LIDAR sans souci remodèle l’avenir de la sécurité automobile et de la navigation autonome. Dans ce livre blanc complet, Harvey Weinberg de MicroTech Ventures et Pier-Olivier Hamel d'Indie Semi-conducteurs disséquer les nuances entre les méthodes de détection directes et cohérentes dans les systèmes LIDAR, fournissant un guide essentiel pour les professionnels de l'industrie cherchant à naviguer dans ce paysage complexe.
Introduction
Alors que le LIDAR est devenu un sujet brûlant dans le monde des capteurs, principalement grâce aux efforts déployés dans le secteur de l'ADAS et de la conduite autonome, un débat a émergé quant à savoir s'il s'agirait d'une détection directe (ou temps de vol) ou cohérente (onde continue modulée en fréquence, par exemple), la détection des photons est la meilleure. En vérité, le « meilleur » dépend beaucoup de l’application. Le LIDAR est utilisé dans une grande variété d'applications allant de la gestion du trafic à l'assistance à la conduite et à la conduite autonome, en passant par la cartographie du sol et les applications météorologiques. Il n’est pas surprenant que l’importance des différentes mesures de performances du LIDAR (portée maximale, précision, immunité aux interférences, coût, etc.) varie d’une application à l’autre. Même au sein d’une même application, certains choix système peuvent fausser l’importance d’un paramètre ou d’un autre. Cet article vise à discuter des différentes caractéristiques de la détection directe et cohérente afin d'éduquer les personnes intéressées par le LIDAR et de leur permettre de faire des choix de système éclairés.
Contexte historique
Le LIDAR a été conceptualisé pour la première fois dans les années 1930, à peu près au même moment où le radar était développé. Cependant, ce n'est qu'au début des années 1960, lorsque les premiers lasers ont été développés, que le LIDAR est devenu une réalité. Le radar à ondes continues à modulation de fréquence cohérente (FMCW) a été développé au milieu des années 1930 et peu de temps après, les chercheurs se sont mis au travail pour apporter les avantages de la détection cohérente à la télémétrie basée sur la lumière. Au cours des années 1960, plusieurs chercheurs ont fait la démonstration des premiers systèmes FMCW LiDAR. Depuis lors, le LIDAR a été utilisé dans des dizaines d’applications, chacune avec sa liste unique de défis que les développeurs ont dû surmonter. L’essor des télécommunications optiques a donné un nouvel élan au LIDAR grâce au développement de lasers avancés et à l’amélioration des techniques de modulation financées par l’énorme quantité de dollars de recherche investis dans les télécommunications optiques. Tout comme pour les radars, les premières télécommunications optiques reposaient sur des techniques de détection directe et pulsée. En 2008, la détection cohérente a commencé à prendre le relais. Aujourd’hui, l’industrie a la chance de bénéficier de plus d’un demi-siècle de développement en matière de matériel et de traitement du signal, développés pour les communications radar et optiques, sur lesquelles s’appuyer pour donner vie au « prochain » système LIDAR.
Détection de photons
À la base, un système LIDAR émet des photons et calcule le temps qu’il a fallu à ces photons pour atteindre une cible et revenir. Bien qu'il y ait de nombreux aspects à prendre en compte dans un système LIDAR (quelle longueur d'onde utiliser, méthode de balayage, comment gérer les interférences, etc.), le choix de la manière dont nous détectons les photons renvoyés détermine presque tous les autres choix de système. Il existe essentiellement deux méthodes de détection de photons :
Détection directe : une impulsion laser est déclenchée et déclenche une minuterie. Le temporisateur s'arrête lorsque l'écho de l'impulsion laser est reçu. Nous ne considérons pas la phase des photons, simplement leur existence (amplitude) et leur timing de retour. Comme la vitesse de la lumière est connue et invariante, nous calculons la distance à la cible comme Δt C 2 où Δt est le temps entre le début de la transmission des photons et le front d'attaque de la réception des photons (comme le montre la figure 1).
