LIDAR technologie geeft een nieuwe vorm aan de toekomst van autoveiligheid en autonome navigatie. In deze uitgebreide whitepaper, Harvey Weinberg van MicroTech Ventures en Pier-Olivier Hamel van indie Halfgeleider ontleden de nuances tussen directe en coherente detectiemethoden in LIDAR-systemen en bieden een essentiële gids voor professionals uit de industrie die door dit complexe landschap willen navigeren.
Introductie
Nu LIDAR een hot topic is geworden in de sensorwereld, vooral dankzij inspanningen in de ADAS- en autonome rijsector, is er een debat ontstaan over de vraag of directe detectie (of time-of-flight) of coherent (Frequency Modulated Continuous Wave, fotonendetectie is bijvoorbeeld het beste. In werkelijkheid hangt ‘beste’ sterk af van de toepassing. LIDAR wordt gebruikt in een breed scala aan toepassingen, van verkeersmanagement tot bestuurdersassistentie en autonoom rijden, tot grondkartering en meteorologische toepassingen. Het mag geen verrassing zijn dat het belang van verschillende LIDAR-prestatiestatistieken (maximaal bereik, nauwkeurigheid, immuniteit tegen interferentie, kosten, enz.) van toepassing tot toepassing varieert. Zelfs binnen dezelfde toepassing kunnen bepaalde systeemkeuzes het belang van de ene of de andere parameter vertekenen. Dit artikel heeft tot doel de verschillende kenmerken van directe en coherente detectie te bespreken om diegenen die geïnteresseerd zijn in LIDAR te onderwijzen en hen in staat te stellen weloverwogen systeemkeuzes te maken.
Historische achtergrond
LIDAR werd voor het eerst bedacht in de jaren dertig – rond dezelfde tijd dat radar werd ontwikkeld. Het was echter pas begin jaren zestig, toen de eerste lasers werden ontwikkeld, dat LIDAR werkelijkheid werd. De Coherent Frequency Modulated Continuous Wave (FMCW)-radar werd halverwege de jaren dertig ontwikkeld en kort daarna gingen onderzoekers aan de slag om de voordelen van coherente detectie naar op licht gebaseerde reikwijdte te brengen. In de jaren zestig demonstreerden meerdere onderzoekers vroege FMCW LiDAR-systemen. Sindsdien is LIDAR gebruikt in tientallen applicaties, elk met zijn unieke lijst met uitdagingen die ontwikkelaars moesten overwinnen. De opkomst van optische telecommunicatie gaf LIDAR nog een impuls door ontwikkelingen in geavanceerde lasers en verbeterde modulatietechnieken, gefinancierd door het enorme aantal onderzoeksdollars dat in optische telecommunicatie werd gestoken. Net als bij radar was de vroege optische telecommunicatie afhankelijk van gepulseerde, directe detectietechnieken. In 1930 begon coherente detectie de overhand te krijgen. Tegenwoordig heeft de industrie het geluk te kunnen profiteren van meer dan een halve eeuw ontwikkeling op het gebied van hardware en signaalverwerking, die zijn ontwikkeld voor radar- en optische communicatie, om op te kunnen bouwen bij het tot leven brengen van het ‘volgende’ LIDAR-systeem.
Fotondetectie
In de meest elementaire vorm zendt een LIDAR-systeem fotonen uit en berekent hoe lang het duurde voordat die fotonen een doel bereikten en terugkeerden. Hoewel er veel aspecten van een LIDAR-systeem zijn waarmee rekening moet worden gehouden (welke golflengte moet worden gebruikt, scanmethode, hoe om te gaan met interferentie, enz.), is de keuze van hoe we die terugkerende fotonen detecteren bepalend voor bijna elke andere systeemkeuze. Er zijn in wezen twee methoden voor fotondetectie:
Directe detectie: Er wordt een laserpuls afgevuurd die een timer start. De timer wordt gestopt wanneer de echo van de laserpuls wordt ontvangen. We houden geen rekening met de fase van de fotonen, alleen met hun bestaan (amplitude) en de timing van hun terugkeer. Omdat de lichtsnelheid bekend en onveranderlijk is, berekenen we de afstand tot het doel als Δt C 2, waarbij Δt de tijd is tussen het begin van de fotonentransmissie en de voorrand van de fotonenontvangst (zoals weergegeven in Figuur 1).
