LiDAR तेजी से रुचि प्राप्त कर रहा है और इसे ADAS और स्वचालित वाहन सेंसिंग सिस्टम में तैनात किया जा रहा है, लेकिन प्रौद्योगिकी को लागू करने के विभिन्न तरीके हैं। यह पेपर इन दृष्टिकोणों और सुसंगत LiDAR पहचान के सापेक्ष लाभों की व्याख्या करता है।
लाइट डिटेक्शन और रेंजिंग (लिडार) की अवधारणा पहली बार 1930 के दशक में रेडियो डिटेक्शन और रेंजिंग (रडार) के साथ लगभग एक साथ की गई थी। हालाँकि, 1960 के दशक में लेज़रों के आगमन तक प्रौद्योगिकी सिद्ध नहीं हुई थी, और बाद के वर्षों में, ऑप्टिकल संचार के विकास से लेज़रों और ऑप्टिकल मॉड्यूलेशन प्रौद्योगिकी में महत्वपूर्ण प्रगति हुई।
2008 में, पहली व्यावसायिक रूप से उपलब्ध LiDAR प्रणाली, जिसे शुरू में 'ऑप्टिकल रडार' कहा जाता था, ने वोल्वो यात्री कार में अपनी शुरुआत की। यह महत्वपूर्ण तकनीक पहली स्वचालित आपातकालीन ब्रेकिंग (एईबी) प्रणालियों में से एक को शक्ति प्रदान करती है, जो वाहनों को पीछे की ओर टकराव को रोकने या कम करने के लिए स्वचालित रूप से ब्रेक लगाने में सक्षम बनाती है।
15 साल पहले इसकी शुरूआती शुरुआत (और बाद में एईबी के सस्ते विकल्प के रूप में रडार द्वारा इसके प्रतिस्थापन) के बाद, उच्च-रिज़ॉल्यूशन लिडार तेजी से सेल्फ-ड्राइविंग कार कार्यक्रमों के लिए एक प्रमुख उच्च-रिज़ॉल्यूशन सेंसर बनने के लिए विकसित हुआ है और इसने विभिन्न प्रकार की तकनीकी को बढ़ावा दिया है। नवोन्मेषी और अच्छी तरह से वित्त पोषित स्टार्ट-अप। अधिक रेंज, बेहतर रिज़ॉल्यूशन और वाहन के परिवेश के वास्तविक समय के 3डी विज़ुअलाइज़ेशन की पेशकश करते हुए, प्रौद्योगिकी अब न केवल स्वायत्त ड्राइविंग के लिए एक महत्वपूर्ण सेंसर प्रतिमान में परिपक्व हो रही है, बल्कि यात्री कारों और वाणिज्यिक कारों में उन्नत ड्राइवर सहायता प्रणाली (एडीएएस) का पूरक भी बन रही है। बेड़े.
LiDAR सेंसर अपने परिवेश का पता लगाने और 3डी छवियां बनाने के लिए इन्फ्रारेड स्पेक्ट्रम में फोटॉन उत्सर्जित करते हैं। वे ऑटोमोटिव अनुप्रयोगों में बहुत लोकप्रिय साबित हो रहे हैं। रडार की तुलना में LiDAR का मुख्य लाभ यह है कि उपयोग की जाने वाली रोशनी की तरंग दैर्ध्य बहुत कम होती है, जो सटीक माप की अनुमति देती है। इसके अलावा, LIDAR किसी भी प्रकाश की स्थिति में काम कर सकता है और कैमरों की तुलना में इसकी पहचान सीमा बेहतर है। LIDAR सेंसर द्वारा कैप्चर किए गए डेटा को "प्वाइंट क्लाउड" माना जा सकता है।
LiDAR प्रणाली विकसित करते समय कई बातों पर विचार करना होता है, जैसे कि किस तरंग दैर्ध्य का उपयोग करना है, कैसे स्कैन करना है, और हस्तक्षेप से कैसे निपटना है। हालाँकि, सिस्टम को सबसे बड़ा निर्णय यह लेना है कि लौटने वाले फोटॉन का सबसे अच्छा पता कैसे लगाया जाए। दो मुख्य दावेदार हैं, प्रत्यक्ष पता लगाना और सुसंगत पता लगाना।
प्रत्यक्ष जांच
प्रत्यक्ष पहचान प्रणाली में, एक लेज़र पल्स उत्सर्जित होता है, जो प्रभावी रूप से टाइमर शुरू करता है। जब लेज़र पल्स का रिटर्न प्राप्त होता है, तो यह रुक जाता है और बीते हुए समय के आधार पर दूरी की गणना करता है। चित्र 1 देखें.
