LiDAR ap pran enterè rapidman epi li deplwaye nan ADAS ak sistèm deteksyon machin otomatik, men gen diferan fason pou aplike teknoloji a. Papye sa a eksplike apwòch sa yo ak avantaj relatif ki genyen nan deteksyon LiDAR aderan.
Deteksyon limyè ak ranje (lidar) te premye konsèptualize nan ane 1930 yo, prèske an menm tan ak deteksyon radyo ak ranje (rada). Sepandan, teknoloji a pa te pwouve jiskaske avenman lazè nan ane 1960 yo, ak nan ane sa yo, devlopman nan kominikasyon optik te mennen nan pwogrè enpòtan nan lazè ak teknoloji optik modulation.
An 2008, premye sistèm LiDAR ki disponib nan komèsyal la, okòmansman yo te rele 'rada optik', te fè premye li nan yon machin pasaje Volvo. Teknoloji dekouvèt sa a pouvwa youn nan premye sistèm Otomatik Frenaj Ijans (AEB), ki pèmèt machin yo frennen otomatikman pou anpeche oswa bese kolizyon dèyè.
Apre entwodiksyon bonè li 15 ane de sa (ak ranplasman ki vin apre li pa rada kòm yon altènativ pi bon mache ak AEB), lidar segondè-rezolisyon rapidman evolye pou l vin tounen yon Capteur kle segondè-rezolisyon pou pwogram machin oto-kondwi e li te ankouraje yon varyete teknoloji. start-ups inovatè ak byen finanse. Ofri pi gwo ranje, rezolisyon siperyè, ak vizyalizasyon an 3D an tan reyèl nan anviwònman veyikil la, teknoloji a ap grandi kounye a nan yon paradigm detèktè enpòtan pa sèlman pou kondwi otonòm, men tou pou konpleman Sistèm Asistans Chofè Avanse (ADAS) nan machin pasaje yo ak komèsyal yo. flòt yo.
Detèktè LiDAR emèt foton nan spectre enfrawouj la pou detekte ak kreye imaj 3D nan anviwònman yo. Yo pwouve yo dwe trè popilè nan aplikasyon pou otomobil. Avantaj prensipal la nan LiDAR sou rada se ke limyè a itilize gen yon longèdonn trè kout, ki pèmèt pou mezi egzak. Anplis de sa, LIDAR ka opere nan nenpòt kondisyon ekleraj epi li gen yon pi bon ranje deteksyon konpare ak kamera. Done yo te kaptire pa detèktè LIDAR yo ka konsidere kòm yon "nwaj pwen".
Gen anpil bagay pou konsidere lè w ap devlope yon sistèm LiDAR, tankou ki longèdonn pou itilize, kijan pou eskane, ak kijan pou fè fas ak entèferans. Sepandan, pi gwo desizyon sistèm lan dwe pran se pi bon fason pou detekte foton ki retounen yo. Gen de konkiran prensipal, deteksyon dirèk ak deteksyon aderan.
Deteksyon dirèk
Nan yon sistèm deteksyon dirèk, yon batman lazè emèt, efektivman kòmanse yon revèy. Lè yo resevwa retou batman lazè a, li sispann epi kalkile distans la ki baze sou tan ki pase a. Gade figi 1.
Figi 1: Depi vitès limyè (c) konstan, distans sib la se Δtc/2, kote Δt se tan ant kòmansman transmisyon foton ak devan resepsyon foton.
Pou distans jiska apeprè 50m, pa gen okenn nesesite pou yon lazè-wo kalite reglabl sèl-mòd (depi li se tou senpleman yon sous ki konprese yon gwo kantite foton nan yon ti tan) oswa modulasyon, kidonk senplifye sikwi kondwi a. Ni optik presizyon yo oblije konpanse pou aberasyon vag.
Poukisa kout ranje a? Kòm zòn ekleraj la ogmante ak distans, pouvwa a retounen diminye (tankou kare distans la). Remak: Fòmil pou kalkile sa a se: pouvwa retounen se apeprè egal a transmèt pouvwa x (zòn sib/zòn ekleraj) x (resevwa zòn/(π x ranje2)). Pèt sa a pa ka evite, kidonk solisyon ki pi senp la se transmèt plis pouvwa oswa ogmante sansiblite reseptè a.
