LIDAR teknologi sedang membentuk kembali masa depan keselamatan otomotif dan navigasi otonom. Dalam whitepaper komprehensif ini, Harvey Weinberg dari MicroTech Ventures dan Pier-Olivier Hamel dari indie Semikonduktor membedah perbedaan antara metode deteksi langsung dan koheren dalam sistem LIDAR, memberikan panduan penting bagi para profesional industri yang ingin menavigasi lanskap kompleks ini.
Pengantar
Karena LIDAR telah menjadi topik hangat di dunia sensor, sebagian besar berkat upaya di ADAS dan sektor penggerak otonom, muncul perdebatan mengenai apakah deteksi langsung (atau waktu penerbangan) atau koheren (Frequency Modulated Continuous Wave, misalnya) deteksi foton adalah yang terbaik. Sebenarnya, “terbaik” sangat bergantung pada aplikasinya. LIDAR digunakan dalam berbagai macam aplikasi mulai dari manajemen lalu lintas, bantuan pengemudi dan mengemudi otonom, pemetaan tanah, hingga aplikasi meteorologi. Tidak mengherankan jika pentingnya metrik kinerja LIDAR yang berbeda – jangkauan maksimum, akurasi, kekebalan interferensi, biaya, dll. – bervariasi dari satu aplikasi ke aplikasi lainnya. Bahkan dalam aplikasi yang sama, pilihan sistem tertentu mungkin menyimpang dari pentingnya satu parameter atau lainnya. Makalah ini bertujuan untuk membahas perbedaan karakteristik deteksi langsung dan koheren untuk mendidik mereka yang tertarik dengan LIDAR dan memungkinkan mereka membuat pilihan sistem yang terinformasi.
Latar belakang sejarah
LIDAR pertama kali dikonsep pada tahun 1930an – sekitar waktu yang sama ketika radar dikembangkan. Namun, baru pada awal tahun 1960-an, ketika laser pertama dikembangkan, LIDAR baru menjadi kenyataan. Radar Gelombang Kontinu Modulasi Frekuensi Koheren (FMCW) telah dikembangkan pada pertengahan tahun 1930-an dan tak lama kemudian para peneliti mulai bekerja untuk memberikan manfaat deteksi koheren pada jangkauan berbasis cahaya. Selama tahun 1960an, banyak peneliti mendemonstrasikan sistem LiDAR FMCW awal. Sejak itu, LIDAR telah digunakan dalam lusinan aplikasi, masing-masing aplikasi memiliki daftar tantangan unik yang harus diatasi oleh pengembang. Munculnya telekomunikasi optik memberikan dorongan lain bagi LIDAR dari pengembangan laser canggih dan peningkatan teknik modulasi yang didanai oleh sejumlah besar dana penelitian yang dikucurkan ke dalam telekomunikasi optik. Sama seperti radar, telekomunikasi optik awal mengandalkan teknik deteksi langsung dan berdenyut. Pada tahun 2008, deteksi koheren mulai mengambil alih. Saat ini industri ini beruntung mendapatkan manfaat dari pengembangan perangkat keras dan kemajuan pemrosesan sinyal selama lebih dari setengah abad yang dikembangkan untuk komunikasi radar dan optik guna mewujudkan sistem LIDAR “berikutnya”.
Deteksi Foton
Pada dasarnya, sistem LIDAR memancarkan foton dan menghitung berapa lama waktu yang dibutuhkan foton tersebut untuk mencapai target dan kembali. Meskipun ada banyak aspek sistem LIDAR yang perlu dipertimbangkan (panjang gelombang yang digunakan, metode pemindaian, cara menangani interferensi, dll.), pilihan cara kita mendeteksi foton yang kembali mendorong hampir semua pilihan sistem lainnya. Pada dasarnya ada dua metode deteksi foton:
Deteksi langsung: Pulsa laser ditembakkan yang memulai pengatur waktu. Pengatur waktu dihentikan ketika gema pulsa laser diterima. Kami tidak mempertimbangkan fase foton, hanya keberadaannya (amplitudo) dan waktu kembalinya. Karena kecepatan cahaya diketahui dan tidak berubah, kami menghitung jarak ke target sebagai Δt C 2 di mana Δt adalah waktu antara awal transmisi foton dan ujung depan penerimaan foton (seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1).
