LiDAR צובר במהירות עניין ונפרס ב-ADAS ובמערכות חישת רכב אוטומטיות, אך יש דרכים שונות ליישם את הטכנולוגיה. מאמר זה מסביר את הגישות הללו ואת היתרונות היחסיים של זיהוי LiDAR קוהרנטי.
זיהוי וטווח אור (לידר) הומשג לראשונה בשנות ה-30 של המאה הקודמת, כמעט במקביל לגילוי רדיו וטווח טווח (רדאר). עם זאת, הטכנולוגיה לא הוכחה עד להופעת הלייזרים בשנות ה-60, ובשנים הבאות הובילה התפתחות התקשורת האופטית להתקדמות משמעותית בלייזרים ובטכנולוגיית אפנון אופטי.
בשנת 2008, מערכת ה-LiDAR הראשונה הזמינה מסחרית, שנקראה בתחילה 'רדאר אופטי', הופיעה לראשונה במכונית נוסעים של וולוו. טכנולוגיה פורצת דרך זו מניעה את אחת ממערכות בלימת החירום האוטומטית הראשונות (AEB), המאפשרת לרכבים לבלום אוטומטית כדי למנוע או למתן התנגשויות מאחור.
לאחר הצגתו המוקדמת לפני 15 שנה (והחלפתו לאחר מכן במכ"ם כחלופה זולה יותר ל-AEB), לידר ברזולוציה גבוהה התפתח במהירות והפך לחיישן מפתח ברזולוציה גבוהה עבור תוכניות מכוניות לנהיגה עצמית וטיפח מגוון של טכנולוגיות סטארט-אפים חדשניים וממומנים היטב. הטכנולוגיה מציעה טווח גדול יותר, רזולוציה מעולה והדמיה תלת מימדית בזמן אמת של סביבת הרכב, הטכנולוגיה מבשילה כעת לפרדיגמת חיישנים חשובה לא רק לנהיגה אוטונומית, אלא גם כדי להשלים את מערכות הסיוע לנהג מתקדמות (ADAS) במכוניות נוסעים ובמסחר. ציים.
חיישני LiDAR פולטים פוטונים בספקטרום האינפרא אדום כדי לזהות וליצור תמונות תלת מימד של הסביבה שלהם. הם מתגלים כפופולריים מאוד ביישומי רכב. היתרון העיקרי של LiDAR על פני מכ"ם הוא שלאור המשמש יש אורך גל קצר מאוד, המאפשר מדידות מדויקות. בנוסף, LIDAR יכול לפעול בכל תנאי תאורה ובעל טווח זיהוי טוב יותר בהשוואה למצלמות. ניתן להתייחס לנתונים שנלכדו על ידי חיישני LIDAR כ"ענן נקודות".
ישנם דברים רבים שיש לקחת בחשבון בעת פיתוח מערכת LiDAR, כגון באיזה אורך גל להשתמש, כיצד לסרוק וכיצד להתמודד עם הפרעות. עם זאת, ההחלטה הגדולה ביותר שהמערכת צריכה לקבל היא הדרך הטובה ביותר לזהות את הפוטונים החוזרים. ישנם שני מתמודדים עיקריים, זיהוי ישיר וגילוי קוהרנטי.
זיהוי ישיר
במערכת זיהוי ישיר, נפלט דופק לייזר המתחיל למעשה טיימר. כאשר מתקבלת החזרה של דופק הלייזר, הוא עוצר ומחשב את המרחק על סמך הזמן שחלף. ראה איור 1.
איור 1: מכיוון שמהירות האור (c) קבועה, המרחק למטרה הוא Δtc/2, כאשר Δt הוא הזמן בין תחילת שידור הפוטונים לבין חזית קליטת הפוטונים.
למרחקים של עד כ-50 מ', אין צורך בלייזר חד-מוד מתכוונן איכותי (שכן הוא פשוט מקור שדוחס מספר רב של פוטונים בזמן קצר) או אפנון, ובכך מפשט את מעגלי ההנעה. גם לא נדרשת אופטיקה מדויקת כדי לפצות על סטייות בחזית הגל.
למה הטווח הקצר? ככל ששטח ההארה גדל עם המרחק, הספק ההחזר פוחת (כריבוע המרחק). הערה: הנוסחה לחישוב זה היא: הספק חוזר שווה בקירוב להספק שידור x (אזור יעד/אזור הארה) x (אזור קליטה/(π x טווח2)). אי אפשר להימנע מאובדן זה, ולכן הפתרון הפשוט ביותר הוא להעביר יותר כוח או להגביר את רגישות המקלט.
