ライダール テクノロジー は自動車の安全性と自律ナビゲーションの未来を再構築しています。この包括的なホワイトペーパーでは、MicroTech Ventures の Harvey Weinberg とインディーズの Pier-Olivier Hamel が執筆しています。 半導体 LIDAR システムにおける直接検出方法とコヒーレント検出方法の間の微妙な違いを詳しく分析し、この複雑な状況を乗り越えようとしている業界専門家にとって重要なガイドを提供します。
概要
主にADASおよび自動運転分野での取り組みのおかげで、LIDARがセンサーの世界でホットな話題になるにつれ、直接検出（または飛行時間型）かコヒーレント（周波数変調連続波、例) 光子検出が最適です。実際のところ、「最良」はアプリケーションに大きく依存します。 LIDAR は、交通管理から、運転支援や自動運転、地上地図作成、気象アプリケーションに至るまで、幅広いアプリケーションで使用されています。最大範囲、精度、干渉耐性、コストなど、さまざまな LIDAR パフォーマンス指標の重要性がアプリケーションごとに異なることは驚くべきことではありません。同じアプリケーション内であっても、特定のシステムの選択によって、あるパラメータまたは別のパラメータの重要性が偏る場合があります。このペーパーは、LIDAR に興味を持つ人々を教育し、情報に基づいてシステムを選択できるようにするために、直接検出とコヒーレント検出のさまざまな特性について説明することを目的としています。
歴史的背景
LIDAR は、レーダーが開発されたのとほぼ同じ時期の 1930 年代に初めて概念化されました。ただし、LIDAR が現実のものになったのは、最初のレーザーが開発された 1960 年代初頭になってからでした。コヒーレント周波数変調連続波 (FMCW) レーダーは 1930 年代半ばに開発され、その直後、研究者たちはコヒーレント検出の利点を光ベースの測距にもたらす取り組みに着手しました。 1960 年代、複数の研究者が初期の FMCW LiDAR システムを実証していました。それ以来、LIDAR は数十のアプリケーションで使用されており、それぞれのアプリケーションには開発者が克服しなければならない独自の課題リストがあります。光通信の台頭は、光通信に投じられた巨額の研究資金によって資金提供された高度なレーザーと改良された変調技術の開発によって、LIDAR にさらなる後押しを与えました。レーダーと同様に、初期の光通信はパルスによる直接検出技術に依存していました。 2008 年までに、コヒーレント検出が普及し始めました。今日、業界は幸運なことに、半世紀以上にわたるハードウェア開発とレーダーおよび光通信用に開発された信号処理の進歩の恩恵を受けており、「次の」LIDAR システムを実現するために活用されています。
光子検出
最も基本的な LIDAR システムは、フォトンを放出し、それらのフォトンがターゲットに到達して戻ってくるまでにかかった時間を計算します。 LIDAR システムには考慮すべき多くの側面 (使用する波長、スキャン方法、干渉への対処方法など) がありますが、戻ってくる光子を検出する方法の選択が、他のほぼすべてのシステムの選択に影響します。光子検出には基本的に 2 つの方法があります。
直接検出: レーザー パルスが発射され、タイマーが開始されます。レーザーパルスのエコーを受信するとタイマーが停止します。光子の位相は考慮せず、単に光子の存在（振幅）と戻りのタイミングを考慮します。光の速度は既知で不変であるため、ターゲットまでの距離を Δt C 2 として計算します。ここで、Δt は光子の送信の開始と光子の受信の先端の間の時間です (図 1 を参照)。
コヒーレント検出: 変調されたレーザーが長時間オンになり、戻り信号はフォトダイオード検出の前に、送信された光検出のサンプル (局部発振器と呼ばれます) と光学的に混合されます。この光混合により、受信信号が局部発振器によって増幅されます。送信信号のサンプルを使用することにより、送信チャネルと受信チャネル間の位相関係が維持される (またはコヒーレントになる) ことが保証されます。直接検出と同様に、距離は光子の送信と受信の間の時間を測定することによって計算されます。ただし、コヒーレント検波の場合、変調は連続 (または準連続) 送信信号に適用されます。レーザーは連続的に送信しているため、エコー タイミングは適切な復調によって決定されますが、これには直接検出よりも多くの信号処理が必要です。コヒーレント検波では、ドップラーによって生じる戻り信号の周波数シフトを検出することにより、（直接検波のように複数のフレームにわたるターゲットの動きを測定するのではなく）速度を直接瞬時に測定できます。
概念的に簡単な直接検出について詳しく説明することから始めます。
直接検出
直接検出システムは、パルスレーザーを使用して短いバースト光 (数ナノ秒) を放射します。 LIDAR センサーは、反射光パルスを受信するのに必要な時間を測定します。光がターゲットに到達して戻ってくるのにかかる時間を分析することで、環境内のオブジェクトまでの距離を計算します。
直接検出は、50 メートル未満の範囲など、適度な性能のみが必要な場合に適しています。主な要件は短い時間枠内で多数の光子の発生源にすぎないため、調整可能なシングルモード レーザーは必要ありません。その結果、レーザーを変調する必要がないため、レーザー駆動回路が簡素化されます。代わりに、変調器の役割は、大量の電流をレーザーに急速に注入することです。さらに、波面歪みの懸念が最小限に抑えられるため、光学部品の精度要件も軽減されます。
数学的には、直接検出ベースのシステムの反射電力は次のように表すことができます。
直感的に推測できると思いますが、反射電力は範囲の 1 乗に応じて低下することがわかります。同様に、反射電力も、照射領域が拡大するにつれて直線的に減少します。もちろん、レーザーのビームの発散が始まると照射領域は 1 次元に拡大するため、範囲に応じて二次関数的に拡大します。したがって、ターゲットがビーム発散の開始前にあるか後であるかに応じて、信号リターン電力は XNUMX ⁄Range または XNUMX ⁄Range に低下します。長距離を達成するには、大量の光子を放出する必要があることは明らかです。
