ТЕХНОЛОГИИ

ЛИДАРНЫЕ ДАТЧИКИ. Новые технологии безопасного вождения

Новые лидарные датчики основаны на технологии твердотельных лазерных измерений. Они, обрабатывая параллельно большое количество лазерных импульсов, генерируют трехмерную модель окружающей среды с высоким разрешением в реальном времени, которая обнаруживает препятствия и дорожную разметку, а также транспортные средства, велосипедистов и пешеходов, их положение и движение.

Впоследние годы лидар (транслитерация LіDAR, англ. Light Detection and Ranging — «обнаружение и определение дальности с помощью света») превратился из полезного метода измерения, подходящего для изучения атмосферных аэрозолей и аэрокартинга, в новый прорыв оптикомеханической инженерии и оптоэлектроники. Команды инженеров мирового уровня запускают стартапы и получают соответствующие инвестиции, а компании, ранее созданные в этой области, приобретаются крупными промышленными корпорациями, в основном из автомобильной промышленности, или получают крупные инвестиции из сектора венчурного капитала. ЛАЗЕРНОЕ ЗРЕНИЕ БЕСПИЛОТНЫХ АВТОМОБИЛЕЙ

В индустрии мобильности последних лет зародилась революция в виде беспилотных автомобилей, которая, как ожидается, полностью разрушит наши модели мобильности. Полностью автономный автомобиль, в котором водитель едет по шоссе без необходимости контролировать автомобиль, стал технически осуществимой мечтой. Ожидается, что его социальные преимущества будут огромными, сосредоточенными на устранении человеческой ошибки при вождении, с ожидаемым снижением смертности на 90 % и соответствующими улучшениями, связанными с сокращением пробок и выбросами топлива, при одновременном обеспечении доступа к мобильности для широких слоев населения.

Чтобы беспилотные автомобили могли без участия человека передвигаться в пространстве, им требуется комбинация видеокамер, радаров и лидаров. Их работа в сочетании с процедурами глубокого обучения является наиболее вероятным решением для подавляющего большинства случаев. При этом лидар выполняет критически важную функцию — он дает автомобилю представление не только о собственной локализации, но и о местоположении окружающих объектов.

Однако такое решение требует надежных комплектов датчиков, способных полностью контролировать окружающую среду транспортного средства, с системами, основанными на разных принципах работы и с различными режимами отказа, чтобы предвидеть все возможные ситуации. Таким образом, лидар будет в центре внима-

ния разработки беспилотных автомобилей.

НОВЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ

Стремительное развитие автономных автомобилей и роботизированных транспортных средств привело к тому, что требования к лидарным датчикам изменились по сравнению с ранее разработанными требованиями для дистанционного зондирования. Системы лазерной визуализации для автомобилей требуют сочетания дальнего действия, высокого пространственного разрешения, производительности в реальном времени и устойчивости к солнечному фону в дневное время, что довело технологию их изготовления до совершенства. Появились разные спецификации с разными принципами работы для разных возможных случаев использования, в том числе для ближнего и дальнего действия или для узкого и широкого поля зрения.

Вращающиеся лидарные формирователи изображения были первыми, которые достигли требуемых характеристик, используя конфигурацию вращающегося на высокой скорости элемента и нескольких установленных друг на друга детекторов. Однако крупномасштабные автомобильные приложения требовали дополнительных характеристик, таких как возможность индустриализации датчика, для достижения надежности и простоты производства, чтобы получить конечный недорогой блок или иметь небольшой, красиво упакованный датчик, подходящий для небольших объемов автомобиля. Вскоре стало очевидным, что для удовлетворения всех потребностей будущего беспилотного автомобиля необходимы различные лидарные датчики, например для получения трехмерных изображений ближнего и дальнего действия с различными потребностями в отношении полей зрения. ОСНОВЫ ЛИДАРНОЙ ВИЗУАЛИЗАЦИИ

