LiDAR semakin menarik minat dan digunakan dalam ADAS dan sistem pengesan kenderaan automatik, tetapi terdapat cara yang berbeza untuk melaksanakan teknologi tersebut. Makalah ini menerangkan pendekatan ini dan kelebihan relatif pengesanan LiDAR yang koheren.
Pengesanan dan julat cahaya (lidar) mula dikonsepkan pada tahun 1930-an, hampir serentak dengan pengesanan radio dan julat (radar). Walau bagaimanapun, teknologi itu tidak terbukti sehingga kemunculan laser pada tahun 1960-an, dan pada tahun-tahun berikutnya, pembangunan komunikasi optik membawa kepada kemajuan yang ketara dalam teknologi laser dan modulasi optik.
Pada tahun 2008, sistem LiDAR pertama yang tersedia secara komersial, pada mulanya dipanggil 'radar optik', membuat penampilan pertamanya dalam kereta penumpang Volvo. Teknologi terobosan ini memberi kuasa kepada salah satu sistem Brek Kecemasan Automatik (AEB) yang pertama, membolehkan kenderaan membrek secara automatik untuk mengelakkan atau mengurangkan perlanggaran bahagian belakang.
Berikutan pengenalan awalnya 15 tahun yang lalu (dan penggantiannya yang seterusnya oleh radar sebagai alternatif yang lebih murah kepada AEB), lidar resolusi tinggi telah berkembang pesat untuk menjadi sensor resolusi tinggi utama untuk program kereta pandu sendiri dan telah memupuk pelbagai teknologi. permulaan yang inovatif dan dibiayai dengan baik. Menawarkan julat yang lebih besar, resolusi unggul dan visualisasi 3D masa nyata persekitaran kenderaan, teknologi kini semakin matang menjadi paradigma sensor penting bukan sahaja untuk pemanduan autonomi, tetapi juga untuk melengkapkan Sistem Bantuan Pemandu Lanjutan (ADAS) dalam kereta penumpang dan komersial. armada.
Penderia LiDAR memancarkan foton dalam spektrum inframerah untuk mengesan dan mencipta imej 3D persekitaran mereka. Mereka terbukti sangat popular dalam aplikasi automotif. Kelebihan utama LiDAR berbanding radar ialah cahaya yang digunakan mempunyai panjang gelombang yang sangat pendek, yang membolehkan pengukuran yang tepat. Selain itu, LIDAR boleh beroperasi dalam sebarang keadaan pencahayaan dan mempunyai julat pengesanan yang lebih baik berbanding kamera. Data yang ditangkap oleh penderia LIDAR boleh dianggap sebagai "awan titik".
Terdapat banyak perkara yang perlu dipertimbangkan semasa membangunkan sistem LiDAR, seperti panjang gelombang yang hendak digunakan, cara mengimbas dan cara menangani gangguan. Walau bagaimanapun, keputusan terbesar yang perlu dibuat oleh sistem ialah cara terbaik untuk mengesan foton yang kembali. Terdapat dua pesaing utama, pengesanan langsung dan pengesanan koheren.
Pengesanan Terus
Dalam sistem pengesanan langsung, nadi laser dipancarkan, dengan berkesan memulakan pemasa. Apabila pulangan nadi laser diterima, ia berhenti dan mengira jarak berdasarkan masa berlalu. Lihat Rajah 1.
Rajah 1: Oleh kerana kelajuan cahaya (c) adalah malar, jarak ke sasaran ialah Δtc/2, di mana Δt ialah masa antara permulaan penghantaran foton dan hadapan penerimaan foton.
Untuk jarak sehingga kira-kira 50m, tidak ada keperluan untuk laser mod tunggal boleh tala yang berkualiti tinggi (kerana ia hanyalah sumber yang memampatkan sejumlah besar foton dalam masa yang singkat) atau modulasi, dengan itu memudahkan litar pemacu. Optik ketepatan juga tidak diperlukan untuk mengimbangi penyimpangan muka gelombang.
Mengapa jarak pendek? Apabila kawasan pencahayaan bertambah dengan jarak, kuasa kembali berkurangan (sebagai kuasa dua jarak). Nota: Formula untuk mengira ini ialah: kuasa pulangan adalah lebih kurang sama dengan kuasa penghantaran x (kawasan sasaran/kawasan pencahayaan) x (kawasan penerimaan/(π x julat2)). Kehilangan ini tidak dapat dielakkan, jadi penyelesaian paling mudah ialah menghantar lebih banyak kuasa atau meningkatkan kepekaan penerima.
