LiDAR brzo dobiva interes i koristi se u ADAS-u i automatiziranim sustavima za osjet vozila, ali postoje različiti načini implementacije tehnologije. Ovaj rad objašnjava te pristupe i relativne prednosti koherentne LiDAR detekcije.
Detekcija i određivanje udaljenosti svjetlosti (lidar) prvi je put konceptualizirana 1930-ih, gotovo istovremeno s detekcijom i određivanjem udaljenosti (radar) putem radija. Međutim, tehnologija nije dokazana sve do pojave lasera 1960-ih, au narednim godinama razvoj optičkih komunikacija doveo je do značajnog napretka u laserima i tehnologiji optičke modulacije.
Godine 2008. prvi komercijalno dostupan LiDAR sustav, u početku nazvan 'optički radar', imao je svoj debi u Volvo osobnom automobilu. Ova revolucionarna tehnologija pokreće jedan od prvih sustava automatskog kočenja u nuždi (AEB), omogućujući vozilima da automatski koče kako bi spriječili ili ublažili sudare straga.
Nakon svog ranog predstavljanja prije 15 godina (i njegove naknadne zamjene radarom kao jeftinijom alternativom AEB-u), lidar visoke razlučivosti brzo se razvio u ključni senzor visoke razlučivosti za programe za samovozeće automobile i potaknuo je razne tehnološke inovativna i dobro financirana start-up poduzeća. Nudeći veći domet, vrhunsku razlučivost i 3D vizualizaciju okoline vozila u stvarnom vremenu, tehnologija sada sazrijeva u važnu senzorsku paradigmu ne samo za autonomnu vožnju, već i kao nadopuna naprednim sustavima pomoći vozaču (ADAS) u osobnim i komercijalnim automobilima flote.
LiDAR senzori emitiraju fotone u infracrvenom spektru kako bi otkrili i stvorili 3D slike svog okruženja. Pokazalo se da su vrlo popularni u automobilskim aplikacijama. Glavna prednost LiDAR-a u odnosu na radar je ta što svjetlo koje se koristi ima vrlo kratku valnu duljinu, što omogućuje precizna mjerenja. Osim toga, LIDAR može raditi u svim uvjetima osvjetljenja i ima bolji raspon detekcije u usporedbi s kamerama. Podaci snimljeni LIDAR senzorima mogu se smatrati "oblakom točaka".
Postoji mnogo stvari koje treba uzeti u obzir pri razvoju LiDAR sustava, kao što je koju valnu duljinu koristiti, kako skenirati i kako se nositi sa smetnjama. Međutim, najveća odluka koju sustav mora donijeti je kako najbolje otkriti fotone koji se vraćaju. Postoje dva glavna protivnika, izravna detekcija i koherentna detekcija.
Izravna detekcija
U sustavu za izravnu detekciju emitira se laserski puls, čime se učinkovito pokreće mjerač vremena. Kada se primi povratni laserski impuls, on se zaustavlja i izračunava udaljenost na temelju proteklog vremena. Pogledajte sliku 1.
Slika 1: Budući da je brzina svjetlosti (c) konstantna, udaljenost do cilja je Δtc/2, gdje je Δt vrijeme između početka prijenosa fotona i fronte prijema fotona.
Za udaljenosti do oko 50 m, nema potrebe za visokokvalitetnim podesivim jednomodnim laserom (budući da je to jednostavno izvor koji komprimira veliki broj fotona u kratkom vremenu) ili modulacijom, čime se pojednostavljuje strujni krug pogona. Niti je potrebna precizna optika za kompenzaciju aberacija valne fronte.
Zašto kratki domet? Kako se područje osvjetljenja povećava s udaljenošću, povratna snaga opada (kao kvadrat udaljenosti). Napomena: Formula za ovo izračunavanje je: povratna snaga približno je jednaka snazi prijenosa x (ciljano područje/područje osvjetljenja) x (područje prijema/(π x raspon2)). Taj se gubitak ne može izbjeći, pa je najjednostavnije rješenje odašiljanje veće snage ili povećanje osjetljivosti prijemnika.