Принцип измерения, используемый для построения изображений с помощью лидара, — это время пролета, где расстояние измеряется путем подсчета временных задержек отраженного света, который излучает источник. Таким образом, лидар представляет собой активную бесконтактную технику определения расстояния, в которой оптический сигнал проецируется на объект, который мы называем целью, а отраженный или обратно рассеянный сигнал обнаруживается и обрабатывается для определения расстояния, что позволяет создавать трехмерные изображения, облако точек вокруг объекта. Следовательно, диапазон или расстояние до цели измеряется на основе задержки прохождения световых волн, идущих к цели. Это может быть достигнуто путем модуляции интенсивности, фазы и/или частоты передаваемого сигнала и измерения времени, необходимого для того, чтобы этот образец модуляции снова появился в приемнике. В самом простом случае к цели излучается короткий световой импульс, и время прихода эха этого импульса на детектор устанавливает расстояние. Этот импульсный лидар может обеспечивать разрешение около сантиметра в одиночных импульсах в широком диапазоне, поскольку используемые наносекундные импульсы часто имеют высокую мгновенную пиковую мощность. Это позволяет преодолевать большие расстояния, сохраняя среднюю мощность ниже предела безопасности для глаз.

Второй подход основан на амплитудной модуляции непрерывной волны, поэтому фазы излучаемой и отраженной обнаруженных волн сравниваются, что позволяет измерить расстояние. Точность, сравнимая с точностью импульсного метода, может быть достигнута, но только на умеренных диапазонах из-за небольшого расстояния неопределенности, обусловленного неоднозначностью частотной модуляции. Отраженный сигнал, поступающий на приемник от удаленных объектов, также не такой сильный, как в импульсном случае, поскольку излучение является непрерывным, что заставляет амплитуду постоянно оставаться ниже безопасного для глаз предела. Кроме того, оцифровка уровня интенсивности обратного отражения становится затруднительной на больших расстояниях.

Наконец, третий подход определяется методами частотно-модулированной непрерывной волны, обеспечивающими прямую моду-

ляцию и демодуляцию сигналов в частотной области, что позволяет

Лидар, или световой радар, — это технология, критически важная для создания беспилотных автомобилей. Датчики предоставляют компьютеру трехмерное облако точек, обозначающее окружающее автомобиль пространство

LiDAR (Light Detection and Ranging) — это сенсорная технология для обнаружения и определения расстояния до удаленных объектов с использованием источника и приемника света. Излучаемые световые импульсы достигают объекта, отражаются и возвращаются в сенсорную систему LiDAR, где приемник обнаруживает возвращающийся световой импульс

LiDAR предоставляют трехмерные карты глубины путем передачи импульсного света (обычно лазера) к цели и определения времени прихода отраженного импульса с помощью соответствующего фотодетектора и вспомогательной электроники. Информация о расстоянии извлекается с использованием полученных данных о времени и скорости света

обнаруживать путем когерентного наложения излучаемой и обнаруженной волны.

Современные лидары могут обрабатывать множество лазерных импульсов параллельно: в результате получается трехмерная модель окружающей среды, которая распознает аварийные барьеры и дорожную разметку, а также автомобили, велосипедистов и пешеходов, их положение и движение. В сочетании с большим радиусом действия и высоким пространственным разрешением эта точность является ключевым преимуществом технологии LiDAR.

ОБНАДЕЖИВАЮЩИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ ЛИДАРОВ ЗА ДОСТУПНУЮ ЦЕНУ

Традиционные лидарные системы являются электромеханическими — они полагаются на движущиеся части, которые должны быть точными, чтобы получать измерения, подходящие для автономной навигации. В принципе это практически то же, что и радар, но работает со светом. Лазер и коллектор должны вращаться для сканирования области вокруг них. При этом движущиеся части ограничивают размер системы, поскольку их небольшие и компактные детали увеличивают трудности при точном изготовлении и имеют высокую стоимость. Кроме того, движущиеся части восприимчивы к возмущениям, поэтому, например, дви-

Поскольку сканер принимает только одно подмножество поля зрения, ему нужен некоторый принцип управления, чтобы перемещать световой луч от подмножества к подмножеству

В твердотельном лидаре для реализации оптической фазированной решетки оптические излучатели отправляют всплески фотонов в конкретных последовательностях и фазах для создания направленного излучения

жение по пересеченной местности может иметь негативные последствия для показаний.