Walau bagaimanapun, terdapat had kepada jumlah kuasa laser yang boleh digunakan. Cahaya inframerah dekat (IR) yang sengit (800 hingga 1400ηm) boleh menjejaskan penglihatan manusia. Hanya meningkatkan kuasa transmisi lampu NIR dalam ADAS atau aplikasi kereta pandu sendiri boleh mendatangkan bahaya kepada pengguna jalan raya dan pejalan kaki yang lain.
Untuk meningkatkan sensitiviti penerimaan, pengumpulan foton boleh ditingkatkan dengan menggunakan kanta penerima kawasan yang lebih besar. Di samping itu, fotodiod runtuhan salji (APD, fotodiod dengan keuntungan intrinsik) boleh digunakan, walaupun ia cenderung mahal, rapuh dan kecil (yang merumitkan lagi optik sistem) dan hanya boleh memberikan keuntungan kira-kira 15 kali sebelum bunyi yang dihasilkan sendiri. menjadi masalah A. Jenis sensor lain, seperti Geiger Mode Avalanche Photodetectors (GMAPDs) dan Single Photon Avalanche Detectors (SPADs), memberikan kepekaan yang lebih baik dalam sistem LIDAR pengesanan langsung, tetapi kurang berkesan dalam persekitaran bersalji, berdebu atau berkabus.
Di samping itu, semua sistem pengesanan memerlukan beberapa bentuk pengurangan gangguan. Sama ada ia radar atau LIDAR, sistem perlu tahu bahawa isyarat (sama ada gelombang radio berdenyut atau foton) yang diterima oleh penerima adalah datang daripada pemancar. Isu gangguan timbul pada hari-hari awal radar automotif berdenyut. Apabila banyak kereta dilengkapi dengan radar, gangguan bersama menjadi masalah. Penyelesaian yang paling popular ialah beralih kepada teknik pengesanan koheren, di mana sistem radar terutamanya menggunakan gelombang berterusan termodulat frekuensi (FMCW - lihat di bawah).
Satu lagi had lidar pengesanan langsung ialah ia tidak mengukur halaju secara langsung pada setiap titik - sebaliknya, ia mesti dikira dengan menentukan bagaimana julat berubah dari semasa ke semasa (iaitu membandingkan berbilang bingkai berikutnya), yang boleh menjejaskan tindak balas sistem.
Pengesanan Koheren dan FMCW
Ini melibatkan pencampuran sampel cahaya kejadian dengan cahaya yang dihantar, yang mempunyai dua faedah utama. Pertama, penguatan bebas hingar bagi perolehan foton boleh dicapai melalui gangguan panjang fasa (iaitu, isyarat yang diterima didarab dengan isyarat yang dihantar), yang membolehkan sistem mencapai kepekaan yang sangat baik dengan laser kuasa yang sangat rendah. Kedua, mencampurkan isyarat yang dihantar dan diterima menjadikan sistem LiDAR sangat selektif, kerana cahaya yang tidak betul-betul sama panjang gelombang (cth, cahaya matahari atau cahaya dari sistem LiDAR yang berdekatan) diabaikan begitu sahaja.
Terdapat beberapa cara untuk melaksanakan sistem LiDAR pengesanan koheren, tetapi yang paling popular ialah modulasi gelombang berterusan termodulat frekuensi (FMCW). Rajah 2 menunjukkan contoh yang dipermudahkan.
Rajah 2: Laser beroperasi sekitar 1550 nm dan memodulasi pada beberapa ratus MHz (cth, dari 1550.002 hingga 1550 nm). Isyarat yang dipancarkan (dan dipantulkan) adalah kira-kira 200 THz. Selepas pencampuran optik, fotodiod membentangkan jumlah dan perbezaan kedua-dua isyarat. Fotodiod mempunyai lebar jalur yang terhad dan tidak bertindak balas kepada jumlah kira-kira 400 THz dan hanya boleh mengesan isyarat perbezaan beberapa ratus MHz.
Dalam amalan, laser diimbas ke atas dan ke bawah dalam kekerapan untuk menghasilkan profil gigi gergaji (frekuensi vs. masa) dari mana jarak dan halaju boleh diperolehi; untuk yang terakhir, pertimbangkan kesan Doppler. Rajah 3 menunjukkan gambaran keseluruhan optik yang lebih terperinci.
Rajah 3: Komponen optik utama sistem lidar FMCW.
