يدار التكنلوجيا تعيد تشكيل مستقبل سلامة السيارات والملاحة الذاتية. في هذا التقرير الشامل، هارفي واينبرج من شركة MicroTech Ventures وبيير أوليفييه هامل من شركة إيندي أشباه الموصلات تشريح الفروق الدقيقة بين طرق الكشف المباشرة والمتماسكة في أنظمة LIDAR، مما يوفر دليلاً أساسيًا لمحترفي الصناعة الذين يسعون إلى التنقل في هذا المشهد المعقد.
المُقدّمة
نظرًا لأن LIDAR أصبح موضوعًا ساخنًا في عالم أجهزة الاستشعار، ويرجع الفضل في ذلك في الغالب إلى الجهود المبذولة في مجال أنظمة مساعدة السائق المتقدمة وقطاع القيادة الذاتية، فقد نشأ نقاش حول ما إذا كان الكشف المباشر (أو وقت الرحلة) أو المتماسك (الموجة المستمرة المعدلة بالتردد، على سبيل المثال) اكتشاف الفوتون هو الأفضل. في الحقيقة، "الأفضل" يعتمد إلى حد كبير على التطبيق. يتم استخدام LIDAR في مجموعة واسعة من التطبيقات بدءًا من إدارة حركة المرور ومساعدة السائق والقيادة الذاتية ورسم الخرائط الأرضية وتطبيقات الأرصاد الجوية. لا ينبغي أن يكون مفاجئًا أن أهمية مقاييس أداء LIDAR المختلفة - المدى الأقصى، والدقة، ومناعة التداخل، والتكلفة، وما إلى ذلك - تختلف من تطبيق إلى آخر. حتى داخل نفس التطبيق، قد تؤدي بعض اختيارات النظام إلى تحريف أهمية معلمة أو أخرى. تهدف هذه الورقة إلى مناقشة الخصائص المختلفة للكشف المباشر والمتماسك من أجل تثقيف المهتمين بـ LIDAR والسماح لهم باتخاذ خيارات نظام مستنيرة.
خلفية تاريخية
تم وضع تصور LIDAR لأول مرة في ثلاثينيات القرن العشرين - في نفس الوقت تقريبًا الذي تم فيه تطوير الرادار. ومع ذلك، لم يكن الأمر كذلك حتى أوائل الستينيات، عندما تم تطوير أجهزة الليزر الأولى، حيث أصبح LIDAR حقيقة واقعة. تم تطوير رادار الموجة المستمرة المعدلة بالتردد (FMCW) في منتصف ثلاثينيات القرن العشرين، وبعد ذلك بوقت قصير بدأ الباحثون العمل على جلب فوائد الكشف المتماسك إلى المدى المستند إلى الضوء. خلال ستينيات القرن الماضي، كان العديد من الباحثين يعرضون أنظمة FMCW LiDAR المبكرة. منذ ذلك الحين، تم استخدام LIDAR في عشرات التطبيقات، ولكل منها قائمة فريدة من التحديات التي كان على المطورين التغلب عليها. أعطى ظهور الاتصالات البصرية دفعة أخرى لجهاز LIDAR من التطورات في أجهزة الليزر المتقدمة وتقنيات التعديل المحسنة الممولة من خلال العدد الهائل من دولارات الأبحاث التي تم ضخها في الاتصالات البصرية. كما هو الحال مع الرادار، اعتمدت الاتصالات الضوئية المبكرة على تقنيات الكشف النبضي المباشر. وبحلول عام 1930، بدأ الكشف المتماسك في السيطرة على الأمر. اليوم الصناعة محظوظة لأنها استفادت من أكثر من نصف قرن من التطوير في الأجهزة وتقدم معالجة الإشارات التي تم تطويرها للاتصالات الرادارية والبصرية للاستفادة منها في إحياء نظام LIDAR "التالي".
