LiDAR kogub kiiresti huvi ja seda kasutatakse ADAS-i ja automatiseeritud sõidukituvastussüsteemides, kuid tehnoloogia rakendamiseks on erinevaid viise. See artikkel selgitab neid lähenemisviise ja sidusa LiDAR-i tuvastamise suhtelisi eeliseid.
Valguse tuvastamine ja kauguse määramine (lidar) võeti esmakordselt kasutusele 1930. aastatel, peaaegu samaaegselt raadiotuvastuse ja kauguse määramisega (radar). Tehnoloogiat tõestati aga alles laserite tulekuga 1960. aastatel ning järgnevatel aastatel viis optilise side areng laserite ja optilise modulatsiooni tehnoloogia märkimisväärse arenguni.
2008. aastal debüteeris Volvo sõiduautos esimene müügil olev LiDAR-süsteem, mida algselt nimetati optiliseks radariks. See läbimurdeline tehnoloogia annab jõu ühele esimestest automaatse hädapidurdussüsteemi (AEB) süsteemist, mis võimaldab sõidukitel tagant otsasõidu ärahoidmiseks või leevendamiseks automaatselt pidurdada.
Pärast selle varajast kasutuselevõttu 15 aastat tagasi (ja selle hilisemat asendamist radariga AEB-le odavama alternatiivina) on kõrge eraldusvõimega lidar kiiresti arenenud, et saada isejuhtivate autode programmide võtmetähtsusega kõrge eraldusvõimega andur ning see on edendanud mitmesuguseid tehnoloogilisi lahendusi. uuenduslikud ja hästi rahastatud idufirmad. Pakkudes suuremat ulatust, suurepärast eraldusvõimet ja sõiduki ümbruse reaalajas 3D-visualiseerimist, on tehnoloogia nüüdseks kujunemas oluliseks andurite paradigmaks mitte ainult autonoomse juhtimise jaoks, vaid ka täiustatud juhiabisüsteemide (ADAS) täiendamiseks sõiduautodes ja tarbeautodes. laevastikud.
LiDAR-andurid kiirgavad infrapunaspektris footoneid, et tuvastada ja luua ümbritsevast 3D-kujutisi. Need on osutunud autotööstuses väga populaarseks. LiDAR-i peamine eelis radari ees on see, et kasutataval valgusel on väga lühike lainepikkus, mis võimaldab teha täpseid mõõtmisi. Lisaks saab LIDAR töötada mis tahes valgustingimustes ja sellel on kaameratega võrreldes parem tuvastamisulatus. LIDAR-i andurite kogutud andmeid võib pidada "punktipilveks".
LiDAR-süsteemi arendamisel tuleb arvestada paljude asjadega, näiteks millist lainepikkust kasutada, kuidas skaneerida ja kuidas häiretega toime tulla. Suurim otsus, mille süsteem peab tegema, on aga see, kuidas kõige paremini tuvastada tagasipöörduvaid footoneid. On kaks peamist kandidaati, otsene tuvastamine ja sidus tuvastamine.
Otsene tuvastamine
Otsese tuvastamise süsteemis väljastatakse laserimpulss, mis käivitab tõhusalt taimeri. Laserimpulsi naasmise vastuvõtmisel see peatub ja arvutab kulunud aja põhjal kauguse. Vaata joonist 1.
Joonis 1: Kuna valguse kiirus (c) on konstantne, on kaugus sihtmärgini Δtc/2, kus Δt on aeg footonite ülekande alguse ja footonite vastuvõtufrondi vahel.
Kuni umbes 50m kauguste jaoks pole vaja kvaliteetset häälestatavat ühemoodilist laserit (kuna see on lihtsalt allikas, mis surub lühikese aja jooksul kokku suure hulga footoneid) ega modulatsiooni, lihtsustades nii ajami vooluringi. Samuti pole lainefrondi aberratsioonide kompenseerimiseks vaja täppisoptikat.
Miks lühike vahemaa? Kui valgustusala kaugusega suureneb, väheneb tagasivoolu võimsus (kauguse ruuduna). Märkus. Selle arvutamise valem on järgmine: tagastusvõimsus on ligikaudu võrdne saatevõimsusega x (sihtala/valgustusala) x (vastuvõtuala/(π x vahemik2)). Seda kadu ei saa vältida, nii et lihtsaim lahendus on edastada rohkem võimsust või suurendada vastuvõtja tundlikkust.
