Tá suim ag méadú go tapa ar LiDAR agus á imscaradh in ADAS agus i gcórais braite feithiclí uathoibrithe, ach tá bealaí éagsúla ann chun an teicneolaíocht a chur i bhfeidhm. Míníonn an páipéar seo na cineálacha cur chuige seo agus na buntáistí coibhneasta a bhaineann le braite LiDAR comhleanúnach.
Rinneadh brath agus raon solais (lidar) a choincheapadh den chéad uair sna 1930í, beagnach go comhuaineach le brath raidió agus raon (radar). Mar sin féin, ní raibh an teicneolaíocht cruthaithe go dtí teacht na léasair sna 1960í, agus sna blianta ina dhiaidh sin, tháinig forbairt na cumarsáide optúla chun cinn suntasach i léasair agus teicneolaíocht modhnú optúla.
Sa bhliain 2008, rinne an chéad chóras LiDAR a bhí ar fáil go tráchtálach, ar a dtugtar 'radar optúil' ar dtús, tús i gcarr paisinéirí Volvo. Cumhachtaíonn an teicneolaíocht cheannródaíoch seo ceann de na chéad chórais Coscánaithe Éigeandála Uathoibríoch (AEB), rud a chuireann ar chumas feithiclí coscánaithe go huathoibríoch chun imbhuailtí cúil a chosc nó a mhaolú.
Tar éis é a thabhairt isteach go luath 15 bliain ó shin (agus a athsholáthar le radar ina dhiaidh sin mar mhalairt níos saoire ar AEB), tá lidar ardtaifigh tar éis teacht chun cinn go tapa chun bheith ina phríomh-bhraiteoir ardtaifigh do chláir charranna féin-tiomána agus chothaigh sé éagsúlacht teicneolaíochta. gnólachtaí nuathionscanta nuálaíocha agus dea-mhaoinithe. Ag tairiscint raon níos mó, réiteach níos fearr, agus léirshamhlú 3D fíor-ama ar thimpeallacht na feithicle, tá an teicneolaíocht ag aibíocht anois ina paraidím braite tábhachtach, ní hamháin maidir le tiomáint uathrialach, ach freisin chun Ardchórais Chúnaimh Tiománaithe (ADAS) a chomhlánú i gcarranna paisinéirí agus tráchtála. cabhlaigh.
Astaíonn braiteoirí LiDAR fótóin sa speictream infridhearg chun íomhánna 3D dá dtimpeallacht a bhrath agus a chruthú. Tá an-tóir orthu in iarratais feithicleacha. Is é an príomhbhuntáiste a bhaineann le LiDAR thar radar ná go bhfuil tonnfhad an-ghearr ag an solas a úsáidtear, rud a cheadaíonn tomhais beachta. Ina theannta sin, is féidir le LIDAR oibriú in aon choinníollacha soilsithe agus tá raon braite níos fearr aige i gcomparáid le ceamaraí. Is féidir breathnú ar na sonraí arna ngabháil ag braiteoirí LIDAR mar “scamall pointe”.
Tá go leor rudaí le cur san áireamh agus córas LiDAR á fhorbairt, mar shampla cén tonnfhad is cóir a úsáid, conas scanadh a dhéanamh, agus conas déileáil le cur isteach. Mar sin féin, is é an cinneadh is mó atá le déanamh ag an gcóras ná conas is fearr na fótóin atá ag filleadh a bhrath. Tá dhá phríomh-iomaitheoir ann, braite díreach agus braite comhleanúnach.
Brath Díreach
I gcóras braite díreach, astaítear cuisle léasair, ag tosú go héifeachtach ar an lasc ama. Nuair a fhaightear an chuisle léasair ar ais, stopann sé agus ríomhann sé an t-achar bunaithe ar an am atá caite. Féach Fíor 1 .
Fíor 1: Ós rud é go bhfuil luas an tsolais (c) tairiseach, is é Δtc/2 an fad go dtí an sprioc, áit arb é Δt an t-am idir tús an tarchuir fótóin agus tosaigh glactha an fhótóin.
Ar feadh achair suas go dtí thart ar 50m, níl aon ghá le léasair aon-mhód tunable ardcháilíochta (toisc nach bhfuil ann ach foinse a chomhbhrúigh líon mór fótón i mbeagán ama) nó modhnú, rud a shimplíonn an ciorcadra tiomána. Níl optaic bheachtais ag teastáil ach oiread chun cúiteamh a dhéanamh ar shaobhadh toinne.
Cén fáth an raon gearr? De réir mar a mhéadaíonn an limistéar soilsithe le fad, laghdaítear an chumhacht fillte (mar chearnóg an achair). Nóta: Is í an fhoirmle chun é seo a ríomh: tá an chumhacht fillte thart ar cóimhéid le cumhacht a tharchur x (limistéar sprice/limistéar soilsithe) x (limistéar glactha/(π x raon2)). Ní féidir an caillteanas seo a sheachaint, mar sin is é an réiteach is simplí ná níos mó cumhachta a tharchur nó íogaireacht an ghlacadóra a mhéadú.