كشف الفوتون
في أبسط صوره، يقوم نظام LIDAR بإصدار الفوتونات ويحسب المدة التي تستغرقها تلك الفوتونات للوصول إلى الهدف والعودة. في حين أن هناك العديد من جوانب نظام LIDAR التي يجب مراعاتها (الطول الموجي الذي يجب استخدامه، وطريقة المسح، وكيفية التعامل مع التداخل، وما إلى ذلك)، فإن اختيار كيفية اكتشاف تلك الفوتونات العائدة هو الذي يحرك كل اختيارات النظام الأخرى تقريبًا. هناك، بشكل أساسي، طريقتان للكشف عن الفوتون:
الكشف المباشر: يتم إطلاق نبضة ليزر تبدأ تشغيل المؤقت. يتوقف المؤقت عند استقبال صدى نبضة الليزر. نحن لا نأخذ بعين الاعتبار طور الفوتونات، بل مجرد وجودها (السعة) وتوقيت عودتها. وبما أن سرعة الضوء معروفة وثابتة، فإننا نحسب المسافة إلى الهدف بـ Δt C 2 حيث Δt هو الوقت بين بداية إرسال الفوتون والحافة الأمامية لاستقبال الفوتون (كما هو موضح في الشكل 1).
الكشف المتماسك: يتم تشغيل الليزر المعدل لفترة أطول من الوقت ويتم خلط إشارة الإرجاع بصريًا مع عينة من الكشف الضوئي المرسل (يسمى المذبذب المحلي) قبل اكتشاف الصمام الثنائي الضوئي. يؤدي هذا الخلط البصري إلى تضخيم إشارة الاستقبال بواسطة المذبذب المحلي. وباستخدام عينة من إشارة الإرسال، نتأكد من أن علاقة الطور بين قنوات الإرسال والاستقبال محفوظة (أو متماسكة). كما هو الحال مع الكشف المباشر، يتم حساب المسافة عن طريق قياس الوقت بين إرسال الفوتون واستقباله. ولكن في حالة الكشف المتماسك، يتم تطبيق التعديل على الإشارة المرسلة بشكل مستمر (أو شبه مستمر). وبما أن الليزر يرسل بشكل مستمر، يتم تحديد توقيت الصدى عن طريق إزالة التشكيل المناسبة، الأمر الذي يتطلب معالجة إشارة أكثر من الكشف المباشر. من خلال الكشف المتماسك، يمكننا قياس السرعة بشكل فوري (وليس عن طريق قياس حركة الهدف عبر إطارات متعددة كما يفعل المرء مع الكشف المباشر) عن طريق الكشف عن تحول تردد الإشارة المرتجعة الناتجة عن دوبلر.
سنبدأ بوصف الاكتشاف المباشر بالتفصيل لأنه أبسط من الناحية النظرية.
الكشف المباشر
تستخدم أنظمة الكشف المباشر ليزرًا نابضًا لإصدار دفعات قصيرة من الضوء (بضعة نانو ثانية). يقيس مستشعر LIDAR الوقت اللازم لاستقبال نبض الضوء المنعكس. ومن خلال تحليل الوقت الذي يستغرقه الضوء للانتقال إلى الهدف والعودة، فإنه يحسب المسافة إلى الأشياء الموجودة في البيئة.
يعد الاكتشاف المباشر مناسبًا إذا كانت هناك حاجة إلى أداء متواضع فقط، مثل نطاق أقل من 50 مترًا. ليست هناك حاجة إلى ليزر أحادي الوضع قابل للضبط، نظرًا لأن المتطلب الأساسي هو مجرد مصدر للعديد من الفوتونات خلال إطار زمني قصير. ونتيجة لذلك، تم تبسيط دائرة تشغيل الليزر حيث لا توجد ضرورة لتعديل الليزر؛ بدلاً من ذلك، تتمثل مهمة المغير في حقن كمية كبيرة من التيار بسرعة في الليزر. بالإضافة إلى ذلك، يتم تقليل متطلبات الدقة للبصريات، حيث أن المخاوف بشأن تشويه واجهة الموجة تكون في حدها الأدنى.
رياضياً، يمكن التعبير عن قدرة الإرجاع في نظام قائم على الكشف المباشر على النحو التالي:
وكما قد يظن المرء بشكل بديهي، فإننا نرى أن قوة الإرجاع تنخفض مع مربع النطاق. وبالمثل، تتضاءل قوة الإرجاع أيضًا بشكل خطي مع نمو المنطقة المضيئة. وبالطبع فإن المساحة المضيئة تنمو بشكل تربيعي مع المدى حيث أنها تتوسع في بعدين بمجرد أن يبدأ تباعد شعاع الليزر. لذلك، تنخفض قوة إرجاع الإشارة بمقدار 1 ⁄ مدى أو 1 ⁄ مدى اعتمادًا على ما إذا كان الهدف قبل أو بعد بدء انحراف الشعاع. ويجب أن يكون واضحًا أن تحقيق المدى البعيد يتطلب إصدار الكثير من الفوتونات.
