LiDAR sparčiai sulaukia susidomėjimo ir yra diegiamas ADAS ir automatizuotose transporto priemonių jutiklių sistemose, tačiau yra įvairių būdų, kaip įdiegti technologiją. Šiame dokumente paaiškinami šie metodai ir santykiniai nuoseklaus LiDAR aptikimo pranašumai.
Šviesos aptikimas ir nuotolio nustatymas (lidaras) pirmą kartą buvo konceptualizuotas praėjusio amžiaus ketvirtajame dešimtmetyje, beveik kartu su radijo aptikimu ir nuotoliu (radaru). Tačiau ši technologija nebuvo įrodyta iki lazerių atsiradimo septintajame dešimtmetyje, o vėlesniais metais optinių ryšių plėtra lėmė didelę lazerių ir optinio moduliavimo technologijos pažangą.
2008 m. pirmoji komerciškai prieinama LiDAR sistema, iš pradžių vadinama „optiniu radaru“, debiutavo „Volvo“ lengvajame automobilyje. Ši naujoviška technologija sukuria vieną iš pirmųjų automatinio avarinio stabdymo (AEB) sistemų, leidžiančių transporto priemonėms automatiškai stabdyti, kad būtų išvengta susidūrimų iš galo arba juos sušvelninti.
Po to, kai prieš 15 metų buvo pristatytas anksti (ir vėliau jį pakeitus radaru kaip pigesne AEB alternatyva), didelės raiškos „lidar“ greitai išsivystė ir tapo pagrindiniu didelės skiriamosios gebos jutikliu savaeigių automobilių programoms ir paskatino įvairias technologines naujoviškų ir gerai finansuojamų startuolių. Siūlo didesnį atstumą, puikią skiriamąją gebą ir 3D transporto priemonės aplinkos vizualizavimą realiuoju laiku, ši technologija dabar bręsta į svarbią jutiklių paradigmą ne tik autonominiam vairavimui, bet ir papildo pažangiąsias vairuotojo pagalbos sistemas (ADAS) lengvuosiuose ir komerciniuose automobiliuose. laivynus.
LiDAR jutikliai skleidžia fotonus infraraudonųjų spindulių spektre, kad aptiktų ir sukurtų 3D aplinkos vaizdus. Jie pasirodė esą labai populiarūs automobilių pramonėje. Pagrindinis LiDAR pranašumas prieš radarą yra tai, kad naudojama šviesa turi labai trumpą bangos ilgį, o tai leidžia atlikti tikslius matavimus. Be to, LIDAR gali veikti bet kokiomis apšvietimo sąlygomis ir turi geresnį aptikimo diapazoną, palyginti su fotoaparatais. LIDAR jutiklių užfiksuoti duomenys gali būti laikomi „taškiniu debesiu“.
Kuriant LiDAR sistemą reikia atsižvelgti į daugybę dalykų, pavyzdžiui, kokį bangos ilgį naudoti, kaip nuskaityti ir kaip elgtis su trukdžiais. Tačiau didžiausias sprendimas, kurį sistema turi priimti, yra tai, kaip geriausiai aptikti grįžtančius fotonus. Yra du pagrindiniai varžovai: tiesioginis aptikimas ir nuoseklus aptikimas.
Tiesioginis aptikimas
Tiesioginio aptikimo sistemoje skleidžiamas lazerio impulsas, efektyviai paleidžiantis laikmatį. Kai gaunamas grįžtamasis lazerio impulsas, jis sustoja ir apskaičiuoja atstumą pagal praėjusį laiką. Žr. 1 pav.
1 paveikslas: Kadangi šviesos greitis (c) yra pastovus, atstumas iki taikinio yra Δtc/2, kur Δt yra laikas nuo fotono perdavimo pradžios iki fotonų priėmimo fronto.
Atstumams iki maždaug 50m nereikia kokybiško derinamo vienmodžio lazerio (nes tai tiesiog šaltinis, kuris per trumpą laiką suspaudžia daug fotonų) ar moduliacijos, taip supaprastinant pavaros grandinę. Taip pat nereikia tikslios optikos, kuri kompensuotų bangų fronto aberacijas.
Kodėl trumpas nuotolis? Apšvietimo plotui didėjant atstumui, grąžinimo galia mažėja (atstumo kvadratu). Pastaba: Apskaičiavimo formulė yra tokia: grąžinimo galia yra maždaug lygi perdavimo galiai x (tikslinė sritis / apšvietimo sritis) x (priėmimo sritis / (π x diapazonas2)). Šio praradimo išvengti nepavyks, todėl paprasčiausias sprendimas – perduoti daugiau galios arba padidinti imtuvo jautrumą.
