LiDAR швидко завойовує інтерес і розгортається в ADAS і автоматизованих системах зондування транспортних засобів, але існують різні способи впровадження цієї технології. У цьому документі пояснюються ці підходи та відносні переваги когерентного виявлення LiDAR.
Виявлення світла та визначення дальності (лідар) вперше було розроблено в 1930-х роках, майже одночасно з радіовиявленням та визначенням дальності (радар). Однак ця технологія не була перевірена до появи лазерів у 1960-х роках, а в наступні роки розвиток оптичного зв’язку призвів до значного прогресу в лазерах і технології оптичної модуляції.
У 2008 році перша комерційно доступна система LiDAR, яка спочатку називалася «оптичний радар», дебютувала в легковому автомобілі Volvo. Ця революційна технологія забезпечує одну з перших систем автоматичного екстреного гальмування (AEB), що дозволяє автомобілям автоматично гальмувати, щоб запобігти або пом’якшити зіткнення ззаду.
Після свого раннього впровадження 15 років тому (і його подальшої заміни радаром як дешевшою альтернативою AEB) лідар з високою роздільною здатністю швидко еволюціонував, щоб стати ключовим датчиком високої роздільної здатності для програм для безпілотних автомобілів і сприяв різноманітним технологічним інноваційні та добре фінансовані стартапи. Пропонуючи більший радіус дії, чудову роздільну здатність і 3D-візуалізацію в реальному часі оточення автомобіля, ця технологія зараз розвивається у важливу сенсорну парадигму не тільки для автономного водіння, але й доповнює передові системи допомоги водієві (ADAS) у легкових і комерційних автомобілях. флоти.
Датчики LiDAR випромінюють фотони в інфрачервоному спектрі, щоб виявляти та створювати 3D-зображення свого оточення. Вони виявилися дуже популярними в автомобільній промисловості. Основна перевага LiDAR над радаром полягає в тому, що світло, що використовується, має дуже коротку довжину хвилі, що дозволяє проводити точні вимірювання. Крім того, LIDAR може працювати в будь-яких умовах освітлення і має кращу дальність виявлення в порівнянні з камерами. Дані, отримані датчиками LIDAR, можна розглядати як «хмару точок».
Розробляючи систему LiDAR, потрібно враховувати багато речей, наприклад, яку довжину хвилі використовувати, як сканувати та як боротися з перешкодами. Однак найважливіше рішення, яке має прийняти система, це те, як найкраще виявити фотони, що повертаються. Є два основних суперника: пряме виявлення та когерентне виявлення.
Пряме виявлення
У системі прямого виявлення випромінюється лазерний імпульс, фактично запускаючи таймер. Коли отримано зворотний імпульс лазера, він зупиняється та обчислює відстань на основі часу, що минув. Дивіться малюнок 1.
Рисунок 1: Оскільки швидкість світла (c) постійна, відстань до цілі становить Δtc/2, де Δt — час між початком передачі фотона та фронтом прийому фотона.
Для відстаней приблизно до 50 м немає потреби у високоякісному регульованому одномодовому лазері (оскільки це просто джерело, яке стискає велику кількість фотонів за короткий час) або модуляції, таким чином спрощуючи схему приводу. Також не потрібна прецизійна оптика для компенсації аберацій хвильового фронту.
Чому малий діапазон? Оскільки площа освітлення збільшується з відстанню, зворотна потужність зменшується (як квадрат відстані). Примітка. Формула для розрахунку: зворотна потужність приблизно дорівнює потужності передачі x (цільова область/область освітлення) x (прийомна площа/(π x діапазон2)). Цієї втрати неможливо уникнути, тому найпростішим рішенням є передати більше потужності або збільшити чутливість приймача.
Однак існує обмеження на потужність лазера, яку можна використовувати. Інтенсивне ближнє інфрачервоне (ІЧ) світло (від 800 до 1400ηм) може погіршити зір людини. Просте збільшення потужності передачі ближнього інфрачервоного випромінювання в системах ADAS або автономних автомобілях може становити небезпеку для інших учасників дорожнього руху та пішоходів.
Щоб покращити чутливість прийому, збір фотонів можна збільшити, використовуючи приймальні лінзи з більшою площею. Крім того, можна використовувати лавинні фотодіоди (APD, фотодіоди з власним підсиленням), хоча вони, як правило, дорогі, крихкі та малі (що ще більше ускладнює оптику системи) і можуть забезпечити лише приблизно 15-кратний підсилення перед самогенерованим шумом стає проблемою. Інші типи датчиків, такі як лавинні фотодетектори в режимі Гейгера (GMAPD) і лавинні детектори з одним фотоном (SPAD), забезпечують кращу чутливість у системах LIDAR із прямим виявленням, але менш ефективні в снігових, запилених або туманних середовищах.
Крім того, усі системи виявлення потребують певної форми пом’якшення перешкод. Незалежно від того, чи це радар чи LIDAR, система повинна знати, що сигнал (або імпульсні радіохвилі, або фотони), який отримує приймач, надходить від передавача. Проблеми з перешкодами виникли на початку появи імпульсних автомобільних радарів. Коли багато автомобілів було оснащено радаром, взаємні перешкоди стали проблемою. Найпопулярнішим рішенням був перехід на методи когерентного виявлення, коли радарна система переважно використовує частотно-модульовані безперервні хвилі (FMCW - див. нижче).
Ще одним обмеженням лідара прямого виявлення є те, що він не вимірює напряму швидкість у кожній точці – натомість її потрібно обчислювати, визначаючи, як діапазон змінюється з часом (тобто порівнюючи кілька наступних кадрів), що може погіршити реакцію системи.
