ما هي مزايا الليدار المتماسك مقارنة بالليدار التقليدي؟

تكتسب تقنية LiDAR اهتمامًا سريعًا ويتم نشرها في أنظمة مساعدة السائق المتقدمة وأنظمة الاستشعار الآلية للمركبات، ولكن هناك طرق مختلفة لتنفيذ هذه التقنية. تشرح هذه الورقة هذه الأساليب والمزايا النسبية لاكتشاف LiDAR المتماسك.

تم تصور اكتشاف الضوء والمدى (ليدار) لأول مرة في ثلاثينيات القرن العشرين، تقريبًا في وقت واحد مع الكشف الراديوي والمدى (الرادار). ومع ذلك، لم يتم إثبات هذه التقنية حتى ظهور الليزر في الستينيات، وفي السنوات التالية، أدى تطور الاتصالات البصرية إلى تقدم كبير في الليزر وتكنولوجيا التعديل البصري.

في عام 2008، ظهر أول نظام LiDAR متاح تجاريًا، والذي كان يسمى في البداية "الرادار البصري"، لأول مرة في سيارة ركاب فولفو. تعمل هذه التقنية المتقدمة على تشغيل أحد أول أنظمة مكابح الطوارئ التلقائية (AEB)، مما يتيح للمركبات استخدام المكابح تلقائيًا لمنع الاصطدامات الخلفية أو تخفيفها.

بعد طرحه مبكرًا قبل 15 عامًا (واستبداله لاحقًا بالرادار كبديل أرخص لجهاز AEB)، تطورت تقنية الليدار عالية الدقة بسرعة لتصبح مستشعرًا رئيسيًا عالي الدقة لبرامج السيارات ذاتية القيادة وعززت مجموعة متنوعة من التقنيات التكنولوجية. الشركات الناشئة المبتكرة والممولة بشكل جيد. من خلال تقديم نطاق أكبر ودقة فائقة وتصور ثلاثي الأبعاد في الوقت الفعلي لمحيط السيارة، تنضج هذه التكنولوجيا الآن لتصبح نموذجًا استشعاريًا مهمًا ليس فقط للقيادة الذاتية، ولكن أيضًا لتكملة أنظمة مساعدة السائق المتقدمة (ADAS) في سيارات الركاب والمركبات التجارية. الأساطيل.

تقوم مستشعرات LiDAR بإصدار فوتونات في طيف الأشعة تحت الحمراء لاكتشاف وإنشاء صور ثلاثية الأبعاد لمحيطها. لقد أثبتوا أنهم يتمتعون بشعبية كبيرة في تطبيقات السيارات. الميزة الرئيسية لـ LiDAR على الرادار هي أن الضوء المستخدم له طول موجي قصير جدًا، مما يسمح بإجراء قياسات دقيقة. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن يعمل LIDAR في أي ظروف إضاءة ويتمتع بنطاق كشف أفضل مقارنةً بالكاميرات. يمكن اعتبار البيانات التي تلتقطها أجهزة استشعار LIDAR بمثابة "سحابة نقطية".

هناك العديد من الأشياء التي يجب مراعاتها عند تطوير نظام LiDAR، مثل الطول الموجي الذي يجب استخدامه، وكيفية المسح، وكيفية التعامل مع التداخل. ومع ذلك، فإن القرار الأكبر الذي يتعين على النظام اتخاذه هو أفضل طريقة لاكتشاف الفوتونات العائدة. هناك نوعان من المتنافسين الرئيسيين، الكشف المباشر والكشف المتماسك.

الكشف المباشر
في نظام الكشف المباشر، تنبعث نبضة ليزر، مما يؤدي إلى بدء تشغيل المؤقت بشكل فعال. عند استقبال عودة نبضة الليزر، يتوقف ويحسب المسافة على أساس الوقت المنقضي. انظر الشكل 1.

