LiDAR vinder hurtigt interesse og bliver implementeret i ADAS og automatiserede køretøjsregistreringssystemer, men der er forskellige måder at implementere teknologien på. Dette papir forklarer disse tilgange og de relative fordele ved sammenhængende LiDAR-detektion.
Lysdetektion og rækkevidde (lidar) blev først konceptualiseret i 1930'erne, næsten samtidig med radiodetektering og rækkevidde (radar). Teknologien blev dog ikke bevist før lasernes indtog i 1960'erne, og i de følgende år førte udviklingen af optisk kommunikation til betydelige fremskridt inden for lasere og optisk modulationsteknologi.
I 2008 fik det første kommercielt tilgængelige LiDAR-system, oprindeligt kaldet 'optisk radar', sin debut i en Volvo-personbil. Denne banebrydende teknologi driver et af de første AEB-systemer (Automatic Emergency Braking), der gør det muligt for køretøjer at bremse automatisk for at forhindre eller afbøde påkørsel bagfra.
Efter sin tidlige introduktion for 15 år siden (og dens efterfølgende udskiftning med radar som et billigere alternativ til AEB), har højopløsningslidar hurtigt udviklet sig til at blive en nøglesensor med høj opløsning til selvkørende bilprogrammer og har fremmet en række teknologiske innovative og velfinansierede start-ups. Med større rækkevidde, overlegen opløsning og 3D-visualisering i realtid af køretøjets omgivelser modnes teknologien nu til et vigtigt sensorparadigme, ikke kun for autonom kørsel, men også for at komplementere Advanced Driver Assistance Systems (ADAS) i personbiler og kommercielle flåder.
LiDAR-sensorer udsender fotoner i det infrarøde spektrum for at registrere og skabe 3D-billeder af deres omgivelser. De har vist sig at være meget populære i bilindustrien. Den største fordel ved LiDAR i forhold til radar er, at det anvendte lys har en meget kort bølgelængde, hvilket giver mulighed for præcise målinger. Derudover kan LIDAR fungere under alle lysforhold og har et bedre detektionsområde sammenlignet med kameraer. De data, der fanges af LIDAR-sensorer, kan betragtes som en "punktsky".
Der er mange ting at overveje, når man udvikler et LiDAR-system, såsom hvilken bølgelængde man skal bruge, hvordan man scanner, og hvordan man håndterer interferens. Den største beslutning, systemet skal tage, er dog, hvordan man bedst kan detektere de tilbagevendende fotoner. Der er to hovedkonkurrenter, direkte detektion og sammenhængende detektion.
Direkte detektion
I et direkte detektionssystem udsendes en laserimpuls, der effektivt starter en timer. Når returen af laserimpulsen modtages, stopper den og beregner afstanden ud fra den forløbne tid. Se figur 1.
Figur 1: Da lyshastigheden (c) er konstant, er afstanden til målet Δtc/2, hvor Δt er tiden mellem start af fotontransmission og fotonmodtagelsesfronten.
For afstande op til omkring 50m er der ikke behov for en højkvalitets tunbar single-mode laser (da det blot er en kilde, der komprimerer et stort antal fotoner på kort tid) eller modulering, hvilket forenkler drivkredsløbet. Der kræves heller ikke præcisionsoptik for at kompensere for bølgefrontaberrationer.
Hvorfor den korte rækkevidde? Når belysningsområdet øges med afstanden, falder retureffekten (som kvadratet af afstanden). Bemærk: Formlen til at beregne dette er: retureffekt er omtrent lig med sendeeffekt x (målområde/belysningsområde) x (modtageområde/(π x område2)). Dette tab kan ikke undgås, så den enkleste løsning er at sende mere strøm eller øge modtagerens følsomhed.
Der er dog en grænse for mængden af laserkraft, der kan bruges. Intens nær-infrarødt (IR) lys (800 til 1400ηm) kan svække menneskets syn. Blot at øge transmissionseffekten af NIR-lys i ADAS eller selvkørende bilapplikationer kan udgøre en fare for andre trafikanter og fodgængere.
