LiDAR hitro pridobiva zanimanje in se uvaja v ADAS in avtomatizirane sisteme za zaznavanje vozil, vendar obstajajo različni načini za implementacijo tehnologije. Ta članek pojasnjuje te pristope in relativne prednosti koherentnega zaznavanja LiDAR.
Zaznavanje in določanje razdalje svetlobe (lidar) je bilo prvič zasnovano v tridesetih letih 20. stoletja, skoraj sočasno z radijskim zaznavanjem in določanjem razdalje (radar). Vendar pa je bila tehnologija dokazana šele s pojavom laserjev v šestdesetih letih prejšnjega stoletja, v naslednjih letih pa je razvoj optičnih komunikacij privedel do znatnega napredka laserjev in tehnologije optične modulacije.
Leta 2008 je prvi komercialno dostopen sistem LiDAR, sprva imenovan »optični radar«, prvič nastopil v osebnem vozilu Volvo. Ta prelomna tehnologija poganja enega prvih sistemov za samodejno zaviranje v sili (AEB), ki vozilom omogoča samodejno zaviranje za preprečevanje ali ublažitev trkov od zadaj.
Po zgodnji uvedbi pred 15 leti (in kasnejši zamenjavi z radarjem kot cenejšo alternativo AEB) se je lidar z visoko ločljivostjo hitro razvil v ključni senzor z visoko ločljivostjo za programe samovozečih avtomobilov in je spodbudil različne tehnološke inovativna in dobro financirana zagonska podjetja. Tehnologija, ki ponuja večji doseg, vrhunsko ločljivost in 3D vizualizacijo okolice vozila v realnem času, zdaj dozoreva v pomembno senzorsko paradigmo ne le za avtonomno vožnjo, temveč tudi kot dopolnitev naprednih sistemov za pomoč voznikom (ADAS) v osebnih avtomobilih in gospodarskih vozilih. flote.
Senzorji LiDAR oddajajo fotone v infrardečem spektru, da zaznajo in ustvarijo 3D slike svoje okolice. Izkazalo se je, da so zelo priljubljeni v avtomobilski industriji. Glavna prednost LiDAR pred radarjem je, da ima uporabljena svetloba zelo kratko valovno dolžino, kar omogoča natančne meritve. Poleg tega lahko LIDAR deluje v vseh svetlobnih pogojih in ima boljši obseg zaznavanja v primerjavi s kamerami. Podatke, ki jih zajamejo senzorji LIDAR, lahko obravnavamo kot "oblak točk".
Pri razvoju sistema LiDAR je treba upoštevati veliko stvari, na primer, katero valovno dolžino uporabiti, kako skenirati in kako ravnati z motnjami. Vendar pa je največja odločitev, ki jo mora sistem sprejeti, kako najbolje zaznati vračajoče se fotone. Obstajata dva glavna tekmeca, neposredno zaznavanje in koherentno zaznavanje.
Neposredno zaznavanje
V sistemu neposrednega zaznavanja se odda laserski impulz, ki dejansko zažene časovnik. Ko prejme povratni laserski impulz, se ustavi in izračuna razdaljo na podlagi pretečenega časa. Glej sliko 1.
Slika 1: Ker je hitrost svetlobe (c) konstantna, je razdalja do tarče Δtc/2, kjer je Δt čas med začetkom prenosa fotona in fronto sprejema fotona.
Za razdalje do približno 50 m ni potrebe po visokokakovostnem nastavljivem enomodnem laserju (ker je preprosto vir, ki stisne veliko število fotonov v kratkem času) ali modulaciji, s čimer se poenostavi pogonsko vezje. Prav tako ni potrebna natančna optika za kompenzacijo aberacij valovne fronte.
Zakaj kratki doseg? Ker se območje osvetlitve povečuje z razdaljo, se povratna moč zmanjšuje (kot kvadrat razdalje). Opomba: Formula za izračun tega je: povratna moč je približno enaka oddajni moči x (ciljno območje/območje osvetlitve) x (sprejemno območje/(π x obseg2)). Tej izgubi se ni mogoče izogniti, zato je najenostavnejša rešitev prenos večje moči ali povečanje občutljivosti sprejemnika.
