LIDAR tecnologia está remodelando o futuro da segurança automotiva e da navegação autônoma. Neste whitepaper abrangente, Harvey Weinberg da MicroTech Ventures e Pier-Olivier Hamel da empresa independente Semicondutores dissecar as nuances entre métodos de detecção diretos e coerentes em sistemas LIDAR, fornecendo um guia essencial para profissionais da indústria que buscam navegar neste cenário complexo.
Introdução
Como o LIDAR se tornou um tema quente no mundo dos sensores, principalmente graças aos esforços no setor de ADAS e de direção autônoma, surgiu um debate sobre se a detecção direta (ou tempo de voo) ou coerente (onda contínua modulada por frequência, por exemplo) a detecção de fótons é melhor. Na verdade, o “melhor” depende muito da aplicação. O LIDAR é usado em uma ampla variedade de aplicações, desde gerenciamento de tráfego, assistência ao motorista e direção autônoma, até mapeamento terrestre e aplicações meteorológicas. Não deve ser surpresa que a importância das diferentes métricas de desempenho do LIDAR – alcance máximo, precisão, imunidade a interferências, custo, etc. – varie de aplicação para aplicação. Mesmo dentro da mesma aplicação, certas escolhas do sistema podem distorcer a importância de um parâmetro ou de outro. Este artigo tem como objetivo discutir as diferentes características da detecção direta e coerente, a fim de educar os interessados em LIDAR e permitir-lhes fazer escolhas informadas sobre o sistema.
Contexto histórico
O LIDAR foi conceituado pela primeira vez na década de 1930 – mais ou menos na mesma época em que o radar foi desenvolvido. No entanto, foi somente no início da década de 1960, quando os primeiros lasers foram desenvolvidos, que o LIDAR se tornou uma realidade. O radar de onda contínua modulada por frequência coerente (FMCW) foi desenvolvido em meados da década de 1930 e logo depois os pesquisadores começaram a trabalhar para trazer os benefícios da detecção coerente para o alcance baseado em luz. Durante a década de 1960, vários pesquisadores demonstraram os primeiros sistemas FMCW LiDAR. Desde então, o LIDAR encontrou utilização em dezenas de aplicações, cada uma com sua lista única de desafios que os desenvolvedores tiveram que superar. A ascensão das telecomunicações ópticas deu outro impulso ao LIDAR a partir do desenvolvimento de lasers avançados e de técnicas de modulação aprimoradas, financiadas pelo enorme número de dólares de pesquisa investidos em telecomunicações ópticas. Assim como aconteceu com o radar, as primeiras telecomunicações ópticas dependiam de técnicas de detecção direta e pulsada. Em 2008, a detecção coerente começou a assumir o controle. Hoje, a indústria tem a sorte de ter o benefício de mais de meio século de desenvolvimento em hardware e avanços no processamento de sinais que foram desenvolvidos para radar e comunicações ópticas para dar vida ao “próximo” sistema LIDAR.
Detecção de fótons
Basicamente, um sistema LIDAR emite fótons e calcula quanto tempo esses fótons levaram para atingir um alvo e retornar. Embora existam muitos aspectos de um sistema LIDAR a serem considerados (que comprimento de onda usar, método de varredura, como lidar com a interferência, etc.), a escolha de como detectamos os fótons que retornam orienta quase todas as outras escolhas de sistema. Existem, essencialmente, dois métodos de detecção de fótons:
Detecção direta: Um pulso de laser é disparado e inicia um temporizador. O temporizador é interrompido quando o eco do pulso de laser é recebido. Não consideramos a fase dos fótons, apenas a sua existência (amplitude) e o tempo de retorno. Como a velocidade da luz é conhecida e invariante, calculamos a distância até o alvo como Δt C 2 onde Δt é o tempo entre o início da transmissão do fóton e o início da recepção do fóton (como mostrado na Figura 1).