Sepandan, gen yon limit nan kantite pouvwa lazè ki ka itilize. Limyè tou pre-enfrawouj (IR) entans (800 a 1400ηm) ka afekte vizyon moun. Senpleman ogmante pouvwa transmisyon limyè NIR nan ADAS oswa aplikasyon pou machin oto-kondwi ka reprezante yon danje pou lòt itilizatè wout ak pyeton.
Pou amelyore sansiblite k ap resevwa a, yo ka ogmante koleksyon foton lè w itilize pi gwo lantiy k ap resevwa zòn. Anplis de sa, fotodyod lavalas (APD, fotodyod ak benefis intrinsèque) ka itilize, byenke yo gen tandans yo dwe chè, frajil ak ti (ki plis konplike optik sistèm nan) epi yo ka sèlman bay yon benefis nan apeprè 15 fwa anvan bri pwòp tèt ou-pwodwi. vin yon pwoblèm. Lòt kalite detèktè, tankou Geiger Mode Avalanche Photodetectors (GMAPDs) ak Single Photon Avalanche Detectors (SPADs), bay pi bon sansiblite nan sistèm LIDAR deteksyon dirèk, men yo mwens efikas nan anviwònman lanèj, pousyè oswa bwouya.
Anplis de sa, tout sistèm deteksyon mande pou kèk fòm alèjman entèferans. Kit se rada oswa LIDAR, sistèm nan bezwen konnen ke siyal la (swa vag radyo enpulsyonèl oswa foton) ke reseptè a resevwa a ap soti nan transmetè a. Pwoblèm entèferans te parèt nan kòmansman rada otomobil enpulsyonèl yo. Yon fwa ke anpil machin yo te ekipe ak rada, entèferans mityèl te vin tounen yon pwoblèm. Solisyon ki pi popilè a se te chanje nan teknik deteksyon aderan, kote sistèm rada a prensipalman itilize frekans modulation vag kontinyèl (FMCW - gade anba a).
Yon lòt limit nan lidar deteksyon dirèk se ke li pa dirèkteman mezire vitès la nan chak pwen - olye de sa, li dwe kalkile lè w detèmine kijan ranje a chanje sou tan (sa vle di konpare plizyè ankadreman ki vin apre), ki ka afekte repons sistèm lan.
Deteksyon aderan ak FMCW
Sa a enplike nan melanje echantiyon limyè ensidan ak limyè transmèt, ki gen de benefis prensipal yo. Premyèman, anplifikasyon foton san bri ka reyalize atravè entèferans faz-longè (sa vle di, siyal la resevwa miltipliye pa siyal transmèt la), ki pèmèt sistèm nan reyalize ekselan sansiblite ak lazè pouvwa ki ba anpil. Dezyèmman, melanje siyal yo transmèt ak siyal resevwa yo fè sistèm LiDAR la trè selektif, paske limyè ki pa egzakteman menm longèdonn (pa egzanp, limyè solèy la oswa limyè ki soti nan sistèm LiDAR vwazen) tou senpleman inyore.
Gen plizyè fason pou aplike sistèm deteksyon aderan LiDAR, men pi popilè a se modulation frekans kontinyèl (FMCW). Figi 2 montre yon egzanp senplifye.
Figi 2: Lazè a opere alantou 1550 nm ak modulation nan plizyè santèn MHz (egzanp, soti nan 1550.002 a 1550 nm). Siyal la emèt (ak reflete) se apeprè 200 THz. Apre melanje optik, fotodyòd la prezante sòm ak diferans de siyal yo. Fotodiod la gen yon lajè limite epi li pa reponn a sòm apeprè 400 THz epi li ka sèlman detekte siyal diferans nan kèk santèn MHz.
Nan pratik, lazè a tcheke monte ak desann nan frekans yo pwodwi yon pwofil sawtooth (frekans kont tan) ki soti nan ki distans ak vitès ka sòti; pou lèt la, konsidere efè Doppler. Figi 3 montre yon BECA pi detaye sou optik yo.
Figi 3: Konpozan optik prensipal yon sistèm lidar FMCW.