Coherente detectie: een gemoduleerde laser is gedurende langere tijd ingeschakeld en het retoursignaal wordt optisch gemengd met een monster van de verzonden fotodetectie (de lokale oscillator genoemd) vóór fotodiodedetectie. Deze optische menging heeft tot gevolg dat het ontvangstsignaal wordt versterkt door de lokale oscillator. Door een monster van het zendsignaal te gebruiken, zijn we er zeker van dat de faserelatie tussen zend- en ontvangstkanalen behouden blijft (of coherent). Net als bij directe detectie wordt de afstand berekend door de tijd tussen fotontransmissie en ontvangst te meten. Maar in het geval van coherente detectie wordt modulatie toegepast op het continu (of quasi-continu) verzonden signaal. Omdat de laser continu zendt, wordt de echotiming bepaald door geschikte demodulatie, wat meer signaalverwerking vereist dan directe detectie. Met coherente detectie kunnen we de snelheid onmiddellijk meten (niet door de doelbeweging over meerdere frames te meten, zoals men zou doen met directe detectie) door de frequentieverschuiving van het geretourneerde signaal veroorzaakt door Doppler te detecteren.
We zullen beginnen met het gedetailleerd beschrijven van directe detectie, omdat dit conceptueel eenvoudiger is.
Directe detectie
Directe detectiesystemen maken gebruik van een gepulseerde laser om korte lichtflitsen (enkele nanoseconden) uit te zenden. De LIDAR-sensor meet de tijd die nodig is om de gereflecteerde lichtpuls te ontvangen. Door de tijd te analyseren die het licht nodig heeft om naar het doel en terug te reizen, berekent het de afstand tot objecten in de omgeving.
Directe detectie is geschikt als slechts bescheiden prestaties nodig zijn, zoals een bereik onder de 50 meter. Er is geen behoefte aan een afstembare single-mode laser, aangezien de primaire vereiste slechts een bron is van talrijke fotonen binnen een kort tijdsbestek. Bijgevolg is het laseraandrijfcircuit vereenvoudigd omdat het niet nodig is de laser te moduleren; in plaats daarvan is het de taak van de modulator om snel een aanzienlijke hoeveelheid stroom in de laser te injecteren. Bovendien worden de nauwkeurigheidseisen voor optica verminderd, omdat de zorgen over golffrontvervorming minimaal zijn.
Wiskundig gezien kan het retourvermogen in een op directe detectie gebaseerd systeem als volgt worden uitgedrukt:
Zoals je intuïtief zou vermoeden, zien we dat het retourvermogen afneemt als het kwadraat van het bereik. Op dezelfde manier neemt het retourvermogen ook lineair af naarmate het verlichte gebied groter wordt. Uiteraard groeit het verlichte gebied kwadratisch met het bereik, terwijl het zich in twee dimensies uitbreidt zodra de divergentie van de laserstraal begint. Het signaalretourvermogen daalt dus met 1 ⁄Range of 1 ⁄Range, afhankelijk van of het doel zich vóór of na het begin van de straaldivergentie bevindt. Het moet duidelijk zijn dat het bereiken van een groot bereik het uitzenden van veel fotonen vereist.
Er zijn echter grenzen aan de hoeveelheid laservermogen die kan worden gebruikt. Intens nabij-IR-licht (800 tot 1400 nm) kan het gezichtsvermogen beschadigen. Omdat mensen binnen dit bereik geen licht kunnen zien, knipperen we niet en wenden we onze ogen niet af voor helder nabij-IR-licht. Maar onze ogen kunnen dit licht op ons netvlies richten. Dit kan resulteren in netvliesbeschadiging. Langere golflengten van licht, bijvoorbeeld 1400 tot 3000 nm (of kortegolf-IR), worden geabsorbeerd door het waterige gebied achter het hoornvlies. Dus hoewel het net zo onzichtbaar is voor mensen, kunnen we op die golflengten veel meer laserblootstelling tolereren – grofweg vijf ordes of magnitudes meer. De reden dat dit belangrijk is om te begrijpen met betrekking tot LIDAR voor directe detectie is dat veel LIDAR-systemen (met name de goedkope LIDAR voor de auto-industrie) 905 of 940 nm gebruiken als hun bedrijfsgolflengte vanwege de ruime beschikbaarheid van goedkope, op InGaAs gebaseerde lasers en siliciumfotodiodes. Lasers en fotodiodes bij kortegolf-IR zijn vaak veel duurder, waardoor het belangrijkste voordeel van directe detectie – de eenvoud en lage kosten – teniet wordt gedaan.
