LIDAR teknologi sedang membentuk semula masa depan keselamatan automotif dan navigasi autonomi. Dalam kertas putih komprehensif ini, Harvey Weinberg dari MicroTech Ventures dan Pier-Olivier Hamel dari indie Semikonduktor membedah nuansa antara kaedah pengesanan langsung dan koheren dalam sistem LIDAR, menyediakan panduan penting untuk profesional industri yang ingin mengemudi landskap kompleks ini.
Pengenalan
Memandangkan LIDAR telah menjadi topik hangat dalam dunia penderia, kebanyakannya berkat usaha dalam ADAS dan sektor pemanduan autonomi, perdebatan telah timbul sama ada pengesanan langsung (atau masa penerbangan) atau koheren (Gelombang Berterusan Bermodul Frekuensi, sebagai contoh) pengesanan foton adalah yang terbaik. Sebenarnya, "terbaik" sangat bergantung pada aplikasi. LIDAR digunakan dalam pelbagai jenis aplikasi daripada pengurusan trafik, kepada bantuan pemandu dan pemanduan autonomi, kepada pemetaan tanah, kepada aplikasi meteorologi. Tidak hairanlah bahawa kepentingan metrik prestasi LIDAR yang berbeza – julat maksimum, ketepatan, imuniti gangguan, kos, dsb. – berbeza dari satu aplikasi ke aplikasi. Walaupun dalam aplikasi yang sama, pilihan sistem tertentu mungkin memesongkan kepentingan satu parameter atau yang lain. Kertas kerja ini bertujuan untuk membincangkan ciri-ciri berbeza pengesanan langsung dan koheren untuk mendidik mereka yang berminat dengan LIDAR dan membolehkan mereka membuat pilihan sistem termaklum.
Latar belakang sejarah
LIDAR pertama kali dikonsepkan pada tahun 1930-an – pada masa yang sama dengan radar dibangunkan. Walau bagaimanapun, hanya pada awal 1960-an, apabila laser pertama dibangunkan, LIDAR menjadi kenyataan. Radar Coherent Modulated Continuous Wave (FMCW) telah dibangunkan pada pertengahan tahun 1930-an dan tidak lama selepas itu penyelidik mula berusaha untuk membawa faedah pengesanan koheren kepada julat berasaskan cahaya. Semasa tahun 1960-an, beberapa penyelidik telah menunjukkan sistem LiDAR FMCW awal. Sejak itu, LIDAR telah digunakan dalam berpuluh-puluh aplikasi, setiap satu dengan senarai unik cabaran yang perlu diatasi oleh pembangun. Kebangkitan telekomunikasi optik memberi satu lagi rangsangan kepada LIDAR daripada perkembangan dalam laser termaju dan teknik modulasi yang lebih baik yang dibiayai oleh sejumlah besar dolar penyelidikan yang dicurahkan ke dalam telekomunikasi optik. Sama seperti radar, telekomunikasi optik awal bergantung pada teknik pengesanan terus berdenyut. Menjelang 2008, pengesanan koheren mula mengambil alih. Hari ini industri bernasib baik kerana mendapat manfaat lebih daripada setengah abad pembangunan dalam perkakasan dan kemajuan pemprosesan isyarat yang dibangunkan untuk radar dan komunikasi optik untuk digunakan dalam menghidupkan sistem LIDAR "seterusnya".
Pengesanan Foton
Pada asasnya, sistem LIDAR mengeluarkan foton dan mengira berapa lama foton tersebut diambil untuk mencapai sasaran dan kembali. Walaupun terdapat banyak aspek sistem LIDAR untuk dipertimbangkan (apa panjang gelombang untuk digunakan, kaedah pengimbasan, cara menangani gangguan, dll.), pilihan cara kami mengesan foton yang kembali memacu hampir setiap pilihan sistem lain. Terdapat, pada asasnya, dua kaedah pengesanan foton:
Pengesanan terus: Nadi laser dilepaskan yang memulakan pemasa. Pemasa dihentikan apabila gema nadi laser diterima. Kami tidak menganggap fasa foton, hanya kewujudannya (amplitud) dan masa kembali. Memandangkan kelajuan cahaya diketahui dan invarian, kami mengira jarak ke sasaran sebagai Δt C 2 di mana Δt ialah masa antara permulaan penghantaran foton dan tepi hadapan penerimaan foton (seperti ditunjukkan dalam Rajah 1).