Međutim, postoji ograničenje količine laserske snage koja se može koristiti. Intenzivno blisko infracrveno (IR) svjetlo (800 do 1400ηm) može oštetiti ljudski vid. Jednostavno povećanje snage prijenosa NIR svjetla u aplikacijama ADAS ili samovozećih automobila može predstavljati opasnost za druge sudionike u prometu i pješake.
Kako bi se poboljšala osjetljivost prijema, prikupljanje fotona može se povećati korištenjem leća za prijem veće površine. Osim toga, mogu se koristiti lavinske fotodiode (APD, fotodiode s intrinzičnim pojačanjem), iako su obično skupe, krhke i male (što dodatno komplicira optiku sustava) i mogu pružiti samo pojačanje od oko 15 puta prije samogenerirane buke postaje problem A. Druge vrste senzora, kao što su Geiger Mode Avalanche Photodetectors (GMAPDs) i Single Photon Avalanche Detectors (SPADs), pružaju bolju osjetljivost u LIDAR sustavima s izravnom detekcijom, ali su manje učinkoviti u snježnim, prašnjavim ili maglovitim okruženjima.
Osim toga, svi sustavi detekcije zahtijevaju neki oblik ublažavanja smetnji. Bilo da se radi o radaru ili LIDAR-u, sustav mora znati da signal (bilo pulsirajući radiovalovi ili fotoni) koji prima prijamnik dolazi od odašiljača. Problemi sa smetnjama pojavili su se u ranim danima pulsirajućih automobilskih radara. Nakon što su mnogi automobili bili opremljeni radarom, međusobne smetnje postale su problem. Najpopularnije rješenje bilo je prebacivanje na tehnike koherentne detekcije, gdje radarski sustav prvenstveno koristi frekvencijski modulirane kontinuirane valove (FMCW - vidi dolje).
Još jedno ograničenje lidara s izravnim otkrivanjem je to što ne mjeri izravno brzinu u svakoj točki - umjesto toga, mora se izračunati utvrđivanjem kako se raspon mijenja tijekom vremena (tj. usporedbom više uzastopnih okvira), što može umanjiti odziv sustava.
Koherentna detekcija i FMCW
To uključuje miješanje uzoraka upadne svjetlosti s propuštenom svjetlošću, što ima dvije glavne prednosti. Prvo, pojačanje pojačanja fotona bez šuma može se postići interferencijom fazne duljine (tj. primljeni signal se množi s odaslanim signalom), što omogućuje sustavu postizanje izvrsne osjetljivosti s laserima vrlo niske snage. Drugo, miješanje odaslanih i primljenih signala čini LiDAR sustav vrlo selektivnim, jer se svjetlost koja nije točno iste valne duljine (npr. sunčeva svjetlost ili svjetlost susjednih LiDAR sustava) jednostavno zanemaruje.
Postoji nekoliko načina implementacije LiDAR sustava koherentne detekcije, ali najpopularnija je frekvencijski modulirana modulacija kontinuiranog vala (FMCW). Slika 2 prikazuje pojednostavljeni primjer.
Slika 2: Laser radi oko 1550 nm i modulira na nekoliko stotina MHz (npr. od 1550.002 do 1550 nm). Emitirani (i reflektirani) signal je oko 200 THz. Nakon optičkog miješanja, fotodioda predstavlja zbroj i razliku dvaju signala. Fotodioda ima ograničenu propusnost i ne reagira na sume od oko 400 THz i može detektirati samo signale razlike od nekoliko stotina MHz.
U praksi, laser se skenira gore-dolje po frekvenciji kako bi proizveo pilasti profil (frekvencija u odnosu na vrijeme) iz kojeg se mogu izvesti udaljenost i brzina; za potonje, razmotrite Doppler efekt. Slika 3 prikazuje detaljniji pregled optike.
Slika 3: Glavne optičke komponente FMCW lidarskog sustava.
