A LiDAR egyre nagyobb érdeklődést mutat, és bevezetésre kerül az ADAS és az automatizált járműérzékelő rendszerek terén, de a technológia megvalósításának különböző módjai vannak. Ez a cikk elmagyarázza ezeket a megközelítéseket és a koherens LiDAR detektálás relatív előnyeit.
A fényérzékelés és távolságmeghatározás (lidar) először az 1930-as években jelent meg, szinte egyidejűleg a rádióérzékeléssel és a távolságmeghatározással (radar). A technológiát azonban a lézerek megjelenéséig, az 1960-as években nem bizonyították, a következő években pedig az optikai kommunikáció fejlődése a lézerek és az optikai modulációs technológia jelentős fejlődéséhez vezetett.
2008-ban egy Volvo személygépkocsiban debütált az első kereskedelmi forgalomban kapható LiDAR rendszer, amelyet eredetileg „optikai radarnak” hívtak. Ez az áttörő technológia az egyik első automatikus vészfékező (AEB) rendszert működteti, amely lehetővé teszi a járművek automatikus fékezését a hátsó ütközések megelőzésére vagy enyhítésére.
A 15 évvel ezelőtti korai bevezetését követően (és az AEB olcsóbb alternatívájaként a radarral való későbbi felváltását követően) a nagy felbontású lidar gyorsan fejlődött, és az önvezető autós programok kulcsfontosságú nagyfelbontású érzékelőjévé vált, és számos technológiai fejlesztést elősegített. innovatív és jól finanszírozott induló vállalkozások. Nagyobb hatótávolságot, kiváló felbontást és a jármű környezetének valós idejű 3D-s megjelenítését kínáló technológia mostanra egy fontos szenzorparadigmává érik nemcsak az autonóm vezetéshez, hanem a személygépkocsikban és a kereskedelmi forgalomban lévő Advanced Driver Assistance Systems (ADAS) kiegészítésére is. flották.
A LiDAR érzékelők fotonokat bocsátanak ki az infravörös spektrumban, hogy érzékeljék és 3D képeket készítsenek a környezetükről. Nagyon népszerűnek bizonyulnak az autóipari alkalmazásokban. A LiDAR fő előnye a radarral szemben, hogy a használt fény nagyon rövid hullámhosszú, ami pontos méréseket tesz lehetővé. Ezenkívül a LIDAR bármilyen fényviszonyok között képes működni, és a kamerákhoz képest jobb érzékelési tartománysal rendelkezik. A LIDAR érzékelők által rögzített adatok "pontfelhőnek" tekinthetők.
A LiDAR-rendszer fejlesztése során sok mindent figyelembe kell venni, például milyen hullámhosszt kell használni, hogyan kell pásztázni, és hogyan kell kezelni az interferenciát. A rendszer legnagyobb döntése azonban az, hogy miként érzékeli a legjobban a visszatérő fotonokat. Két fő versenyző van, a közvetlen észlelés és a koherens észlelés.
Közvetlen észlelés
A közvetlen érzékelő rendszerben lézerimpulzus kerül kibocsátásra, amely hatékonyan elindítja az időzítőt. Amikor a lézerimpulzus visszatér, leáll, és az eltelt idő alapján kiszámítja a távolságot. Lásd 1. ábra.
1. ábra: Mivel a fénysebesség (c) állandó, a célpont távolsága Δtc/2, ahol Δt a fotontranszmisszió kezdete és a fotonvételi front közötti idő.
Körülbelül 50 méteres távolságig nincs szükség jó minőségű hangolható egymódusú lézerre (hiszen ez egyszerűen egy olyan forrás, amely nagyszámú fotont tömörít rövid idő alatt) vagy modulációra, így egyszerűsödik a meghajtó áramkör. Nem szükséges precíziós optika sem a hullámfront aberrációinak kompenzálásához.
Miért a rövid hatótáv? Ahogy a megvilágítási terület a távolsággal növekszik, a visszatérő teljesítmény csökken (a távolság négyzetével). Megjegyzés: Ennek kiszámításának képlete: a visszatérő teljesítmény megközelítőleg egyenlő az x adási teljesítménnyel (célterület/megvilágítási terület) x (vételi terület/(π x tartomány2)). Ez a veszteség nem kerülhető el, ezért a legegyszerűbb megoldás nagyobb teljesítmény átvitele vagy a vevő érzékenységének növelése.