For at forbedre modtagefølsomheden kan fotonopsamlingen øges ved at bruge større modtagelinser. Derudover kan lavinefotodioder (APD'er, fotodioder med intrinsic gain) bruges, selvom de har tendens til at være dyre, skrøbelige og små (hvilket yderligere komplicerer systemoptikken) og kun kan give en forstærkning på omkring 15 gange før selvgenereret støj bliver et A-problem. Andre sensortyper, såsom Geiger Mode Avalanche Photodetectors (GMAPD'er) og Single Photon Avalanche Detectors (SPAD'er), giver bedre følsomhed i LIDAR-systemer med direkte detektering, men er mindre effektive i sneklædte, støvede eller tågede omgivelser.
Derudover kræver alle detektionssystemer en form for interferensreduktion. Uanset om det er radar eller LIDAR, skal systemet vide, at signalet (enten pulserende radiobølger eller fotoner), der modtages af modtageren, kommer fra senderen. Interferensproblemer opstod i de tidlige dage af pulserende bilradar. Da mange biler først var udstyret med radar, blev gensidig interferens et problem. Den mest populære løsning var at skifte til kohærente detektionsteknikker, hvor radarsystemet primært bruger frekvensmodulerede kontinuerlige bølger (FMCW - se nedenfor).
En anden begrænsning ved direkte detektionslidar er, at den ikke direkte måler hastigheden ved hvert punkt - i stedet skal den beregnes ved at bestemme, hvordan rækkevidden ændrer sig over tid (dvs. sammenligne flere efterfølgende billeder), hvilket kan forringe systemets reaktionsevne.
Kohærent Detektion og FMCW
Dette involverer at blande prøver af indfaldende lys med transmitteret lys, hvilket har to hovedfordele. For det første kan støjfri forstærkning af fotonforstærkning opnås gennem faselængdeinterferens (dvs. det modtagne signal multipliceres med det transmitterede signal), hvilket gør det muligt for systemet at opnå fremragende følsomhed med lasere med meget lav effekt. For det andet gør blanding af de transmitterede og modtagne signaler LiDAR-systemet meget selektivt, da lys, der ikke har nøjagtig samme bølgelængde (f.eks. sollys eller lys fra tilstødende LiDAR-systemer) simpelthen ignoreres.
Der er flere måder at implementere kohærente detektions LiDAR-systemer, men den mest populære er frekvensmoduleret kontinuerlig bølge (FMCW) modulering. Figur 2 viser et forenklet eksempel.
Figur 2: Laseren arbejder omkring 1550 nm og modulerer ved flere hundrede MHz (f.eks. fra 1550.002 til 1550 nm). Det udsendte (og reflekterede) signal er omkring 200 THz. Efter optisk blanding præsenterer fotodioden summen og forskellen af de to signaler. Fotodioden har en begrænset båndbredde og reagerer ikke på summer på omkring 400 THz og kan kun registrere forskelssignaler på nogle få hundrede MHz.
I praksis scannes laseren op og ned i frekvens for at frembringe en savtandsprofil (frekvens vs. tid), hvorfra afstand og hastighed kan udledes; for sidstnævnte, overvej Doppler-effekten. Figur 3 viser en mere detaljeret oversigt over optikken.
Figur 3: Hovedoptiske komponenter i et FMCW lidar-system.
Selvom de er mere komplekse end direkte detektionssystemer, har FMCW lidarer mange fordele. For eksempel, som nævnt ovenfor, multipliceres retursignalet med samplet opnået fra den transmitterende kilde (lokaloscillator, LO i figur 4). På grund af lidarens høje vejtab kan selv nogle få procent af LO være meget større end retursignalet. Mængden af signalforstærkning er meget høj, men begrænset til signaler med nøjagtig samme bølgelængde, hvilket fører til høje fotoneffektiviteter.