Er zijn andere manieren om het directe detectiebereik te verbeteren door de gevoeligheid van de ontvanger te verbeteren. Er kunnen ontvangstlenzen met een groter oppervlak worden gebruikt. Het vergroten van het fotonenopvanggebied biedt een verbeterde gevoeligheid van de ontvanger zonder enige extra elektronische ruis. Een verdubbeling van de lensdiameter biedt 4x de ontvangstgevoeligheid ten koste van een groter en complexer optisch systeem (bedenk dat een 16x toename van de versterking zich alleen maar vertaalt in een verdubbeling van het bereik). Een zendbundel met een grotere opening kan worden gebruikt om de laser strak te collimeren over een langere afstand (zie het gedeelte over het Rayleigh-bereik hieronder), maar bundels met een grote diameter zijn mogelijk niet compatibel met veel scanmethoden (kleine MEMS-spiegels bijvoorbeeld). Lawinefotodiodes (APD's) – fotodiodes met intrinsieke versterking – kunnen worden gebruikt om de ontvangstgevoeligheid te vergroten. In de praktijk kunnen ze winsten van ongeveer 5x tot 15x bieden voordat zelfgegenereerde ruis een probleem wordt. Lawinefotodiodes zijn vaak duur en kwetsbaar. Het zijn over het algemeen ook apparaten met een zeer klein oppervlak, wat het optische ontwerp nog ingewikkelder maakt. Ten slotte zijn er Geiger Mode Avalanche Photo-Detectors (GMAPD's) of Single Photon Avalanche Detectors (SPAD's) beschikbaar. Ze bieden extreme gevoeligheid – er is slechts één enkel foton nodig voor detectie. Zodra ze echter zijn geactiveerd, hebben ze een beperkte tijd (~5 tot 10ηs) nodig om te herstellen voordat ze opnieuw kunnen worden geactiveerd. Hoewel deze een sterk vereenvoudigd LIDAR-systeem over lange afstanden kunnen vormen, is hun werkingsprincipe zodanig dat ze gevoelig zijn voor interferentie (zonne-energie- en aangrenzende LIDAR-systemen) en slecht werken in besneeuwde, stoffige of mistige omgevingen (een foton dat wordt weerkaatst door een sneeuwvlok zal de GMAPD verblinden voor alles wat zich 1.5 tot 3 meter achter de sneeuwvlok bevindt). Zoals we later zullen bespreken, zijn sommige toepassingen niet onderhevig aan interferentie van de zon of aangrenzende LIDAR-systemen, of zorgen over slechte weersomstandigheden. In die toepassingen werken op GMAPD gebaseerde directe detectiesystemen heel goed.
Wat interferentie betreft, is het ook belangrijk op te merken dat directe detectiesystemen die worden gebruikt in toepassingen waar er andere LIDAR-systemen in de buurt zijn (zoals auto's of autonome grondvoertuigen) een of andere manier moeten inbouwen om interferentie te beperken. Voor de ontvanger van een LIDAR-systeem met directe detectie lijkt elke lichtpuls op een vergelijkbare golflengte precies op zijn eigen puls. Dit is geen exclusief LIDAR-probleem. In de begindagen van de autoradar werden gepulseerde systemen gebruikt. Toen veel auto's eenmaal waren uitgerust met radar, werd onderlinge interferentie een probleem. Als reactie hierop is de automobielradarindustrie overgestapt op coherente detectietechnieken – voornamelijk FMCW – waarmee de problemen met wederzijdse interferentie grotendeels zijn opgelost. Over het algemeen moet er een vorm van pulscodering worden gebruikt om “uw” laserpulsen te onderscheiden van andere systemen. De kosten hiervoor zijn ofwel een kleiner bereik (als het gemiddelde laservermogen beperkt is vanwege thermische of oogveiligheidsproblemen) of een kleiner aantal punten per seconde dat de LIDAR-eenheid kan meten. Pulscodering is moeilijk uit te voeren bij het gebruik van GMAPD's, omdat de tijd tussen pulsen lang genoeg moet zijn om ervoor te zorgen dat de GMAPD is hersteld van de laatste puls.
Ten slotte moet worden opgemerkt dat directe detectie LIDAR de snelheid (wat een waardevolle input kan zijn voor stroomafwaartse perceptie) niet rechtstreeks meet. De snelheid kan worden afgeleid door de doelbeweging over meerdere frames te meten; Dit is echter meestal een meettechniek met lage nauwkeurigheid, aangezien deze afhankelijk is van herhaalbare metingen van de doelpositie in elk frame. Als een doel bijvoorbeeld beweegt met een snelheid van 15 m/s (ongeveer 33 mph) en de framesnelheid is 20 Hz, zou het doel in één frame 75 cm zijn verplaatst. Als de meetnauwkeurigheid ±10 cm bedraagt (ongeveer het beste wat men zou verwachten van een LIDAR-systeem voor auto's met directe detectie), kan de snelheidsmeetfout oplopen tot ± 10 cm/75 cm = ±13%. Dit kan uiteraard worden verbeterd door meerdere opeenvolgende frames te meten. Maar dit zou tijd vergen, omdat de meetnauwkeurigheid alleen maar verbetert met de wortel van het aantal uitgevoerde metingen (9 gemiddelde metingen verbeteren bijvoorbeeld de nauwkeurigheid met een factor 3, terwijl de latentie met een factor 9 toeneemt, tot 450 ms bij het frame snelheid van 20 Hz).
Wilt u de volledige whitepaper gratis verder lezen, klik dan HIER.