Vendar pa obstaja omejitev količine laserske moči, ki jo je mogoče uporabiti. Intenzivna bližnja infrardeča (IR) svetloba (800 do 1400ηm) lahko poslabša človeški vid. Preprosto povečanje prenosne moči svetlobe NIR v aplikacijah ADAS ali samovozečih avtomobilov lahko predstavlja nevarnost za druge udeležence v prometu in pešce.
Za izboljšanje sprejemne občutljivosti je mogoče zbiranje fotonov povečati z uporabo sprejemnih leč z večjo površino. Poleg tega je mogoče uporabiti lavinske fotodiode (APD, fotodiode z intrinzičnim ojačenjem), čeprav so običajno drage, krhke in majhne (kar dodatno zaplete optiko sistema) in lahko zagotovijo samo približno 15-kratno ojačenje pred samogeneriranim šumom postane problem A. Druge vrste senzorjev, kot so Geigerjev način Avalanche Photodetectors (GMAPD) in Single Photon Avalanche Detectors (SPAD), zagotavljajo boljšo občutljivost v sistemih LIDAR z neposrednim zaznavanjem, vendar so manj učinkoviti v zasneženih, prašnih ali meglenih okoljih.
Poleg tega vsi sistemi zaznavanja zahtevajo neko obliko ublažitve motenj. Ne glede na to, ali gre za radar ali LIDAR, mora sistem vedeti, da signal (bodisi impulzni radijski valovi ali fotoni), ki ga sprejema sprejemnik, prihaja iz oddajnika. Težave z motnjami so se pojavile v zgodnjih dneh impulznega avtomobilskega radarja. Ko je bilo veliko avtomobilov opremljenih z radarjem, so medsebojne motnje postale problem. Najbolj priljubljena rešitev je bil prehod na koherentne tehnike zaznavanja, kjer radarski sistem uporablja predvsem frekvenčno modulirane neprekinjene valove (FMCW – glej spodaj).
Druga omejitev lidarja z neposrednim zaznavanjem je, da ne meri neposredno hitrosti na vsaki točki – namesto tega jo je treba izračunati z določanjem, kako se obseg spreminja skozi čas (tj. primerjava več zaporednih sličic), kar lahko poslabša odzivnost sistema.
Koherentna detekcija in FMCW
To vključuje mešanje vzorcev vpadne svetlobe s prepuščeno svetlobo, kar ima dve glavni prednosti. Prvič, ojačanje fotonov brez šuma je mogoče doseči z interferenco fazne dolžine (tj. prejeti signal se pomnoži z oddanim signalom), kar omogoča sistemu, da doseže odlično občutljivost z laserji z zelo nizko močjo. Drugič, zaradi mešanja oddanih in prejetih signalov je sistem LiDAR zelo selektiven, saj se svetloba, ki ni popolnoma enake valovne dolžine (npr. sončna svetloba ali svetloba sosednjih sistemov LiDAR), preprosto prezre.
Obstaja več načinov za implementacijo sistemov LiDAR s koherentnim zaznavanjem, vendar je najbolj priljubljena frekvenčno modulirana kontinuirana valovna modulacija (FMCW). Slika 2 prikazuje poenostavljen primer.
Slika 2: Laser deluje okoli 1550 nm in modulira na nekaj sto MHz (npr. od 1550,002 do 1550 nm). Oddani (in odbiti) signal je približno 200 THz. Po optičnem mešanju fotodioda predstavi vsoto in razliko obeh signalov. Fotodioda ima omejeno pasovno širino in se ne odziva na vsote približno 400 THz in lahko zazna samo signale razlike nekaj sto MHz.
V praksi se laser skenira navzgor in navzdol po frekvenci, da proizvede žagasti profil (frekvenca v odvisnosti od časa), iz katerega je mogoče izpeljati razdaljo in hitrost; za slednje upoštevajte Dopplerjev učinek. Slika 3 prikazuje podrobnejši pregled optike.
Slika 3: Glavne optične komponente lidarskega sistema FMCW.