Detecção coerente: Um laser modulado fica ligado por um longo período de tempo e o sinal de retorno é opticamente misturado com uma amostra da fotodetecção transmitida (chamada oscilador local) antes da detecção do fotodiodo. Esta mistura óptica resulta na amplificação do sinal recebido pelo oscilador local. Ao usar uma amostra do sinal de transmissão, temos certeza de que a relação de fase entre os canais de transmissão e recepção é preservada (ou coerente). Tal como acontece com a detecção direta, a distância é calculada medindo o tempo entre a transmissão e a recepção do fóton. Mas no caso de detecção coerente, a modulação é aplicada ao sinal transmitido continuamente (ou quase continuamente). Como o laser transmite continuamente, o tempo do eco é determinado pela demodulação apropriada, que requer mais processamento de sinal do que detecção direta. Com a detecção coerente, podemos medir diretamente a velocidade instantaneamente (não medindo o movimento do alvo em vários quadros como faria com a detecção direta), detectando a mudança de frequência do sinal retornado causada pelo Doppler.
Começaremos descrevendo detalhadamente a detecção direta, pois é conceitualmente mais simples.
Detecção Direta
Os sistemas de detecção direta empregam um laser pulsado para emitir pequenas rajadas de luz (alguns nanossegundos). O sensor LIDAR mede o tempo necessário para receber o pulso de luz refletido. Ao analisar o tempo que a luz leva para viajar até o alvo e voltar, ele calcula a distância até os objetos no ambiente.
A detecção direta é adequada se for necessário apenas um desempenho modesto, como um alcance inferior a 50 metros. Não há necessidade de um laser monomodo ajustável, uma vez que o requisito principal é apenas uma fonte de numerosos fótons em um curto período de tempo. Conseqüentemente, o circuito do acionador do laser é simplificado, pois não há necessidade de modular o laser; em vez disso, a tarefa do modulador é injetar rapidamente uma quantidade significativa de corrente no laser. Além disso, os requisitos de precisão da óptica são reduzidos, uma vez que as preocupações com a distorção da frente de onda são mínimas.
Matematicamente, a potência de retorno em um sistema baseado em detecção direta pode ser expressa da seguinte forma:
Como se poderia suspeitar intuitivamente, vemos que a potência de retorno cai conforme o quadrado do intervalo. Da mesma forma, a potência de retorno também diminui linearmente à medida que a área iluminada aumenta. É claro que a área iluminada cresce quadraticamente com o alcance à medida que se expande em duas dimensões quando começa a divergência do feixe do laser. Portanto, a potência de retorno do sinal cai em 1 ⁄Range ou 1 ⁄Range dependendo se o alvo está antes ou depois do início da divergência do feixe. Deveria ser evidente que alcançar um longo alcance requer a emissão de muitos fótons.
No entanto, existem limites para a quantidade de potência do laser que pode ser usada. A luz infravermelha intensa (800 a 1400 nm) pode prejudicar a visão. Como os humanos não conseguem ver a luz nesta faixa, não piscamos nem desviamos os olhos para a luz infravermelha próxima e brilhante. Mas os nossos olhos podem focar esta luz na nossa retina. Isso pode resultar em danos à retina. Comprimentos de onda de luz mais longos, 1400 a 3000 nm (ou infravermelho de onda curta), por exemplo, são absorvidos pela área aquosa atrás da córnea. Portanto, embora seja igualmente invisível para os humanos, podemos tolerar muito mais exposição ao laser nesses comprimentos de onda – cerca de cinco ordens ou magnitude a mais. A razão pela qual isso é importante entender em relação à detecção direta LIDAR é que muitos sistemas LIDAR (particularmente LIDAR automotivo de baixo custo) usam 905 ou 940 nm como comprimento de onda operacional devido à ampla disponibilidade de lasers baseados em InGaAs de baixo custo e fotodiodos de silício. Lasers e fotodiodos em IR de ondas curtas tendem a ser muito mais caros, anulando a principal vantagem da detecção direta – sua simplicidade e baixo custo.
