LIDAR la tecnologia sta rimodellando il futuro della sicurezza automobilistica e della navigazione autonoma. In questo whitepaper esaustivo, Harvey Weinberg di MicroTech Ventures e Pier-Olivier Hamel di indie Semiconduttore analizzare le sfumature tra metodi di rilevamento diretti e coerenti nei sistemi LIDAR, fornendo una guida essenziale per i professionisti del settore che cercano di orientarsi in questo panorama complesso.
Introduzione
Poiché il LIDAR è diventato un tema caldo nel mondo dei sensori, soprattutto grazie agli sforzi nel settore ADAS e della guida autonoma, è emerso un dibattito se il rilevamento diretto (o tempo di volo) o coerente (onda continua modulata in frequenza, per esempio) il rilevamento dei fotoni è la soluzione migliore. In verità, il “migliore” dipende molto dall’applicazione. LIDAR viene utilizzato in un'ampia varietà di applicazioni dalla gestione del traffico, all'assistenza alla guida e alla guida autonoma, alla mappatura del terreno, alle applicazioni meteorologiche. Non dovrebbe sorprendere che l’importanza dei diversi parametri prestazionali LIDAR – portata massima, precisione, immunità alle interferenze, costo, ecc. – vari da applicazione ad applicazione. Anche all'interno della stessa applicazione, alcune scelte di sistema possono distorcere l'importanza di un parametro o di un altro. Questo articolo mira a discutere le diverse caratteristiche del rilevamento diretto e coerente al fine di educare coloro che sono interessati a LIDAR e consentire loro di fare scelte informate sul sistema.
Sfondo storico
Il LIDAR è stato concepito per la prima volta negli anni '1930, più o meno nello stesso periodo in cui è stato sviluppato il radar. Tuttavia, fu solo all'inizio degli anni '1960, quando furono sviluppati i primi laser, che il LIDAR divenne realtà. Il radar FMCW (Coherent Frequency Modulated Continuous Wave) era stato sviluppato a metà degli anni '1930 e poco dopo i ricercatori si misero al lavoro per portare i vantaggi del rilevamento coerente alla distanza basata sulla luce. Durante gli anni '1960, diversi ricercatori stavano dimostrando i primi sistemi LiDAR FMCW. Da allora, LIDAR ha trovato utilizzo in dozzine di applicazioni, ognuna con il suo elenco unico di sfide che gli sviluppatori hanno dovuto superare. L’ascesa delle telecomunicazioni ottiche ha dato un ulteriore impulso al LIDAR grazie agli sviluppi dei laser avanzati e al miglioramento delle tecniche di modulazione finanziate dall’enorme quantità di dollari di ricerca investiti nelle telecomunicazioni ottiche. Proprio come con il radar, le prime telecomunicazioni ottiche si basavano su tecniche di rilevamento diretto e pulsato. Nel 2008, il rilevamento coerente ha iniziato a prendere il sopravvento. Oggi l’industria ha la fortuna di beneficiare di oltre mezzo secolo di sviluppo nell’hardware e nei progressi nell’elaborazione dei segnali sviluppati per le comunicazioni radar e ottiche a cui attingere per dare vita al “prossimo” sistema LIDAR.
Rilevamento di fotoni
Nella sua forma più elementare, un sistema LIDAR emette fotoni e calcola il tempo impiegato da tali fotoni per raggiungere un bersaglio e tornare. Sebbene ci siano molti aspetti di un sistema LIDAR da considerare (quale lunghezza d'onda utilizzare, metodo di scansione, come gestire le interferenze, ecc.), la scelta di come rilevare i fotoni di ritorno guida quasi ogni altra scelta del sistema. Esistono essenzialmente due metodi di rilevamento dei fotoni:
Rilevamento diretto: viene emesso un impulso laser che avvia un timer. Il timer si ferma quando viene ricevuto l'eco dell'impulso laser. Non consideriamo la fase dei fotoni, semplicemente la loro esistenza (ampiezza) e i tempi di ritorno. Poiché la velocità della luce è nota e invariante, calcoliamo la distanza dal bersaglio come Δt C 2 dove Δt è il tempo tra l'inizio della trasmissione dei fotoni e il bordo anteriore della ricezione dei fotoni (come mostrato nella Figura 1).