Mar sin féin, tá teorainn leis an méid cumhachta léasair is féidir a úsáid. Is féidir le solas dian infridhearg (IR) (800 go 1400ηm) lagú a dhéanamh ar fhís an duine. Is féidir le méadú ar chumhacht tarchurtha an tsolais NIR in ADAS nó i bhfeidhmchláir charranna féin-tiomána a bheith ina chontúirt d’úsáideoirí eile bóithre agus do choisithe.
Chun an íogaireacht glactha a fheabhsú, is féidir bailiú fótóin a mhéadú trí úsáid a bhaint as lionsaí glactha limistéir níos mó. Ina theannta sin, is féidir úsáid a bhaint as photodiodes avalanche (APDs, photodiodes le gnóthachan intreach), cé go mbíonn claonadh acu a bheith costasach, leochaileach agus beag (rud a chuireann casta breise ar optaic an chórais) agus ní féidir leo gnóthachan a sholáthar ach thart ar 15 uair roimh torann féin-ghinte. thiocfaidh chun bheith ina fadhb. Soláthraíonn cineálacha braiteoirí eile, ar nós Geiger Mode Avalanche Photodetectors (GMAPDs) agus Brathadóirí Maolán Fotóin Aonair (SPADs), íogaireacht níos fearr i gcórais díreach-bhraite LIDAR, ach níl siad chomh héifeachtach i dtimpeallachtaí sneachta, deannaigh nó ceo.
Ina theannta sin, teastaíonn cineál éigin maolaithe trasnaíochta ó gach córas braite. Cibé an radar nó LIDAR é, ní mór go mbeadh a fhios ag an gcóras go bhfuil an comhartha (tonnta raidió bíogacha nó fótóin) atá á fháil ag an nglacadóir ag teacht ón tarchuradóir. Tháinig saincheisteanna trasnaíochta chun cinn i laethanta tosaigh an radar feithicleach bíogach. Chomh luath agus a bhí go leor carranna feistithe le radair, tháinig fadhb le trasnaíocht fhrithpháirteach. Ba é an réiteach ba choitianta ná aistriú chuig teicnící braite comhleanúnacha, áit a n-úsáideann an córas radair go príomha tonnta leanúnacha modhnaithe minicíochta (FMCW - féach thíos).
Teorainn eile ar lidar braite díreach ná nach ndéanann sé an treoluas ag gach pointe a thomhas go díreach - ina ionad sin, ní mór é a ríomh trí chinneadh a dhéanamh ar an gcaoi a n-athraíonn an raon le himeacht ama (ie comparáid a dhéanamh idir frámaí iolracha ina dhiaidh sin), rud a d'fhéadfadh dochar a dhéanamh do shofhreagracht an chórais.
Brath Comhleanúnach agus FMCW
Is éard atá i gceist leis seo samplaí de sholas teagmhais a mheascadh le solas tarchurtha, a bhfuil dhá phríomhbhuntáiste aige. Gcéad dul síos, is féidir aimpliú gan torainn ar ghnóthachan fótóin a bhaint amach trí chur isteach ar fhad chéim (ie, déantar an comhartha faighte a iolrú faoin gcomhartha tarchurtha), rud a ligeann don chóras íogaireacht den scoth a bhaint amach le léasair cumhachta an-íseal. Ar an dara dul síos, trí na comharthaí tarchurtha agus faighte a mheascadh, déantar an córas LiDAR an-roghnach, mar ní dhéantar neamhaird de sholas nach bhfuil díreach mar an gcéanna tonnfhad (m.sh. solas na gréine nó solas ó chórais LiDAR sa chomharsanacht).
Tá roinnt bealaí ann chun córais braite comhleanúnacha LiDAR a chur i bhfeidhm, ach is é an modhnú tonnta leanúnach modhnaithe minicíochta (FMCW) an ceann is coitianta. Léiríonn Fíor 2 sampla simplithe.
Fíor 2: Feidhmíonn an léasair thart ar 1550 nm agus modhnaíonn sé ag cúpla céad MHz (m.sh., ó 1550.002 go 1550 nm). Tá an comhartha a astaítear (agus frithchaite) thart ar 200 THz. Tar éis meascadh optúil, cuireann an photodiode suim agus difríocht an dá chomhartha i láthair. Tá bandaleithead teoranta ag an bhfótadiode agus ní fhreagraíonn sé do shuimeanna de thart ar 400 THz agus ní féidir ach comharthaí difríochta de chúpla céad MHz a bhrath.
Go praiticiúil, déantar an léasair a scanadh suas agus síos i minicíocht chun próifíl sawtooth (minicíocht vs am) a tháirgeadh ónar féidir achar agus treoluas a dhíorthú; don dara ceann, breithnigh an éifeacht Doppler. Léiríonn Fíor 3 forbhreathnú níos mionsonraithe ar na snáthoptaice.
Fíor 3: Príomh-chomhpháirteanna optúla de chóras lidar FMCW.