चित्र 1: चूंकि प्रकाश की गति (सी) स्थिर है, लक्ष्य से दूरी Δtc/2 है, जहां Δt फोटॉन ट्रांसमिशन की शुरुआत और फोटॉन रिसेप्शन फ्रंट के बीच का समय है।
लगभग 50 मीटर तक की दूरी के लिए, उच्च गुणवत्ता वाले ट्यून करने योग्य सिंगल-मोड लेजर की कोई आवश्यकता नहीं है (क्योंकि यह केवल एक स्रोत है जो कम समय में बड़ी संख्या में फोटॉन को संपीड़ित करता है) या मॉड्यूलेशन, इस प्रकार ड्राइव सर्किटरी को सरल बनाता है। न ही तरंगाग्र विपथन की क्षतिपूर्ति के लिए सटीक प्रकाशिकी की आवश्यकता है।
छोटी रेंज क्यों? जैसे-जैसे रोशनी क्षेत्र दूरी के साथ बढ़ता है, वापसी शक्ति कम हो जाती है (दूरी के वर्ग के रूप में)। नोट: इसकी गणना करने का सूत्र यह है: वापसी शक्ति लगभग संचारित शक्ति x (लक्ष्य क्षेत्र/रोशनी क्षेत्र) x (प्राप्त क्षेत्र/(π x श्रेणी2)) के बराबर है। इस हानि को टाला नहीं जा सकता, इसलिए सबसे सरल उपाय अधिक शक्ति संचारित करना या रिसीवर की संवेदनशीलता को बढ़ाना है।
हालाँकि, उपयोग की जा सकने वाली लेज़र शक्ति की मात्रा की एक सीमा है। तीव्र निकट-अवरक्त (आईआर) प्रकाश (800 से 1400ηm) मानव दृष्टि को ख़राब कर सकता है। एडीएएस या सेल्फ-ड्राइविंग कार अनुप्रयोगों में एनआईआर लाइट की ट्रांसमिशन पावर बढ़ाने से अन्य सड़क उपयोगकर्ताओं और पैदल चलने वालों के लिए खतरा पैदा हो सकता है।
प्राप्त संवेदनशीलता में सुधार करने के लिए, बड़े क्षेत्र प्राप्त करने वाले लेंस का उपयोग करके फोटॉन संग्रह को बढ़ाया जा सकता है। इसके अलावा, हिमस्खलन फोटोडायोड (एपीडी, आंतरिक लाभ वाले फोटोडायोड) का उपयोग किया जा सकता है, हालांकि वे महंगे, नाजुक और छोटे होते हैं (जो सिस्टम ऑप्टिक्स को और जटिल बनाते हैं) और स्व-उत्पन्न शोर से पहले केवल 15 गुना का लाभ प्रदान कर सकते हैं ए समस्या बन जाती है। अन्य सेंसर प्रकार, जैसे गीजर मोड एवलांच फोटोडिटेक्टर (जीएमएपीडी) और सिंगल फोटॉन एवलांच डिटेक्टर (एसपीएडी), प्रत्यक्ष-पहचान LIDAR सिस्टम में बेहतर संवेदनशीलता प्रदान करते हैं, लेकिन बर्फीले, धूल भरे या धुंधले वातावरण में कम प्रभावी होते हैं।
इसके अलावा, सभी पहचान प्रणालियों को किसी न किसी प्रकार के हस्तक्षेप शमन की आवश्यकता होती है। चाहे वह रडार हो या LIDAR, सिस्टम को यह जानना आवश्यक है कि रिसीवर द्वारा प्राप्त किया जा रहा सिग्नल (या तो स्पंदित रेडियो तरंगें या फोटॉन) ट्रांसमीटर से आ रहा है। स्पंदित ऑटोमोटिव रडार के शुरुआती दिनों में हस्तक्षेप के मुद्दे उठे। एक बार जब कई कारें राडार से सुसज्जित हो गईं, तो आपसी हस्तक्षेप एक समस्या बन गई। सबसे लोकप्रिय समाधान सुसंगत पहचान तकनीकों पर स्विच करना था, जहां रडार प्रणाली मुख्य रूप से आवृत्ति संग्राहक निरंतर तरंगों (एफएमसीडब्ल्यू - नीचे देखें) का उपयोग करती है।