Čeprav so bolj zapleteni od sistemov neposrednega zaznavanja, imajo lidarji FMCW veliko prednosti. Na primer, kot je navedeno zgoraj, se povratni signal pomnoži z vzorcem, pridobljenim iz oddajnega vira (lokalni oscilator, LO na sliki 4). Zaradi velike izgube poti lidarja je lahko celo nekaj odstotkov LO veliko večje od povratnega signala. Količina ojačanja signala je zelo visoka, vendar omejena na signale popolnoma enake valovne dolžine, kar vodi do visoke fotonske učinkovitosti.
Na primer, lidarski sistem FMCW z dosegom približno 300 m je mogoče realizirati z močjo laserja, manjšo od 200 mW. Za isti obseg bi podoben sistem neposrednega zaznavanja zahteval 1000-krat večjo konično moč. Predvsem je FMCW v središču drugih področij LiDAR; na primer optični instrumenti za merjenje višine z dosegi do nekaj kilometrov in laserski Dopplerjevi instrumenti LiDAR za karakterizacijo vetra z dosegi več kot 500 m.
Druga prednost koherentnega lidarja je precej nizka pasovna širina signalne verige. Če upoštevamo valovne dolžine na sliki 3 (kjer laser skenira od 1550,002 do 1550ηm), lahko pasovno širino fotodiode omejimo na nekaj sto MHz. sistemi neposrednega zaznavanja zahtevajo čim širšo pasovno širino (običajno več kot 2 GHz), da razrešijo vodilni rob prejetega impulza.
Razumljivo ožja pasovna širina omogoča uporabo manj šumnih medsebojnih impedančnih ojačevalnikov in počasnejših analogno-digitalnih pretvornikov na fotodiodi.
Nazadnje, koherentno zaznavanje zagotavlja informacije o hitrosti na točko. Prednost hitrosti na točko je, da je to dodatna kontekstualna metrika, ki jo lahko poznejši sistemi zaznavanja uporabijo pri interpretaciji podatkov LiDAR (in drugih senzorjev), kar omogoča sprejemanje bolj informiranih odločitev.
Različne prednosti koherentnega zaznavanja so torej pomembne, vendar koherentni lidar ni brez izzivov.
Laser mora biti sposoben ohraniti svojo fazno celovitost v dovolj dolgem časovnem obdobju, da njegova svetloba doseže in se vrne od najbolj oddaljene tarče. Če se faza laserja med časom prenosa bistveno spremeni, se lahko koherenca izgubi in lahko pride do zamegljenih meritev razdalje. Poleg tega mora biti FM (v primeru FMCW). Večina diodnih laserjev ni kos tej nalogi, vendar so se na komercialnem trgu pojavili nekateri polprevodniški nastavljivi laserji.
Poleg tega niso vsi mehanizmi skeniranja združljivi s koherentnim zaznavanjem. Sprejemnik mora opazovati vsako točko dovolj dolgo, da omogoči svetlobi, da doseže in se vrne od najbolj oddaljene tarče, saj mora biti povratni signal pomešan z oddanim signalom. Na primer, razpon 300 m zahteva, da mehanizem za skeniranje miruje vsaj 2 μs, vendar mnogi mehanizmi za skeniranje, ki se nenehno premikajo, tega ne zmorejo.
Nazadnje je pomembno omeniti, da je naloga obdelave signala koherentnega lidarja bistveno večja od neposredne detekcije. Na srečo so proizvajalci polprevodnikov uvedli zmogljive sisteme na čipu (SoC), ki integrirajo podatkovne pretvornike, mikrokontrolerje in DSP s FFT plinskimi pedali, da bi izpolnili te potrebe po obdelavi signalov: indie Semiconductor's iND83301 Surya LIDAR SoC je en tak primer.
PREGLED
Različne aplikacije lidarja imajo koristi od različnih pristopov oblikovanja. Kot smo že omenili, lahko visokozmogljivo impulzno neposredno zaznavanje dobro deluje v aplikacijah, kot so zemeljske raziskave v zraku, kjer so potrebni ultra dolgi dosegi in kjer obstaja majhno tveganje, da bi sistemi LiDAR med seboj motili ali škodovali človeškemu očesu.
Vendar pa za aplikacije, kot so ADAS in avtomatizirana kopenska vozila, ki zahtevajo vrsto<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.
