LiDAR rýchlo získava záujem a je nasadený v ADAS a automatizovaných systémoch snímania vozidiel, ale existujú rôzne spôsoby implementácie technológie. Tento článok vysvetľuje tieto prístupy a relatívne výhody koherentnej detekcie LiDAR.
Detekcia svetla a meranie vzdialenosti (lidar) bolo prvýkrát konceptualizované v 30. rokoch 20. storočia takmer súčasne s rádiovou detekciou a rozsahom (radar). Technológia sa však osvedčila až s príchodom laserov v 60. rokoch a v nasledujúcich rokoch viedol rozvoj optickej komunikácie k výraznému pokroku v oblasti laserov a technológie optickej modulácie.
V roku 2008 debutoval v osobnom automobile Volvo prvý komerčne dostupný systém LiDAR, pôvodne nazývaný „optický radar“. Táto prelomová technológia poháňa jeden z prvých systémov automatického núdzového brzdenia (AEB), ktorý umožňuje vozidlám automaticky brzdiť, aby sa predišlo alebo zmiernilo nárazy zozadu.
Po svojom skorom zavedení pred 15 rokmi (a jeho následnom nahradení radarom ako lacnejšej alternatívy k AEB) sa lidar s vysokým rozlíšením rýchlo vyvinul, aby sa stal kľúčovým snímačom s vysokým rozlíšením pre programy autonómnych áut a podporil množstvo technologických inovatívne a dobre financované start-upy. Vďaka väčšiemu dosahu, vynikajúcemu rozlíšeniu a 3D vizualizácii okolia vozidla v reálnom čase táto technológia dospieva do dôležitej senzorovej paradigmy nielen pre autonómne riadenie, ale aj ako doplnok k pokročilým asistenčným systémom vodiča (ADAS) v osobných a úžitkových automobiloch. flotily.
Senzory LiDAR vyžarujú fotóny v infračervenom spektre na detekciu a vytváranie 3D obrázkov svojho okolia. Ukazuje sa, že sú veľmi populárne v automobilových aplikáciách. Hlavnou výhodou LiDARu oproti radaru je, že použité svetlo má veľmi krátku vlnovú dĺžku, čo umožňuje presné merania. Okrem toho môže LIDAR fungovať za akýchkoľvek svetelných podmienok a v porovnaní s kamerami má lepší dosah detekcie. Dáta zachytené senzormi LIDAR možno považovať za „mrak bodov“.
Pri vývoji systému LiDAR je potrebné zvážiť veľa vecí, napríklad akú vlnovú dĺžku použiť, ako skenovať a ako sa vysporiadať s rušením. Najväčšie rozhodnutie, ktoré musí systém urobiť, je však to, ako najlepšie odhaliť vracajúce sa fotóny. Existujú dvaja hlavní konkurenti, priama detekcia a koherentná detekcia.
Priama detekcia
V systéme priamej detekcie sa vyšle laserový impulz, ktorý efektívne spustí časovač. Po prijatí návratu laserového impulzu sa laser zastaví a vypočíta vzdialenosť na základe uplynutého času. Pozri obrázok 1.
Obrázok 1: Keďže rýchlosť svetla (c) je konštantná, vzdialenosť k cieľu je Δtc/2, kde Δt je čas medzi začiatkom prenosu fotónu a frontom príjmu fotónu.
Na vzdialenosti do cca 50m nie je potrebný kvalitný laditeľný jednomódový laser (keďže je to jednoducho zdroj, ktorý stlačí veľké množstvo fotónov v krátkom čase) ani modulácia, čím sa zjednoduší obvod pohonu. Na kompenzáciu aberácií čela vlny nie je potrebná ani presná optika.
Prečo krátky dosah? Keď sa plocha osvetlenia so vzdialenosťou zväčšuje, spätný výkon klesá (ako štvorec vzdialenosti). Poznámka: Vzorec na výpočet je: spätný výkon sa približne rovná vysielaciemu výkonu x (cieľová oblasť/osvetľovacia oblasť) x (prijímacia oblasť/(π x rozsah2)). Tejto strate sa nedá vyhnúť, takže najjednoduchším riešením je preniesť väčší výkon alebo zvýšiť citlivosť prijímača.
