Mae LiDAR yn prysur ennill diddordeb ac yn cael ei ddefnyddio mewn ADAS a systemau synhwyro cerbydau awtomataidd, ond mae yna wahanol ffyrdd o weithredu'r dechnoleg. Mae'r papur hwn yn esbonio'r dulliau hyn a manteision cymharol canfod LiDAR yn gydlynol.
Cysyniadwyd canfod ac amrywio golau (lidar) am y tro cyntaf yn y 1930au, bron ar yr un pryd â chanfod ac amrywio radio (radar). Fodd bynnag, ni phrofwyd y dechnoleg tan ddyfodiad laserau yn y 1960au, ac yn y blynyddoedd dilynol, arweiniodd datblygiad cyfathrebu optegol at ddatblygiadau sylweddol mewn laserau a thechnoleg modiwleiddio optegol.
Yn 2008, ymddangosodd y system LiDAR oedd ar gael yn fasnachol am y tro cyntaf, a elwid yn wreiddiol yn 'radar optegol', mewn car teithwyr Volvo. Mae'r dechnoleg arloesol hon yn pweru un o'r systemau Brecio Argyfwng Awtomatig (AEB) cyntaf, gan alluogi cerbydau i frecio'n awtomatig i atal neu liniaru gwrthdrawiadau pen ôl.
Yn dilyn ei gyflwyno'n gynnar 15 mlynedd yn ôl (a'i ddisodli wedyn gan radar fel dewis rhatach i AEB), mae lidar cydraniad uchel wedi esblygu'n gyflym i ddod yn synhwyrydd cydraniad uchel allweddol ar gyfer rhaglenni ceir hunan-yrru ac mae wedi meithrin amrywiaeth o dechnolegau. busnesau newydd arloesol sydd wedi'u hariannu'n dda. Gan gynnig mwy o ystod, datrysiad uwch, a delweddu 3D amser real o amgylchoedd y cerbyd, mae'r dechnoleg bellach yn aeddfedu i fod yn batrwm synhwyrydd pwysig nid yn unig ar gyfer gyrru ymreolaethol, ond hefyd i ategu Systemau Cymorth Gyrwyr Uwch (ADAS) mewn ceir teithwyr a masnachol. fflydoedd.
Mae synwyryddion LiDAR yn allyrru ffotonau yn y sbectrwm isgoch i ganfod a chreu delweddau 3D o'u hamgylchoedd. Maent yn profi i fod yn boblogaidd iawn mewn cymwysiadau modurol. Prif fantais LiDAR dros radar yw bod gan y golau a ddefnyddir donfedd fer iawn, sy'n caniatáu ar gyfer mesuriadau manwl gywir. Yn ogystal, gall LIDAR weithredu mewn unrhyw amodau goleuo ac mae ganddo ystod ganfod well o'i gymharu â chamerâu. Gellir ystyried y data sy'n cael ei ddal gan synwyryddion LIDAR fel "cwmwl pwynt".
Mae llawer o bethau i'w hystyried wrth ddatblygu system LiDAR, megis pa donfedd i'w defnyddio, sut i sganio, a sut i ddelio ag ymyrraeth. Fodd bynnag, y penderfyniad mwyaf y mae'n rhaid i'r system ei wneud yw'r ffordd orau o ganfod y ffotonau sy'n dychwelyd. Mae dau brif gystadleuydd, canfod uniongyrchol a chanfod cydlynol.
Canfod Uniongyrchol
Mewn system ganfod uniongyrchol, mae pwls laser yn cael ei allyrru, gan ddechrau amserydd i bob pwrpas. Pan dderbynnir dychweliad pwls laser, mae'n stopio ac yn cyfrifo'r pellter yn seiliedig ar yr amser a aeth heibio. Gweler Ffigur 1.
Ffigur 1: Gan fod cyflymder golau (c) yn gyson, y pellter i'r targed yw Δtc/2, a Δt yw'r amser rhwng dechrau trosglwyddo ffoton a blaen derbyniad y ffoton.
Am bellteroedd hyd at tua 50m, nid oes angen laser un modd tiwnadwy o ansawdd uchel (gan ei fod yn ffynhonnell sy'n cywasgu nifer fawr o ffotonau mewn amser byr) neu fodiwleiddio, gan symleiddio'r cylchedwaith gyrru. Nid oes angen opteg fanwl ychwaith i wneud iawn am aberrations blaen tonnau.
Pam yr ystod fer? Wrth i'r ardal goleuo gynyddu gyda phellter, mae'r pŵer dychwelyd yn lleihau (fel sgwâr y pellter). Sylwer: Y fformiwla ar gyfer cyfrifo hyn yw: mae pŵer dychwelyd tua'r un faint â phŵer trawsyrru x (ardal darged / ardal goleuo) x (ardal derbyn / (π x amrediad2)). Ni ellir osgoi'r golled hon, felly yr ateb symlaf yw trosglwyddo mwy o bŵer neu gynyddu sensitifrwydd y derbynnydd.