Pengesanan koheren: Laser termodulat dihidupkan untuk jangka masa yang lebih lama dan isyarat pemulangan secara optik bercampur dengan sampel pengesanan foto yang dihantar (dipanggil pengayun tempatan) sebelum pengesanan fotodiod. Percampuran optik ini menyebabkan isyarat terima dikuatkan oleh pengayun tempatan. Dengan menggunakan sampel isyarat penghantaran, kami yakin bahawa hubungan fasa antara saluran penghantaran dan penerimaan adalah terpelihara (atau koheren). Seperti pengesanan langsung, jarak dikira dengan mengukur masa antara penghantaran foton dan penerimaan. Tetapi dalam kes pengesanan koheren, modulasi digunakan pada isyarat yang dihantar secara berterusan (atau separa berterusan). Memandangkan laser memancar secara berterusan, pemasaan gema ditentukan oleh penyahmodulasi yang sesuai, yang memerlukan lebih banyak pemprosesan isyarat daripada pengesanan langsung. Dengan pengesanan koheren, kita boleh mengukur halaju secara langsung dengan serta-merta (bukan dengan mengukur pergerakan sasaran pada berbilang bingkai seperti yang akan dilakukan dengan pengesanan terus) dengan mengesan anjakan frekuensi isyarat yang dikembalikan disebabkan oleh Doppler.
Kami akan mulakan dengan menerangkan pengesanan langsung secara terperinci kerana ia lebih mudah dari segi konsep.
Pengesanan Terus
Sistem pengesanan langsung menggunakan laser berdenyut untuk memancarkan cahaya yang pendek (beberapa nanosaat). Sensor LIDAR mengukur masa yang diperlukan untuk menerima nadi cahaya yang dipantulkan. Dengan menganalisis masa yang diperlukan untuk cahaya bergerak ke sasaran dan belakang, ia mengira jarak ke objek di persekitaran.
Pengesanan langsung sesuai jika hanya prestasi sederhana diperlukan, seperti jarak di bawah 50 meter. Tidak ada keperluan untuk laser mod tunggal yang boleh dilaras kerana keperluan utama hanyalah sumber foton yang banyak dalam jangka masa yang singkat. Akibatnya, litar pemacu laser dipermudahkan kerana tiada keperluan untuk memodulasi laser; sebaliknya, tugas modulator adalah untuk menyuntik sejumlah besar arus ke dalam laser dengan pantas. Selain itu, keperluan ketepatan untuk optik dikurangkan, kerana kebimbangan mengenai herotan muka gelombang adalah minimum.
Secara matematik, kuasa pulangan dalam sistem berasaskan pengesanan langsung boleh dinyatakan seperti berikut:
Seperti yang disyaki secara intuitif, kita melihat bahawa kuasa pulangan menurun sebagai kuasa dua julat. Begitu juga, kuasa pulangan juga berkurangan secara linear apabila kawasan yang diterangi berkembang. Sudah tentu, kawasan yang diterangi tumbuh secara kuadratik dengan julat kerana ia berkembang dalam dua dimensi sebaik sahaja perbezaan pancaran laser bermula. Jadi, kuasa pulangan isyarat menurun sebagai 1 ⁄Julat atau 1 ⁄Julat bergantung pada sama ada sasaran adalah sebelum atau selepas bermulanya perbezaan rasuk. Ia harus jelas bahawa untuk mencapai jarak jauh memerlukan pemancaran banyak foton.
Walau bagaimanapun, terdapat had kepada jumlah kuasa laser yang boleh digunakan. Cahaya dekat-IR sengit (800 hingga 1400nm) boleh merosakkan penglihatan. Oleh kerana manusia tidak dapat melihat cahaya dalam julat ini, kita tidak berkelip atau mengalihkan mata kita kepada cahaya berhampiran-IR terang. Tetapi mata kita boleh memfokuskan cahaya ini ke retina kita. Ini boleh mengakibatkan kerosakan retina. Panjang gelombang cahaya yang lebih panjang, 1400 hingga 3000nm (atau gelombang-IR pendek) misalnya, diserap oleh kawasan berair di belakang kornea . Jadi, walaupun ia tidak kelihatan kepada manusia, kita boleh bertolak ansur dengan lebih banyak pendedahan laser pada panjang gelombang tersebut - kira-kira lima pesanan atau lebih magnitud. Sebab ini penting untuk difahami berkaitan LIDAR pengesanan langsung ialah banyak sistem LIDAR (terutamanya LIDAR automotif kos rendah) menggunakan 905 atau 940nm sebagai panjang gelombang operasinya kerana ketersediaan luas laser berasaskan InGaAs kos rendah dan fotodiod Silikon. Laser dan fotodiod pada gelombang pendek-IR cenderung lebih mahal, menafikan kelebihan utama pengesanan langsung - kesederhanaan dan kos rendah.