A felhasználható lézerteljesítmény mennyisége azonban korlátozott. Az intenzív közeli infravörös (IR) fény (800-1400 ηm) ronthatja az emberi látást. A NIR fény átviteli teljesítményének egyszerű növelése ADAS-ban vagy önvezető autós alkalmazásokban veszélyt jelenthet a többi közlekedőre és gyalogosra.
A vételi érzékenység javítása érdekében a fotongyűjtés növelhető nagyobb területű vevőlencsék használatával. Ezenkívül lavina fotodiódák (APD-k, belső erősítéssel rendelkező fotodiódák) használhatók, bár általában drágák, törékenyek és kicsik (ami tovább bonyolítja a rendszer optikáját), és csak körülbelül 15-szörös erősítést tudnak biztosítani a saját maguk által generált zaj előtt. A problémává válik. Más érzékelőtípusok, mint például a Geiger módú lavina fotodetektorok (GMAPD) és az egyfoton lavina detektorok (SPAD) jobb érzékenységet biztosítanak a közvetlen érzékelő LIDAR rendszerekben, de kevésbé hatékonyak havas, poros vagy ködös környezetben.
Ezen túlmenően minden érzékelőrendszernek szüksége van valamilyen interferenciacsökkentésre. Legyen szó radarról vagy LIDAR-ról, a rendszernek tudnia kell, hogy a vevő által vett jel (akár impulzusos rádióhullámok, akár fotonok) az adótól érkezik. Interferencia problémák merültek fel az impulzusos autóradar korai napjaiban. Miután sok autót felszereltek radarral, a kölcsönös interferencia problémává vált. A legnépszerűbb megoldás a koherens detektálási technikákra való átállás volt, ahol a radarrendszer elsősorban frekvenciamodulált folyamatos hullámokat (FMCW - lásd alább) használ.
A közvetlen detektálású lidar másik korlátja, hogy nem méri közvetlenül a sebességet minden ponton, hanem úgy kell kiszámítani, hogy meghatározza, hogyan változik a tartomány az idő múlásával (azaz több egymást követő képkocka összehasonlításával), ami ronthatja a rendszer válaszkészségét.
Koherens észlelés és FMCW
Ez magában foglalja a beeső fény mintáit az áteresztett fénnyel keverve, aminek két fő előnye van. Először is, a fotonerősítés zajmentes erősítése fázishosszúságú interferenciával érhető el (azaz a vett jel megszorozódik az átvitt jellel), ami lehetővé teszi, hogy a rendszer kiváló érzékenységet érjen el nagyon kis teljesítményű lézerekkel. Másodszor, a kibocsátott és vett jelek keverése rendkívül szelektívvé teszi a LiDAR rendszert, mivel a nem teljesen azonos hullámhosszú fényt (pl. a napfényt vagy a szomszédos LiDAR rendszerek fényét) egyszerűen figyelmen kívül hagyja.
Számos módja van a koherens detektáló LiDAR rendszerek megvalósításának, de a legnépszerűbb a frekvenciamodulált folyamatos hullámú (FMCW) moduláció. A 2. ábra egy egyszerűsített példát mutat.
2. ábra: A lézer 1550 nm körül működik, és több száz MHz-en modulál (pl. 1550,002 és 1550 nm között). A kibocsátott (és visszavert) jel körülbelül 200 THz. Az optikai keverés után a fotodióda a két jel összegét és különbségét mutatja. A fotodióda korlátozott sávszélességgel rendelkezik, és nem reagál körülbelül 400 THz-es összegekre, és csak néhány száz MHz-es jelkülönbséget képes érzékelni.
A gyakorlatban a lézert felfelé és lefelé pásztázik a frekvenciában, hogy egy fűrészfogprofilt hozzon létre (frekvencia vs. idő), amelyből a távolság és a sebesség származtatható; ez utóbbi esetében vegyük figyelembe a Doppler-effektust. A 3. ábra az optika részletesebb áttekintését mutatja.
3. ábra: FMCW lidar rendszer fő optikai összetevői.