For eksempel kan et FMCW lidar-system med en rækkevidde på omkring 300m realiseres med en lasereffekt på mindre end 200mW. For det samme område ville et lignende direkte detektionssystem kræve 1000 gange spidseffekten. FMCW er især kernen i andre områder af LiDAR; for eksempel optiske højdemålingsinstrumenter med rækkevidde på op til flere kilometer og laser Doppler LiDAR instrumenter til vindkarakterisering med rækkevidder på mere end 500m.
En anden fordel ved kohærent lidar er den ret lave båndbredde af signalkæden. Hvis vi betragter bølgelængderne i fig. 3 (hvor laseren scanner fra 1550.002 til 1550ηm), kan fotodiodebåndbredden begrænses til nogle få hundrede MHz. direkte detektionssystemer kræver så bred en båndbredde som muligt (typisk mere end 2GHz) for at løse forkanten af den modtagne impuls.
Forståeligt nok tillader den smallere båndbredde brugen af gensidige impedansforstærkere med lavere støj og langsommere analog-til-digital-omformere på fotodioden.
Endelig giver kohærent detektion hastighedsinformation pr. punkt. Fordelen ved hastighed per punkt er, at det er en ekstra kontekstuel metrik, som efterfølgende sensingsystemer kan bruge, når de fortolker LiDAR (og andre sensor) data, hvilket gør det muligt at træffe mere informerede beslutninger.
De forskellige fordele ved kohærent detektion er derfor betydelige, men sammenhængende lidar er ikke uden sine udfordringer.
Laseren skal være i stand til at bevare sin faseintegritet over en tilstrækkelig lang periode til, at dens lys kan nå og vende tilbage fra det fjerneste mål. Hvis laserens fase ændres væsentligt i løbet af transmissionstiden, kan kohærens gå tabt og kan resultere i slørede afstandsmålinger. Derudover skal det være FM (i tilfælde af FMCW). De fleste diodelasere er ikke op til opgaven, men nogle halvlederafstembare lasere er dukket op på det kommercielle marked.
Derudover er ikke alle scanningsmekanismer kompatible med kohærent detektion. Modtageren skal observere hvert punkt længe nok til at tillade lyset at nå og vende tilbage fra det længst mulige mål, da retursignalet skal blandes med det transmitterede signal. For eksempel kræver en rækkevidde på 300 m, at scanningsmekanismen forbliver stationær i mindst 2 μs, men mange kontinuerligt bevægende scanningsmekanismer er ikke i stand til at gøre det.
Endelig er det vigtigt at bemærke, at signalbehandlingsopgaven for kohærent lidar er væsentligt større end direkte detektion. Heldigvis har halvlederproducenter introduceret kraftfulde system-on-chip (SoC) produkter, der integrerer datakonvertere, mikrocontrollere og DSP'er med FFT gaspedaler for at opfylde disse signalbehandlingsbehov: indie Semiconductors iND83301 Surya LIDAR SoC er et sådant eksempel.
OVERSIGT
Forskellige lidar-applikationer drager fordel af forskellige designtilgange. Som tidligere nævnt kan højeffekt pulseret direkte detektion fungere godt i applikationer som luftbårne jordundersøgelser, hvor der kræves ultralange rækkevidder, og hvor der er ringe risiko for, at LiDAR-systemer interfererer med hinanden eller skader det menneskelige øje.
Men til applikationer som ADAS og automatiserede landkøretøjer, der kræver en række af<1km and where other potentially interfering LiDAR systems are likely to be deployed, coherent detection (and in particular FMCW) offers a number of advantages. These include immunity to interference (including solar), high signal-to-noise ratio (important in adverse weather conditions), locally accurate velocity detection (providing additional information to the sensing system), and ease of system modification. For these reasons, coherent LiDAR detection is gaining momentum given the multiple use cases, especially next-generation automotive sensing.
