LIDAR la tecnología está remodelando el futuro de la seguridad automotriz y la navegación autónoma. En este completo documento técnico, Harvey Weinberg de MicroTech Ventures y Pier-Olivier Hamel de la empresa independiente Semiconductores analiza los matices entre los métodos de detección directos y coherentes en los sistemas LIDAR, proporcionando una guía esencial para los profesionales de la industria que buscan navegar en este complejo panorama.
Introducción
A medida que LIDAR se ha convertido en un tema candente en el mundo de los sensores, principalmente gracias a los esfuerzos en el sector ADAS y la conducción autónoma, ha surgido un debate sobre si la detección directa (o tiempo de vuelo) o la coherencia (onda continua modulada en frecuencia, por ejemplo) la detección de fotones es la mejor. En verdad, lo "mejor" depende en gran medida de la aplicación. LIDAR se utiliza en una amplia variedad de aplicaciones, desde gestión del tráfico hasta asistencia al conductor y conducción autónoma, cartografía terrestre y aplicaciones meteorológicas. No debería sorprender que la importancia de las diferentes métricas de rendimiento de LIDAR (alcance máximo, precisión, inmunidad a interferencias, costo, etc.) varíe de una aplicación a otra. Incluso dentro de la misma aplicación, ciertas elecciones del sistema pueden distorsionar la importancia de un parámetro u otro. Este artículo tiene como objetivo discutir las diferentes características de la detección directa y coherente con el fin de educar a aquellos interesados en LIDAR y permitirles tomar decisiones informadas sobre el sistema.
Antecedentes históricos
LIDAR se conceptualizó por primera vez en la década de 1930, aproximadamente al mismo tiempo que se desarrolló el radar. Sin embargo, no fue hasta principios de la década de 1960, cuando se desarrollaron los primeros láseres, que LIDAR se convirtió en una realidad. El radar de onda continua modulada en frecuencia coherente (FMCW) se desarrolló a mediados de la década de 1930 y poco después los investigadores se pusieron a trabajar para llevar los beneficios de la detección coherente a la medición basada en la luz. Durante la década de 1960, varios investigadores estaban demostrando los primeros sistemas LiDAR FMCW. Desde entonces, LIDAR se ha utilizado en docenas de aplicaciones, cada una con su lista única de desafíos que los desarrolladores tuvieron que superar. El auge de las telecomunicaciones ópticas dio otro impulso a LIDAR gracias a los avances en láseres avanzados y técnicas de modulación mejoradas, financiados por la enorme cantidad de dólares para investigación invertidos en las telecomunicaciones ópticas. Al igual que el radar, las primeras telecomunicaciones ópticas se basaban en técnicas de detección directa por impulsos. En 2008, la detección coherente empezó a tomar el relevo. Hoy en día, la industria tiene la suerte de contar con el beneficio de más de medio siglo de desarrollo en hardware y avances en el procesamiento de señales que se desarrollaron para comunicaciones ópticas y de radar y que pueden aprovechar para dar vida al “próximo” sistema LIDAR.
Detección de fotones
En su forma más básica, un sistema LIDAR emite fotones y calcula cuánto tiempo tardaron esos fotones en alcanzar un objetivo y regresar. Si bien hay muchos aspectos de un sistema LIDAR a considerar (qué longitud de onda usar, método de escaneo, cómo lidiar con la interferencia, etc.), la elección de cómo detectamos esos fotones que regresan impulsa casi todas las demás opciones del sistema. Básicamente, existen dos métodos de detección de fotones:
Detección directa: se dispara un pulso láser que inicia un cronómetro. El cronómetro se detiene cuando se recibe el eco del pulso láser. No consideramos la fase de los fotones, simplemente su existencia (amplitud) y el tiempo de retorno. Como la velocidad de la luz es conocida e invariante, calculamos la distancia al objetivo como Δt C 2 donde Δt es el tiempo entre el inicio de la transmisión de fotones y el borde anterior de la recepción de fotones (como se muestra en la Figura 1).
