漲知識(shí)!激光雷達(dá)(LiDAR)工程要點(diǎn)
發(fā)布時(shí)間:2021-08-06 來源:Edel Cashman 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】LiDAR(光探測(cè)和測(cè)距)是一種傳感技術(shù),類似于雷達(dá),但用光而不是無線電波。它利用反射光的原理和精確的時(shí)間來測(cè)量物體的距離。由于LiDAR高水平的深度和角度分辨率,可實(shí)現(xiàn)卓越的深度感知。此外,由于采用紅外光發(fā)射器和接收器的有源方法,因此它能夠在所有光照條件下工作。
然而,LiDAR比單純的測(cè)距更復(fù)雜。它還可用于三維制圖和成像——這使它在工程方面非常有吸引力,也是一項(xiàng)非常有用的實(shí)用技術(shù)。
光和飛行時(shí)間
LiDAR有不同的測(cè)距方法,但最簡(jiǎn)單易懂的是單脈沖直接飛行時(shí)間(dToF)系統(tǒng)。在這里,一個(gè)光源(通常是激光)發(fā)出一個(gè)光脈沖,然后啟動(dòng)一個(gè)計(jì)時(shí)器。當(dāng)光脈沖擊中一個(gè)物體時(shí),它被反射到通常與激光位于同一位置的傳感器,且計(jì)時(shí)器停止計(jì)時(shí)。知道發(fā)射脈沖到接收回波之間的時(shí)間(t),利用光速常數(shù)(c)計(jì)算出與目標(biāo)物體的距離(D)就很簡(jiǎn)單了。
圖1:直接飛行時(shí)間 (dTOF)測(cè)量光到達(dá)目標(biāo)并返回所花的時(shí)間
另一種方法稱為間接飛行時(shí)間LiDAR(iToF),傳輸?shù)氖沁B續(xù)的正弦波,iToF根據(jù)發(fā)射和反射波形之間的相位差確定飛行時(shí)間(t)。
在這兩種方法中,iToF較常見。一般來說,它更適用于短距離應(yīng)用,和能夠很好地控制環(huán)境光照水平的情況。而dToF可用于長(zhǎng)距離和短距離應(yīng)用。此外,它的運(yùn)行速度較快,可測(cè)量多個(gè)回波,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)物體的探測(cè)。
為了使LiDAR系統(tǒng)高效地工作,回波信號(hào)必須在系統(tǒng)工作的環(huán)境光內(nèi)可探測(cè)到。顯然,這在室內(nèi)是比較容易的,因?yàn)楣饩€可以控制,但LiDAR的許多最令人興奮的應(yīng)用是在室外,因此有必要提供一個(gè)解決方案。
提高信噪比(SNR)
使用ASTM G-173-03太陽輻照度模型,可看出太陽噪聲(光)的峰值出現(xiàn)在波長(zhǎng)500到600納米的范圍內(nèi),即可見光譜。光譜中近紅外(NIR)部分(約905 nm)的噪聲已降至一半,這意味著這一波長(zhǎng)的光更容易被探測(cè)到。
圖2:近紅外范圍能以高性價(jià)比的元器件提高信噪比
在短波紅外范圍(1550 nm左右)可達(dá)到更好的效果,但發(fā)射器和探測(cè)器更貴,因此近紅外范圍性價(jià)比最高。
直觀地看出,簡(jiǎn)單地提高發(fā)射器的功率可解決信噪比問題,并提高LiDAR系統(tǒng)的精度和范圍,但發(fā)出的光可能對(duì)人類和動(dòng)物有害。為此,BS EN 60825-1:2014等國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了可發(fā)射的功率。
由于可用的功率有限,為了增加有效范圍,必須采用其他技術(shù)。使用多發(fā)射脈沖激光可顯著提高信噪比和范圍,同時(shí)保持每個(gè)脈沖內(nèi)的能量較低。在這種方法中,發(fā)射多個(gè)脈沖,并創(chuàng)建探測(cè)到的回波的時(shí)間戳直方圖。
圖3:多脈沖dToF使目標(biāo)從背景噪聲中清晰地分辨出來
生成的直方圖清晰地顯示了在隨機(jī)時(shí)間探測(cè)到的環(huán)境光子,并在直方圖峰值兩側(cè)形成“本底噪聲”,在直方圖峰值處,大部分回波以相同的時(shí)間間隔返回,代表目標(biāo)物體。
LiDAR的演變
LiDAR技術(shù)不斷發(fā)展,最近,探測(cè)器技術(shù)以及用于創(chuàng)建3D地圖的方法都有了進(jìn)步。
早期的探測(cè)器通常是PIN二極管或雪崩光電二極管。這些已被單光子雪崩二極管(SPAD)和硅光電倍增管(SiPM)所取代,它們將密集的SPAD傳感器陣列集成到單個(gè)器件中。與早期的方案相比,SPAD和SiPM傳感器提供了低工作電壓、出色的一致性和非常高的增益,還能探測(cè)到單光子的光能。
雖然測(cè)量遠(yuǎn)程目標(biāo)物體的距離的能力非常有用,但LiDAR的真正優(yōu)勢(shì)在于它能夠創(chuàng)建詳細(xì)和高度精確的表面3D地圖——無論是工廠環(huán)境中的物體,還是在更大范圍內(nèi)的一大片地。