Détection cohérente : un laser modulé est allumé pendant une période plus longue et le signal de retour est mélangé optiquement avec un échantillon de la photodétection transmise (appelé oscillateur local) avant la détection de la photodiode. Ce mélange optique a pour résultat que le signal de réception est amplifié par l'oscillateur local. En utilisant un échantillon du signal d'émission, nous sommes assurés que la relation de phase entre les canaux d'émission et de réception est préservée (ou cohérente). Comme pour la détection directe, la distance est calculée en mesurant le temps entre l’émission et la réception des photons. Mais dans le cas d'une détection cohérente, la modulation est appliquée au signal transmis en continu (ou quasi-continu). Comme le laser transmet en continu, la synchronisation de l'écho est déterminée par une démodulation appropriée, ce qui nécessite plus de traitement du signal qu'une détection directe. Avec la détection cohérente, nous pouvons mesurer directement et instantanément la vitesse (et non en mesurant le mouvement de la cible sur plusieurs images comme on le ferait avec une détection directe) en détectant le décalage de fréquence du signal renvoyé provoqué par le Doppler.
Nous commencerons par décrire en détail la détection directe car elle est conceptuellement plus simple.
Détection directe
Les systèmes de détection directe utilisent un laser pulsé pour émettre de courts éclats de lumière (quelques nanosecondes). Le capteur LIDAR mesure le temps nécessaire pour recevoir l'impulsion lumineuse réfléchie. En analysant le temps nécessaire à la lumière pour se rendre à la cible et revenir, il calcule la distance par rapport aux objets de l'environnement.
La détection directe convient si seules des performances modestes sont nécessaires, comme une portée inférieure à 50 mètres. Il n’est pas nécessaire d’avoir un laser monomode accordable puisque la principale exigence est simplement une source de nombreux photons dans un court laps de temps. Par conséquent, le circuit pilote du laser est simplifié car il n'est pas nécessaire de moduler le laser ; au lieu de cela, la tâche du modulateur consiste à injecter rapidement une quantité importante de courant dans le laser. De plus, les exigences de précision en matière d'optique sont réduites, car les problèmes de distorsion du front d'onde sont minimes.
Mathématiquement, la puissance de retour dans un système basé sur la détection directe peut être exprimée comme suit :
Comme on pourrait le soupçonner intuitivement, nous constatons que la puissance de retour diminue comme le carré de la plage. De même, la puissance de retour diminue également linéairement à mesure que la zone éclairée augmente. Bien entendu, la zone éclairée augmente quadratiquement avec la distance, car elle s'étend dans deux dimensions une fois que la divergence du faisceau laser commence. Ainsi, la puissance de retour du signal chute à 1 ⁄Plage ou 1 ⁄Plage selon que la cible se trouve avant ou après le début de la divergence du faisceau. Il devrait être évident que pour atteindre une longue portée, il faut émettre beaucoup de photons.
Cependant, il existe des limites à la quantité de puissance laser pouvant être utilisée. Une lumière intense proche IR (800 à 1400 1400 nm) peut endommager la vision. Comme les humains ne peuvent pas voir la lumière dans cette plage, nous ne clignons pas des yeux et ne détournons pas nos yeux face à la lumière vive du proche infrarouge. Mais nos yeux peuvent concentrer cette lumière sur notre rétine. Cela peut entraîner des lésions rétiniennes. Des longueurs d'onde de lumière plus longues, de 3000 905 à 940 XNUMX nm (ou IR à ondes courtes) par exemple, sont absorbées par la zone aqueuse située derrière la cornée. Ainsi, même s’il est tout aussi invisible pour les humains, nous pouvons tolérer une exposition laser beaucoup plus importante à ces longueurs d’onde – environ cinq ordres ou magnitudes de plus. La raison pour laquelle il est important de comprendre en ce qui concerne le LIDAR à détection directe est que de nombreux systèmes LIDAR (en particulier le LIDAR automobile à faible coût) utilisent XNUMX ou XNUMX nm comme longueur d'onde de fonctionnement en raison de la grande disponibilité de lasers à base d'InGaAs et de photodiodes au silicium à faible coût. Les lasers et photodiodes infrarouges à ondes courtes ont tendance à être beaucoup plus chers, ce qui annule le principal avantage de la détection directe : sa simplicité et son faible coût.