Deteksi koheren: Laser termodulasi menyala untuk jangka waktu yang lebih lama dan sinyal balik dicampur secara optik dengan sampel fotodeteksi yang ditransmisikan (disebut osilator lokal) sebelum deteksi fotodioda. Pencampuran optik ini menghasilkan sinyal penerima yang diperkuat oleh osilator lokal. Dengan menggunakan sampel sinyal pemancar, kita yakin bahwa hubungan fase antara saluran pengirim dan penerima dipertahankan (atau koheren). Seperti halnya deteksi langsung, jarak dihitung dengan mengukur waktu antara transmisi dan penerimaan foton. Namun dalam kasus deteksi koheren, modulasi diterapkan pada sinyal yang ditransmisikan secara kontinyu (atau kuasi-kontinyu). Karena laser memancarkan secara terus-menerus, waktu gema ditentukan oleh demodulasi yang tepat, yang memerlukan lebih banyak pemrosesan sinyal daripada deteksi langsung. Dengan deteksi koheren, kita dapat mengukur kecepatan secara langsung (bukan dengan mengukur pergerakan target pada beberapa frame seperti yang dilakukan dengan deteksi langsung) dengan mendeteksi pergeseran frekuensi dari sinyal yang dikembalikan yang disebabkan oleh Doppler.
Kami akan mulai dengan menjelaskan deteksi langsung secara detail karena secara konseptual lebih sederhana.
Deteksi Langsung
Sistem deteksi langsung menggunakan laser berdenyut untuk memancarkan semburan cahaya pendek (beberapa nanodetik). Sensor LIDAR mengukur waktu yang dibutuhkan untuk menerima pulsa cahaya yang dipantulkan. Dengan menganalisis waktu yang dibutuhkan cahaya untuk mencapai target dan kembali, ia menghitung jarak ke objek di lingkungan.
Deteksi langsung cocok jika hanya memerlukan kinerja sederhana, seperti jangkauan di bawah 50 meter. Laser mode tunggal yang dapat disetel tidak diperlukan karena persyaratan utamanya hanyalah sumber banyak foton dalam jangka waktu singkat. Akibatnya, rangkaian driver laser disederhanakan karena tidak perlu memodulasi laser; sebaliknya, tugas modulator adalah dengan cepat menyuntikkan sejumlah besar arus ke dalam laser. Selain itu, persyaratan presisi untuk optik berkurang, karena kekhawatiran terhadap distorsi muka gelombang menjadi minimal.
Secara matematis, daya balik pada sistem berbasis deteksi langsung dapat dinyatakan sebagai berikut:
Seperti yang diduga secara intuitif, kita melihat bahwa daya baliknya turun seiring dengan kuadrat jangkauannya. Demikian pula, daya balik juga berkurang secara linear seiring bertambahnya area yang diterangi. Tentu saja, area yang diterangi bertambah secara kuadratik seiring dengan perluasannya dalam dua dimensi begitu divergensi sinar laser dimulai. Jadi, daya balik sinyal turun sebesar 1 ⁄Range atau 1 ⁄Range tergantung pada apakah target berada sebelum atau sesudah dimulainya divergensi berkas. Jelas terlihat bahwa untuk mencapai jarak jauh memerlukan emisi foton yang banyak.
Namun, ada batasan jumlah daya laser yang dapat digunakan. Cahaya inframerah dekat yang intens (800 hingga 1400nm) dapat merusak penglihatan. Karena manusia tidak dapat melihat cahaya dalam rentang ini, kita tidak mengedipkan mata atau mengalihkan pandangan ke cahaya terang dekat IR. Tapi mata kita bisa memfokuskan cahaya ini ke retina kita. Hal ini dapat mengakibatkan kerusakan retina. Panjang gelombang cahaya yang lebih panjang, 1400 hingga 3000nm (atau gelombang pendek-IR) misalnya, diserap oleh area berair di belakang kornea. Jadi meskipun laser juga tidak terlihat oleh manusia, kita dapat menoleransi lebih banyak paparan laser pada panjang gelombang tersebut – kira-kira lima kali lipat atau lebih besarnya. Alasan mengapa hal ini penting untuk dipahami sehubungan dengan deteksi langsung LIDAR adalah karena banyak sistem LIDAR (khususnya LIDAR otomotif berbiaya rendah) menggunakan 905 atau 940nm sebagai panjang gelombang operasinya karena ketersediaan luas laser berbasis InGaAs dan fotodioda Silikon berbiaya rendah. Laser dan fotodioda pada IR gelombang pendek cenderung jauh lebih mahal, sehingga menghilangkan keuntungan utama deteksi langsung – kesederhanaan dan biaya rendah.