ومع ذلك، هناك حدود لكمية طاقة الليزر التي يمكن استخدامها. يمكن أن يؤدي ضوء الأشعة تحت الحمراء القريب الشديد (800 إلى 1400 نانومتر) إلى إتلاف الرؤية. وبما أن البشر لا يستطيعون رؤية الضوء في هذا النطاق، فإننا لا نرمش أو نحول أعيننا إلى ضوء الأشعة تحت الحمراء الساطعة القريبة. لكن أعيننا يمكنها تركيز هذا الضوء على شبكية العين. وهذا يمكن أن يؤدي إلى تلف الشبكية. يتم امتصاص الأطوال الموجية الأطول للضوء، من 1400 إلى 3000 نانومتر (أو الموجة القصيرة-IR) على سبيل المثال، بواسطة المنطقة المائية خلف القرنية. لذا، في حين أنه غير مرئي بالمثل للبشر، إلا أنه يمكننا تحمل المزيد من التعرض لليزر عند تلك الأطوال الموجية - ما يقرب من خمسة أوامر أو حجم أكبر. السبب وراء أهمية فهم ذلك فيما يتعلق بالكشف المباشر LIDAR هو أن العديد من أنظمة LIDAR (خاصة LIDAR للسيارات منخفضة التكلفة) تستخدم 905 أو 940 نانومتر كطول موجي للتشغيل بسبب التوافر الواسع لليزر منخفض التكلفة القائم على InGaAs وثنائيات السيليكون الضوئية. تميل أجهزة الليزر والثنائيات الضوئية ذات الموجات القصيرة من الأشعة تحت الحمراء إلى أن تكون أكثر تكلفة بكثير، مما يلغي الميزة الرئيسية للكشف المباشر - وهي بساطتها وتكلفتها المنخفضة.
هناك وسائل أخرى لتحسين نطاق الكشف المباشر من خلال تحسين حساسية جهاز الاستقبال. يمكن استخدام عدسات استقبال ذات مساحة أكبر. توفر زيادة منطقة تجميع الفوتون حساسية محسنة لجهاز الاستقبال دون أي ضوضاء إلكترونية إضافية. توفر مضاعفة قطر العدسة حساسية استقبال 4x على حساب نظام بصري أكبر وأكثر تعقيدًا (تذكر أن زيادة الكسب بمقدار 16x لا تؤدي إلا إلى مضاعفة النطاق). يمكن استخدام شعاع إرسال ذو فتحة أكبر للحفاظ على محاذاة محكمة لليزر على مسافة أطول (انظر القسم الخاص بنطاق رايلي أدناه)، لكن الحزم ذات القطر الكبير قد لا تكون متوافقة مع العديد من طرق المسح (مرايا MEMS الصغيرة، على سبيل المثال). يمكن استخدام الثنائيات الضوئية الانهيارية (APDs) - الثنائيات الضوئية ذات الكسب الجوهري - لزيادة حساسية الاستقبال. ومن الناحية العملية، يمكنهم تقديم مكاسب تبلغ حوالي 5x إلى 15x قبل أن تصبح الضوضاء المولدة ذاتيًا مشكلة. تميل الثنائيات الضوئية الانهيارية إلى أن تكون باهظة الثمن وهشة. كما أنها عمومًا أجهزة ذات مساحة صغيرة جدًا، مما يزيد من تعقيد التصميم البصري. أخيرًا، تتوفر أجهزة كشف صور الانهيار الجليدي (GMAPDs) أو أجهزة كشف الانهيارات الثلجية أحادية الفوتون (SPADs). إنها توفر حساسية شديدة - حيث لا يلزم سوى فوتون واحد للكشف. ومع ذلك، بمجرد تشغيلها، فإنها تتطلب وقتًا محدودًا (حوالي 5 إلى 10 ثواني)، للتعافي قبل أن تتمكن من التشغيل مرة أخرى. في حين أن هذه يمكن أن تصنع نظام LIDAR طويل المدى مبسط للغاية، إلا أن مبدأ تشغيلها هو أنها تكون عرضة للتداخل (أنظمة LIDAR الشمسية وأنظمة LIDAR المجاورة) وتعمل بشكل سيئ في البيئات الثلجية أو المتربة أو الضبابية (فوتون ينعكس من ندفة الثلج) سوف يعمي GMAPD عن أي شيء يقع على بعد 1.5 إلى 3 أمتار خلف ندفة الثلج). وكما سنناقش لاحقًا، فإن بعض التطبيقات لا تخضع للتداخل من الشمس أو أنظمة LIDAR المجاورة أو تشعر بالقلق إزاء البيئات الجوية السيئة. في هذه التطبيقات، تعمل أنظمة الكشف المباشر المعتمدة على GMAPD بشكل جيد للغاية.
