LiDAR dengan cepat mendapatkan perhatian dan diterapkan pada ADAS dan sistem penginderaan kendaraan otomatis, namun terdapat berbagai cara untuk menerapkan teknologi ini. Makalah ini menjelaskan pendekatan-pendekatan ini dan keuntungan relatif dari deteksi LiDAR yang koheren.
Deteksi dan jangkauan cahaya (lidar) pertama kali dikonsep pada tahun 1930-an, hampir bersamaan dengan deteksi dan jangkauan radio (radar). Namun, teknologi tersebut belum terbukti sampai munculnya laser pada tahun 1960an, dan pada tahun-tahun berikutnya, perkembangan komunikasi optik membawa kemajuan signifikan dalam teknologi laser dan modulasi optik.
Pada tahun 2008, sistem LiDAR pertama yang tersedia secara komersial, awalnya disebut 'radar optik', memulai debutnya di mobil penumpang Volvo. Teknologi terobosan ini mendukung salah satu sistem Pengereman Darurat Otomatis (AEB) pertama, yang memungkinkan kendaraan mengerem secara otomatis untuk mencegah atau mengurangi tabrakan dari belakang.
Setelah diperkenalkan pertama kali 15 tahun yang lalu (dan kemudian digantikan oleh radar sebagai alternatif yang lebih murah dibandingkan AEB), lidar resolusi tinggi telah berkembang pesat menjadi sensor resolusi tinggi utama untuk program mobil self-driving dan telah mengembangkan berbagai teknologi. start-up yang inovatif dan didanai dengan baik. Menawarkan jangkauan yang lebih luas, resolusi superior, dan visualisasi 3D real-time di sekitar kendaraan, teknologi ini kini berkembang menjadi paradigma sensor penting tidak hanya untuk mengemudi otonom, tetapi juga untuk melengkapi Advanced Driver Assistance Systems (ADAS) pada mobil penumpang dan komersial. armada.
Sensor LiDAR memancarkan foton dalam spektrum inframerah untuk mendeteksi dan membuat gambar 3D di sekitarnya. Mereka terbukti sangat populer dalam aplikasi otomotif. Keunggulan utama LiDAR dibandingkan radar adalah cahaya yang digunakan memiliki panjang gelombang yang sangat pendek, sehingga memungkinkan pengukuran yang tepat. Selain itu, LIDAR dapat beroperasi dalam kondisi pencahayaan apa pun dan memiliki jangkauan deteksi yang lebih baik dibandingkan kamera. Data yang ditangkap oleh sensor LIDAR dapat dianggap sebagai “point cloud”.
Ada banyak hal yang perlu dipertimbangkan ketika mengembangkan sistem LiDAR, seperti panjang gelombang yang digunakan, cara memindai, dan cara mengatasi interferensi. Namun, keputusan terbesar yang harus diambil sistem adalah cara terbaik mendeteksi foton yang kembali. Ada dua pesaing utama, deteksi langsung dan deteksi koheren.
Deteksi Langsung
Dalam sistem deteksi langsung, pulsa laser dipancarkan, yang secara efektif memulai pengatur waktu. Ketika kembalinya pulsa laser diterima, ia berhenti dan menghitung jarak berdasarkan waktu yang telah berlalu. Lihat Gambar 1.
Gambar 1: Karena kecepatan cahaya (c) konstan, jarak ke target adalah Δtc/2, di mana Δt adalah waktu antara dimulainya transmisi foton dan bagian depan penerimaan foton.
Untuk jarak hingga sekitar 50m, tidak diperlukan laser mode tunggal merdu berkualitas tinggi (karena ini hanyalah sumber yang memampatkan foton dalam jumlah besar dalam waktu singkat) atau modulasi, sehingga menyederhanakan sirkuit penggerak. Optik presisi juga tidak diperlukan untuk mengkompensasi penyimpangan muka gelombang.
Mengapa jaraknya pendek? Ketika area iluminasi bertambah seiring bertambahnya jarak, daya baliknya berkurang (berdasar kuadrat jarak). Catatan: Rumus untuk menghitungnya adalah: daya balik kira-kira sama dengan daya pancar x (area target/area iluminasi) x (area penerimaan/(π x rentang2)). Kerugian ini tidak dapat dihindari, jadi solusi paling sederhana adalah mengirimkan lebih banyak daya atau meningkatkan sensitivitas penerima.