Такие датчики являются дорогостоящими аппаратами, иногда со стоимостью $75 000 за штуку, что делает их несколько недоступными и ограничивает использование в массовом порядке (и часто их стоимость даже больше, чем автомобилей, на которых они установлены). Но ведущие мировые поставщики высокопроизводительных сенсорных решений и связанного программного обеспечения добились значительного прогресса, разработав твердотельные технологии LiDAR. Эта технология получения и обработки информации об удаленных объектах с помощью активных оптических систем использует явления поглощения и рассеяния света в оптически прозрачных средах и позволит реализовать передовые системы помощи водителю при осуществлении автономного вождения.

В отличие от других лидаров, твердотельное решение означает отсутствие движущегося механизма управления лучом, такого как механические зеркала. Его система полностью построена на кремниевом чипе. Это дает значительные преимущества с точки зрения повышения надежности и упрощения конструкции. На нем не задействованы движущиеся части, и он не только более устойчив к вибрациям, но может быть уменьшен и быть намного легче. Это позволяет создавать более дешевые и надежные устройства.

Такой тип лидара приобретает популярность в качестве перспективных технологий, которые не только дешевле, но также обеспечивают более высокое быстродействие и разрешение, чем традиционные лидары. При этом существуют прогнозы, что его ценовой диапазон может в конечном итоге упасть ниже 100 долларов за штуку.

Чтобы обеспечить сканирование, твердотельный лидар использует концепцию, похожую на фазированную решетку радио. В фазированной решетке несколько передатчиков излучают сигналы определенной последовательности и фазы для создания направлен-

ной широковещательной передачи. Размер, фокус и направление этой трансляции могут быть изменены без физической перестройки передатчиков. Эта же концепция применяется в твердотельном лидаре для реализации оптической фазированной решетки — оптические излучатели отправляют всплески фотонов в конкретных последовательностях и фазах для создания направленного излучения. Опять же, для достижения этой цели физическая настройка оптических излучателей не требуется, что делает систему устойчивой к вибрациям и более компактной.

В дополнение к оптической фазированной матрице существует также микроэлектромеханическая система на основе концепции лидара, которая использует микрозеркала для направленного контроля излучения и фокусировки. Это технология твердотельных устройств, которые планируется использовать в автономных транспортных средствах, получивших название G Plus. ПРОРЫВНЫЕ ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ

Уникальной особенностью твердотельных лидаров является дополнительно сгенерированное изображение интенсивности. Таким образом, датчик также функционирует как своего рода монохромная камера. Производители называет это четвертым измерением, или просто 4D. Считается, что такое яркое изображение особенно полезно для распознавания полосы движения во время вождения. Компактная модульная конструкция нового датчика позволяет выполнять различные настройки для различных сценариев использования.

Твердотельная технология новых лидарных датчиков обеспечивает большой диапазон и высокое пространственное разрешение при сканировании. Это позволяет точно моделировать окружающую среду. Соответственно, изменения направления дороги обнаруживаются быстрее и точнее.

Новые датчики могут обрабатывать множество лазерных импульсов параллельно. Результатом является трехмерная модель окружающей среды с распознаванием препятствий, транспортных средств и дорожной разметки. Если камеры создают только двухмерное изображение, которое необходимо пространственно интерпретировать с помощью подходящего программного обеспечения, новые лидарные системы обеспечивают очень точное трехмерное изображение с более чем одним миллионом значений расстояния в секунду. В сочетании с большим радиусом действия и высоким пространственным разрешением эта комбинация является ключевым преимуществом новой

Используя несколько датчиков и объединяя данные в программном пакете, можно достичь 360-градусного обнаружения препятствий вокруг транспортного средства

ТЕХНОЛОГИИ ЛИДАРНЫХ ДАТЧИКОВ

лидарной технологии.

Современные варианты конструкции вертикально-излучающих лазеров основаны на использовании вертикальных оптических микрорезонаторов с зеркалами на основе чередующихся слоев полупроводниковых материалов различного состава (например, твердых растворов AlGaAs c различным содержанием Al). При этом в качестве активной (светоизлучающей) области, как правило, используются одна или несколько квантовых ям

В новом лидаре используется технология последовательного мигания, что означает сканирование окружающей среды строка за строкой. При каждом сканировании каждая строка подсвечивается несколько сотен раз. Следовательно, каждое сканирование состоит из тысяч измерений. Кроме того, ряды можно активировать в любой последовательности — в зависимости от необходимости функции автоматического вождения