Terdapat cara lain untuk meningkatkan julat pengesanan langsung dengan meningkatkan sensitiviti penerima. Kawasan penerima kanta yang lebih besar boleh digunakan. Menambahkan kawasan pengumpulan foton menawarkan sensitiviti penerima yang dipertingkatkan tanpa sebarang bunyi elektronik tambahan. Menggandakan diameter kanta menawarkan 4x sensitiviti penerimaan dengan mengorbankan sistem optik yang lebih besar dan lebih kompleks (ingat bahawa peningkatan 16x dalam keuntungan hanya diterjemahkan kepada penggandaan julat). Rasuk hantaran apertur yang lebih besar boleh digunakan untuk mengekalkan kolimasi laser yang ketat pada jarak yang lebih jauh (lihat bahagian pada julat Rayleigh di bawah), tetapi rasuk diameter besar mungkin tidak serasi dengan banyak kaedah pengimbasan (cermin MEMS kecil, contohnya). Fotodiod Avalanche (APD) – fotodiod dengan keuntungan intrinsik – boleh digunakan untuk meningkatkan sensitiviti penerimaan. Sebagai perkara praktikal, mereka boleh menawarkan keuntungan kira-kira 5x hingga 15x sebelum bunyi yang dijana sendiri menjadi masalah. Fotodiod longsoran cenderung mahal dan rapuh. Ia juga umumnya merupakan peranti kawasan yang sangat kecil, yang merumitkan lagi reka bentuk optik. Akhir sekali, Pengesan Foto Avalanche Mod Geiger (GMAPD) atau Pengesan Avalanche Foton Tunggal (SPAD) tersedia. Mereka menawarkan kepekaan yang melampau - hanya satu foton yang diperlukan untuk pengesanan. Walau bagaimanapun, apabila ia telah dicetuskan, ia memerlukan masa yang terhad (~5 hingga 10ηs), untuk pulih sebelum dapat mencetuskan semula . Walaupun ini boleh membuat sistem LIDAR jarak jauh yang sangat dipermudahkan, prinsip operasinya adalah sedemikian rupa sehingga mereka mudah terdedah kepada gangguan (Sistem Solar dan LIDAR bersebelahan) dan berfungsi dengan baik dalam persekitaran bersalji, berdebu atau berkabus (foton yang dipantulkan daripada kepingan salji akan membutakan GMAPD kepada apa-apa 1.5 hingga 3m di belakang kepingan salji). Seperti yang akan kita bincangkan kemudian, sesetengah aplikasi tidak tertakluk kepada gangguan daripada Matahari, sistem LIDAR bersebelahan atau bimbang tentang persekitaran cuaca buruk. Dalam aplikasi tersebut sistem pengesanan langsung berasaskan GMAPD berfungsi dengan baik.
Mengenai gangguan, adalah penting juga untuk ambil perhatian bahawa sistem pengesanan langsung yang digunakan dalam aplikasi yang terdapat sistem LIDAR lain di sekeliling (seperti kenderaan darat automotif atau autonomi) mesti mereka bentuk-dalam beberapa cara pengurangan gangguan. Kepada penerima sistem LIDAR pengesanan langsung, setiap nadi cahaya pada panjang gelombang yang sama kelihatan seperti nadinya sendiri. Ini bukan masalah eksklusif LIDAR. Pada hari-hari awal radar automotif, sistem berdenyut digunakan. Apabila banyak kereta dilengkapi dengan radar, gangguan bersama menjadi masalah. Sebagai tindak balas, industri radar automotif beralih kepada teknik pengesanan yang koheren - kebanyakannya FMCW - sebahagian besarnya menyelesaikan isu gangguan bersama. Secara umum, beberapa jenis pengekodan nadi mesti digunakan untuk membezakan denyutan laser "anda" daripada sistem lain. Kos untuk ini adalah sama ada julat yang dikurangkan (jika kuasa laser purata terhad disebabkan oleh isu terma atau keselamatan mata) atau pengurangan bilangan bintik/saat unit LIDAR mampu mengukur. Pengekodan nadi sukar dilakukan apabila menggunakan GMAPD kerana masa antara nadi mestilah cukup lama untuk memastikan GMAPD telah pulih daripada nadi terakhir.
Akhir sekali, perlu diingatkan bahawa LIDAR pengesanan langsung tidak mengukur halaju (yang boleh menjadi input berharga kepada persepsi hiliran) secara langsung . Halaju boleh disimpulkan dengan mengukur pergerakan sasaran merentasi berbilang bingkai; walau bagaimanapun, ini cenderung kepada teknik pengukuran ketepatan yang rendah kerana ia bergantung pada pengukuran berulang kedudukan sasaran dalam setiap bingkai. Contohnya, jika sasaran bergerak pada 15m/s (kira-kira 33mph) dan kadar bingkai ialah 20Hz, sasaran akan bergerak 75cm dalam satu bingkai. Jika ketepatan pengukuran ialah ±10cm (kira-kira yang terbaik yang dijangkakan daripada sistem LIDAR automotif pengesanan langsung), maka ralat pengukuran halaju boleh setinggi ± 10cm/75cm = ±13%. Sudah tentu, ini boleh dipertingkatkan dengan mengukur berbilang bingkai berturut-turut. Tetapi ini akan mengambil masa kerana ketepatan pengukuran hanya bertambah baik dengan punca kuasa dua bilangan ukuran yang diambil (contohnya, 9 ukuran purata meningkatkan ketepatan dengan faktor 3 sambil meningkatkan kependaman dengan faktor 9, sehingga 450ms pada bingkai kadar 20Hz).
Untuk meneruskan membaca kertas putih penuh secara percuma, klik DI SINI.