Cé go bhfuil sé níos casta ná córais braite díreach, tá go leor buntáistí ag lidars FMCW. Mar shampla, mar a luadh thuas, déantar an comhartha tuairisceáin a iolrú faoin sampla a fuarthas ón bhfoinse tarchurtha (oscillator áitiúil, LO i bhFíor 4). Mar gheall ar chaillteanas cosán ard an lidar, is féidir fiú cúpla faoin gcéad den LO a bheith i bhfad níos mó ná an comhartha tuairisceáin. Tá an méid aimplithe comhartha an-ard, ach teoranta do chomharthaí atá díreach mar an gcéanna tonnfhad, rud a fhágann go bhfuil ard-éifeachtúlachtaí fótóin ann.
Mar shampla, is féidir córas lidar FMCW le raon de thart ar 300m a bhaint amach le cumhacht léasair níos lú ná 200mW. Maidir leis an raon céanna, bheadh 1000 uair an bhuaicchumhacht ag teastáil ó chóras braite díreach comhchosúil. Go háirithe, tá FMCW ag croílár réimsí eile de LiDAR; mar shampla, uirlisí altiméadrachta optúla le raonta suas le roinnt ciliméadar agus ionstraimí léasair Doppler LiDAR do thréithriú gaoithe le raonta níos mó ná 500m.
Buntáiste eile a bhaineann le lidar comhleanúnach ná bandaleithead sách íseal an slabhra comhartha. Má dhéanaimid machnamh ar na tonnfhaid i bhFíor 3 (i gcás ina scanann an léasair ó 1550.002 go 1550ηm), is féidir bandaleithead an fhótadiode a theorannú go cúpla céad MHz. Teastaíonn bandaleithead chomh leathan agus is féidir le córais braite dírí (go hiondúil níos mó ná 2GHz) chun ceannródaíocht na cuisle faighte a réiteach.
Intuigthe, ceadaíonn an bandaleithead níos cúinge úsáid a bhaint as aimplitheoirí comh-impedance torainn níos ísle agus tiontairí analóg-go-digiteach níos moille ar an bhfótadiode.
Ar deireadh, cuireann braite comhleanúnach faisnéis treoluas in aghaidh an phointe ar fáil. Is é an buntáiste a bhaineann le treoluas in aghaidh an phointe ná gur méadrach comhthéacsúil breise é ar féidir le córais braite ina dhiaidh sin a úsáid agus sonraí LiDAR (agus braiteoirí eile) á léirmhíniú, rud a fhágann gur féidir cinntí níos eolasaí a dhéanamh.
Tá na buntáistí éagsúla a bhaineann le braite comhleanúnach suntasach mar sin, ach níl dúshláin ag baint le lidar comhleanúnach.
Caithfidh an léasair a bheith in ann a sláine chéim a choinneáil thar thréimhse fada go leor chun go sroichfidh an solas agus go bhfillfidh sé ón sprioc is faide. Má athraíonn céim an léasair go suntasach le linn an ama tarchurtha, féadfar an comhleanúnachas a chailleadh agus d'fhéadfadh tomhais achair doiléir a bheith mar thoradh air. Ina theannta sin, caithfidh sé a bheith FM (i gcás FMCW). Níl an chuid is mó de léasair dé-óid chomh fada leis an tasc, ach tá roinnt léasair intunable leathsheoltóra le feiceáil ar an margadh tráchtála.
Ina theannta sin, níl gach meicníocht scanadh comhoiriúnach le braite comhleanúnach. Ní mór don ghlacadóir gach pointe a bhreathnú fada go leor chun ligean don solas an sprioc is faide agus is féidir a bhaint amach agus filleadh ar ais uaidh, ós rud é go gcaithfear an comhartha fillte a mheascadh leis an gcomhartha tarchurtha. Mar shampla, éilíonn raon 300 m go bhfanfaidh an mheicníocht scanadh ina stad ar feadh 2 μs ar a laghad, ach níl go leor meicníochtaí scanadh leanúnacha in ann é sin a dhéanamh.
Mar fhocal scoir, tá sé tábhachtach a thabhairt faoi deara go bhfuil an tasc próiseála comhartha de lidar comhleanúnach i bhfad níos mó ná a bhrath díreach. Go fortunately, tá táirgí cumhachtacha córais-ar-sliseanna (SoC) tugtha isteach ag monaróirí leathsheoltóra a chomhtháthaíonn tiontairí sonraí, microcontrollers, agus DSPanna le pedals gáis FFT chun freastal ar na riachtanais próiseála comhartha seo: sampla amháin den sórt sin é Surya LIDAR SoC indie Semiconductor iND83301.
FORBHREATHNÚ
Baineann iarratais éagsúla lidar leas as cineálacha éagsúla cur chuige dearaidh. Mar a luadh níos luaithe, féadann braiteadh díreach bíogach ardchumhachta oibriú go maith in iarratais ar nós suirbhéanna aerbheirthe ar an talamh ina bhfuil raonta ultra-fhada ag teastáil agus nuair is beag an baol go gcuirfeadh córais LiDAR isteach ar a chéile nó go ndéanfaidh siad dochar don tsúil dhaonna.
Mar sin féin, maidir le feidhmchláir amhail ADAS agus feithiclí talún uathoibrithe a dteastaíonn raon de<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.
