cum să scanați și cum să faceți față interferențelor. Cu toate acestea, cea mai mare decizie pe care trebuie să o ia sistemul este modul în care poate detecta cel mai bine fotonii care se întorc. Există doi concurenți principali, detectarea directă și detectarea coerentă.
Detectare directă
Într-un sistem de detectare directă, este emis un impuls laser, pornind efectiv un cronometru. Când se primește întoarcerea impulsului laser, acesta se oprește și calculează distanța pe baza timpului scurs. A se vedea figura 1.
Figura 1: Deoarece viteza luminii (c) este constantă, distanța până la țintă este Δtc/2, unde Δt este timpul dintre începutul transmisiei fotonului și frontul de recepție a fotonului.
Pentru distanțe de până la aproximativ 50 m, nu este nevoie de un laser monomod reglabil de înaltă calitate (deoarece este pur și simplu o sursă care comprimă un număr mare de fotoni într-un timp scurt) sau de modulare, simplificând astfel circuitul de comandă. Nici optica de precizie nu este necesară pentru a compensa aberațiile frontului de undă.
De ce raza scurta? Pe măsură ce aria de iluminare crește odată cu distanța, puterea de retur scade (ca pătratul distanței). Notă: Formula de calcul este: puterea de retur este aproximativ egală cu puterea de transmisie x (zonă țintă/zonă de iluminare) x (zonă de recepție/(π x interval2)). Această pierdere nu poate fi evitată, așa că cea mai simplă soluție este transmiterea mai multă putere sau creșterea sensibilității receptorului.
Cu toate acestea, există o limită a cantității de putere laser care poate fi utilizată. Lumina intensă în infraroșu apropiat (IR) (800 până la 1400ηm) poate afecta vederea umană. Simpla creștere a puterii de transmisie a luminii NIR în aplicațiile ADAS sau auto-conducere poate reprezenta un pericol pentru alți utilizatori ai drumului și pietoni.
Pentru a îmbunătăți sensibilitatea de recepție, colecția de fotoni poate fi mărită prin utilizarea lentilelor de recepție cu suprafață mai mare. În plus, pot fi folosite fotodiode de avalanșă (APD, fotodiode cu câștig intrinsec), deși tind să fie scumpe, fragile și mici (ceea ce complică și mai mult optica sistemului) și pot oferi doar un câștig de aproximativ 15 ori înainte de zgomotul autogenerat. devine o problemă A. Alte tipuri de senzori, cum ar fi fotodetectoarele de avalanșă în modul Geiger (GMAPD) și detectoarele de avalanșă cu un singur foton (SPAD), oferă o sensibilitate mai bună în sistemele LIDAR cu detecție directă, dar sunt mai puțin eficiente în medii cu zăpadă, praf sau ceață.
În plus, toate sistemele de detectare necesită o anumită formă de atenuare a interferențelor. Fie că este vorba de radar sau LIDAR, sistemul trebuie să știe că semnalul (fie unde radio pulsate sau fotoni) primit de receptor vine de la transmițător. Problemele de interferență au apărut în primele zile ale radarului auto cu impulsuri. Odată ce multe mașini au fost echipate cu radar, interferența reciprocă a devenit o problemă. Cea mai populară soluție a fost trecerea la tehnici de detectare coerente, în care sistemul radar utilizează în primul rând unde continue modulate în frecvență (FMCW - vezi mai jos).
O altă limitare a lidarului de detectare directă este că nu măsoară direct viteza în fiecare punct - în schimb, trebuie calculată prin determinarea modului în care intervalul se schimbă în timp (adică comparând mai multe cadre ulterioare), ceea ce poate afecta capacitatea de răspuns a sistemului.
Detectare coerentă și FMCW
Aceasta implică amestecarea mostrelor de lumină incidentă cu lumina transmisă, ceea ce are două beneficii principale. În primul rând, amplificarea fără zgomot a câștigului fotonului poate fi realizată prin interferența de lungime a fazei (adică, semnalul primit este înmulțit cu semnalul transmis), ceea ce permite sistemului să atingă o sensibilitate excelentă cu lasere de foarte mică putere. În al doilea rând, amestecarea semnalelor transmise și recepționate face ca sistemul LiDAR să fie extrem de selectiv, deoarece lumina care nu are exact aceeași lungime de undă (de exemplu, lumina soarelui sau lumina de la sistemele LiDAR învecinate) este pur și simplu ignorată.
Există mai multe modalități de implementare a sistemelor LiDAR de detecție coerentă, dar cea mai populară este modularea în undă continuă modulată în frecvență (FMCW). Figura 2 prezintă un exemplu simplificat.
Figura 2: Laserul funcționează în jurul valorii de 1550 nm și modulează la câteva sute de MHz (de exemplu, de la 1550,002 la 1550 nm). Semnalul emis (și reflectat) este de aproximativ 200 THz. După amestecarea optică, fotodioda prezintă suma și diferența celor două semnale. Fotodioda are o lățime de bandă limitată și nu răspunde la sume de aproximativ 400 THz și poate detecta doar semnale de diferență de câteva sute de MHz.