Detección coherente: un láser modulado está encendido durante un período de tiempo más largo y la señal de retorno se mezcla ópticamente con una muestra de la fotodetección transmitida (llamada oscilador local) antes de la detección del fotodiodo. Esta mezcla óptica da como resultado que la señal de recepción sea amplificada por el oscilador local. Al utilizar una muestra de la señal de transmisión, tenemos la seguridad de que la relación de fase entre los canales de transmisión y recepción se conserva (o es coherente). Al igual que con la detección directa, la distancia se calcula midiendo el tiempo entre la transmisión y la recepción del fotón. Pero en el caso de la detección coherente, la modulación se aplica a la señal transmitida de forma continua (o casi continua). Como el láser transmite continuamente, la temporización del eco se determina mediante una demodulación adecuada, que requiere más procesamiento de señal que la detección directa. Con la detección coherente, podemos medir directamente la velocidad de forma instantánea (no midiendo el movimiento del objetivo en múltiples fotogramas como se haría con la detección directa) detectando el cambio de frecuencia de la señal devuelta causada por Doppler.
Comenzaremos describiendo en detalle la detección directa ya que conceptualmente es más sencilla.
Detección directa
Los sistemas de detección directa emplean un láser pulsado para emitir breves ráfagas de luz (unos pocos nanosegundos). El sensor LIDAR mide el tiempo necesario para recibir el pulso de luz reflejada. Al analizar el tiempo que tarda la luz en viajar hasta el objetivo y regresar, calcula la distancia a los objetos del entorno.
La detección directa es adecuada si sólo se necesita un rendimiento modesto, como un alcance inferior a 50 metros. No hay necesidad de un láser monomodo sintonizable, ya que el requisito principal es simplemente una fuente de numerosos fotones en un corto período de tiempo. En consecuencia, el circuito del controlador del láser se simplifica ya que no es necesario modular el láser; en cambio, la tarea del modulador es inyectar rápidamente una cantidad significativa de corriente en el láser. Además, los requisitos de precisión para la óptica se reducen, ya que las preocupaciones sobre la distorsión del frente de onda son mínimas.
Matemáticamente, la potencia de retorno en un sistema basado en detección directa se puede expresar de la siguiente manera:
Como uno podría sospechar intuitivamente, vemos que la potencia de retorno cae como el cuadrado del rango. Asimismo, la potencia de retorno también disminuye linealmente a medida que crece el área iluminada. Por supuesto, el área iluminada crece cuadráticamente con el alcance a medida que se expande en dos dimensiones una vez que comienza la divergencia del rayo láser. Entonces, la potencia de retorno de la señal cae en 1 ⁄ Rango o 1 ⁄ Rango dependiendo de si el objetivo está antes o después del comienzo de la divergencia del haz. Debería resultar evidente que lograr un largo alcance requiere emitir muchos fotones.
Sin embargo, existen límites en la cantidad de potencia del láser que se puede utilizar. La luz intensa del infrarrojo cercano (800 a 1400 nm) puede dañar la visión. Como los humanos no podemos ver la luz en este rango, no parpadeamos ni desviamos los ojos ante la luz brillante del infrarrojo cercano. Pero nuestros ojos pueden enfocar esta luz en nuestra retina. Esto puede provocar daños en la retina. Las longitudes de onda de luz más largas, de 1400 a 3000 nm (o IR de onda corta), por ejemplo, son absorbidas por el área acuosa detrás de la córnea. Entonces, si bien es igualmente invisible para los humanos, podemos tolerar mucha más exposición al láser en esas longitudes de onda: aproximadamente cinco órdenes o magnitud más. La razón por la que es importante comprender esto con respecto al LIDAR de detección directa es que muchos sistemas LIDAR (particularmente LIDAR automotriz de bajo costo) utilizan 905 o 940 nm como longitud de onda operativa debido a la amplia disponibilidad de láseres de bajo costo basados en InGaAs y fotodiodos de silicio. Los láseres y fotodiodos de onda corta IR tienden a ser mucho más caros, lo que anula la principal ventaja de la detección directa: su simplicidad y bajo costo.