עם זאת, יש גבול לכמות כוח הלייזר שניתן להשתמש בה. אור אינפרא אדום (IR) אינטנסיבי (800 עד 1400ηm) עלול לפגוע בראיית האדם. עצם הגדלת כוח השידור של אור NIR ביישומי ADAS או מכוניות בנהיגה עצמית עלולה להוות סכנה למשתמשי כביש ולהולכי רגל אחרים.
כדי לשפר את רגישות הקליטה, ניתן להגדיל את איסוף הפוטונים על ידי שימוש בעדשות קליטה בשטח גדול יותר. בנוסף, ניתן להשתמש בפוטודיודות מפולת (APDs, photodiodes עם רווח פנימי) למרות שהן נוטות להיות יקרות, שבריריות וקטנות (מה שמסבך עוד יותר את האופטיקה של המערכת) ויכולות לספק רווח של בערך פי 15 לפני רעש שנוצר בעצמו הופך לבעיה A. סוגים אחרים של חיישנים, כגון גלאי מפולת צילום (GMAPD) ו-Single Photon Avalanche Detectors (SPAD), מספקים רגישות טובה יותר במערכות LIDAR לזיהוי ישיר, אך יעילים פחות בסביבות מושלגות, מאובקות או ערפיליות.
בנוסף, כל מערכות הזיהוי דורשות צורה כלשהי של הפחתת הפרעות. בין אם זה מכ"ם או LIDAR, המערכת צריכה לדעת שהאות (או גלי רדיו פועמים או פוטונים) הנקלט על ידי המקלט מגיע מהמשדר. בעיות הפרעות התעוררו בימים הראשונים של מכ"ם מכוניות פועם. ברגע שמכוניות רבות צוידו במכ"ם, הפרעות הדדיות הפכו לבעיה. הפתרון הפופולרי ביותר היה לעבור לטכניקות גילוי קוהרנטיות, כאשר מערכת המכ"ם משתמשת בעיקר בגלים רציפים מאופנים בתדר (FMCW - ראה להלן).
מגבלה נוספת של lidar זיהוי ישיר היא שהוא אינו מודד ישירות את המהירות בכל נקודה - במקום זאת, יש לחשב אותה על ידי קביעה כיצד הטווח משתנה לאורך זמן (כלומר השוואה של מספר פריימים עוקבים), מה שעלול לפגוע בהיענות המערכת.
זיהוי קוהרנטי ו-FMCW
זה כולל ערבוב של דגימות של אור בולט עם אור משודר, שיש לו שני יתרונות עיקריים. ראשית, הגברה נטולת רעש של רווח פוטון יכולה להיות מושגת באמצעות הפרעות באורך פאזה (כלומר, האות המתקבל מוכפל באות המשודר), מה שמאפשר למערכת להשיג רגישות מעולה עם לייזרים בהספק נמוך מאוד. שנית, ערבוב האותות המשודרים והמתקבלים הופך את מערכת LiDAR לסלקטיבית ביותר, שכן פשוט מתעלמים מאור שאינו בדיוק אותו אורך גל (למשל, אור שמש או אור ממערכות LiDAR שכנות).
ישנן מספר דרכים ליישם מערכות LiDAR לזיהוי קוהרנטי, אך הפופולרית ביותר היא אפנון גל מתמשך עם תדר (FMCW). איור 2 מציג דוגמה פשוטה.
איור 2: הלייזר פועל בסביבות 1550 ננומטר ומווסת בכמה מאות מגה-הרץ (למשל, מ-1550.002 ל-1550 ננומטר). האות הנפלט (והמוחזר) הוא בערך 200 THz. לאחר ערבוב אופטי, הפוטודיודה מציגה את הסכום וההפרש של שני האותות. לפוטודיודה יש רוחב פס מוגבל ואינה מגיבה לסכומים של כ-400 THz ויכולה לזהות רק אותות הבדלים של כמה מאות מגה-הרץ.
בפועל, הלייזר נסרק למעלה ולמטה בתדירות כדי לייצר פרופיל שן מסור (תדירות מול זמן) שממנו ניתן לגזור מרחק ומהירות; עבור האחרונים, שקול את אפקט הדופלר. איור 3 מציג סקירה מפורטת יותר של האופטיקה.
איור 3: רכיבים אופטיים עיקריים של מערכת FMCW lidar.