Namun, ada batasan jumlah daya laser yang dapat digunakan. Cahaya inframerah-dekat (IR) yang intens (800 hingga 1400ηm) dapat mengganggu penglihatan manusia. Meningkatkan daya transmisi lampu NIR pada ADAS atau aplikasi mobil self-driving saja dapat menimbulkan bahaya bagi pengguna jalan lain dan pejalan kaki.
Untuk meningkatkan sensitivitas penerimaan, pengumpulan foton dapat ditingkatkan dengan menggunakan lensa penerima dengan area yang lebih luas. Selain itu, fotodioda longsoran (APD, fotodioda dengan penguatan intrinsik) dapat digunakan, meskipun harganya cenderung mahal, rapuh, dan kecil (yang semakin memperumit optik sistem) dan hanya dapat memberikan penguatan sekitar 15 kali sebelum kebisingan yang dihasilkan sendiri. menjadi masalah A. Jenis sensor lainnya, seperti Geiger Mode Avalanche Photodetectors (GMAPDs) dan Single Photon Avalanche Detectors (SPADs), memberikan sensitivitas yang lebih baik dalam sistem LIDAR pendeteksian langsung, namun kurang efektif di lingkungan bersalju, berdebu, atau berkabut.
Selain itu, semua sistem deteksi memerlukan beberapa bentuk mitigasi interferensi. Baik itu radar atau LIDAR, sistem perlu mengetahui bahwa sinyal (baik gelombang radio berdenyut atau foton) yang diterima oleh penerima berasal dari pemancar. Masalah interferensi muncul pada masa-masa awal radar otomotif berdenyut. Ketika banyak mobil dilengkapi dengan radar, saling campur tangan menjadi masalah. Solusi paling populer adalah beralih ke teknik deteksi koheren, di mana sistem radar terutama menggunakan gelombang kontinu termodulasi frekuensi (FMCW - lihat di bawah).
Keterbatasan lain dari lidar deteksi langsung adalah bahwa lidar tidak secara langsung mengukur kecepatan di setiap titik - melainkan harus dihitung dengan menentukan bagaimana rentang berubah seiring waktu (yaitu membandingkan beberapa frame berikutnya), yang dapat mengganggu respons sistem.
Deteksi Koheren dan FMCW
Ini melibatkan pencampuran sampel cahaya datang dengan cahaya yang ditransmisikan, yang memiliki dua manfaat utama. Pertama, amplifikasi penguatan foton bebas noise dapat dicapai melalui interferensi panjang fase (yaitu, sinyal yang diterima dikalikan dengan sinyal yang ditransmisikan), yang memungkinkan sistem mencapai sensitivitas yang sangat baik dengan laser berdaya sangat rendah. Kedua, pencampuran sinyal yang dikirim dan diterima membuat sistem LiDAR menjadi sangat selektif, karena cahaya yang panjang gelombangnya tidak persis sama (misalnya sinar matahari atau cahaya dari sistem LiDAR yang berdekatan) diabaikan begitu saja.
Ada beberapa cara untuk menerapkan sistem LiDAR deteksi koheren, tetapi yang paling populer adalah modulasi gelombang kontinu termodulasi frekuensi (FMCW). Gambar 2 menunjukkan contoh yang disederhanakan.
Gambar 2: Laser beroperasi sekitar 1550 nm dan memodulasi pada beberapa ratus MHz (misalnya, dari 1550,002 hingga 1550 nm). Sinyal yang dipancarkan (dan dipantulkan) adalah sekitar 200 THz. Setelah pencampuran optik, fotodioda menampilkan jumlah dan perbedaan kedua sinyal. Fotodioda memiliki bandwidth terbatas dan tidak merespons jumlah sekitar 400 THz dan hanya dapat mendeteksi perbedaan sinyal beberapa ratus MHz.
Dalam praktiknya, laser dipindai ke atas dan ke bawah frekuensinya untuk menghasilkan profil gigi gergaji (frekuensi vs. waktu) yang dapat digunakan untuk menentukan jarak dan kecepatan; untuk yang terakhir, pertimbangkan efek Doppler. Gambar 3 menunjukkan gambaran optik yang lebih rinci.
Gambar 3: Komponen optik utama sistem lidar FMCW.