Množstvo laserového výkonu, ktorý možno použiť, je však obmedzené. Intenzívne blízke infračervené (IR) svetlo (800 až 1400ηm) môže zhoršiť ľudské videnie. Jednoduché zvýšenie prenosového výkonu svetla NIR v aplikáciách ADAS alebo samoriadiacich automobiloch môže predstavovať nebezpečenstvo pre ostatných účastníkov cestnej premávky a chodcov.
Na zlepšenie citlivosti príjmu je možné zvýšiť zber fotónov použitím prijímacích šošoviek s väčšou plochou. Okrem toho je možné použiť lavínové fotodiódy (APD, fotodiódy s vlastným zosilnením), hoci bývajú drahé, krehké a malé (čo ešte viac komplikuje optiku systému) a môžu poskytnúť len asi 15-násobné zosilnenie pred vlastným generovaním šumu. sa stáva problémom A. Iné typy senzorov, ako sú lavínové fotodetektory Geiger Mode (GMAPD) a jednofotónové lavínové detektory (SPAD), poskytujú lepšiu citlivosť v systémoch LIDAR s priamou detekciou, ale sú menej účinné v zasneženom, prašnom alebo hmlistom prostredí.
Okrem toho všetky detekčné systémy vyžadujú určitú formu zmiernenia rušenia. Či už ide o radar alebo LIDAR, systém potrebuje vedieť, že signál (buď pulzné rádiové vlny alebo fotóny), ktorý prijíma prijímač, prichádza z vysielača. Problémy s rušením vznikli v prvých dňoch pulzného automobilového radaru. Akonáhle boli mnohé autá vybavené radarom, vzájomné rušenie sa stalo problémom. Najpopulárnejším riešením bol prechod na techniky koherentnej detekcie, kde radarový systém primárne využíva frekvenčne modulované spojité vlny (FMCW – pozri nižšie).
Ďalším obmedzením lidaru s priamou detekciou je to, že nemeria priamo rýchlosť v každom bode – namiesto toho sa musí vypočítať určením, ako sa rozsah mení v priebehu času (tj porovnaním viacerých po sebe nasledujúcich snímok), čo môže zhoršiť odozvu systému.
Koherentná detekcia a FMCW
Ide o zmiešanie vzoriek dopadajúceho svetla s prepusteným svetlom, čo má dve hlavné výhody. Po prvé, bezšumové zosilnenie zosilnenia fotónu sa dá dosiahnuť interferenciou s fázovou dĺžkou (tj. prijatý signál sa vynásobí vysielaným signálom), čo umožňuje systému dosiahnuť vynikajúcu citlivosť s lasermi s veľmi nízkym výkonom. Po druhé, zmiešaním vysielaných a prijímaných signálov je systém LiDAR vysoko selektívny, pretože svetlo, ktoré nemá presne rovnakú vlnovú dĺžku (napr. slnečné svetlo alebo svetlo zo susedných systémov LiDAR), je jednoducho ignorované.
Existuje niekoľko spôsobov, ako implementovať systémy koherentnej detekcie LiDAR, ale najpopulárnejšia je modulácia frekvenčne modulovanej spojitej vlny (FMCW). Obrázok 2 zobrazuje zjednodušený príklad.
Obrázok 2: Laser pracuje okolo 1550 nm a moduluje na niekoľkých stovkách MHz (napr. od 1550,002 do 1550 nm). Emitovaný (a odrazený) signál je približne 200 THz. Po optickom zmiešaní predstavuje fotodióda súčet a rozdiel dvoch signálov. Fotodióda má obmedzenú šírku pásma a nereaguje na sumy okolo 400 THz a dokáže detekovať len rozdielové signály niekoľkých stoviek MHz.
V praxi sa laser skenuje nahor a nadol vo frekvencii, aby sa vytvoril profil pílových zubov (frekvencia vs. čas), z ktorého možno odvodiť vzdialenosť a rýchlosť; pri druhom zvážte Dopplerov efekt. Obrázok 3 ukazuje detailnejší prehľad optiky.
Obrázok 3: Hlavné optické komponenty FMCW lidarového systému.