Il existe d'autres moyens d'améliorer la portée de détection directe en améliorant la sensibilité du récepteur. Des lentilles de réception de plus grande surface peuvent être utilisées. L'augmentation de la zone de collecte de photons offre une sensibilité améliorée du récepteur sans aucun bruit électronique supplémentaire. Le doublement du diamètre de la lentille offre une sensibilité de réception 4x supérieure au détriment d'un système optique plus grand et plus complexe (rappelons qu'une augmentation du gain 16x ne se traduit que par un doublement de la portée). Un faisceau de transmission à plus grande ouverture peut être utilisé pour maintenir une collimation étroite du laser sur une plus longue distance (voir la section sur la gamme Rayleigh ci-dessous), mais les faisceaux de grand diamètre peuvent ne pas être compatibles avec de nombreuses méthodes de balayage (petits miroirs MEMS, par exemple). Les photodiodes à avalanche (APD) – photodiodes à gain intrinsèque – peuvent être utilisées pour augmenter la sensibilité de réception. En pratique, ils peuvent offrir des gains d’environ 5 à 15 fois avant que le bruit auto-généré ne devienne un problème. Les photodiodes à avalanche ont tendance à être coûteuses et fragiles. Il s’agit également généralement de dispositifs à très petite surface, ce qui complique encore davantage la conception optique. Enfin, des photo-détecteurs d'avalanche en mode Geiger (GMAPD) ou des détecteurs d'avalanche à photon unique (SPAD) sont disponibles. Ils offrent une sensibilité extrême : il suffit d’un seul photon pour la détection. Cependant, une fois déclenchés, ils nécessitent un temps fini (~5 à 10ηs) pour récupérer avant de pouvoir se déclencher à nouveau. Bien que ceux-ci puissent constituer un système LIDAR longue portée très simplifié, leur principe de fonctionnement est tel qu'ils sont sensibles aux interférences (systèmes solaires et LIDAR adjacents) et fonctionnent mal dans des environnements enneigés, poussiéreux ou brumeux (un photon réfléchi par un flocon de neige). aveuglera le GMAPD à tout ce qui se trouve entre 1.5 et 3 m derrière le flocon de neige). Comme nous le verrons plus tard, certaines applications ne sont pas soumises aux interférences du Soleil, des systèmes LIDAR adjacents ou ne sont pas préoccupées par les mauvais environnements météorologiques. Dans ces applications, les systèmes de détection directe basés sur GMAPD fonctionnent très bien.
Concernant les interférences, il est également important de noter que les systèmes de détection directe utilisés dans les applications où il existe d'autres systèmes LIDAR (comme les automobiles ou les véhicules terrestres autonomes) doivent concevoir des moyens d'atténuation des interférences. Pour le récepteur d’un système LIDAR à détection directe, chaque impulsion lumineuse à une longueur d’onde similaire ressemble à sa propre impulsion. Ce n'est pas un problème exclusif au LIDAR. Au début du radar automobile, des systèmes pulsés étaient utilisés. Une fois que de nombreuses voitures furent équipées de radars, les interférences mutuelles devinrent un problème. En réponse, l’industrie des radars automobiles a opté pour des techniques de détection cohérentes – principalement FMCW – résolvant en grande partie les problèmes d’interférence mutuelle. En général, une sorte de codage d’impulsions doit être utilisée pour distinguer « vos » impulsions laser des autres systèmes. Le coût est soit une portée réduite (si la puissance laser moyenne est limitée en raison de problèmes thermiques ou de sécurité oculaire), soit un nombre réduit de points/seconde que l'unité LIDAR est capable de mesurer. Le codage d'impulsions est difficile à réaliser lors de l'utilisation de GMAPD, car le temps entre les impulsions doit être suffisamment long pour garantir que le GMAPD a récupéré de la dernière impulsion.
Enfin, il convient de noter que le LIDAR à détection directe ne mesure pas directement la vitesse (qui peut constituer un apport précieux pour la perception en aval). La vitesse peut être déduite en mesurant le mouvement de la cible sur plusieurs images ; cependant, il s'agit généralement d'une technique de mesure de faible précision car elle dépend de mesures répétables de la position cible dans chaque image. Par exemple, si une cible se déplace à 15 m/s (environ 33 mph) et que la fréquence d'images est de 20 Hz, la cible aurait bougé de 75 cm en une seule image. Si la précision de la mesure est de ± 10 cm (à peu près la meilleure que l'on puisse attendre d'un système LIDAR automobile à détection directe), alors l'erreur de mesure de la vitesse pourrait atteindre ± 10 cm/75 cm = ± 13 %. Bien entendu, cela pourrait être amélioré en mesurant plusieurs images consécutives. Mais cela prendrait du temps car la précision des mesures ne s'améliore qu'avec la racine carrée du nombre de mesures prises (par exemple, 9 mesures moyennes améliorent la précision d'un facteur 3 tout en augmentant la latence d'un facteur 9, jusqu'à 450 ms à la trame). taux de 20 Hz).
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