الشكل 1: بما أن سرعة الضوء (c) ثابتة، فإن المسافة إلى الهدف هي Δtc/2، حيث Δt هو الوقت بين بداية إرسال الفوتون ومقدمة استقبال الفوتون.

بالنسبة للمسافات التي تصل إلى حوالي 50 مترًا، ليست هناك حاجة إلى ليزر أحادي الوضع قابل للضبط عالي الجودة (نظرًا لأنه مجرد مصدر يضغط عددًا كبيرًا من الفوتونات في وقت قصير) أو تعديل، وبالتالي تبسيط دائرة المحرك. ولا يلزم وجود بصريات دقيقة للتعويض عن انحرافات واجهة الموجة.

لماذا المدى القصير؟ ومع زيادة مساحة الإضاءة مع المسافة، تقل قوة الإرجاع (مثل مربع المسافة). ملحوظة: صيغة حساب ذلك هي: قدرة الإرجاع تساوي تقريبًا قدرة الإرسال x (منطقة الهدف/منطقة الإضاءة) x (منطقة الاستقبال/(π x range2)). ولا يمكن تجنب هذه الخسارة، لذا فإن الحل الأبسط هو نقل المزيد من الطاقة أو زيادة حساسية جهاز الاستقبال.

ومع ذلك، هناك حد لكمية طاقة الليزر التي يمكن استخدامها. يمكن لضوء الأشعة تحت الحمراء القريبة (IR) المكثف (800 إلى 1400 متر) أن يضعف الرؤية البشرية. إن مجرد زيادة قوة نقل ضوء NIR في أنظمة مساعدة السائق المتقدمة أو تطبيقات السيارات ذاتية القيادة يمكن أن يشكل خطراً على مستخدمي الطريق والمشاة الآخرين.

لتحسين حساسية الاستقبال، يمكن زيادة جمع الفوتون باستخدام عدسات استقبال ذات مساحة أكبر. بالإضافة إلى ذلك، يمكن استخدام الثنائيات الضوئية الانهيارية (APDs، الثنائيات الضوئية ذات الكسب الجوهري)، على الرغم من أنها تميل إلى أن تكون باهظة الثمن وهشة وصغيرة (مما يزيد من تعقيد بصريات النظام) ويمكن أن توفر كسبًا يبلغ حوالي 15 مرة فقط قبل الضوضاء المولدة ذاتيًا يصبح مشكلة. توفر أنواع المستشعرات الأخرى، مثل Geiger Mode Avalanche Photodetectors (GMAPDs) وكاشفات الانهيارات الجليدية أحادية الفوتون (SPADs)، حساسية أفضل في أنظمة LIDAR للكشف المباشر، ولكنها أقل فعالية في البيئات الثلجية أو المتربة أو الضبابية.

وبالإضافة إلى ذلك، تتطلب جميع أنظمة الكشف شكلاً من أشكال تخفيف التداخل. سواء كان رادارًا أو LIDAR، يحتاج النظام إلى معرفة أن الإشارة (إما موجات الراديو النبضية أو الفوتونات) التي يستقبلها جهاز الاستقبال تأتي من جهاز الإرسال. ظهرت مشكلات التداخل في الأيام الأولى لرادار السيارات النبضي. بمجرد تجهيز العديد من السيارات بالرادار، أصبح التدخل المتبادل مشكلة. كان الحل الأكثر شيوعًا هو التحول إلى تقنيات الكشف المتماسكة، حيث يستخدم نظام الرادار في المقام الأول الموجات المستمرة المعدلة بالتردد (FMCW - انظر أدناه).

هناك قيود أخرى على ليدار الاكتشاف المباشر وهو أنه لا يقيس السرعة بشكل مباشر عند كل نقطة - بدلاً من ذلك، يجب حسابه عن طريق تحديد كيفية تغير النطاق بمرور الوقت (أي مقارنة إطارات متعددة لاحقة)، مما قد يضعف استجابة النظام.