למרות שהם מורכבים יותר ממערכות זיהוי ישיר, ל-FMCW lidars יש יתרונות רבים. לדוגמה, כפי שהוזכר לעיל, אות ההחזרה מוכפל בדגימה הנרכשת ממקור השידור (מתנד מקומי, LO באיור 4). בשל אובדן הנתיב הגבוה של הלידר, אפילו כמה אחוזים מה-LO יכולים להיות גדולים בהרבה מהאות החזרה. כמות הגברת האותות גבוהה מאוד, אך מוגבלת לאותות בעלי אותו אורך גל בדיוק, מה שמוביל ליעילות פוטון גבוהה.
לדוגמה, מערכת FMCW lidar עם טווח של כ-300 מ' ניתנת למימוש עם הספק לייזר של פחות מ-200mW. עבור אותו טווח, מערכת זיהוי ישיר דומה תדרוש פי 1000 משיא ההספק. יש לציין כי FMCW נמצאת בלב תחומים אחרים של LiDAR; לדוגמה, מכשירי גובה אופטיים עם טווחים של עד מספר קילומטרים ומכשירי לייזר דופלר LiDAR לאפיון רוח עם טווחים של יותר מ-500 מטר.
יתרון נוסף של לידר קוהרנטי הוא רוחב הפס הנמוך למדי של שרשרת האותות. אם ניקח בחשבון את אורכי הגל באיור 3 (שם הלייזר סורק מ-1550.002 ל-1550ηm), ניתן להגביל את רוחב הפס של הפוטודיודה לכמה מאות מגה-הרץ. מערכות זיהוי ישיר דורשות רוחב פס רחב ככל האפשר (בדרך כלל יותר מ-2GHz) על מנת לפתור את הקצה המוביל של הפולס המתקבל.
באופן מובן, רוחב הפס הצר יותר מאפשר שימוש במגברי עכבה הדדית עם רעש נמוך יותר וממירים אנלוגיים לדיגיטליים איטיים יותר על הפוטודיודה.
לבסוף, זיהוי קוהרנטי מספק מידע מהירות לכל נקודה. היתרון של מהירות לכל נקודה הוא שזהו מדד הקשרי נוסף שמערכות חישה עוקבות יכולות להשתמש בו בעת פירוש נתוני LiDAR (וחיישנים אחרים), מה שמאפשר לקבל החלטות מושכלות יותר.
היתרונות השונים של זיהוי קוהרנטי הם אפוא משמעותיים, אך לידאר קוהרנטי אינו חף מאתגרים.
הלייזר חייב להיות מסוגל לשמור על שלמות הפאזה שלו לאורך זמן מספיק ארוך כדי שהאור שלו יגיע ויחזור מהמטרה הרחוקה ביותר. אם שלב הלייזר משתנה באופן משמעותי לאורך זמן השידור, הקוהרנטיות עלולה לאבד ולגרום למדידות מרחק מטושטשות. בנוסף, זה חייב להיות FM (במקרה של FMCW). רוב לייזרים הדיודות לא עומדים במשימה, אבל כמה לייזרים ניתנים לכיוון מוליכים למחצה הופיעו בשוק המסחרי.
בנוסף, לא כל מנגנוני הסריקה תואמים לזיהוי קוהרנטי. המקלט צריך לצפות בכל נקודה מספיק זמן כדי לאפשר לאור להגיע ולחזור מהמטרה הרחוקה ביותר האפשרית, שכן יש לערבב את אות החזרה עם האות המשודר. לדוגמה, טווח של 300 מ' מחייב את מנגנון הסריקה להישאר נייח לפחות 2 מיקרומטרים, אך מנגנוני סריקה רבים הנעים ברציפות אינם מסוגלים לעשות זאת.
לבסוף, חשוב לציין שמשימת עיבוד האותות של lidar קוהרנטי גדולה משמעותית מזיהוי ישיר. למרבה המזל, יצרני מוליכים למחצה הציגו מוצרי מערכת-על-שבב (SoC) רבי עוצמה המשלבים ממירי נתונים, מיקרו-בקרים ו-DSP עם דוושות גז FFT כדי לענות על צורכי עיבוד האותות הללו: ה-iND83301 Surya LIDAR SoC של indie Semiconductor הוא דוגמה כזו.
סקירה כללית
יישומי Lidar שונים נהנים מגישות עיצוב שונות. כפי שהוזכר קודם לכן, זיהוי ישיר פועם בעוצמה גבוהה יכול לעבוד היטב ביישומים כמו סקרים קרקעיים מוטסים שבהם נדרשים טווחים ארוכים במיוחד ובהם קיים סיכון קטן שמערכות LiDAR יפריעו זו לזו או יפגעו בעין האנושית.
עם זאת, עבור יישומים כגון ADAS וכלי רכב קרקעיים אוטומטיים הדורשים מגוון של<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.