Walaupun lebih kompleks daripada sistem pengesanan langsung, lidar FMCW mempunyai banyak kelebihan. Sebagai contoh, seperti yang dinyatakan di atas, isyarat pemulangan didarab dengan sampel yang diperoleh daripada sumber pemancar (pengayun tempatan, LO dalam Rajah 4). Oleh kerana kehilangan laluan lidar yang tinggi, walaupun beberapa peratus daripada LO boleh menjadi lebih besar daripada isyarat pulangan. Jumlah penguatan isyarat adalah sangat tinggi, tetapi terhad kepada isyarat dengan panjang gelombang yang sama, yang membawa kepada kecekapan foton yang tinggi.
Sebagai contoh, sistem lidar FMCW dengan jarak kira-kira 300m boleh direalisasikan dengan kuasa laser kurang daripada 200mW. Untuk julat yang sama, sistem pengesanan langsung yang serupa akan memerlukan 1000 kali ganda kuasa puncak. Terutama, FMCW berada di tengah-tengah kawasan lain LiDAR; contohnya, instrumen altimetri optik dengan julat sehingga beberapa kilometer dan instrumen LiDAR Doppler laser untuk pencirian angin dengan julat lebih daripada 500m.
Satu lagi kelebihan lidar koheren ialah lebar jalur rantai isyarat yang agak rendah. Jika kita mempertimbangkan panjang gelombang dalam Rajah 3 (di mana laser mengimbas dari 1550.002 hingga 1550ηm), lebar jalur fotodiod boleh dihadkan kepada beberapa ratus MHz. sistem pengesanan langsung memerlukan lebar jalur seluas yang mungkin (biasanya lebih daripada 2GHz) untuk menyelesaikan kelebihan utama nadi yang diterima.
Difahamkan, lebar jalur yang lebih sempit membolehkan penggunaan penguat impedans bersama hingar yang lebih rendah dan penukar analog-ke-digital yang lebih perlahan pada fotodiod.
Akhir sekali, pengesanan koheren memberikan maklumat halaju setiap titik. Faedah halaju setiap titik ialah ia merupakan metrik kontekstual tambahan yang boleh digunakan oleh sistem penderiaan seterusnya apabila mentafsir data LiDAR (dan penderia lain), yang membolehkan anda membuat keputusan yang lebih termaklum.
Oleh itu, pelbagai faedah pengesanan koheren adalah penting, tetapi lidar koheren bukan tanpa cabarannya.
Laser mesti dapat mengekalkan integriti fasanya dalam tempoh masa yang cukup lama untuk cahayanya mencapai dan kembali dari sasaran paling jauh. Jika fasa laser berubah dengan ketara sepanjang masa penghantaran, koheren mungkin hilang dan boleh mengakibatkan pengukuran jarak kabur. Di samping itu, ia mestilah FM (dalam kes FMCW). Kebanyakan laser diod tidak sesuai dengan tugasnya, tetapi beberapa laser boleh tala semikonduktor telah muncul di pasaran komersial.
Selain itu, tidak semua mekanisme pengimbasan serasi dengan pengesanan koheren. Penerima perlu memerhati setiap titik cukup lama untuk membolehkan cahaya mencapai dan kembali dari sasaran yang paling jauh, kerana isyarat pulangan perlu dicampur dengan isyarat yang dihantar. Sebagai contoh, julat 300 m memerlukan mekanisme pengimbasan kekal pegun sekurang-kurangnya 2 μs, tetapi banyak mekanisme pengimbasan yang bergerak secara berterusan tidak dapat berbuat demikian.
Akhir sekali, adalah penting untuk ambil perhatian bahawa tugas pemprosesan isyarat lidar koheren adalah jauh lebih besar daripada pengesanan langsung. Nasib baik, pengeluar semikonduktor telah memperkenalkan produk sistem-pada-cip (SoC) berkuasa yang menyepadukan penukar data, mikropengawal dan DSP dengan pedal gas FFT untuk memenuhi keperluan pemprosesan isyarat ini: Indie Semiconductor's iND83301 Surya LIDAR SoC ialah salah satu contoh sedemikian.
GAMBARAN KESELURUHAN
Aplikasi lidar yang berbeza mendapat manfaat daripada pendekatan reka bentuk yang berbeza. Seperti yang dinyatakan sebelum ini, pengesanan terus berdenyut berkuasa tinggi boleh berfungsi dengan baik dalam aplikasi seperti tinjauan tanah bawaan udara di mana julat ultra-jauh diperlukan dan di mana terdapat sedikit risiko sistem LiDAR mengganggu antara satu sama lain atau membahayakan mata manusia.
Walau bagaimanapun, untuk aplikasi seperti ADAS dan kenderaan darat automatik yang memerlukan pelbagai<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.