Kasutatava laservõimsuse hulk on aga piiratud. Intensiivne lähiinfrapuna (IR) valgus (800–1400 ηm) võib inimese nägemist kahjustada. Lihtsalt NIR-valguse edastusvõimsuse suurendamine ADAS-i või isejuhtivate autode rakendustes võib ohustada teisi liiklejaid ja jalakäijaid.
Vastuvõtutundlikkuse parandamiseks saab footonite kogumist suurendada, kasutades suurema ala vastuvõtvaid läätsi. Lisaks saab kasutada laviinifotodioode (APD-d, sisemise võimendusega fotodioodid), kuigi need kipuvad olema kallid, haprad ja väikesed (mis muudab süsteemi optika veelgi keerulisemaks) ning suudavad enne iseenesliku müra tekitamist anda vaid umbes 15-kordse võimenduse. muutub A-probleemiks. Teised anduritüübid, nagu Geigeri režiimi laviini fotodetektorid (GMAPD) ja Single Photon Avalanche Detectors (SPAD), tagavad parema tundlikkuse otsetuvastusega LIDAR-süsteemides, kuid on vähem tõhusad lumises, tolmuses või udus keskkonnas.
Lisaks vajavad kõik tuvastussüsteemid mingit tüüpi häirete leevendamist. Olenemata sellest, kas see on radar või LIDAR, peab süsteem teadma, et vastuvõtja poolt vastuvõetav signaal (kas impulssraadiolained või footonid) tuleb saatjast. Häireprobleemid tekkisid autotööstuse impulssradari algusaegadel. Kui paljud autod olid varustatud radariga, muutusid vastastikused häired probleemiks. Kõige populaarsem lahendus oli üleminek koherentsetele tuvastustehnikatele, kus radarisüsteem kasutab peamiselt sagedusmoduleeritud pidevlaineid (FMCW – vt allpool).
Otsese tuvastamise lidari teine piirang on see, et see ei mõõda otseselt kiirust igas punktis – selle asemel tuleb see arvutada, määrates kindlaks, kuidas vahemik aja jooksul muutub (st võrreldes mitut järgnevat kaadrit), mis võib süsteemi reageerimisvõimet halvendada.
Koherentne tuvastamine ja FMCW
See hõlmab langeva valguse proovide segamist läbiva valgusega, millel on kaks peamist eelist. Esiteks saab footoni võimenduse müravaba võimenduse saavutada faasipikkuste häiretega (st vastuvõetud signaal korrutatakse edastatava signaaliga), mis võimaldab süsteemil saavutada väga väikese võimsusega laseritega suurepärase tundlikkuse. Teiseks muudab edastatud ja vastuvõetud signaalide segamine LiDAR-süsteemi väga selektiivseks, kuna valgust, mis ei ole täpselt sama lainepikkusega (nt päikesevalgus või naabruses asuvate LiDAR-süsteemide valgus), lihtsalt ignoreeritakse.
Koherentse tuvastamise LiDAR-süsteemide rakendamiseks on mitu võimalust, kuid kõige populaarsem on sagedusmoduleeritud pidevlaine (FMCW) modulatsioon. Joonisel 2 on toodud lihtsustatud näide.
Joonis 2: Laser töötab umbes 1550 nm ja moduleerib mitusada MHz (nt 1550,002 kuni 1550 nm). Väljastatud (ja peegeldunud) signaal on umbes 200 THz. Pärast optilist segamist kuvab fotodiood kahe signaali summa ja erinevuse. Fotodioodil on piiratud ribalaius ja see ei reageeri umbes 400 THz summadele ning suudab tuvastada vaid mõnesaja MHz diferentsisignaale.
Praktikas skaneeritakse laseri sagedust üles ja alla, et luua saehamba profiil (sagedus vs. aeg), millest saab tuletada kauguse ja kiiruse; viimase puhul kaaluge Doppleri efekti. Joonisel 3 on optika üksikasjalikum ülevaade.
Joonis 3: FMCW lidari süsteemi peamised optilised komponendid.
