LIDAR technology меняет будущее автомобильной безопасности и автономной навигации. В этом подробном техническом документе Харви Вайнберг из MicroTech Ventures и Пьер-Оливье Амель из независимого Полупроводниковое анализировать нюансы между методами прямого и когерентного обнаружения в системах LIDAR, предоставляя важное руководство для профессионалов отрасли, стремящихся ориентироваться в этой сложной ситуации.
Введение
Поскольку лидар стал горячей темой в мире датчиков, главным образом благодаря усилиям в области ADAS и сектора автономного вождения, возникла дискуссия о том, является ли это прямым обнаружением (или временем пролета) или когерентным (непрерывная волна с частотной модуляцией, например) обнаружение фотонов лучше всего. На самом деле «лучшее» во многом зависит от приложения. LIDAR используется в самых разных приложениях: от управления дорожным движением до помощи водителю и автономного вождения, картографирования местности и метеорологических приложений. Неудивительно, что важность различных показателей производительности LIDAR – максимальной дальности, точности, помехоустойчивости, стоимости и т. д. – варьируется от приложения к приложению. Даже в рамках одного приложения некоторые системные решения могут исказить важность того или иного параметра. Целью этой статьи является обсуждение различных характеристик прямого и когерентного обнаружения, чтобы обучить тех, кто интересуется LIDAR, и позволить им сделать осознанный выбор системы.
Историческое прошлое
Впервые концепция LIDAR была задумана в 1930-х годах – примерно в то же время, когда был разработан радар. Однако только в начале 1960-х годов, когда были разработаны первые лазеры, лидар стал реальностью. Радар с когерентной частотно-модулированной непрерывной волной (FMCW) был разработан в середине 1930-х годов, и вскоре после этого исследователи приступили к работе, чтобы применить преимущества когерентного обнаружения к дальнометрии на основе света. В 1960-е годы несколько исследователей демонстрировали первые системы FMCW LiDAR. С тех пор LIDAR нашел применение в десятках приложений, каждое из которых имеет свой уникальный список проблем, которые пришлось преодолеть разработчикам. Развитие оптических телекоммуникаций дало еще один импульс развитию лидаров благодаря разработкам в области передовых лазеров и усовершенствованным методам модуляции, финансируемым за счет огромного количества долларов на исследования, вложенных в оптические телекоммуникации. Как и в случае с радаром, ранние оптические телекоммуникации основывались на импульсных методах прямого обнаружения. К 2008 году когерентное обнаружение начало брать верх. Сегодня отрасли посчастливилось воспользоваться преимуществами более чем полувековых разработок в области аппаратного обеспечения и обработки сигналов, которые были разработаны для радиолокационной и оптической связи, чтобы воплотить в жизнь «следующую» систему LIDAR.
Обнаружение фотонов
По своей сути система LIDAR излучает фотоны и вычисляет, сколько времени потребовалось этим фотонам, чтобы достичь цели и вернуться. Хотя необходимо учитывать множество аспектов системы LIDAR (какую длину волны использовать, метод сканирования, как бороться с помехами и т. д.), выбор того, как мы обнаруживаем возвращающиеся фотоны, определяет почти любой другой выбор системы. По сути, существует два метода обнаружения фотонов:
Прямое обнаружение: подается лазерный импульс, который запускает таймер. Таймер останавливается при получении эха лазерного импульса. Мы не рассматриваем фазу фотонов, а просто их существование (амплитуду) и время возвращения. Поскольку скорость света известна и неизменна, мы вычисляем расстояние до цели как Δt C 2 , где Δt — время между началом передачи фотонов и передним фронтом приема фотонов (как показано на рисунке 1).
