כיצד פועלות "עיניים" של לידר?
לפני שנדבר על מדוע אבק משפיע על אפקט הזיהוי של לידר, עלינו להבהיר תחילה כיצד לידר עובד.
LiDAR (LiDAR, שם מלא Light Detection and Ranging) הוא חיישן פעיל הפולט קרן לייזר בעצמו, וקרן הלייזר משתקפת בחזרה לאחר פגיעה בעצמים מסביב. על ידי מדידת הזמן שלוקח לכל פולס לייזר לחזור מהפליטה, ניתן לחשב את המרחק והכיוון של אובייקט המטרה, ובכך לבנות ענן נקודות תלת מימדי של הסביבה הסובבת.
עיצוב זה יכול לקבל מידע סביבתי מדויק מאוד בתנאים אידיאליים, אך הוא יושפע מאוד אם יתקל בעצמים כמו טיפות גשם, עשן, אבק וכו'. מכשולים אלו ישפיעו על קרן הלייזר, ובכך ישפיעו על איכות האות המוחזר.
כיצד אבק מפריע לאותות לייזר?
כשבני אדם נוהגים במכוניות, אם יש אבק בסביבה, למעשה יש לזה השפעה מועטה. אבל עבור לידר, אבק הוא למעשה מקור מאוד בעייתי להפרעות.
כאשר קרן הלייזר פוגשת חלקיקי אבק באוויר, מתרחשת פיזור, והאור שאמור לנוע במקור בקו ישר מוסט על ידי חלקיקי האבק. פיזור כזה יגרום לאות ההחזרה להיות חלש ומטושטש יותר, וייתכן שחלק מהאור אפילו לא יחזור לקצה המקבל. ככל שיש יותר אבק, פיזור כתמי האור יהיה רציני יותר, והאות האפקטיבי שזוהה יהיה חלש יותר. זה יתבטא בסופו של דבר כעלייה ברעש בנתוני ענן הנקודות, קווי מתאר לא ברורים של אובייקט, ואפילו הערכה שגויה של המערכת שאין מכשול.
בנוסף להסטת האור, האבק גורם גם לאובדן האנרגיה של האלומה במהלך ההתפשטות, מה שגורם לירידה בעוצמת האות שמקבל מקלט הרדאר. ברגע שעוצמת האות יורדת לסביבות רמת הרעש של החיישן, קשה להבחין במדויק בין השתקפויות אמיתיות לבין רעשי רקע, מה שמשפיע ישירות על דיוק הטווח ועל היכולת לזהות עצמים מרוחקים.
אבק יכול גם לגרום לזיהום של חלונות צפייה ב-LiDAR. קרני שידור וקליטה של LiDAR צריכות לעבור דרך זכוכית או חלון מגן שקוף. אם יש אבק צמוד לפני השטח של החלון הזה, והוא מצטבר בהדרגה והופך סמיך יותר עם הזמן, הלייזר יפיק השתקפות וספיגה מפושטת במעבר בשכבת זיהום זו, והאות של הקרן היוצאת וחוזרת ייחלש או אפילו ישנה את כיוונה. לסוג זה של חסימה פיזית יש השפעה רבה על האיכות הכוללת של ענן הנקודות. לא רק שמדידת המרחק תהיה לא מדויקת, אלא שהיא גם עלולה לגרום למערכת להאמין בטעות שיש מכשול לפניו או לא לראות כלל את האובייקט האמיתי.
כיצד להפחית את השפעת האבק על לידר
למעשה, הוצעו ויושמו אמצעי נגד רבים על הפרעות אבק.
רעיון אחד הוא להפחית את הידבקות האבק לחלון מהחומרה. בתכנון חומר המעטפת והציפוי של המכ"ם, ניתן להשתמש בחומרים בעלי העברת אור גבוהה ויכולת אנטי- חזקה כדי להפחית את הצטברות האבק על מכסה המגן, ובכך להבטיח שהלייזר נחסם כמה שפחות. לדוגמה, בתרחישי יישומים מסוימים, נעשה שימוש בכיסויי הגנה עם ציפוי ננו-נוגד זיהום על פני השטח כדי למנוע הדבקות של אבק ולהאריך את מחזור הניקוי של הציוד.
ברמת התוכנה, התעשייה פיתחה גם אלגוריתמי סינון וזיהוי ממוקדים. אלגוריתמים אלה ישלבו את העוצמה והמרחק של הד הלייזר ואת התפלגות הנקודות סביב ענן הנקודות כדי לקבוע אילו נקודות יש סיכוי גבוה יותר להיות רעש הנגרם מפיזור אבק, ולאחר מכן להסיר אותן מנתוני ענן הנקודות. "אלגוריתם הסרת אבק" כזה יכול לשחזר את מידע ענן הנקודות של הסביבה האמיתית במידה מסוימת ולהפחית את ההשפעה של מכשולים שווא.
שיטה נוספת היא היתוך חיישנים, כלומר שילוב של לידר עם סוגים אחרים של חיישנים. לדוגמה, מצלמות יכולות לספק מידע תמונה כדי לעזור להבחין בין אבק למטרות אמיתיות. לרדאר גלי מילימטר- יש יכולות חדירות טובות יותר עבור גשם, ערפל ואבק. שילובם יכול ליצור מערכת תפיסה חזקה יותר, שהיא הרבה יותר אמינה מאשר לידר בודד בסביבות מורכבות.
בכמה תרחישים קיצוניים מיוחדים, יתווספו אמצעי ניקוי אקטיביים, כגון התקנת התקני ניפוח אוויר, מברשות או מודולי ניקוי מכניים אחרים בצד החיצוני של הלידר כדי לנקות באופן קבוע אבק על פני החלון. עם זאת, לפתרון מסוג זה יש דרישות עלות ותחזוקה גבוהות יותר והוא משמש בעיקר בסביבות רובוטים תעשייתיות או מיוחדות.
לסיכום,
אבק משפיע על LiDAR במובנים רבים. זה לא רק משבש את נתיב התפשטות הלייזר אלא גם מפחית את עוצמת האות, מזהם את חלון החיישן, ובסופו של דבר מוביל לרעש מוגבר בנתוני ענן נקודתי, ירידה בדיוק הזיהוי, קיצור טווח הזיהוי ואפילו הערכה שגויה של מכשולים. ליישומים קריטיים-לבטיחותיים כמו נהיגה אוטונומית, לא ניתן להתעלם מהשפעות אלו.