Tačiau lazerio galia, kurią galima naudoti, yra ribota. Intensyvi artimųjų infraraudonųjų spindulių (IR) šviesa (800–1400 ηm) gali pabloginti žmogaus regėjimą. Paprasčiausias NIR šviesos perdavimo galios padidinimas ADAS arba savarankiškai vairuojančių automobilių programose gali kelti pavojų kitiems eismo dalyviams ir pėstiesiems.
Norint pagerinti priėmimo jautrumą, fotonų kolekciją galima padidinti naudojant didesnio ploto priėmimo lęšius. Be to, gali būti naudojami lavinų fotodiodai (APD, fotodiodai su vidiniu stiprėjimu), nors jie paprastai yra brangūs, trapūs ir maži (o tai dar labiau apsunkina sistemos optiką) ir gali padidinti tik apie 15 kartų prieš savaiminį triukšmą. tampa A problema. Kiti jutiklių tipai, tokie kaip Geigerio režimo lavinų fotodetektoriai (GMAPD) ir vieno fotono lavinų detektoriai (SPAD), užtikrina geresnį tiesioginio aptikimo LIDAR sistemų jautrumą, tačiau yra mažiau veiksmingi snieguotoje, dulkėtoje ar miglotoje aplinkoje.
Be to, visoms aptikimo sistemoms reikia tam tikros formos trukdžių mažinimo. Nesvarbu, ar tai radaras, ar LIDAR, sistema turi žinoti, kad imtuvo gaunamas signalas (impulsinės radijo bangos arba fotonai) ateina iš siųstuvo. Trikdžių problemos iškilo pirmosiomis impulsinio automobilių radaro dienomis. Kai daugelyje automobilių buvo įrengti radarai, abipusiai trukdžiai tapo problema. Populiariausias sprendimas buvo pereiti prie koherentinės aptikimo technikos, kai radarų sistema pirmiausia naudoja dažnio moduliuojamas nuolatines bangas (FMCW – žr. toliau).
Kitas tiesioginio aptikimo lidar apribojimas yra tas, kad jis tiesiogiai nematuoja greičio kiekviename taške – vietoj to jis turi būti apskaičiuojamas nustatant, kaip diapazonas kinta laikui bėgant (ty lyginant kelis tolesnius kadrus), o tai gali pabloginti sistemos reagavimą.
Nuoseklus aptikimas ir FMCW
Tai apima krintančios šviesos mėginių maišymą su praleidžiama šviesa, o tai turi du pagrindinius privalumus. Pirma, fotonų stiprinimo sustiprinimas be triukšmo gali būti pasiektas naudojant fazės ilgio trukdžius (ty gaunamas signalas dauginamas iš perduodamo signalo), o tai leidžia pasiekti puikų jautrumą naudojant labai mažos galios lazerius. Antra, sumaišius perduodamus ir priimtus signalus, LiDAR sistema tampa labai selektyvi, nes šviesa, kurios bangos ilgis nėra visiškai toks pat (pvz., saulės šviesa arba kaimyninių LiDAR sistemų šviesa), tiesiog ignoruojama.
Yra keletas būdų, kaip įdiegti koherentines aptikimo LiDAR sistemas, tačiau populiariausias yra dažnio moduliavimo nuolatinės bangos (FMCW) moduliavimas. 2 paveiksle parodytas supaprastintas pavyzdys.
2 pav. Lazeris veikia maždaug 1550 nm ir moduliuoja keliais šimtais MHz (pvz., nuo 1550,002 iki 1550 nm). Skleidžiamas (ir atspindimas) signalas yra apie 200 THz. Po optinio sumaišymo fotodiodas pateikia dviejų signalų sumą ir skirtumą. Fotodiodas turi ribotą dažnių juostos plotį ir nereaguoja į maždaug 400 THz sumas ir gali aptikti tik kelių šimtų MHz signalų skirtumus.
Praktiškai lazeris skenuojamas aukštyn ir žemyn dažniu, kad būtų sukurtas pjūklo profilis (dažnis ir laikas), iš kurio galima nustatyti atstumą ir greitį; pastariesiems apsvarstykite Doplerio efektą. 3 paveiksle parodyta išsamesnė optikos apžvalga.
3 pav. Pagrindiniai FMCW lidar sistemos optiniai komponentai.