Когерентное обнаружение: модулированный лазер включен в течение более длительного периода времени, а отраженный сигнал оптически смешивается с образцом переданного фотодетектирования (так называемым гетеродином) перед фотодиодным обнаружением. Это оптическое смешивание приводит к усилению принимаемого сигнала гетеродином. Используя образец передаваемого сигнала, мы уверены, что фазовое соотношение между каналами передачи и приема сохраняется (или когерентно). Как и при прямом обнаружении, расстояние рассчитывается путем измерения времени между передачей и приемом фотона. Но в случае когерентного обнаружения модуляция применяется к непрерывно (или квазинепрерывно) передаваемому сигналу. Поскольку лазер осуществляет передачу непрерывно, время эхо-сигнала определяется соответствующей демодуляцией, которая требует большей обработки сигнала, чем прямое обнаружение. Благодаря когерентному обнаружению мы можем мгновенно измерить скорость напрямую (а не путем измерения движения цели в нескольких кадрах, как это было бы при прямом обнаружении), обнаружив сдвиг частоты возвращаемого сигнала, вызванный доплеровским эффектом.
Мы начнем с подробного описания прямого обнаружения, поскольку оно концептуально проще.
Прямое обнаружение
В системах прямого обнаружения используется импульсный лазер, излучающий короткие вспышки света (несколько наносекунд). Датчик LIDAR измеряет время, необходимое для получения отраженного светового импульса. Анализируя время, необходимое свету на путь до цели и обратно, он рассчитывает расстояние до объектов в окружающей среде.
Прямое обнаружение подходит, если требуется лишь скромная производительность, например, дальность действия менее 50 метров. Нет необходимости в перестраиваемом одномодовом лазере, поскольку основным требованием является просто источник многочисленных фотонов в течение короткого периода времени. Следовательно, схема драйвера лазера упрощается, поскольку нет необходимости модулировать лазер; вместо этого задача модулятора состоит в том, чтобы быстро подать в лазер значительный ток. Кроме того, требования к точности оптики снижаются, поскольку опасения по поводу искажения волнового фронта минимальны.
Математически возвращаемая мощность в системе прямого обнаружения может быть выражена следующим образом:
Как можно интуитивно предположить, мы видим, что возвращаемая мощность падает пропорционально квадрату диапазона. Аналогичным образом, обратная мощность также линейно уменьшается по мере увеличения освещенной площади. Конечно, освещенная область растет квадратично с дальностью, поскольку она расширяется в двух измерениях, когда начинается расхождение лазерного луча. Таким образом, мощность отраженного сигнала падает на 1 ⁄Диапазона или 1 ⁄Диапазона в зависимости от того, находится ли цель до или после начала расходимости луча. Должно быть очевидно, что достижение большой дальности требует испускания большого количества фотонов.
Однако существуют ограничения на количество мощности лазера, которое можно использовать. Интенсивный ближний ИК-свет (от 800 до 1400 нм) может повредить зрение. Поскольку люди не могут видеть свет в этом диапазоне, мы не моргаем и не отводим глаза от яркого ближнего ИК-света. Но наши глаза могут фокусировать этот свет на сетчатке. Это может привести к повреждению сетчатки. Например, более длинные волны света, от 1400 до 3000 нм (или короткие волны ИК), поглощаются водной областью позади роговицы. Таким образом, хотя он также невидим для людей, мы можем выдержать гораздо большее лазерное воздействие на этих длинах волн — примерно на пять порядков или больше. Причина, по которой это важно понимать в отношении LIDAR прямого обнаружения, заключается в том, что многие системы LIDAR (особенно недорогие автомобильные LIDAR) используют длину волны 905 или 940 нм в качестве рабочей длины волны из-за широкой доступности недорогих лазеров на основе InGaAs и кремниевых фотодиодов. Лазеры и фотодиоды коротковолнового ИК-диапазона, как правило, намного дороже, что сводит на нет главное преимущество прямого обнаружения – его простоту и низкую стоимость.