فيما يتعلق بالتداخل، من المهم أيضًا ملاحظة أن أنظمة الكشف المباشر المستخدمة في التطبيقات التي توجد بها أنظمة LIDAR أخرى (مثل السيارات أو المركبات الأرضية المستقلة) يجب أن تصمم بعض وسائل تخفيف التداخل. بالنسبة لمستقبل نظام LIDAR للكشف المباشر، فإن كل نبضة ضوئية ذات طول موجي مماثل تبدو تمامًا مثل نبضتها. هذه ليست مشكلة حصرية لـ LIDAR. في الأيام الأولى لرادار السيارات، تم استخدام الأنظمة النبضية. بمجرد تجهيز العديد من السيارات بالرادار، أصبح التدخل المتبادل مشكلة. رداً على ذلك، انتقلت صناعة رادار السيارات إلى تقنيات الكشف المتماسكة - معظمها FMCW - مما أدى إلى حل مشكلات التداخل المتبادل إلى حد كبير. بشكل عام، يجب استخدام نوع ما من تشفير النبض لتمييز نبضات الليزر "الخاصة بك" عن الأنظمة الأخرى. تكون تكلفة ذلك إما نطاقًا منخفضًا (إذا كان متوسط طاقة الليزر محدودًا بسبب مشاكل حرارية أو تتعلق بسلامة العين) أو انخفاض عدد النقاط في الثانية التي تستطيع وحدة LIDAR قياسها. يصعب إجراء تشفير النبض عند استخدام GMAPDs حيث يجب أن يكون الوقت بين النبضات طويلًا بما يكفي لضمان تعافي GMAPD من النبضة الأخيرة.
أخيرًا، تجدر الإشارة إلى أن الاكتشاف المباشر LIDAR لا يقيس السرعة (والتي يمكن أن تكون مدخلاً قيمًا للإدراك النهائي) مباشرةً. يمكن استنتاج السرعة عن طريق قياس حركة الهدف عبر إطارات متعددة؛ ومع ذلك، فإن هذا يميل إلى أن يكون أسلوب قياس منخفض الدقة لأنه يعتمد على قياسات متكررة لموضع الهدف في كل إطار. على سبيل المثال، إذا كان الهدف يتحرك بسرعة 15 م/ث (حوالي 33 ميلاً في الساعة) وكان معدل الإطارات 20 هرتز، فسيكون الهدف قد تحرك 75 سم في إطار واحد. إذا كانت دقة القياس ±10 سم (حوالي أفضل ما يمكن توقعه من نظام LIDAR للكشف المباشر للسيارات)، فقد يصل خطأ قياس السرعة إلى ± 10 سم/75 سم = ±13%. وبطبيعة الحال، يمكن تحسين هذا عن طريق قياس إطارات متتالية متعددة. لكن هذا قد يستغرق وقتًا لأن دقة القياس تتحسن فقط مع الجذر التربيعي لعدد القياسات المأخوذة (على سبيل المثال، 9 قياسات متوسطة تعمل على تحسين الدقة بعامل 3 مع زيادة زمن الوصول بعامل 9، حتى 450 مللي ثانية في الإطار معدل 20 هرتز).
لمواصلة قراءة التقرير الكامل مجانًا، انقر هنا.