Bár az FMCW lidarok összetettebbek, mint a közvetlen érzékelő rendszerek, számos előnnyel rendelkeznek. Például, amint fentebb említettük, a visszatérő jelet megszorozzuk az adóforrástól (helyi oszcillátor, LO a 4. ábrán) vett mintával. A lidar nagy útvesztése miatt az LO néhány százaléka is jóval nagyobb lehet, mint a visszatérő jel. A jelerősítés mértéke nagyon magas, de pontosan azonos hullámhosszú jelekre korlátozódik, ami magas fotonhatékonysághoz vezet.
Például egy körülbelül 300 m hatótávolságú FMCW lidar rendszer 200 mW-nál kisebb lézerteljesítménnyel valósítható meg. Ugyanebben a tartományban egy hasonló közvetlen érzékelési rendszer a csúcsteljesítmény 1000-szeresét igényelné. Nevezetesen, az FMCW a LiDAR más területeinek középpontjában áll; például optikai magasságmérő műszerek akár több kilométeres hatótávolsággal és lézer Doppler LiDAR műszerek széljellemzéshez 500 méternél nagyobb hatótávolsággal.
A koherens lidar másik előnye a jellánc meglehetősen alacsony sávszélessége. Ha figyelembe vesszük a 3. ábra hullámhosszait (ahol a lézer 1550,002 és 1550 ηm között pásztáz), a fotodióda sávszélessége néhány száz MHz-re korlátozható. A közvetlen érzékelési rendszereknek a lehető legszélesebb sávszélességre van szükségük (általában 2 GHz-nél nagyobb), hogy feloldják a vett impulzus élét.
Érthető, hogy a szűkebb sávszélesség lehetővé teszi kisebb zajú kölcsönös impedanciaerősítők és lassabb analóg-digitális átalakítók használatát a fotodiódán.
Végül a koherens detektálás pontonkénti sebességinformációt ad. A pontonkénti sebesség előnye, hogy egy további kontextuális mérőszám, amelyet a későbbi érzékelőrendszerek használhatnak a LiDAR (és más szenzorok) adatainak értelmezésekor, lehetővé téve így megalapozottabb döntések meghozatalát.
A koherens észlelés különféle előnyei tehát jelentősek, de a koherens lidar nem mentes a kihívásoktól.
A lézernek képesnek kell lennie arra, hogy megőrizze fázisintegritását elég hosszú ideig ahhoz, hogy fénye elérje és visszatérjen a legtávolabbi célponthoz. Ha a lézer fázisa jelentősen megváltozik az átviteli idő alatt, a koherencia elveszhet, és elmosódott távolságméréseket eredményezhet. Ezenkívül FM-nek kell lennie (FMCW esetén). A legtöbb dióda lézer nem alkalmas a feladatra, de néhány félvezető hangolható lézer megjelent a kereskedelmi piacon.
Ezenkívül nem minden szkennelési mechanizmus kompatibilis a koherens észleléssel. A vevőnek elég hosszú ideig kell figyelnie minden pontot ahhoz, hogy a fény elérje és visszatérjen a lehető legtávolabbi célponthoz, mivel a visszatérő jelet keverni kell a továbbított jellel. Például egy 300 m-es hatótávolság megköveteli, hogy a letapogató mechanizmus legalább 2 μs-ig álló helyzetben maradjon, de sok folyamatosan mozgó letapogató mechanizmus nem képes erre.
Végül fontos megjegyezni, hogy a koherens lidar jelfeldolgozási feladata lényegesen nagyobb, mint a közvetlen detektálás. Szerencsére a félvezetőgyártók nagy teljesítményű rendszer-chip (SoC) termékeket vezettek be, amelyek adatátalakítókat, mikrokontrollereket és DSP-ket integrálnak FFT gázpedállal, hogy megfeleljenek ezeknek a jelfeldolgozási igényeknek: az indie Semiconductor iND83301 Surya LIDAR SoC egy ilyen példa.
ÁTTEKINTÉS
A különböző lidar-alkalmazások különböző tervezési megközelítésekből profitálnak. Amint azt korábban említettük, a nagy teljesítményű impulzusos közvetlen érzékelés jól működhet olyan alkalmazásokban, mint például a levegőben végzett földi felmérések, ahol ultra-nagy hatótávolságra van szükség, és ahol csekély a kockázata annak, hogy a LiDAR-rendszerek interferálják egymást vagy károsítsák az emberi szemet.
Azonban olyan alkalmazásokhoz, mint az ADAS és az automatizált földi járművek, amelyek számos<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.