Существуют и другие способы увеличения дальности прямого обнаружения за счет повышения чувствительности приемника. Можно использовать приемные линзы большей площади. Увеличение области сбора фотонов обеспечивает улучшенную чувствительность приемника без каких-либо дополнительных электронных шумов. Удвоение диаметра линзы обеспечивает четырехкратное увеличение чувствительности приема за счет более крупной и сложной оптической системы (напомним, что увеличение усиления в 4 раз приводит только к удвоению дальности). Передающий луч с большей апертурой можно использовать для поддержания точной коллимации лазера на большем расстоянии (см. раздел о диапазоне Рэлея ниже), но лучи большого диаметра могут быть несовместимы со многими методами сканирования (например, с маленькими МЭМС-зеркалами). Лавинные фотодиоды (ЛФД) – фотодиоды с собственным усилением – могут использоваться для повышения чувствительности приема. На практике они могут обеспечить выигрыш примерно в 16–5 раз, прежде чем самогенерируемый шум станет проблемой. Лавинные фотодиоды, как правило, дороги и хрупки. Кроме того, они, как правило, представляют собой устройства очень малой площади, что еще больше усложняет оптическую конструкцию. Наконец, доступны лавинные фотодетекторы в режиме Гейгера (GMAPD) или однофотонные лавинные детекторы (SPAD). Они обладают чрезвычайной чувствительностью — для обнаружения требуется всего один фотон. Однако после срабатывания им требуется конечное время (от ~ 15 до 5 с) для восстановления, прежде чем они смогут снова сработать. Хотя они могут создать сильно упрощенную систему лидар большого радиуса действия, их принцип работы таков, что они чувствительны к помехам (солнечные и соседние системы лидаров) и плохо работают в заснеженной, пыльной или туманной среде (фотон, отраженный от снежинки). ослепит GMAPD для всего, что находится на расстоянии 10–1.5 м позади снежинки). Как мы обсудим позже, некоторые приложения не подвержены помехам со стороны Солнца, соседних лидарных систем или не беспокоятся о плохих погодных условиях. В этих приложениях системы прямого обнаружения на основе GMAPD работают очень хорошо.
Что касается помех, важно также отметить, что системы прямого обнаружения, используемые в приложениях, где есть другие системы LIDAR (например, автомобильные или автономные наземные транспортные средства), должны предусматривать некоторые средства подавления помех. Для приемника системы LIDAR прямого обнаружения каждый световой импульс одинаковой длины волны выглядит как собственный импульс. Это не эксклюзивная проблема LIDAR. На заре автомобильных радаров использовались импульсные системы. Когда многие автомобили были оснащены радарами, взаимные помехи стали проблемой. В ответ индустрия автомобильных радаров перешла на методы когерентного обнаружения – в основном FMCW – в основном решая проблемы взаимных помех. В общем, необходимо использовать какое-то кодирование импульсов, чтобы отличить «ваши» лазерные импульсы от других систем. Платой за это является либо уменьшение дальности действия (если средняя мощность лазера ограничена из-за проблем с температурой или безопасностью глаз), либо уменьшение количества точек в секунду, которые может измерять лидар. Кодирование импульсов сложно выполнить при использовании GMAPD, поскольку время между импульсами должно быть достаточно большим, чтобы гарантировать восстановление GMAPD после последнего импульса.
Наконец, следует отметить, что LIDAR прямого обнаружения не измеряет скорость напрямую (которая может быть ценной информацией для последующего восприятия). Скорость можно определить путем измерения движения цели в нескольких кадрах; однако это, как правило, метод измерения с низкой точностью, поскольку он зависит от повторяемости измерений положения цели в каждом кадре. Например, если цель движется со скоростью 15 м/с (около 33 миль в час) и частота кадров составляет 20 Гц, цель переместится на 75 см за один кадр. Если точность измерения составляет ±10 см (наилучшая, которую можно ожидать от автомобильной лидарной системы прямого обнаружения), то ошибка измерения скорости может достигать ± 10 см/75 см = ± 13%. Конечно, это можно улучшить, измеряя несколько последовательных кадров. Но это потребует времени, так как точность измерений увеличивается только при увеличении квадратного корня из числа проведенных измерений (например, 9 усредненных измерений улучшают точность в 3 раза, одновременно увеличивая задержку в 9 раз, до 450 мс на кадре). частота 20 Гц).
Чтобы продолжить бесплатное чтение полного технического документа, нажмите ЗДЕСЬ.