通過將LiDAR原理與掃描光電系統(tǒng)結(jié)合,可控制光束以創(chuàng)建場(chǎng)景的密集深度點(diǎn)云。這可通過物理旋轉(zhuǎn)激光發(fā)射器以覆蓋場(chǎng)景的所有區(qū)域來機(jī)械地實(shí)現(xiàn),但這種方式一般體積大,成本高,且在對(duì)準(zhǔn)方面存在挑戰(zhàn)。
一種更現(xiàn)代的方法是使用準(zhǔn)固態(tài)系統(tǒng),如微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)微鏡、液晶超表面(LCM)和光學(xué)相控陣(OPA)來引導(dǎo)光束穿過系統(tǒng)。該方案幾乎是固態(tài)的,因此更可靠,對(duì)于長(zhǎng)距離應(yīng)用也很有效。
唯一真正的固態(tài)LiDAR測(cè)繪方法是使用發(fā)射器和傳感器陣列(SiPM或SPAD)并對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行閃光。由于發(fā)射器的功率限制,閃光照明只適用于短距離或窄視場(chǎng)(FoV)??梢允褂枚帱c(diǎn)閃光照明方法,即一個(gè)可尋址的發(fā)射器陣列(通常是可尋址的垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)陣列)依次照亮場(chǎng)景的不同部分,并與探測(cè)器的讀出同步。
LiDAR的應(yīng)用
LiDAR是一項(xiàng)非常有價(jià)值的技術(shù);它適合的應(yīng)用跨越了許多領(lǐng)域,包括汽車、工業(yè)、交通、農(nóng)業(yè)和勘測(cè)。
感知車輛行駛路徑中物體的能力使得自適應(yīng)巡航控制(ACC)等系統(tǒng)得以實(shí)現(xiàn),與前車保持間距,LiDAR將成為未來全自動(dòng)駕駛車輛的關(guān)鍵推動(dòng)力。
LiDAR系統(tǒng)體積小、重量輕,可由無人機(jī)攜帶,這開辟了一種比人工方法更快(因此成本更低)、更精確的大面積勘測(cè)方式。其應(yīng)用幾乎是無限的,包括監(jiān)測(cè)環(huán)境影響,如海岸侵蝕、洪水或冰川消融??裳杆俣踩卦u(píng)估自然災(zāi)害的影響,如火山地震,從而更迅速而有效地提供援助。
農(nóng)民可利用LiDAR勘測(cè)土地,評(píng)估農(nóng)作物的狀況,而公路或鐵路等基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目則可輕松勘測(cè)擬建路線,并繪制進(jìn)度圖。
靜態(tài)LiDAR可安裝在大型容器如料倉或儲(chǔ)罐中,無需接觸內(nèi)容物就能準(zhǔn)確地測(cè)量?jī)?nèi)容物。
傳感器和方案
安森美半導(dǎo)體的RB系列高響應(yīng)、快速SiPM具有很高的抗溫度波動(dòng)性。有三種微單元尺寸(10 mm,20 mm或35 mm),每個(gè)器件的有源傳感面積為1 mm x 1 mm。這些高增益(高達(dá)1.7 x 106)的器件采用小型(1.5 mm x 1.8 mm)封裝。
為了支持剛接觸LiDAR技術(shù)的公司或時(shí)間緊迫的項(xiàng)目,安森美半導(dǎo)體設(shè)計(jì)了一個(gè)用于工業(yè)應(yīng)用的全面的SiPM dToF LiDAR開發(fā)平臺(tái)。
該即插即用的平臺(tái)結(jié)合一個(gè)近紅外激光發(fā)射器和一個(gè)RB系列SiPM探測(cè)器,用于單點(diǎn)測(cè)距。
圖4:安森美半導(dǎo)體的SiPM dToF LiDAR平臺(tái)的原理框圖
圖5:安森美半導(dǎo)體SiPM dToF LiDAR平臺(tái)的高級(jí)框圖
激光發(fā)射器被指定使用1類激光,因而符合所有的眼睛安全標(biāo)準(zhǔn),同時(shí)使工作范圍擴(kuò)展到23米。通過包含一個(gè)簡(jiǎn)單易用的圖形用戶界面(GUI),平臺(tái)的配置和監(jiān)控變得簡(jiǎn)單。
一旦開發(fā)和調(diào)試完成,就可以無縫過渡到制造,因?yàn)樵摮杀緝?yōu)化的平臺(tái)可隨時(shí)大規(guī)模部署,且所有必要的制造文件都已準(zhǔn)備就緒。
總結(jié)
LiDAR是種非常有用的技術(shù),它支持輕松地測(cè)距和創(chuàng)建精確而詳細(xì)的3D圖。即使功率和激光發(fā)射器功率受到安全限制,但通過精心選擇波長(zhǎng)和使用多射光脈沖,也可提高信噪比,實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距測(cè)量。
LiDAR技術(shù)的應(yīng)用非常廣泛,未來它將使我們更好地了解我們的世界,同時(shí)也使我們的世界更安全。
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