Когерентне виявлення та FMCW
Це передбачає змішування зразків падаючого світла з прохідним, що має дві основні переваги. По-перше, безшумне посилення фотонного підсилення може бути досягнуто за допомогою інтерференції довжини фази (тобто отриманий сигнал помножується на переданий сигнал), що дозволяє системі досягти чудової чутливості з лазерами дуже низької потужності. По-друге, змішування переданих і отриманих сигналів робить систему LiDAR високоселективною, оскільки світло, яке не має абсолютно однакової довжини хвилі (наприклад, сонячне світло або світло від сусідніх систем LiDAR), просто ігнорується.
Існує кілька способів реалізації систем когерентного виявлення LiDAR, але найпопулярнішим є частотно-модульована безперервна хвиля (FMCW). На рисунку 2 показаний спрощений приклад.
Малюнок 2: Лазер працює на 1550 нм і модулює на кілька сотень МГц (наприклад, від 1550,002 до 1550 нм). Випромінюваний (і відбитий) сигнал становить близько 200 ТГц. Після оптичного змішування фотодіод представляє суму та різницю двох сигналів. Фотодіод має обмежену смугу пропускання і не реагує на суми близько 400 ТГц і може виявляти різницю сигналів лише в кілька сотень МГц.
На практиці лазер сканує вгору та вниз за частотою, щоб створити пилкоподібний профіль (частота в залежності від часу), за яким можна визначити відстань і швидкість; для останнього розглянемо ефект Доплера. На малюнку 3 показано більш детальний огляд оптики.
Рисунок 3: Основні оптичні компоненти лідарної системи FMCW.
Хоча лідари FMCW є більш складними, ніж системи прямого виявлення, вони мають багато переваг. Наприклад, як згадувалося вище, зворотний сигнал множиться на вибірку, отриману від джерела передачі (гетеродин, гетеродин на малюнку 4). Через великі втрати на трасі лідара навіть кілька відсотків гетеродина можуть бути набагато більшими, ніж зворотний сигнал. Рівень підсилення сигналу дуже високий, але обмежений сигналами точно такої ж довжини хвилі, що призводить до високої ефективності фотонів.
Наприклад, лідарна система FMCW із дальністю близько 300 м може бути реалізована з потужністю лазера менше 200 мВт. Для того самого діапазону подібна система прямого виявлення потребувала б у 1000 разів більшої пікової потужності. Примітно, що FMCW є основою інших областей LiDAR; наприклад, оптичні альтиметричні прилади з дальністю до кількох кілометрів і лазерні доплерівські прилади LiDAR для визначення характеристик вітру з дальністю понад 500 м.
Ще однією перевагою когерентного лідара є досить низька пропускна здатність ланцюга сигналу. Якщо ми розглянемо довжини хвиль на рис. 3 (де лазер сканує від 1550,002 до 1550ηм), смуга пропускання фотодіода може бути обмежена кількома сотнями МГц. Системи прямого виявлення вимагають якомога ширшої смуги пропускання (зазвичай понад 2 ГГц), щоб розпізнати передній фронт отриманого імпульсу.
Зрозуміло, що вужча смуга пропускання дозволяє використовувати підсилювачі взаємного опору з меншим шумом і повільніші аналого-цифрові перетворювачі на фотодіоді.
Нарешті, когерентне виявлення надає інформацію про швидкість кожної точки. Перевага точкової швидкості полягає в тому, що це додатковий контекстний показник, який наступні системи зондування можуть використовувати під час інтерпретації даних LiDAR (та інших датчиків), що дає змогу приймати більш обґрунтовані рішення.
Таким чином, різноманітні переваги когерентного виявлення є значними, але когерентний лідар не позбавлений проблем.
Лазер повинен мати можливість зберігати цілісність фази протягом достатньо тривалого періоду часу, щоб його світло досягало найдальшої цілі та поверталося від неї. Якщо фаза лазера значно змінюється протягом часу передачі, когерентність може бути втрачена, що може призвести до розмитих вимірювань відстані. Крім того, це має бути FM (у випадку FMCW). Більшість діодних лазерів не справляються з цим завданням, але деякі напівпровідникові регульовані лазери з’явилися на комерційному ринку.
Крім того, не всі механізми сканування сумісні з когерентним виявленням. Приймач має спостерігати за кожною точкою достатньо довго, щоб дозволити світлу досягти та повернутися від найдальшої можливої цілі, оскільки зворотний сигнал має бути змішаний із переданим сигналом. Наприклад, діапазон 300 м вимагає, щоб скануючий механізм залишався нерухомим принаймні 2 мкс, але багато скануючих механізмів, що постійно рухаються, не можуть це зробити.
Нарешті, важливо зазначити, що завдання обробки сигналу когерентного лідара значно більше, ніж пряме виявлення. На щастя, виробники напівпровідників представили потужні системи на кристалі (SoC), які об’єднують перетворювачі даних, мікроконтролери та DSP з педалями газу FFT, щоб задовольнити ці потреби обробки сигналів: iND83301 Surya LIDAR SoC від indie Semiconductor є одним із таких прикладів.
ОГЛЯД
Різні програми лідара виграють від різних підходів до проектування. Як згадувалося раніше, потужне імпульсне пряме виявлення може добре працювати в таких програмах, як повітряні наземні дослідження, де потрібні наддалекі відстані та де існує невеликий ризик того, що системи LiDAR заважатимуть одна одній або завдадуть шкоди людському оку.
Однак для таких додатків, як ADAS та автоматизовані наземні транспортні засоби, які потребують діапазону<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.