Rilevamento coerente: un laser modulato rimane acceso per un periodo di tempo più lungo e il segnale di ritorno viene miscelato otticamente con un campione del fotorilevamento trasmesso (chiamato oscillatore locale) prima del rilevamento del fotodiodo. Questa miscelazione ottica fa sì che il segnale di ricezione venga amplificato dall'oscillatore locale. Utilizzando un campione del segnale di trasmissione abbiamo la certezza che la relazione di fase tra i canali di trasmissione e di ricezione è preservata (o coerente). Come nel caso del rilevamento diretto, la distanza viene calcolata misurando il tempo tra la trasmissione e la ricezione dei fotoni. Ma nel caso del rilevamento coerente, la modulazione viene applicata al segnale trasmesso in modo continuo (o quasi continuo). Poiché il laser trasmette in modo continuo, la temporizzazione dell'eco è determinata da un'appropriata demodulazione, che richiede una maggiore elaborazione del segnale rispetto al rilevamento diretto. Con il rilevamento coerente, possiamo misurare direttamente la velocità istantaneamente (non misurando il movimento del bersaglio su più fotogrammi come si farebbe con il rilevamento diretto) rilevando lo spostamento di frequenza del segnale di ritorno causato dal Doppler.
Inizieremo descrivendo in dettaglio la rilevazione diretta poiché è concettualmente più semplice.
Rilevazione diretta
I sistemi di rilevamento diretto utilizzano un laser pulsato per emettere brevi lampi di luce (pochi nanosecondi). Il sensore LIDAR misura il tempo necessario per ricevere l'impulso luminoso riflesso. Analizzando il tempo impiegato dalla luce per raggiungere il bersaglio e tornare indietro, calcola la distanza dagli oggetti nell'ambiente.
Il rilevamento diretto è adatto se sono necessarie solo prestazioni modeste, ad esempio una portata inferiore a 50 metri. Non è necessario un laser monomodale sintonizzabile poiché il requisito principale è semplicemente una fonte di numerosi fotoni in un breve lasso di tempo. Di conseguenza, il circuito di pilotaggio del laser risulta semplificato in quanto non vi è necessità di modulare il laser; il compito del modulatore è invece quello di iniettare rapidamente una quantità significativa di corrente nel laser. Inoltre, i requisiti di precisione per l'ottica sono ridotti, poiché le preoccupazioni relative alla distorsione del fronte d'onda sono minime.
Matematicamente, la potenza di ritorno in un sistema basato sul rilevamento diretto può essere espressa come segue:
Come si potrebbe intuitivamente sospettare, vediamo che la potenza di ritorno diminuisce con il quadrato dell'intervallo. Allo stesso modo, anche la potenza di ritorno diminuisce linearmente man mano che l’area illuminata cresce. Naturalmente, l'area illuminata cresce quadraticamente con la portata mentre si espande in due dimensioni una volta che inizia la divergenza del raggio laser. Pertanto, la potenza di ritorno del segnale diminuisce di 1 ⁄Range o 1⁄Range a seconda che il target si trovi prima o dopo l'inizio della divergenza del raggio. Dovrebbe essere evidente che per raggiungere un lungo raggio è necessario emettere molti fotoni.
Tuttavia, esistono limiti alla quantità di potenza laser che può essere utilizzata. L'intensa luce nel vicino infrarosso (da 800 a 1400 nm) può danneggiare la vista. Poiché gli esseri umani non possono vedere la luce in questo intervallo, non sbattiamo le palpebre né distogliamo lo sguardo dalla luce intensa del vicino IR. Ma i nostri occhi possono focalizzare questa luce sulla nostra retina. Ciò può causare danni alla retina. Le lunghezze d'onda della luce più lunghe, da 1400 a 3000 nm (o onde IR corte), ad esempio, vengono assorbite dall'area acquosa dietro la cornea. Quindi, anche se è altrettanto invisibile agli esseri umani, possiamo tollerare un’esposizione molto maggiore al laser a quelle lunghezze d’onda – circa cinque ordini o magnitudo in più. Il motivo per cui è importante comprenderlo per quanto riguarda il LIDAR a rilevamento diretto è che molti sistemi LIDAR (in particolare LIDAR automobilistico a basso costo) utilizzano 905 o 940 nm come lunghezza d'onda operativa a causa dell'ampia disponibilità di laser a basso costo basati su InGaAs e fotodiodi al silicio. Laser e fotodiodi nell'IR a onde corte tendono ad essere molto più costosi, annullando il vantaggio principale del rilevamento diretto: la sua semplicità e il basso costo.