Fodd bynnag, mae cyfyngiad ar faint o bŵer laser y gellir ei ddefnyddio. Gall golau agos-isgoch (IR) dwys (800 i 1400ηm) amharu ar olwg dynol. Gall cynyddu pŵer trosglwyddo golau NIR yn ADAS neu gymwysiadau ceir hunan-yrru fod yn beryglus i ddefnyddwyr eraill y ffyrdd a cherddwyr.
Er mwyn gwella'r sensitifrwydd derbyn, gellir cynyddu casgliad ffoton trwy ddefnyddio lensys derbyn ardal fwy. Yn ogystal, gellir defnyddio ffotodiodau eirlithriad (APDs, ffotodiodes gyda chynnydd cynhenid), er eu bod yn tueddu i fod yn ddrud, yn fregus ac yn fach (sy'n cymhlethu'r opteg system ymhellach) a gallant ond ddarparu cynnydd o tua 15 gwaith cyn sŵn hunan-gynhyrchiol. yn dod yn broblem. Mae mathau eraill o synwyryddion, megis Ffoto-synwyryddion Avalanche Mode Geiger (GMAPDs) a Synwyryddion Avalanche Ffoton Sengl (SPADs), yn darparu gwell sensitifrwydd mewn systemau LIDAR sy'n canfod yn uniongyrchol, ond maent yn llai effeithiol mewn amgylcheddau eira, llychlyd neu niwlog.
Yn ogystal, mae angen rhyw fath o liniaru ymyrraeth ar bob system ganfod. P'un a yw'n radar neu LIDAR, mae angen i'r system wybod bod y signal (naill ai tonnau radio pwls neu ffotonau) sy'n cael ei dderbyn gan y derbynnydd yn dod o'r trosglwyddydd. Cododd problemau ymyrraeth yn nyddiau cynnar radar modurol pwls. Unwaith y bydd llawer o geir wedi'u cyfarparu â radar, daeth ymyrraeth ar y cyd yn broblem. Yr ateb mwyaf poblogaidd oedd newid i dechnegau canfod cydlynol, lle mae'r system radar yn defnyddio tonnau parhaus wedi'u modiwleiddio amledd yn bennaf (FMCW - gweler isod).
Cyfyngiad arall ar lidar canfod uniongyrchol yw nad yw'n mesur y cyflymder ar bob pwynt yn uniongyrchol - yn lle hynny, rhaid ei gyfrifo trwy benderfynu sut mae'r amrediad yn newid dros amser (hy cymharu fframiau dilynol lluosog), a all amharu ar ymatebolrwydd system.
Canfod Cydlynol a FMCW
Mae hyn yn golygu cymysgu samplau o olau digwyddiad gyda golau a drosglwyddir, sydd â dwy brif fantais. Yn gyntaf, gellir ehangu cynnydd ffoton yn ddi-sŵn trwy ymyrraeth hyd cam (hy, mae'r signal a dderbynnir yn cael ei luosi â'r signal a drosglwyddir), sy'n caniatáu i'r system gyflawni sensitifrwydd rhagorol gyda laserau pŵer isel iawn. Yn ail, mae cymysgu'r signalau a drosglwyddir ac a dderbynnir yn gwneud y system LiDAR yn ddetholus iawn, gan fod golau nad yw'n union yr un donfedd (ee golau'r haul neu olau o systemau LiDAR cyfagos) yn cael ei anwybyddu.
Mae sawl ffordd o weithredu systemau canfod LiDAR cydlynol, ond y mwyaf poblogaidd yw modiwleiddio tonnau parhaus wedi'i fodiwleiddio amledd (FMCW). Mae Ffigur 2 yn dangos enghraifft symlach.
Ffigur 2: Mae'r laser yn gweithredu o gwmpas 1550 nm ac yn modiwleiddio ar rai cannoedd MHz (ee, o 1550.002 i 1550 nm). Mae'r signal a allyrrir (ac a adlewyrchir) tua 200 THz. Ar ôl cymysgu optegol, mae'r ffotodiode yn cyflwyno swm a gwahaniaeth y ddau signal. Mae gan y photodiode lled band cyfyngedig ac nid yw'n ymateb i symiau o tua 400 THz a dim ond ychydig gannoedd o MHz y gall ganfod signalau gwahaniaeth.
Yn ymarferol, caiff y laser ei sganio i fyny ac i lawr mewn amlder i gynhyrchu proffil sawtooth (amlder vs. amser) y gellir deillio pellter a chyflymder ohono; ar gyfer yr olaf, ystyriwch effaith Doppler. Mae Ffigur 3 yn dangos trosolwg manylach o'r opteg.
Ffigur 3: Prif gydrannau optegol system lidar FMCW.