Nors FMCW lidarai yra sudėtingesni nei tiesioginio aptikimo sistemos, jie turi daug privalumų. Pavyzdžiui, kaip minėta aukščiau, grįžtamasis signalas padauginamas iš imties, gautos iš siunčiančiojo šaltinio (vietinio generatoriaus, LO 4 paveiksle). Dėl didelio lidaro kelio praradimo net keli procentai LO gali būti daug didesni nei grįžtamasis signalas. Signalo stiprinimo kiekis yra labai didelis, tačiau apsiriboja lygiai tokio paties bangos ilgio signalais, o tai lemia didelį fotonų efektyvumą.
Pavyzdžiui, FMCW lidar sistema, kurios diapazonas yra apie 300 m, gali būti realizuotas naudojant mažesnę nei 200 mW lazerio galią. Tam pačiam diapazonui panašiai tiesioginio aptikimo sistemai reikės 1000 kartų didesnės galios. Pažymėtina, kad FMCW yra kitų LiDAR sričių pagrindas; pavyzdžiui, optiniai aukščio matavimo prietaisai, kurių atstumas yra iki kelių kilometrų, ir lazeriniai Doplerio LiDAR instrumentai vėjo apibūdinimui, kurių atstumas didesnis nei 500 m.
Kitas koherentinio lidaro privalumas yra gana mažas signalo grandinės pralaidumas. Jei atsižvelgsime į bangos ilgius 3 pav. (kur lazeris nuskaito nuo 1550,002 iki 1550 ηm), fotodiodo dažnių juostos plotis gali būti apribotas iki kelių šimtų MHz. Tiesioginio aptikimo sistemoms reikalingas kuo platesnis dažnių juostos plotis (paprastai didesnis nei 2 GHz), kad būtų galima nustatyti priimamo impulso priekinį kraštą.
Suprantama, kad siauresnis dažnių juostos plotis leidžia fotodiode naudoti mažesnio triukšmo abipusės varžos stiprintuvus ir lėtesnius analoginio-skaitmeninio keitiklius.
Galiausiai, nuoseklus aptikimas suteikia informaciją apie greitį taške. Vieno taško greičio pranašumas yra tas, kad tai yra papildoma kontekstinė metrika, kurią vėlesnės jutimo sistemos gali naudoti interpretuodamos LiDAR (ir kitus jutiklius) duomenis, todėl galima priimti labiau pagrįstus sprendimus.
Todėl įvairūs nuoseklaus aptikimo pranašumai yra reikšmingi, tačiau nuoseklus lidar nėra be iššūkių.
Lazeris turi sugebėti išlaikyti savo fazės vientisumą pakankamai ilgą laiką, kad jo šviesa pasiektų tolimiausią taikinį ir grįžtų iš jo. Jei per perdavimo laiką lazerio fazė labai pasikeičia, nuoseklumas gali būti prarastas ir atstumo matavimai gali būti neryškūs. Be to, jis turi būti FM (FMCW atveju). Dauguma diodinių lazerių neatlieka savo užduoties, tačiau kai kurie puslaidininkiniai derinami lazeriai pasirodė komercinėje rinkoje.
Be to, ne visi nuskaitymo mechanizmai yra suderinami su nuosekliu aptikimu. Imtuvas turi stebėti kiekvieną tašką pakankamai ilgai, kad šviesa pasiektų ir grįžtų iš tolimiausio įmanomo taikinio, nes grįžtamasis signalas turi būti sumaišytas su perduodamu signalu. Pavyzdžiui, 300 m atstumu nuskaitymo mechanizmas turi išlikti nejudantis mažiausiai 2 μs, tačiau daugelis nuolat judančių nuskaitymo mechanizmų to padaryti negali.
Galiausiai svarbu pažymėti, kad koherentinio lidaro signalo apdorojimo užduotis yra žymiai didesnė nei tiesioginio aptikimo. Laimei, puslaidininkių gamintojai pristatė galingus sistemos lusto (SoC) produktus, kuriuose integruojami duomenų keitikliai, mikrovaldikliai ir DSP su FFT dujų pedalais, kad atitiktų šiuos signalo apdorojimo poreikius: vienas iš tokių pavyzdžių yra „iND83301 Surya LIDAR SoC“.
APŽVALGA
Skirtingoms „Lidar“ programoms naudingi skirtingi dizaino metodai. Kaip minėta anksčiau, didelės galios impulsinis tiesioginis aptikimas gali gerai veikti, pavyzdžiui, atliekant žemės tyrimus ore, kur reikalingi itin dideli atstumai ir kai yra nedidelė rizika, kad LiDAR sistemos trukdys viena kitai arba pakenks žmogaus akims.
Tačiau tokioms programoms kaip ADAS ir automatizuotos antžeminės transporto priemonės, kurioms reikia įvairių<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.