Hoci sú FMCW lidary zložitejšie ako systémy priamej detekcie, majú mnoho výhod. Napríklad, ako je uvedené vyššie, spätný signál sa vynásobí vzorkou získanou z vysielacieho zdroja (lokálny oscilátor, LO na obrázku 4). Kvôli vysokej strate dráhy lidaru môže byť aj niekoľko percent LO oveľa väčších ako spätný signál. Množstvo zosilnenia signálu je veľmi vysoké, ale obmedzené na signály presne rovnakej vlnovej dĺžky, čo vedie k vysokej účinnosti fotónov.
Napríklad FMCW lidarový systém s dosahom približne 300 m môže byť realizovaný s výkonom lasera menším ako 200 mW. Pre rovnaký rozsah by podobný systém priamej detekcie vyžadoval 1000-násobok špičkového výkonu. Najmä FMCW je jadrom ďalších oblastí LiDAR; napríklad optické prístroje na meranie výšok s dosahom až niekoľko kilometrov a laserové Dopplerove prístroje LiDAR na charakterizáciu vetra s dosahom viac ako 500 m.
Ďalšou výhodou koherentného lidaru je pomerne nízka šírka pásma signálneho reťazca. Ak vezmeme do úvahy vlnové dĺžky na obr. 3 (kde laser skenuje od 1550,002 do 1550ηm), šírka pásma fotodiódy môže byť obmedzená na niekoľko stoviek MHz. systémy priamej detekcie vyžadujú čo najväčšiu šírku pásma (zvyčajne viac ako 2 GHz), aby rozlíšili nábežnú hranu prijatého impulzu.
Pochopiteľne, užšia šírka pásma umožňuje použitie zosilňovačov vzájomnej impedancie s nižším šumom a pomalších analógovo-digitálnych prevodníkov na fotodióde.
Nakoniec, koherentná detekcia poskytuje informácie o rýchlosti na bod. Výhodou rýchlosti na bod je, že ide o dodatočnú kontextovú metriku, ktorú môžu následné snímacie systémy použiť pri interpretácii údajov LiDAR (a iných senzorov), čo umožňuje robiť informovanejšie rozhodnutia.
Rôzne výhody koherentnej detekcie sú preto významné, ale koherentný lidar nie je bez problémov.
Laser musí byť schopný udržať si svoju fázovú integritu počas dostatočne dlhého časového obdobia, aby jeho svetlo dosiahlo a vrátilo sa z najvzdialenejšieho cieľa. Ak sa fáza lasera počas doby prenosu výrazne zmení, môže dôjsť k strate koherencie a výsledkom môže byť rozmazané meranie vzdialenosti. Okrem toho to musí byť FM (v prípade FMCW). Väčšina diódových laserov túto úlohu neplní, no na komerčnom trhu sa objavili niektoré polovodičové laditeľné lasery.
Navyše nie všetky skenovacie mechanizmy sú kompatibilné s koherentnou detekciou. Prijímač musí pozorovať každý bod dostatočne dlho, aby umožnil svetlu dosiahnuť a vrátiť sa z najvzdialenejšieho možného cieľa, pretože spätný signál je potrebné zmiešať s vysielaným signálom. Napríklad rozsah 300 m vyžaduje, aby skenovací mechanizmus zostal nehybný aspoň 2 μs, ale mnohé kontinuálne sa pohybujúce skenovacie mechanizmy to nedokážu.
Nakoniec je dôležité poznamenať, že úloha spracovania signálu koherentného lidaru je výrazne väčšia ako priama detekcia. Našťastie výrobcovia polovodičov zaviedli výkonné produkty so systémom na čipe (SoC), ktoré integrujú dátové prevodníky, mikrokontroléry a DSP s plynovými pedálmi FFT, aby splnili tieto potreby spracovania signálu: Indie Semiconductor iND83301 Surya LIDAR SoC je jedným z takýchto príkladov.
PREHĽAD
Rôzne aplikácie lidar ťažia z rôznych prístupov k dizajnu. Ako už bolo spomenuté vyššie, vysokovýkonná pulzná priama detekcia môže dobre fungovať v aplikáciách, ako sú vzdušné pozemné prieskumy, kde sú potrebné mimoriadne veľké vzdialenosti a kde existuje malé riziko, že sa systémy LiDAR budú navzájom rušiť alebo poškodiť ľudské oko.
Avšak pre aplikácie, ako je ADAS a automatizované pozemné vozidlá, ktoré vyžadujú celý rad<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.