Kuigi FMCW lidaritel on keerulisem kui otsetuvastussüsteemid, on neil palju eeliseid. Näiteks, nagu eespool mainitud, korrutatakse tagasitulev signaal saateallikast (lokaalostsillaator, LO joonisel 4) saadud valimiga. Lidari suure teekao tõttu võib isegi paar protsenti LO-st olla palju suurem kui tagasisignaal. Signaali võimenduse hulk on väga suur, kuid piirdub täpselt sama lainepikkusega signaalidega, mis toob kaasa kõrge footoni efektiivsuse.
Näiteks FMCW lidari süsteemi, mille tööulatus on umbes 300 m, saab realiseerida laseri võimsusega alla 200 mW. Sama vahemiku jaoks vajaks sarnane otsetuvastussüsteem 1000-kordset tippvõimsust. Eelkõige on FMCW teiste LiDAR-i valdkondade keskmes; näiteks optilised kõrgusmõõteriistad ulatusega kuni mitu kilomeetrit ja laser Doppler LiDAR instrumendid tuule iseloomustamiseks ulatusega üle 500 m.
Koherentse lidari teine eelis on signaaliahela üsna madal ribalaius. Kui võtta arvesse joonisel 3 kujutatud lainepikkusi (kus laser skaneerib vahemikus 1550,002 kuni 1550 ηm), võib fotodioodi ribalaiust piirata mõnesaja MHz-ga. otsetuvastussüsteemid vajavad vastuvõetud impulsi esiserva lahendamiseks võimalikult laia ribalaiust (tavaliselt rohkem kui 2 GHz).
Arusaadavalt võimaldab kitsam ribalaius kasutada fotodioodil madalama müra vastastikuse impedantsi võimendeid ja aeglasemaid analoog-digitaalmuundureid.
Lõpuks pakub koherentne tuvastamine teavet kiiruse kohta punkti kohta. Punkti kiiruse eeliseks on see, et see on täiendav kontekstuaalne mõõdik, mida järgnevad andursüsteemid saavad kasutada LiDAR-i (ja muude andurite) andmete tõlgendamisel, võimaldades teha teadlikumaid otsuseid.
Seetõttu on sidusa tuvastamise mitmesugused eelised märkimisväärsed, kuid koherentne lidar ei ole probleemideta.
Laser peab suutma säilitada oma faasi terviklikkust piisavalt pika aja jooksul, et selle valgus jõuaks kaugeima sihtmärgini ja sealt tagasi. Kui laseri faas edastusaja jooksul oluliselt muutub, võib koherentsus kaduda ja kauguse mõõtmine võib olla hägune. Lisaks peab see olema FM (FMCW puhul). Enamik dioodlasereid ei ole oma ülesannete kõrgusel, kuid mõned pooljuhtlaserid on kommertsturule ilmunud.
Lisaks ei ühildu kõik skannimismehhanismid koherentse tuvastamisega. Vastuvõtja peab jälgima iga punkti piisavalt kaua, et võimaldada valgusel jõuda võimalikult kaugele sihtmärgini ja sealt tagasi pöörduda, kuna tagasitulev signaal tuleb segada edastatava signaaliga. Näiteks 300 m ulatus nõuab, et skaneerimismehhanism jääks paigale vähemalt 2 μs, kuid paljud pidevalt liikuvad skaneerimismehhanismid ei suuda seda teha.
Lõpuks on oluline märkida, et koherentse lidari signaalitöötlusülesanne on oluliselt suurem kui otsene tuvastamine. Õnneks on pooljuhtide tootjad kasutusele võtnud võimsad süsteemi-kiibil (SoC) tooted, mis integreerivad andmemuundurid, mikrokontrollerid ja DSP-d koos FFT gaasipedaalidega, et rahuldada neid signaalitöötlusvajadusi: üks selline näide on indie Semiconductori iND83301 Surya LIDAR SoC.
ÜLEVAADE
Erinevad lidari rakendused saavad kasu erinevatest disainilahendustest. Nagu varem mainitud, võib suure võimsusega impulss-otsetuvastus hästi toimida sellistes rakendustes nagu õhus toimuvad maapealsed uuringud, kus on vaja ülipikki vahemikke ja kus on väike oht, et LiDAR-süsteemid üksteist segavad või inimsilma kahjustavad.
Kuid selliste rakenduste jaoks nagu ADAS ja automatiseeritud maismaasõidukid, mis nõuavad mitmesuguseid<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.