ただし、使用できるレーザー出力の量には制限があります。強烈な近赤外光 (800 ～ 1400nm) は視力を損なう可能性があります。人間はこの範囲の光を見ることができないため、まばたきしたり、明るい近赤外光に目をそらしたりしません。しかし、私たちの目はこの光を網膜に焦点を合わせることができます。これにより、網膜損傷が生じる可能性があります。たとえば、1400 ～ 3000 nm (または短波 IR) のより長い波長の光は、角膜の後ろの水性領域によって吸収されます。したがって、同様に人間には見えませんが、これらの波長では、およそ 905 桁以上のはるかに多くのレーザー暴露に耐えることができます。直接検出 LIDAR に関してこれを理解することが重要である理由は、低コストの InGaAs ベースのレーザーとシリコン フォトダイオードが広く入手可能であるため、多くの LIDAR システム (特に低コストの自動車用 LIDAR) が動作波長として 940 または XNUMX nm を使用しているためです。短波 IR のレーザーとフォトダイオードははるかに高価になる傾向があり、直接検出の主な利点であるシンプルさと低コストが損なわれます。
受信機の感度を向上させることで直接検出範囲を向上させる他の手段もあります。より広い面積の受光レンズを使用できます。光子の収集領域を増やすと、追加の電子ノイズを発生させることなく受信感度が向上します。レンズ直径を 4 倍にすると、より大きく複雑な光学システムが必要になりますが、受信感度は 16 倍になります (ゲインが 5 倍増加しても、到達距離が 15 倍になるだけであることを思い出してください)。より大きな開口の送信ビームを使用すると、長距離にわたってレーザーの厳密なコリメーションを維持できます (下記のレイリー範囲のセクションを参照) が、大きな直径のビームは多くのスキャン方法 (たとえば、小さな MEMS ミラー) と互換性がない可能性があります。アバランシェ フォトダイオード (APD) (固有ゲインを持つフォトダイオード) を使用すると、受信感度を高めることができます。実際には、自己生成ノイズが問題になる前に、約 5 倍から 10 倍のゲインを提供できます。アバランシェフォトダイオードは高価で壊れやすい傾向があります。また、これらは一般に面積が非常に小さいデバイスであるため、光学設計がさらに複雑になります。最後に、ガイガー モード アバランシェ光検出器 (GMAPD) または単一光子アバランシェ検出器 (SPAD) が利用可能です。非常に高い感度を実現し、検出にはわずか 1.5 個の光子しか必要としません。ただし、一度トリガーされると、再びトリガーできるようになるまで回復するまでに有限の時間 (約 3 ～ XNUMXηs) が必要です。これらは非常に簡素化された長距離 LIDAR システムを構築できますが、その動作原理は干渉 (太陽光および隣接する LIDAR システム) の影響を受けやすく、雪、埃、または霧の多い環境 (雪の結晶から反射される光子) ではうまく機能しません。 GMAPD は雪の結晶の XNUMX ～ XNUMX メートル後方にあるものを見えなくなります)。後で説明するように、一部のアプリケーションは太陽や隣接する LIDAR システムからの干渉を受けず、悪天候環境も心配しません。これらのアプリケーションでは、GMAPD ベースの直接検出システムが非常にうまく機能します。
干渉に関しては、周囲に他の LIDAR システムがあるアプリケーション (自動車や自律型地上車両など) で使用される直接検出システムは、何らかの干渉軽減手段を設計に組み込む必要があることに注意することも重要です。直接検出 LIDAR システムの受信機にとって、同様の波長の光パルスはすべて、それ自身のパルスのように見えます。これは LIDAR に限った問題ではありません。自動車レーダーの初期には、パルス システムが使用されていました。多くの車にレーダーが搭載されると、相互干渉が問題になりました。これに応じて、自動車レーダー業界はコヒーレント検出技術 (主に FMCW) に移行し、相互干渉の問題を大幅に解決しました。一般に、「あなたの」レーザーパルスを他のシステムから区別するには、ある種のパルスコーディングを使用する必要があります。これによるコストは、距離の減少 (熱や目の安全性の問題により平均レーザー出力が制限されている場合)、または LIDAR ユニットが測定できる 1 秒あたりのスポット数の減少のいずれかです。 GMAPD を使用する場合、パルス間の時間が GMAPD が最後のパルスから確実に回復するのに十分な長さでなければならないため、パルスコーディングを行うのは困難です。
最後に、直接検出 LIDAR は速度 (下流の知覚への貴重な入力となり得る) を直接測定しないことに注意する必要があります。速度は、複数のフレームにわたるターゲットの動きを測定することによって推測できます。ただし、これは各フレーム内のターゲット位置の再現可能な測定に依存するため、精度が低い測定手法になる傾向があります。たとえば、ターゲットが 15m/s (約 33mph) で移動し、フレーム レートが 20Hz の場合、ターゲットは 75 フレームで 10cm 移動することになります。測定精度が ±10cm (直接検出車載 LIDAR システムに期待される最高精度) の場合、速度測定誤差は ±75cm/13cm = ±9% にもなる可能性があります。もちろん、これは複数の連続フレームを測定することで改善できます。ただし、測定精度は取得した測定数の平方根でしか向上しないため、これには時間がかかります (たとえば、3 回の平均測定により精度は 9 倍向上しますが、遅延は 450 倍増加し、フレームで最大 20 ミリ秒になります) XNUMXHzのレート）。
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