Meskipun lebih kompleks dibandingkan sistem deteksi langsung, lidar FMCW memiliki banyak keunggulan. Misalnya, seperti disebutkan di atas, sinyal balik dikalikan dengan sampel yang diperoleh dari sumber transmisi (osilator lokal, LO pada Gambar 4). Karena hilangnya jalur lidar yang tinggi, bahkan beberapa persen LO bisa jauh lebih besar daripada sinyal balik. Jumlah amplifikasi sinyal sangat tinggi, namun terbatas pada sinyal dengan panjang gelombang yang sama, sehingga menghasilkan efisiensi foton yang tinggi.
Misalnya, sistem lidar FMCW dengan jangkauan sekitar 300m dapat diwujudkan dengan kekuatan laser kurang dari 200mW. Untuk jangkauan yang sama, sistem deteksi langsung serupa memerlukan daya puncak 1000 kali lipat. Khususnya, FMCW merupakan jantung dari bidang LiDAR lainnya; misalnya instrumen altimetri optik dengan jangkauan hingga beberapa kilometer dan instrumen laser Doppler LiDAR untuk karakterisasi angin dengan jangkauan lebih dari 500m.
Keuntungan lain dari lidar koheren adalah bandwidth rantai sinyal yang agak rendah. Jika kita mempertimbangkan panjang gelombang pada Gambar 3 (di mana laser memindai dari 1550,002 hingga 1550ηm), bandwidth fotodioda dapat dibatasi hingga beberapa ratus MHz. sistem deteksi langsung memerlukan bandwidth selebar mungkin (biasanya lebih dari 2GHz) untuk menyelesaikan sinyal terdepan dari pulsa yang diterima.
Maklum, bandwidth yang lebih sempit memungkinkan penggunaan penguat impedansi timbal balik dengan noise lebih rendah dan konverter analog-ke-digital yang lebih lambat pada fotodioda.
Terakhir, deteksi koheren memberikan informasi kecepatan per titik. Manfaat kecepatan per titik adalah bahwa ini merupakan metrik kontekstual tambahan yang dapat digunakan oleh sistem penginderaan selanjutnya saat menafsirkan data LiDAR (dan sensor lainnya), sehingga memungkinkan pengambilan keputusan yang lebih tepat.
Oleh karena itu, berbagai manfaat deteksi koheren sangatlah signifikan, namun lidar yang koheren bukannya tanpa tantangan.
Laser harus mampu mempertahankan integritas fasenya dalam jangka waktu yang cukup lama agar cahayanya dapat mencapai dan kembali dari target terjauh. Jika fase laser berubah secara signifikan seiring waktu transmisi, koherensi mungkin hilang dan dapat mengakibatkan pengukuran jarak menjadi kabur. Selain itu, harus FM (dalam kasus FMCW). Kebanyakan laser dioda tidak mampu melakukan tugasnya, namun beberapa laser merdu semikonduktor telah muncul di pasar komersial.
Selain itu, tidak semua mekanisme pemindaian kompatibel dengan deteksi koheren. Penerima perlu mengamati setiap titik cukup lama agar cahaya dapat mencapai dan kembali dari target terjauh, karena sinyal balik perlu dicampur dengan sinyal yang dikirimkan. Misalnya, jarak 300 m memerlukan mekanisme pemindaian untuk tetap diam selama minimal 2 s, namun banyak mekanisme pemindaian yang terus bergerak tidak mampu melakukannya.
Terakhir, penting untuk dicatat bahwa tugas pemrosesan sinyal lidar koheren jauh lebih besar daripada deteksi langsung. Untungnya, produsen semikonduktor telah memperkenalkan produk system-on-chip (SoC) canggih yang mengintegrasikan konverter data, mikrokontroler, dan DSP dengan pedal gas FFT untuk memenuhi kebutuhan pemrosesan sinyal ini: SoC Surya LIDAR iND83301 indie Semiconductor adalah salah satu contohnya.
RINGKASAN
Aplikasi lidar yang berbeda mendapat manfaat dari pendekatan desain yang berbeda. Seperti disebutkan sebelumnya, deteksi langsung berdenyut berkekuatan tinggi dapat bekerja dengan baik dalam aplikasi seperti survei darat di udara yang memerlukan jarak sangat jauh dan dengan risiko kecil sistem LiDAR saling mengganggu atau membahayakan mata manusia.
Namun, untuk aplikasi seperti ADAS dan kendaraan darat otomatis memerlukan jangkauan<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.