Iako su složeniji od sustava izravne detekcije, FMCW lidari imaju mnoge prednosti. Na primjer, kao što je gore spomenuto, povratni signal se množi s uzorkom dobivenim iz izvora odašiljanja (lokalni oscilator, LO na slici 4). Zbog velikog gubitka putanje lidara, čak i nekoliko postotaka LO može biti mnogo veće od povratnog signala. Količina pojačanja signala je vrlo visoka, ali ograničena na signale potpuno iste valne duljine, što dovodi do visoke učinkovitosti fotona.
Na primjer, FMCW lidarski sustav s dometom od oko 300 m može se realizirati sa snagom lasera manjom od 200 mW. Za isti raspon, sličan sustav izravne detekcije zahtijevao bi 1000 puta veću vršnu snagu. Naime, FMCW je u središtu drugih područja LiDAR-a; na primjer, optički altimetrijski instrumenti s dometima do nekoliko kilometara i laserski Doppler LiDAR instrumenti za karakterizaciju vjetra s dometima većim od 500 m.
Još jedna prednost koherentnog lidara je prilično niska propusnost lanca signala. Ako uzmemo u obzir valne duljine na slici 3 (gdje laser skenira od 1550,002 do 1550ηm), propusnost fotodiode može se ograničiti na nekoliko stotina MHz. sustavi izravne detekcije zahtijevaju što je moguće širi pojas (obično više od 2 GHz) kako bi se razriješio vodeći rub primljenog impulsa.
Razumljivo, uža propusnost omogućuje korištenje pojačala međusobne impedancije nižeg šuma i sporijih analogno-digitalnih pretvarača na fotodiodi.
Konačno, koherentna detekcija pruža informacije o brzini po točki. Prednost brzine po točki je u tome što je to dodatna kontekstualna metrika koju naknadni senzorski sustavi mogu koristiti pri tumačenju podataka LiDAR-a (i drugih senzora), što omogućuje donošenje informiranijih odluka.
Različite prednosti koherentne detekcije su stoga značajne, ali koherentni lidar nije bez svojih izazova.
Laser mora biti u stanju održati svoj fazni integritet tijekom dovoljno dugog vremenskog razdoblja da bi njegova svjetlost dosegla i vratila se s najudaljenije mete. Ako se faza lasera značajno promijeni tijekom vremena prijenosa, koherencija se može izgubiti i može rezultirati zamućenim mjerenjima udaljenosti. Osim toga, mora biti FM (u slučaju FMCW). Većina diodnih lasera nije dorasla zadatku, ali neki poluvodički podesivi laseri pojavili su se na komercijalnom tržištu.
Osim toga, nisu svi mehanizmi skeniranja kompatibilni s koherentnom detekcijom. Prijemnik treba promatrati svaku točku dovoljno dugo da dopusti svjetlosti da dosegne i vrati se s najudaljenije moguće mete, budući da povratni signal treba biti pomiješan s odaslanim signalom. Na primjer, domet od 300 m zahtijeva da mehanizam za skeniranje ostane nepomičan najmanje 2 μs, ali mnogi mehanizmi za skeniranje koji se neprestano kreću to ne mogu učiniti.
Konačno, važno je napomenuti da je zadatak obrade signala koherentnog lidara znatno veći od izravne detekcije. Srećom, proizvođači poluvodiča predstavili su moćne proizvode sustava na čipu (SoC) koji integriraju pretvarače podataka, mikrokontrolere i DSP-ove s FFT pedalama za plin kako bi zadovoljili ove potrebe obrade signala: iND83301 Surya LIDAR SoC indie Semiconductora je jedan takav primjer.
PREGLED
Različite aplikacije lidara imaju koristi od različitih pristupa dizajnu. Kao što je ranije spomenuto, pulsirajuća izravna detekcija velike snage može dobro funkcionirati u aplikacijama kao što su zemaljska istraživanja iz zraka gdje su potrebni ultra veliki dometi i gdje postoji mali rizik da LiDAR sustavi ometaju jedni druge ili oštećuju ljudsko oko.
Međutim, za aplikacije kao što su ADAS i automatizirana kopnena vozila koja zahtijevaju niz<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.
