Огляд продуктів та рішень: LIDAR

10.01.2020

Цією публікацією ми маємо на меті ознайомити читача з деякими технологіями орієнтування у просторі для самокерованих (безпілотних) автомобілів.
За даними Markets Insider у найближчі 5 років ринок LiDAR виросте у двічі, що має додати ентузіазму українським розробникам.
Штучний інтелект, який є важливим компонентом таких систем, добре знайомий українським фахівцям. Для якісної обробки даних, штучний інтелект має отримати їх від сенсорних пристроїв.
Селток Фотонікс в якості постачальника компонентів готовий сприяти всім, хто займається дослідженням та розробкою лідарів.

Порівняльна таблиця основних систем візуалізації

Умови роботи пристрою / Ефективність	Відеокамера	Радар	Лідар
Темно, або мінімум світла	Звичайні камери не працюють Інфрачервоні дуже добре	Дуже добре незалежно від освітленості	Дуже добре
Значні зміни рівня освітленості	Виникає ефект засвічування	Дуже добре незалежно від освітленості	Дуже добре
Несприятливі погодні умови (дощ, сніг, туман)	Скорочується дистанція	Дуже добре	Скорочується дистанція
Кутова роздільна здатність	Низька для великої дистанції	Доступні 2 - 5 град. (в розробці 0.5 - 1 град.)	0.1 градус
Колір та контраст	Так	Не доступний	Колір не доступний Контраст обмежений
Вартість на сьогоднішній день	Невисока для звичайної 2-х мегапіксельної камери Висока для інфрачервоних камер	Середня вартість для 24 / 77 ГГц	Висока вартість комерціалізованих систем

Зображення, що демонструє можливості сучасних інфрачервоних відеокамер

ir camera.jpg

Джерело: ADASKY

Типове використання радарів у сучасних системах допомоги водієві ADAS

Typical Car Radar Field of View.jpg

Джерело: Anritsu Application Note

LIDAR (Light Detection And Ranging) - виявлення та визначення дальності за допомогою світла є оптичним аналогом традиційного RADAR (Radio Detection And Ranging) - виявлення та визначення дальності за допомогою радіохвиль. Оскільки частота оптичного випромінювання суттєво більша за частоту радіохвиль, лідар що використовує короткотривалі імпульси лазерного випромінювання, забезпечує значно кращу роздільну здатність. Подібно до того, як радар працює з різноманітними джерелами радіохвиль, лідар використовує широку лінійку лазерів. Основним фактором, що впливає на вибір лазера для лідара є тип цілі – рухома чи ні.

Коли ціль є нерухомою, вимірюється тільки відстань до неї. При цьому короткоімпульсні лідарні лазери застосовуються для вимірювання часу прольоту (Time-Of-Flight, TOF) кожного імпульсу в обох напрямках, що дає змогу розрахувати відстань до цілі.

Схема TOF

Якщо ж ціль рухається, і вам необхідно виміряти її швидкість, тоді необхідно використовувати лазер безперервної дії CW, що забезпечить точне вимірювання доплерівського зсуву та обчислення швидкості.
На малюнку нижче показаний приклад того, як можна визначити обидва - часовий зсув (t) та доплерівський зсув (Δf), використовуючи повторюваний шаблон лінійної частотної модуляції (linear frequency modulation - LFM).

Doppler Shift

Окрім лінійної частотної модуляції застосовується також нелінійна частотна модуляція, розріджена частотна модуляція (sparse frequency modulation), матричне кодування Костаса і навіть псевдослучайний фазовий шум.

Лідар працює на довжинах хвиль 905 нм та 1550 нм, кожна з яких має свої переваги та недоліки:

905 нм має кращу оптичну проникність в атмосфері, дозволяє використання недорогих кремнієвих детекторів
1550 нм краще для безпеки очей, менше залежить від перешкод спричинених дією сонячного світла, але потребує більш дорогих детекторів на основі арсеніду галію

Світло з довжиною хвилі 905 нм, здатне вразити сітківку. Якщо лазер буде занадто потужним, він може пошкодити око.
В свою чергу випромінювання з довжиною хвилі 1550 нм є нешкідливим для ока, що дозволяє таким лідарам працювати на більшій потужності, не шкодячи сітківці. Збільшення потужності дозволяє збільшувати дальність дії.

Поглинання випромінювання з довжиною хвилі 1550 нм атмосферною вологою в 100 разів більше ніж 905 нм

Завади від сонячного опромінення нижчі при роботі з частотою 1550 нм

Фотодетектори для лідар


Кремнієві ФЕП / SiPM / MPPC / SPAD SiPM з інтегрованою схемою зчитування	Лавинні фотодіоди / Si APD 16 або 64-канальні лінійні масиви Si APD з інтегрованою схемою зчитування	Кремнієві PIN фотодіоди / Si PIN 16 або 32-канальні лінійні масиви

Автор: Дмитро Шилов

Повернутися