Existen otros medios para mejorar el alcance de detección directa mejorando la sensibilidad del receptor. Se pueden utilizar lentes receptoras de área más grande. El aumento del área de recolección de fotones ofrece una mejor sensibilidad del receptor sin ningún ruido electrónico adicional. Duplicar el diámetro de la lente ofrece 4 veces la sensibilidad de recepción a expensas de un sistema óptico más grande y complejo (recuerde que un aumento de 16 veces en la ganancia solo se traduce en una duplicación del alcance). Se puede utilizar un haz de transmisión de mayor apertura para mantener una colimación estrecha del láser en una distancia más larga (consulte la sección sobre el rango de Rayleigh a continuación), pero los haces de gran diámetro pueden no ser compatibles con muchos métodos de escaneo (pequeños espejos MEMS, por ejemplo). Los fotodiodos de avalancha (APD), fotodiodos con ganancia intrínseca, se pueden utilizar para aumentar la sensibilidad de recepción. Como cuestión práctica, pueden ofrecer ganancias de aproximadamente 5x a 15x antes de que el ruido autogenerado se convierta en un problema. Los fotodiodos de avalancha tienden a ser caros y frágiles. También son generalmente dispositivos de área muy pequeña, lo que complica aún más el diseño óptico. Finalmente, están disponibles los fotodetectores de avalancha en modo Geiger (GMAPD) o los detectores de avalancha de fotón único (SPAD). Ofrecen una sensibilidad extrema: se necesita tan solo un fotón para la detección. Sin embargo, una vez que se han activado, requieren un tiempo finito (~5 a 10ηs) para recuperarse antes de poder activarse nuevamente. Si bien estos pueden constituir un sistema LIDAR de largo alcance muy simplificado, su principio de funcionamiento es tal que son susceptibles a interferencias (sistemas LIDAR solares y adyacentes) y funcionan mal en ambientes nevados, polvorientos o con niebla (un fotón reflejado por un copo de nieve). cegará al GMAPD ante cualquier cosa que se encuentre entre 1.5 y 3 m detrás del copo de nieve). Como veremos más adelante, algunas aplicaciones no están sujetas a interferencias del Sol, de sistemas LIDAR adyacentes ni a entornos climáticos desfavorables. En esas aplicaciones, los sistemas de detección directa basados en GMAPD funcionan muy bien.
En cuanto a la interferencia, también es importante tener en cuenta que los sistemas de detección directa utilizados en aplicaciones donde existen otros sistemas LIDAR (como automóviles o vehículos terrestres autónomos) deben diseñar algún medio de mitigación de la interferencia. Para el receptor de un sistema LIDAR de detección directa, cada pulso de luz de una longitud de onda similar parece su propio pulso. Este no es un problema exclusivo de LIDAR. En los primeros tiempos del radar para automóviles, se utilizaban sistemas pulsados. Una vez que muchos automóviles estuvieron equipados con radar, la interferencia mutua se convirtió en un problema. En respuesta, la industria de los radares automotrices adoptó técnicas de detección coherentes (principalmente FMCW), resolviendo en gran medida los problemas de interferencia mutua. En general, se debe utilizar algún tipo de codificación de pulsos para distinguir “sus” pulsos láser de otros sistemas. El costo de esto es un alcance reducido (si la potencia promedio del láser es limitada debido a problemas térmicos o de seguridad ocular) o una cantidad reducida de puntos por segundo que la unidad LIDAR es capaz de medir. La codificación de pulsos es difícil de realizar cuando se utilizan GMAPD, ya que el tiempo entre pulsos debe ser lo suficientemente largo para garantizar que el GMAPD se haya recuperado del último pulso.
Finalmente, cabe señalar que el LIDAR de detección directa no mide la velocidad (que puede ser una valiosa información para la percepción posterior) directamente. La velocidad se puede inferir midiendo el movimiento del objetivo en múltiples fotogramas; sin embargo, esta tiende a ser una técnica de medición de baja precisión ya que depende de mediciones repetibles de la posición del objetivo en cada cuadro. Por ejemplo, si un objetivo se mueve a 15 m/s (aproximadamente 33 mph) y la velocidad de fotogramas es de 20 Hz, el objetivo se habría movido 75 cm en un fotograma. Si la precisión de la medición es de ±10 cm (aproximadamente lo mejor que se esperaría de un sistema LIDAR automotriz de detección directa), entonces el error de medición de la velocidad podría ser tan alto como ± 10 cm/75 cm = ±13 %. Por supuesto, esto podría mejorarse midiendo varios fotogramas consecutivos. Pero esto llevaría tiempo ya que la precisión de la medición solo mejora con la raíz cuadrada del número de mediciones tomadas (por ejemplo, 9 mediciones promediadas mejoran la precisión en un factor de 3 mientras aumentan la latencia en un factor de 9, hasta 450 ms en el cuadro). frecuencia de 20 Hz).
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