डायरेक्ट डिटेक्शन लिडार की एक और सीमा यह है कि यह सीधे प्रत्येक बिंदु पर वेग को मापता नहीं है - इसके बजाय, इसकी गणना यह निर्धारित करके की जानी चाहिए कि समय के साथ सीमा कैसे बदलती है (यानी कई बाद के फ़्रेमों की तुलना करना), जो सिस्टम प्रतिक्रिया को ख़राब कर सकता है।
सुसंगत जांच और एफएमसीडब्ल्यू
इसमें आपतित प्रकाश के नमूनों को संचरित प्रकाश के साथ मिलाना शामिल है, जिसके दो मुख्य लाभ हैं। सबसे पहले, फोटॉन लाभ का शोर-मुक्त प्रवर्धन चरण-लंबाई हस्तक्षेप के माध्यम से प्राप्त किया जा सकता है (यानी, प्राप्त सिग्नल को प्रेषित सिग्नल से गुणा किया जाता है), जो सिस्टम को बहुत कम शक्ति वाले लेजर के साथ उत्कृष्ट संवेदनशीलता प्राप्त करने की अनुमति देता है। दूसरा, प्रेषित और प्राप्त संकेतों को मिलाने से LiDAR प्रणाली अत्यधिक चयनात्मक हो जाती है, क्योंकि प्रकाश जो बिल्कुल समान तरंग दैर्ध्य नहीं है (उदाहरण के लिए, सूरज की रोशनी या पड़ोसी LiDAR सिस्टम से प्रकाश) को आसानी से नजरअंदाज कर दिया जाता है।
सुसंगत पहचान LiDAR सिस्टम को लागू करने के कई तरीके हैं, लेकिन सबसे लोकप्रिय आवृत्ति मॉड्यूलेटेड निरंतर तरंग (FMCW) मॉड्यूलेशन है। चित्र 2 एक सरलीकृत उदाहरण दिखाता है।
चित्र 2: लेज़र लगभग 1550 एनएम पर संचालित होता है और कई सौ मेगाहर्ट्ज पर मॉड्यूलेट होता है (उदाहरण के लिए, 1550.002 से 1550 एनएम तक)। उत्सर्जित (और परावर्तित) सिग्नल लगभग 200 THz है। ऑप्टिकल मिश्रण के बाद, फोटोडायोड दो संकेतों का योग और अंतर प्रस्तुत करता है। फोटोडायोड में एक सीमित बैंडविड्थ है और यह लगभग 400 THz की मात्रा पर प्रतिक्रिया नहीं करता है और केवल कुछ सौ मेगाहर्ट्ज के अंतर संकेतों का पता लगा सकता है।
व्यवहार में, लेज़र को सॉटूथ प्रोफ़ाइल (आवृत्ति बनाम समय) उत्पन्न करने के लिए आवृत्ति में ऊपर और नीचे स्कैन किया जाता है, जिससे दूरी और वेग प्राप्त किया जा सकता है; बाद के लिए, डॉपलर प्रभाव पर विचार करें। चित्र 3 प्रकाशिकी का अधिक विस्तृत अवलोकन दिखाता है।
चित्र 3: एफएमसीडब्ल्यू लिडार प्रणाली के मुख्य ऑप्टिकल घटक।