Er eu bod yn fwy cymhleth na systemau canfod uniongyrchol, mae gan lidars FMCW lawer o fanteision. Er enghraifft, fel y crybwyllwyd uchod, mae'r signal dychwelyd yn cael ei luosi â'r sampl a gafwyd o'r ffynhonnell drosglwyddo (oscillator lleol, LO yn Ffigur 4). Oherwydd colled llwybr uchel y lidar, gall hyd yn oed ychydig y cant o'r LO fod yn llawer mwy na'r signal dychwelyd. Mae maint y mwyhad signal yn uchel iawn, ond yn gyfyngedig i signalau o'r un donfedd yn union, sy'n arwain at effeithlonrwydd ffotonau uchel.
Er enghraifft, gellir gwireddu system lidar FMCW gydag ystod o tua 300m gyda phŵer laser o lai na 200mW. Ar gyfer yr un ystod, byddai angen 1000 gwaith y pŵer brig ar system ganfod uniongyrchol debyg. Yn nodedig, mae FMCW wrth galon meysydd eraill LiDAR; er enghraifft, offerynnau altimetreg optegol gydag amrediadau o hyd at sawl cilomedr ac offer laser Doppler LiDAR ar gyfer nodweddu gwynt gydag amrediadau o fwy na 500m.
Mantais arall o lidar cydlynol yw lled band eithaf isel y gadwyn signal. Os byddwn yn ystyried y tonfeddi yn Ffig. 3 (lle mae'r laser yn sganio o 1550.002 i 1550ηm), gellir cyfyngu lled band y ffotodiode i ychydig gannoedd o MHz. Mae angen lled band mor eang â phosibl ar systemau canfod uniongyrchol (mwy na 2GHz fel arfer) er mwyn datrys ymyl blaen y pwls a dderbynnir.
Yn ddealladwy, mae'r lled band culach yn caniatáu defnyddio mwyhaduron rhwystriant sŵn is a thrawsnewidwyr analog-i-ddigidol arafach ar y ffotodiod.
Yn olaf, mae canfod cydlynol yn darparu gwybodaeth cyflymder fesul pwynt. Mantais cyflymder fesul pwynt yw ei fod yn fetrig cyd-destunol ychwanegol y gall systemau synhwyro dilynol ei ddefnyddio wrth ddehongli data LiDAR (a synhwyrydd arall), gan ei gwneud hi'n bosibl gwneud penderfyniadau mwy gwybodus.
Felly mae manteision amrywiol canfod cydlynol yn sylweddol, ond nid yw lidar cydlynol heb ei heriau.
Rhaid i'r laser allu cynnal ei gyfanrwydd cyfnod dros gyfnod digon hir o amser i'w olau gyrraedd a dychwelyd o'r targed pellaf. Os bydd cyfnod y laser yn newid yn sylweddol dros yr amser trosglwyddo, efallai y bydd cydlyniad yn cael ei golli a gall arwain at fesuriadau pellter aneglur. Yn ogystal, rhaid iddo fod yn FM (yn achos FMCW). Nid yw'r rhan fwyaf o laserau deuod yn cyflawni'r dasg, ond mae rhai laserau tiwnadwy lled-ddargludyddion wedi ymddangos ar y farchnad fasnachol.
Yn ogystal, nid yw pob mecanwaith sganio yn gydnaws â chanfod cydlynol. Mae angen i'r derbynnydd arsylwi pob pwynt yn ddigon hir i ganiatáu i'r golau gyrraedd a dychwelyd o'r targed pellaf posibl, gan fod angen cymysgu'r signal dychwelyd â'r signal a drosglwyddir. Er enghraifft, mae ystod o 300 m yn ei gwneud yn ofynnol i'r mecanwaith sganio aros yn llonydd am o leiaf 2 μs, ond mae llawer o fecanweithiau sganio sy'n symud yn barhaus yn methu â gwneud hynny.
Yn olaf, mae'n bwysig nodi bod tasg prosesu signal lidar cydlynol yn sylweddol fwy na chanfod uniongyrchol. Yn ffodus, mae gweithgynhyrchwyr lled-ddargludyddion wedi cyflwyno cynhyrchion system-ar-sglodyn (SoC) pwerus sy'n integreiddio trawsnewidwyr data, microreolyddion, a DSPs gyda phedalau nwy FFT i ddiwallu'r anghenion prosesu signal hyn: mae indie Semiconductor's iND83301 Surya LIDAR SoC yn un enghraifft o'r fath.
TROSOLWG
Mae gwahanol gymwysiadau lidar yn elwa o wahanol ddulliau dylunio. Fel y soniwyd yn gynharach, gall canfod pŵer uchel â phwls yn uniongyrchol weithio'n dda mewn cymwysiadau fel arolygon tir yn yr awyr lle mae angen amrediadau hir iawn a lle nad oes llawer o risg y bydd systemau LiDAR yn ymyrryd â'i gilydd neu'n niweidio'r llygad dynol.
Fodd bynnag, ar gyfer ceisiadau fel ADAS a cherbydau daear awtomataidd sydd angen ystod o<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.