Ada cara lain untuk meningkatkan jangkauan deteksi langsung dengan meningkatkan sensitivitas penerima. Lensa penerima area yang lebih besar dapat digunakan. Meningkatkan area pengumpulan foton menawarkan peningkatan sensitivitas penerima tanpa gangguan elektronik tambahan. Menggandakan diameter lensa menawarkan sensitivitas penerimaan 4x dengan mengorbankan sistem optik yang lebih besar dan lebih kompleks (ingat bahwa peningkatan penguatan 16x hanya berarti penggandaan jangkauan). Sinar transmisi aperture yang lebih besar dapat digunakan untuk mempertahankan kolimasi laser yang ketat pada jarak yang lebih jauh (lihat bagian rentang Rayleigh di bawah), namun sinar berdiameter besar mungkin tidak kompatibel dengan banyak metode pemindaian (cermin MEMS kecil, misalnya). Fotodioda longsoran (APD) – fotodioda dengan penguatan intrinsik – dapat digunakan untuk meningkatkan sensitivitas penerimaan. Praktisnya, mereka dapat memberikan keuntungan sekitar 5x hingga 15x sebelum kebisingan yang dihasilkan sendiri menjadi masalah. Fotodioda longsoran cenderung mahal dan rapuh. Mereka juga umumnya merupakan perangkat dengan area yang sangat kecil, yang semakin memperumit desain optik. Terakhir, Geiger Mode Avalanche Photo-Detectors (GMAPDs) atau Single Photon Avalanche Detectors (SPADs) juga tersedia. Mereka menawarkan sensitivitas ekstrim – hanya dibutuhkan satu foton untuk mendeteksinya. Namun, setelah terpicu, diperlukan waktu terbatas (~5 hingga 10ηs), untuk pulih sebelum dapat terpicu lagi. Meskipun hal ini dapat membuat sistem LIDAR jarak jauh menjadi lebih sederhana, prinsip operasinya sedemikian rupa sehingga rentan terhadap interferensi (sistem LIDAR Matahari dan sekitarnya) dan bekerja dengan buruk di lingkungan bersalju, berdebu, atau berkabut (foton yang dipantulkan dari kepingan salju akan membutakan GMAPD pada jarak 1.5 hingga 3m di belakang kepingan salju). Seperti yang akan kita bahas nanti, beberapa aplikasi tidak terkena gangguan dari Matahari, sistem LIDAR yang berdekatan, atau mengkhawatirkan lingkungan cuaca buruk. Dalam aplikasi tersebut, sistem deteksi langsung berbasis GMAPD bekerja dengan sangat baik.
Mengenai interferensi, penting juga untuk dicatat bahwa sistem deteksi langsung yang digunakan dalam aplikasi di mana terdapat sistem LIDAR lain (seperti otomotif atau kendaraan darat otonom) harus merancang beberapa cara mitigasi interferensi. Bagi penerima sistem LIDAR deteksi langsung, setiap pulsa cahaya pada panjang gelombang yang sama tampak seperti pulsanya sendiri. Ini bukan masalah eksklusif LIDAR. Pada masa awal radar otomotif, sistem pulsa digunakan. Ketika banyak mobil dilengkapi dengan radar, saling campur tangan menjadi masalah. Sebagai tanggapannya, industri radar otomotif beralih ke teknik deteksi yang koheren – sebagian besar FMCW – yang sebagian besar memecahkan masalah interferensi timbal balik. Secara umum, beberapa jenis pengkodean pulsa harus digunakan untuk membedakan pulsa laser “Anda” dari sistem lain. Kerugian dari hal ini adalah berkurangnya jangkauan (jika daya laser rata-rata terbatas karena masalah termal atau keselamatan mata) atau berkurangnya jumlah titik/detik yang mampu diukur oleh unit LIDAR. Pengkodean pulsa sulit dilakukan ketika menggunakan GMAPD karena waktu antar pulsa harus cukup lama untuk memastikan GMAPD telah pulih dari pulsa terakhir.
Terakhir, perlu diperhatikan bahwa deteksi langsung LIDAR tidak mengukur kecepatan (yang dapat menjadi masukan berharga bagi persepsi hilir) secara langsung. Kecepatan dapat disimpulkan dengan mengukur pergerakan target di beberapa frame; namun, ini cenderung merupakan teknik pengukuran dengan akurasi rendah karena bergantung pada pengukuran posisi target yang berulang di setiap frame. Misalnya, jika target bergerak dengan kecepatan 15m/s (sekitar 33mph) dan frame rate 20Hz, target akan bergerak 75cm dalam satu frame. Jika akurasi pengukuran ±10cm (yang merupakan hasil terbaik yang diharapkan dari sistem LIDAR otomotif deteksi langsung), maka kesalahan pengukuran kecepatan bisa mencapai ±10cm/75cm = ±13%. Tentu saja, hal ini dapat ditingkatkan dengan mengukur beberapa frame secara berurutan. Namun hal ini memerlukan waktu karena akurasi pengukuran hanya meningkat jika jumlah pengukuran yang dilakukan dikalikan dengan akar kuadrat (misalnya, 9 pengukuran rata-rata meningkatkan akurasi sebanyak 3 kali lipat dan meningkatkan latensi sebanyak 9 kali, hingga 450 ms pada frame kecepatan 20Hz).
Untuk melanjutkan membaca whitepaper lengkap secara gratis, klik DI SINI.