Malgre ke pi konplèks pase sistèm deteksyon dirèk, FMCW lidars gen anpil avantaj. Pou egzanp, jan mansyone pi wo a, siyal la retounen miltipliye pa echantiyon an akeri nan sous la transmèt (osilator lokal, LO nan Figi 4). Akòz pèt wout segondè nan lidar la, menm kèk pousan nan LO a ka pi gwo pase siyal la retounen. Kantite anplifikasyon siyal la trè wo, men limite a sa sèlman siyal ki gen egzakteman menm longèdonn, ki mennen nan efikasite foton segondè.
Pou egzanp, yon sistèm lidar FMCW ak yon seri apeprè 300m ka reyalize ak yon pouvwa lazè ki mwens pase 200mW. Pou menm seri a, yon sistèm deteksyon dirèk menm jan an ta mande 1000 fwa pik pouvwa a. Miyò, FMCW se nan kè a nan lòt zòn nan LiDAR; pou egzanp, enstriman altimetri optik ak chenn ki rive jiska plizyè kilomèt ak enstriman Doppler LiDAR lazè pou karakterizasyon van ak chenn ki gen plis pase 500m.
Yon lòt avantaj nan lidar aderan se Pleasant a olye ki ba nan chèn siyal la. Si nou konsidere longèdonn yo nan Figi 3 (kote lazè a analize soti nan 1550.002 a 1550ηm), Pleasant fotodyòd la ka limite a kèk santèn MHz. sistèm deteksyon dirèk mande pou yon lajè Pleasant ke posib (tipikman plis pase 2GHz) yo nan lòd yo rezoud kwen an dirijan nan batman kè a resevwa.
Byen konprann, Pleasant ki pi etwat la pèmèt itilizasyon anplifikatè enpedans mityèl ki pi ba ak pi dousman konvètisè analòg-a-dijital sou fotodyod la.
Finalman, deteksyon aderan bay enfòmasyon sou vitès pou chak pwen. Benefis nan vitès chak pwen se ke li se yon metrik kontèks adisyonèl ke sistèm deteksyon ki vin apre yo ka itilize lè entèprete done LiDAR (ak lòt Capteur), sa ki fè li posib pou pran desizyon plis enfòme.
Benefis divès kalite deteksyon aderan yo se poutèt sa enpòtan, men lidar aderan se pa san defi li yo.
Lazè a dwe kapab kenbe entegrite faz li yo sou yon peryòd tan ase long pou limyè li rive ak retounen soti nan sib ki pi lwen. Si faz lazè a chanje anpil pandan tan transmisyon an, koerans ka pèdi epi li ka lakòz mezi distans twoub. Anplis de sa, li dwe FM (nan ka a nan FMCW). Pifò lazè dyod yo pa jiska travay la, men kèk lazè semi-conducteurs reglabl yo te parèt sou mache komèsyal la.
Anplis de sa, se pa tout mekanis optik yo konpatib ak deteksyon aderan. Reseptè a bezwen obsève chak pwen ase lontan pou pèmèt limyè a rive ak retounen soti nan sib ki pi lwen posib, depi siyal la retounen bezwen melanje ak siyal la transmèt. Pou egzanp, yon seri 300 m mande pou mekanis optik la rete estasyonè pou omwen 2 μs, men anpil mekanis optik k ap deplase kontinyèlman yo pa kapab fè sa.
Finalman, li enpòtan sonje ke travay la pwosesis siyal nan lidar aderan se siyifikativman pi gran pase deteksyon dirèk. Erezman, manifaktirè semi-conducteurs te entwodwi pwodwi pwisan sistèm-on-chip (SoC) ki entegre konvètisè done, mikrokontwolè, ak DSP ak pedal gaz FFT pou satisfè bezwen pwosesis siyal sa yo: iND83301 Surya LIDAR SoC indie Semiconductor se youn nan egzanp sa yo.
APRÈSÈ
Diferan aplikasyon lidar benefisye de diferan apwòch konsepsyon. Kòm mansyone pi bonè, gwo pouvwa enpulsyonèl deteksyon dirèk ka travay byen nan aplikasyon pou tankou sondaj tè ayeryèn kote ranje ultra-long yo oblije ak kote gen ti risk pou sistèm LiDAR entèfere youn ak lòt oswa mal je imen an.
Sepandan, pou aplikasyon pou tankou ADAS ak machin tè otomatik ki mande pou yon seri de<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.