Existem outros meios para melhorar o alcance de detecção direta, melhorando a sensibilidade do receptor. Lentes receptoras de áreas maiores podem ser usadas. O aumento da área de coleta de fótons oferece maior sensibilidade do receptor sem qualquer ruído eletrônico adicional. Dobrar o diâmetro da lente oferece 4x a sensibilidade de recepção às custas de um sistema óptico maior e mais complexo (lembre-se de que um aumento de 16x no ganho apenas se traduz em uma duplicação do alcance). Um feixe de transmissão de abertura maior pode ser usado para manter uma colimação precisa do laser em uma distância maior (veja a seção sobre a faixa Rayleigh abaixo), mas feixes de grande diâmetro podem não ser compatíveis com muitos métodos de varredura (pequenos espelhos MEMS, por exemplo). Fotodiodos Avalanche (APDs) – fotodiodos com ganho intrínseco – podem ser usados para aumentar a sensibilidade de recepção. Na prática, eles podem oferecer ganhos de cerca de 5x a 15x antes que o ruído autogerado se torne um problema. Os fotodiodos Avalanche tendem a ser caros e frágeis. Geralmente também são dispositivos de área muito pequena, o que complica ainda mais o design óptico. Finalmente, estão disponíveis Fotodetectores de Avalanche no Modo Geiger (GMAPDs) ou Detectores de Avalanche de Fóton Único (SPADs). Eles oferecem extrema sensibilidade – é necessário apenas um único fóton para detecção. No entanto, uma vez acionados, eles requerem um tempo finito (~5 a 10ηs) para se recuperarem antes de serem acionados novamente. Embora possam constituir um sistema LIDAR de longo alcance altamente simplificado, seu princípio de operação é tal que são suscetíveis a interferências (sistemas LIDAR solares e adjacentes) e funcionam mal em ambientes com neve, poeira ou neblina (um fóton refletido em um floco de neve cegará o GMAPD para qualquer coisa 1.5 a 3m atrás do floco de neve). Como discutiremos mais tarde, algumas aplicações não estão sujeitas a interferências do Sol, de sistemas LIDAR adjacentes ou preocupadas com ambientes climáticos adversos. Nessas aplicações, os sistemas de detecção direta baseados em GMAPD funcionam muito bem.
Em relação à interferência, também é importante notar que os sistemas de detecção direta utilizados em aplicações onde existem outros sistemas LIDAR (como veículos terrestres automotivos ou autônomos) devem projetar alguns meios de mitigação de interferência. Para o receptor de um sistema LIDAR de detecção direta, cada pulso de luz em um comprimento de onda semelhante se parece com seu próprio pulso. Este não é um problema exclusivo do LIDAR. Nos primeiros dias do radar automotivo, eram usados sistemas pulsados. Depois que muitos carros foram equipados com radar, a interferência mútua tornou-se um problema. Em resposta, a indústria de radares automotivos mudou para técnicas de detecção coerentes – principalmente FMCW – resolvendo em grande parte os problemas de interferência mútua. Em geral, algum tipo de codificação de pulso deve ser usado para distinguir “seus” pulsos de laser de outros sistemas. O custo disso é o alcance reduzido (se a potência média do laser for limitada devido a questões térmicas ou de segurança ocular) ou um número reduzido de pontos/segundo que a unidade LIDAR é capaz de medir. A codificação de pulso é difícil de ser feita ao usar GMAPDs, pois o tempo entre os pulsos deve ser longo o suficiente para garantir que o GMAPD se recupere do último pulso.
Finalmente, deve-se notar que o LIDAR de detecção direta não mede a velocidade diretamente (que pode ser uma entrada valiosa para a percepção a jusante). A velocidade pode ser inferida medindo o movimento do alvo em vários quadros; no entanto, esta tende a ser uma técnica de medição de baixa precisão, pois depende de medições repetíveis da posição alvo em cada quadro. Por exemplo, se um alvo se move a 15 m/s (cerca de 33 mph) e a taxa de quadros é de 20 Hz, o alvo teria se movido 75 cm em um quadro. Se a precisão da medição for de ± 10 cm (aproximadamente o melhor que se esperaria de um sistema LIDAR automotivo de detecção direta), então o erro de medição de velocidade poderia ser tão alto quanto ± 10 cm/75 cm = ± 13%. Claro, isso poderia ser melhorado medindo vários quadros consecutivos. Mas isso levaria tempo, pois a precisão da medição só melhora com a raiz quadrada do número de medições realizadas (por exemplo, 9 medições médias melhoram a precisão por um fator de 3, enquanto aumentam a latência por um fator de 9, até 450 ms no quadro taxa de 20Hz).
Para continuar lendo o whitepaper completo gratuitamente, clique AQUI.