الكشف المتماسك وFMCW
يتضمن ذلك خلط عينات من الضوء الساقط مع الضوء المنقول، وهو ما له فائدتان رئيسيتان. أولاً، يمكن تحقيق تضخيم كسب الفوتون بدون ضوضاء من خلال تداخل طول الطور (أي يتم ضرب الإشارة المستقبلة في الإشارة المرسلة)، مما يسمح للنظام بتحقيق حساسية ممتازة باستخدام أشعة ليزر منخفضة الطاقة للغاية. ثانيًا، يؤدي خلط الإشارات المرسلة والمستقبلة إلى جعل نظام LiDAR انتقائيًا للغاية، حيث يتم تجاهل الضوء الذي ليس له نفس الطول الموجي تمامًا (على سبيل المثال، ضوء الشمس أو الضوء من أنظمة LiDAR المجاورة).

هناك عدة طرق لتنفيذ أنظمة LiDAR للكشف المتماسك، ولكن الأكثر شيوعًا هو تعديل الموجة المستمرة المعدلة بالتردد (FMCW). ويبين الشكل 2 مثالا مبسطا.

الشكل 2: يعمل الليزر حوالي 1550 نانومتر ويعدل عدة مئات من ميغاهيرتز (على سبيل المثال، من 1550.002 إلى 1550 نانومتر). تبلغ الإشارة المنبعثة (والمنعكسة) حوالي 200 هرتز. بعد الخلط البصري، يعرض الثنائي الضوئي مجموع الإشارتين والفرق بينهما. يحتوي الصمام الثنائي الضوئي على نطاق ترددي محدود ولا يستجيب لمبالغ تبلغ حوالي 400 هرتز ويمكنه فقط اكتشاف إشارات الاختلاف ببضع مئات ميجاهرتز.

من الناحية العملية، يتم مسح الليزر لأعلى ولأسفل في التردد لإنتاج ملف تعريف مسنن (التردد مقابل الوقت) يمكن من خلاله استخلاص المسافة والسرعة؛ بالنسبة للأخيرة، فكر في تأثير دوبلر. ويبين الشكل 3 نظرة عامة أكثر تفصيلاً للبصريات.

الشكل 3: المكونات البصرية الرئيسية لنظام ليدار FMCW.

على الرغم من أنها أكثر تعقيدًا من أنظمة الكشف المباشر، إلا أن كشافات FMCW تتمتع بالعديد من المزايا. على سبيل المثال، كما ذكر أعلاه، يتم ضرب إشارة العودة بالعينة المكتسبة من مصدر الإرسال (المذبذب المحلي، LO في الشكل 4). نظرًا لفقد المسار العالي لجهاز الليدار، فإن نسبة قليلة من LO يمكن أن تكون أكبر بكثير من إشارة الإرجاع. كمية تضخيم الإشارة عالية جدًا، ولكنها تقتصر على إشارات لها نفس الطول الموجي تمامًا، مما يؤدي إلى كفاءة فوتونية عالية.

على سبيل المثال، يمكن تحقيق نظام ليدار FMCW بمدى يبلغ حوالي 300 متر باستخدام طاقة ليزر أقل من 200 ميجاوات. وبالنسبة لنفس النطاق، فإن نظام الكشف المباشر المماثل سيتطلب 1000 مرة قوة الذروة. والجدير بالذكر أن FMCW يقع في قلب مناطق LiDAR الأخرى؛ على سبيل المثال، أجهزة قياس الارتفاع البصرية التي يصل مداها إلى عدة كيلومترات وأجهزة الليزر Doppler LiDAR لتوصيف الرياح بمدى يزيد عن 500 متر.