În practică, laserul este scanat în sus și în jos în frecvență pentru a produce un profil dinți de ferăstrău (frecvență în funcție de timp) din care distanța și viteza pot fi derivate; pentru cel din urmă, luați în considerare efectul Doppler. Figura 3 prezintă o imagine de ansamblu mai detaliată a opticii.
Figura 3: Principalele componente optice ale unui sistem lidar FMCW.
Deși mai complexe decât sistemele de detectare directă, lidarele FMCW au multe avantaje. De exemplu, după cum s-a menționat mai sus, semnalul de întoarcere este înmulțit cu proba achiziționată de la sursa de transmisie (oscilator local, LO în Figura 4). Datorită pierderii mari de cale a lidarului, chiar și câteva procente din LO poate fi mult mai mare decât semnalul de întoarcere. Cantitatea de amplificare a semnalului este foarte mare, dar limitată la semnale de exact aceeași lungime de undă, ceea ce duce la eficiențe ridicate ale fotonilor.
De exemplu, un sistem lidar FMCW cu o rază de acțiune de aproximativ 300 m poate fi realizat cu o putere laser mai mică de 200 mW. Pentru aceeași rază, un sistem similar de detectare directă ar necesita de 1000 de ori puterea de vârf. În special, FMCW este în centrul altor domenii ale LiDAR; de exemplu, instrumente optice de altimetrie cu distanțe de până la câțiva kilometri și instrumente laser Doppler LiDAR pentru caracterizarea vântului cu raze de peste 500 m.
Un alt avantaj al lidar coerent este lățimea de bandă destul de mică a lanțului de semnal. Dacă luăm în considerare lungimile de undă din Fig. 3 (unde laserul scanează de la 1550.002 la 1550ηm), lățimea de bandă a fotodiodei poate fi limitată la câteva sute de MHz. Sistemele de detectare directă necesită o lățime de bandă cât mai mare posibil (de obicei, mai mult de 2 GHz) pentru a rezolva marginea anterioară a impulsului recepționat.
De înțeles, lățimea de bandă mai îngustă permite utilizarea amplificatoarelor cu impedanță reciprocă cu zgomot mai mic și convertoare analog-digitale mai lente pe fotodiodă.
În cele din urmă, detectarea coerentă oferă informații despre viteza per punct. Avantajul vitezei per punct este că este o măsură contextuală suplimentară pe care sistemele de detectare ulterioare o pot folosi atunci când interpretează datele LiDAR (și alți senzori), făcând posibilă luarea unor decizii mai informate.
Prin urmare, diferitele beneficii ale detectării coerente sunt semnificative, dar lidarul coerent nu este lipsit de provocări.
Laserul trebuie să fie capabil să-și mențină integritatea fazei pe o perioadă de timp suficient de lungă pentru ca lumina sa să ajungă și să se întoarcă de la ținta cea mai îndepărtată. Dacă faza laserului se modifică semnificativ în timpul transmisiei, coerența se poate pierde și poate duce la măsurători neclare ale distanței. În plus, trebuie să fie FM (în cazul FMCW). Majoritatea laserelor cu diode nu sunt la înălțime, dar unele lasere reglabile cu semiconductor au apărut pe piața comercială.
În plus, nu toate mecanismele de scanare sunt compatibile cu detectarea coerentă. Receptorul trebuie să observe fiecare punct suficient de lung pentru a permite luminii să ajungă și să se întoarcă de la ținta cea mai îndepărtată posibilă, deoarece semnalul de întoarcere trebuie amestecat cu semnalul transmis. De exemplu, o rază de acțiune de 300 m necesită ca mecanismul de scanare să rămână staționar timp de cel puțin 2 μs, dar multe mecanisme de scanare în mișcare continuă nu pot face acest lucru.
În cele din urmă, este important de reținut că sarcina de procesare a semnalului a lidarului coerent este semnificativ mai mare decât detectarea directă. Din fericire, producătorii de semiconductori au introdus produse puternice system-on-chip (SoC) care integrează convertoare de date, microcontrolere și DSP-uri cu pedale de accelerație FFT pentru a satisface aceste nevoi de procesare a semnalului: SoC iND83301 Surya LIDAR de la indie Semiconductor este un astfel de exemplu.
PREZENTARE GENERALĂ
Diferite aplicații lidar beneficiază de abordări diferite de proiectare. După cum am menționat mai devreme, detectarea directă în impulsuri de mare putere poate funcționa bine în aplicații precum sondajele la sol în aer, unde sunt necesare distanțe ultra-lungi și unde există un risc mic ca sistemele LiDAR să interfereze între ele sau să dăuneze ochiului uman.
Cu toate acestea, pentru aplicații precum ADAS și vehiculele terestre automatizate care necesită o gamă largă de<1km and where other potentially interfering LiDAR systems are likely to be deployed, coherent detection (and in particular FMCW) offers a number of advantages. These include immunity to interference (including solar), high signal-to-noise ratio (important in adverse weather conditions), locally accurate velocity detection (providing additional information to the sensing system), and ease of system modification. For these reasons, coherent LiDAR detection is gaining momentum given the multiple use cases, especially next-generation automotive sensing.
