LiDAR växer snabbt intresse och distribueras i ADAS och automatiserade fordonsavkänningssystem, men det finns olika sätt att implementera tekniken. Detta dokument förklarar dessa tillvägagångssätt och de relativa fördelarna med koherent LiDAR-detektion.
Ljusdetektering och avståndsbestämning (lidar) konceptualiserades först på 1930-talet, nästan samtidigt med radiodetektering och avståndsavstånd (radar). Tekniken bevisades dock inte förrän med lasrarnas tillkomst på 1960-talet, och under de följande åren ledde utvecklingen av optisk kommunikation till betydande framsteg inom lasrar och optisk moduleringsteknik.
2008 gjorde det första kommersiellt tillgängliga LiDAR-systemet, ursprungligen kallat "optisk radar", sin debut i en Volvo-personbil. Denna banbrytande teknik driver ett av de första AEB-systemen (Automatic Emergency Braking), som gör det möjligt för fordon att bromsa automatiskt för att förhindra eller mildra kollisioner bakifrån.
Efter sin tidiga introduktion för 15 år sedan (och dess efterföljande ersättning av radar som ett billigare alternativ till AEB), har högupplöst lidar snabbt utvecklats till att bli en viktig högupplöst sensor för självkörande bilprogram och har främjat en mängd olika tekniska innovativa och välfinansierade nystartade företag. Med större räckvidd, överlägsen upplösning och 3D-visualisering i realtid av fordonets omgivning mognar tekniken nu till ett viktigt sensorparadigm, inte bara för autonom körning, utan även för att komplettera Advanced Driver Assistance Systems (ADAS) i personbilar och kommersiella bilar. flottor.
LiDAR-sensorer sänder ut fotoner i det infraröda spektrumet för att upptäcka och skapa 3D-bilder av sin omgivning. De har visat sig vara mycket populära i biltillämpningar. Den största fördelen med LiDAR jämfört med radar är att ljuset som används har en mycket kort våglängd, vilket möjliggör exakta mätningar. Dessutom kan LIDAR fungera i alla ljusförhållanden och har ett bättre detekteringsområde jämfört med kameror. Data som fångas av LIDAR-sensorer kan betraktas som ett "punktmoln".
Det finns många saker att tänka på när man utvecklar ett LiDAR-system, som vilken våglängd man ska använda, hur man skannar och hur man hanterar störningar. Det största beslutet som systemet måste fatta är dock hur man bäst kan detektera de återkommande fotonerna. Det finns två huvudutmanare, direkt detektering och koherent detektion.
Direkt detektering
I ett direktdetekteringssystem avges en laserpuls som effektivt startar en timer. När returen av laserpulsen tas emot stannar den och beräknar avståndet baserat på förfluten tid. Se figur 1.
Figur 1: Eftersom ljusets hastighet (c) är konstant är avståndet till målet Δtc/2, där Δt är tiden mellan start av fotonöverföring och fotonmottagningsfronten.
För avstånd upp till cirka 50m finns det inget behov av en högkvalitativ avstämbar singelmodslaser (eftersom det helt enkelt är en källa som komprimerar ett stort antal fotoner på kort tid) eller modulering, vilket förenklar drivkretsen. Det krävs inte heller precisionsoptik för att kompensera för vågfrontsavvikelser.
Varför den korta räckvidden? När belysningsytan ökar med avståndet, minskar retureffekten (som kvadraten på avståndet). Notera: Formeln för att beräkna detta är: retureffekten är ungefär lika med sändningseffekten x (målarea/belysningsområde) x (mottagningsområde/(π x område2)). Denna förlust kan inte undvikas, så den enklaste lösningen är att överföra mer effekt eller öka mottagarens känslighet.
Det finns dock en gräns för hur mycket laserkraft som kan användas. Intensivt nära-infrarött (IR) ljus (800 till 1400ηm) kan försämra människans syn. Att bara öka sändningseffekten för NIR-ljus i ADAS eller självkörande bilapplikationer kan utgöra en fara för andra trafikanter och fotgängare.
För att förbättra mottagningskänsligheten kan fotoninsamlingen ökas genom att använda mottagningslinser med större yta. Dessutom kan lavinfotodioder (APD:er, fotodioder med inneboende förstärkning) användas, även om de tenderar att vara dyra, ömtåliga och små (vilket ytterligare komplicerar systemoptiken) och kan bara ge en förstärkning på cirka 15 gånger innan självgenererat brus blir ett A-problem. Andra sensortyper, som geigerläge lavinfotodetektorer (GMAPDs) och Single Photon Avalanche Detectors (SPADs), ger bättre känslighet i LIDAR-system med direktdetektering, men är mindre effektiva i snöiga, dammiga eller dimmiga miljöer.
Dessutom kräver alla detektionssystem någon form av störningsreducering. Oavsett om det är radar eller LIDAR behöver systemet veta att signalen (antingen pulsade radiovågor eller fotoner) som tas emot av mottagaren kommer från sändaren. Störningsproblem uppstod under de första dagarna av pulsad bilradar. När många bilar väl var utrustade med radar blev ömsesidiga störningar ett problem. Den populäraste lösningen var att byta till koherenta detekteringstekniker, där radarsystemet i första hand använder frekvensmodulerade kontinuerliga vågor (FMCW - se nedan).
En annan begränsning för direktdetekteringslidar är att den inte direkt mäter hastigheten vid varje punkt - istället måste den beräknas genom att bestämma hur intervallet förändras över tiden (dvs. jämföra flera efterföljande bildrutor), vilket kan försämra systemets reaktionsförmåga.