ميزة أخرى لليدار المتماسك هي النطاق الترددي المنخفض إلى حد ما لسلسلة الإشارة. إذا أخذنا في الاعتبار الأطوال الموجية في الشكل 3 (حيث يقوم الليزر بالمسح من 1550.002 إلى 1550ηm)، فيمكن أن يقتصر عرض نطاق الصمام الثنائي الضوئي على بضع مئات من ميغاهيرتز. تتطلب أنظمة الكشف المباشر أكبر عرض نطاق ممكن (عادةً أكثر من 2 جيجا هرتز) من أجل تحديد الحافة الأمامية للنبضة المستقبلة.

ومن المفهوم أن عرض النطاق الترددي الأضيق يسمح باستخدام مكبرات الصوت ذات المعاوقة المتبادلة ذات الضوضاء المنخفضة والمحولات التناظرية إلى الرقمية الأبطأ على الثنائي الضوئي.

وأخيرا، يوفر الكشف المتماسك معلومات السرعة لكل نقطة. تتمثل فائدة السرعة لكل نقطة في أنها مقياس سياقي إضافي يمكن أن تستخدمه أنظمة الاستشعار اللاحقة عند تفسير بيانات LiDAR (وأجهزة الاستشعار الأخرى)، مما يجعل من الممكن اتخاذ قرارات أكثر استنارة.

ولذلك فإن الفوائد المتنوعة للاكتشاف المتماسك تعتبر كبيرة، ولكن جهاز الليدار المتماسك لا يخلو من التحديات.

يجب أن يكون الليزر قادرًا على الحفاظ على سلامة مرحلته على مدى فترة زمنية طويلة بما يكفي حتى يصل ضوءه إلى الهدف الأبعد ويعود منه. إذا تغيرت مرحلة الليزر بشكل ملحوظ خلال وقت الإرسال، فقد يتم فقدان التماسك وقد يؤدي إلى عدم وضوح قياسات المسافة. بالإضافة إلى ذلك، يجب أن يكون FM (في حالة FMCW). معظم أجهزة الليزر ذات الصمام الثنائي لا ترقى إلى مستوى المهمة، ولكن ظهرت بعض أجهزة الليزر شبه الموصلة القابلة للضبط في السوق التجارية.

بالإضافة إلى ذلك، ليست كل آليات المسح متوافقة مع الكشف المتماسك. يحتاج جهاز الاستقبال إلى مراقبة كل نقطة لفترة كافية للسماح للضوء بالوصول إلى أبعد هدف ممكن والعودة منه، حيث يجب خلط إشارة العودة مع الإشارة المرسلة. على سبيل المثال، يتطلب مدى 300 متر أن تظل آلية المسح ثابتة لمدة 2 ميكروثانية على الأقل، لكن العديد من آليات المسح المتحركة باستمرار غير قادرة على القيام بذلك.

أخيرًا، من المهم ملاحظة أن مهمة معالجة الإشارة لليدار المتماسك أكبر بكثير من الكشف المباشر. لحسن الحظ، قدم مصنعو أشباه الموصلات منتجات قوية على الرقاقة (SoC) تدمج محولات البيانات ووحدات التحكم الدقيقة ومزودي الخدمات الرقمية مع دواسات غاز FFT لتلبية احتياجات معالجة الإشارات هذه: يعد iND83301 Surya LIDAR SoC من شركة indie Semiconductor أحد الأمثلة على ذلك.

ملخص
تستفيد تطبيقات الليدار المختلفة من أساليب التصميم المختلفة. كما ذكرنا سابقًا، يمكن أن يعمل الكشف المباشر النبضي عالي الطاقة بشكل جيد في تطبيقات مثل المسوحات الأرضية المحمولة جواً حيث تكون هناك حاجة إلى نطاقات طويلة جدًا وحيث يكون هناك خطر ضئيل من تداخل أنظمة LiDAR مع بعضها البعض أو الإضرار بالعين البشرية.

ومع ذلك، بالنسبة لتطبيقات مثل ADAS والمركبات الأرضية الآلية التي تتطلب نطاقًا من<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.