Esistono altri mezzi per migliorare il raggio di rilevamento diretto migliorando la sensibilità del ricevitore. È possibile utilizzare lenti riceventi per aree più grandi. L'aumento dell'area di raccolta dei fotoni offre una migliore sensibilità del ricevitore senza alcun rumore elettronico aggiuntivo. Raddoppiando il diametro della lente si ottiene una sensibilità di ricezione 4 volte superiore a scapito di un sistema ottico più grande e complesso (ricordiamo che un aumento di 16 volte del guadagno si traduce solo in un raddoppio della portata). È possibile utilizzare un raggio di trasmissione con apertura maggiore per mantenere una stretta collimazione del laser su una distanza maggiore (vedere la sezione sulla portata di Rayleigh di seguito), ma i raggi di grande diametro potrebbero non essere compatibili con molti metodi di scansione (piccoli specchi MEMS, ad esempio). I fotodiodi a valanga (APD) – fotodiodi con guadagno intrinseco – possono essere utilizzati per aumentare la sensibilità di ricezione. In pratica possono offrire guadagni da circa 5x a 15x prima che il rumore autogenerato diventi un problema. I fotodiodi a valanga tendono ad essere costosi e fragili. Inoltre sono generalmente dispositivi con un'area molto piccola, il che complica ulteriormente la progettazione ottica. Infine, sono disponibili i fotorilevatori da valanga in modalità Geiger (GMAPD) o i rilevatori da valanga a fotone singolo (SPAD). Offrono una sensibilità estrema: per il rilevamento è necessario solo un singolo fotone. Tuttavia, una volta attivati, richiedono un tempo finito (da ~5 a 10ηs) per riprendersi prima di potersi attivare nuovamente. Sebbene questi possano costituire un sistema LIDAR a lungo raggio altamente semplificato, il loro principio di funzionamento è tale che sono suscettibili alle interferenze (sistemi LIDAR solari e adiacenti) e funzionano male in ambienti nevosi, polverosi o nebbiosi (un fotone riflesso da un fiocco di neve accecherà il GMAPD a qualsiasi cosa si trovi tra 1.5 e 3 metri dietro il fiocco di neve). Come discuteremo più avanti, alcune applicazioni non sono soggette alle interferenze del Sole, dei sistemi LIDAR adiacenti o alle preoccupazioni relative agli ambienti meteorologici sfavorevoli. In queste applicazioni i sistemi di rilevamento diretto basati su GMAPD funzionano molto bene.
Per quanto riguarda le interferenze, è anche importante notare che i sistemi di rilevamento diretto utilizzati in applicazioni in cui sono presenti altri sistemi LIDAR (come veicoli terrestri autonomi o automobilistici) devono prevedere alcuni mezzi di mitigazione delle interferenze. Per il ricevitore di un sistema LIDAR a rilevamento diretto, ogni impulso luminoso con una lunghezza d'onda simile appare proprio come il proprio impulso. Questo non è un problema esclusivo di LIDAR. Agli albori dei radar automobilistici venivano utilizzati sistemi a impulsi. Una volta che molte auto furono dotate di radar, l'interferenza reciproca divenne un problema. In risposta, l’industria dei radar automobilistici è passata a tecniche di rilevamento coerenti – principalmente FMCW – risolvendo in gran parte i problemi di interferenza reciproca. In generale, è necessario utilizzare un qualche tipo di codifica degli impulsi per distinguere i “vostri” impulsi laser da altri sistemi. Il costo è una portata ridotta (se la potenza media del laser è limitata a causa di problemi termici o di sicurezza degli occhi) o un numero ridotto di spot/secondo che l'unità LIDAR è in grado di misurare. La codifica degli impulsi è difficile da eseguire quando si utilizzano GMAPD poiché il tempo tra gli impulsi deve essere sufficientemente lungo da garantire che il GMAPD si sia ripreso dall'ultimo impulso.
Infine, va notato che il LIDAR a rilevamento diretto non misura direttamente la velocità (che può essere un input prezioso per la percezione a valle). La velocità può essere dedotta misurando il movimento del bersaglio su più fotogrammi; tuttavia, questa tende ad essere una tecnica di misurazione a bassa precisione poiché dipende da misurazioni ripetibili della posizione target in ciascun fotogramma. Ad esempio, se un bersaglio si muove a 15 m/s (circa 33 miglia all'ora) e il frame rate è di 20 Hz, il bersaglio si sarà spostato di 75 cm in un fotogramma. Se la precisione della misurazione è ±10 cm (più o meno la migliore che ci si aspetterebbe da un sistema LIDAR automobilistico a rilevamento diretto), l'errore di misurazione della velocità potrebbe arrivare fino a ±10 cm/75 cm = ±13%. Naturalmente, questo potrebbe essere migliorato misurando più fotogrammi consecutivi. Ma ciò richiederebbe tempo poiché l'accuratezza della misurazione migliora solo con la radice quadrata del numero di misurazioni effettuate (ad esempio, 9 misurazioni medie migliorano l'accuratezza di un fattore 3 mentre aumentano la latenza di un fattore 9, fino a 450 ms al frame frequenza di 20Hz).
Per continuare a leggere gratuitamente il white paper completo, fare clic QUI.