Koherent Detektion och FMCW
Detta innebär att prover av infallande ljus blandas med genomsläppt ljus, vilket har två huvudsakliga fördelar. För det första kan brusfri förstärkning av fotonförstärkningen uppnås genom faslängdsinterferens (dvs. den mottagna signalen multipliceras med den sända signalen), vilket gör att systemet kan uppnå utmärkt känslighet med lasrar med mycket låg effekt. För det andra, blandning av de sända och mottagna signalerna gör LiDAR-systemet mycket selektivt, eftersom ljus som inte har exakt samma våglängd (t.ex. solljus eller ljus från angränsande LiDAR-system) helt enkelt ignoreras.
Det finns flera sätt att implementera LiDAR-system för koherent detektering, men det mest populära är frekvensmodulerad kontinuerlig våg (FMCW) modulering. Figur 2 visar ett förenklat exempel.
Figur 2: Lasern arbetar runt 1550 nm och modulerar vid flera hundra MHz (t.ex. från 1550.002 till 1550 nm). Den emitterade (och reflekterade) signalen är cirka 200 THz. Efter optisk blandning presenterar fotodioden summan och skillnaden av de två signalerna. Fotodioden har en begränsad bandbredd och svarar inte på summor på cirka 400 THz och kan bara detektera skillnadssignaler på några hundra MHz.
I praktiken skannas lasern upp och ner i frekvens för att producera en sågtandsprofil (frekvens vs. tid) från vilken avstånd och hastighet kan härledas; för det senare, överväg Dopplereffekten. Figur 3 visar en mer detaljerad översikt av optiken.
Figur 3: De viktigaste optiska komponenterna i ett FMCW lidar-system.
Även om de är mer komplexa än system för direktdetektering har FMCW-lidarer många fördelar. Till exempel, som nämnts ovan, multipliceras retursignalen med samplet som erhållits från den sändande källan (lokal oscillator, LO i figur 4). På grund av lidarens höga vägförlust kan till och med några få procent av LO vara mycket större än retursignalen. Mängden signalförstärkning är mycket hög, men begränsad till signaler med exakt samma våglängd, vilket leder till hög fotoneffektivitet.
Till exempel kan ett FMCW lidarsystem med en räckvidd på cirka 300m realiseras med en lasereffekt på mindre än 200mW. För samma område skulle ett liknande direktdetekteringssystem kräva 1000 gånger toppeffekten. Noterbart är FMCW i hjärtat av andra delar av LiDAR; till exempel optiska höjdmätningsinstrument med räckvidder på upp till flera kilometer och laserdoppler LiDAR-instrument för vindkarakterisering med räckvidder på mer än 500m.
En annan fördel med koherent lidar är signalkedjans ganska låga bandbredd. Om vi betraktar våglängderna i fig. 3 (där lasern skannar från 1550.002 till 1550ηm), kan fotodiodens bandbredd begränsas till några hundra MHz. direktdetekteringssystem kräver en så bred bandbredd som möjligt (vanligtvis mer än 2 GHz) för att lösa framkanten av den mottagna pulsen.
Förståeligt nog tillåter den smalare bandbredden användningen av ömsesidiga impedansförstärkare med lägre brus och långsammare analog-till-digital-omvandlare på fotodioden.
Slutligen tillhandahåller koherent detektering hastighetsinformation per punkt. Fördelen med per-punktshastighet är att det är ett extra kontextuellt mått som efterföljande avkänningssystem kan använda när de tolkar LiDAR-data (och andra sensorer), vilket gör det möjligt att fatta mer välgrundade beslut.
De olika fördelarna med koherent detektion är därför betydande, men koherent lidar är inte utan sina utmaningar.
Lasern måste kunna bibehålla sin fasintegritet under tillräckligt lång tid för att dess ljus ska nå och återvända från det mest avlägsna målet. Om laserns fas ändras avsevärt under överföringstiden, kan koherensen gå förlorad och kan resultera i suddiga avståndsmätningar. Dessutom måste det vara FM (när det gäller FMCW). De flesta diodlasrar klarar inte uppgiften, men vissa halvledaravstämbara lasrar har dykt upp på den kommersiella marknaden.
Dessutom är inte alla skanningsmekanismer kompatibla med koherent detektion. Mottagaren måste observera varje punkt tillräckligt länge för att tillåta ljuset att nå och återvända från det längsta möjliga målet, eftersom retursignalen måste blandas med den sända signalen. Till exempel kräver en räckvidd på 300 m att skanningsmekanismen förblir stationär i minst 2 μs, men många kontinuerligt rörliga avsökningsmekanismer kan inte göra det.
Slutligen är det viktigt att notera att signalbehandlingsuppgiften för koherent lidar är betydligt större än direkt detektering. Lyckligtvis har halvledartillverkare introducerat kraftfulla system-on-chip-produkter (SoC) som integrerar dataomvandlare, mikrokontroller och DSP:er med FFT-gaspedaler för att möta dessa signalbehandlingsbehov: indie Semiconductors iND83301 Surya LIDAR SoC är ett sådant exempel.
ÖVERSIKT
Olika lidar-applikationer drar nytta av olika designmetoder. Som tidigare nämnts kan pulsad direktdetektering med hög effekt fungera bra i applikationer som luftburna markundersökningar där ultralånga räckvidder krävs och där det finns liten risk för att LiDAR-system stör varandra eller skadar det mänskliga ögat.
Men för applikationer som ADAS och automatiserade markfordon som kräver en rad<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.