हालांकि प्रत्यक्ष पहचान प्रणालियों की तुलना में अधिक जटिल, FMCW लिडार के कई फायदे हैं। उदाहरण के लिए, जैसा कि ऊपर बताया गया है, रिटर्न सिग्नल को ट्रांसमिटिंग स्रोत (स्थानीय ऑसिलेटर, चित्र 4 में एलओ) से प्राप्त नमूने से गुणा किया जाता है। लिडार के उच्च पथ हानि के कारण, LO का कुछ प्रतिशत भी रिटर्न सिग्नल से बहुत बड़ा हो सकता है। सिग्नल प्रवर्धन की मात्रा बहुत अधिक है, लेकिन बिल्कुल समान तरंग दैर्ध्य के सिग्नल तक सीमित है, जिससे उच्च फोटॉन क्षमता होती है।
उदाहरण के लिए, लगभग 300 मीटर की रेंज वाली FMCW लिडार प्रणाली को 200mW से कम की लेजर शक्ति के साथ महसूस किया जा सकता है। समान रेंज के लिए, समान प्रत्यक्ष पहचान प्रणाली को चरम शक्ति से 1000 गुना की आवश्यकता होगी। विशेष रूप से, FMCW LiDAR के अन्य क्षेत्रों के केंद्र में है; उदाहरण के लिए, कई किलोमीटर तक की रेंज वाले ऑप्टिकल अल्टीमेट्री उपकरण और 500 मीटर से अधिक की रेंज वाले पवन लक्षण वर्णन के लिए लेजर डॉपलर LiDAR उपकरण।
सुसंगत लिडार का एक अन्य लाभ सिग्नल श्रृंखला की कम बैंडविड्थ है। यदि हम चित्र 3 में तरंग दैर्ध्य पर विचार करते हैं (जहां लेजर 1550.002 से 1550ηm तक स्कैन करता है), तो फोटोडायोड बैंडविड्थ कुछ सौ मेगाहर्ट्ज तक सीमित हो सकता है। प्राप्त पल्स के अग्रणी किनारे को हल करने के लिए प्रत्यक्ष पहचान प्रणालियों को यथासंभव व्यापक बैंडविड्थ (आमतौर पर 2GHz से अधिक) की आवश्यकता होती है।
जाहिर है, संकीर्ण बैंडविड्थ फोटोडायोड पर कम शोर पारस्परिक प्रतिबाधा एम्पलीफायरों और धीमे एनालॉग-टू-डिजिटल कन्वर्टर्स के उपयोग की अनुमति देता है।
अंत में, सुसंगत पहचान प्रति-बिंदु वेग जानकारी प्रदान करती है। प्रति-बिंदु वेग का लाभ यह है कि यह एक अतिरिक्त प्रासंगिक मीट्रिक है जिसका उपयोग बाद की सेंसिंग प्रणालियाँ LiDAR (और अन्य सेंसर) डेटा की व्याख्या करते समय कर सकती हैं, जिससे अधिक सूचित निर्णय लेना संभव हो जाता है।
इसलिए सुसंगत पहचान के विभिन्न लाभ महत्वपूर्ण हैं, लेकिन सुसंगत लिडार अपनी चुनौतियों से रहित नहीं है।
लेजर को अपनी चरण अखंडता को लंबे समय तक बनाए रखने में सक्षम होना चाहिए ताकि उसकी रोशनी सबसे दूर के लक्ष्य तक पहुंच सके और वापस लौट सके। यदि ट्रांसमिशन समय के साथ लेजर का चरण महत्वपूर्ण रूप से बदलता है, तो सुसंगतता खो सकती है और इसके परिणामस्वरूप धुंधली दूरी माप हो सकती है। इसके अलावा, यह एफएम होना चाहिए (एफएमसीडब्ल्यू के मामले में)। अधिकांश डायोड लेज़र कार्य के अनुरूप नहीं हैं, लेकिन कुछ सेमीकंडक्टर ट्यूनेबल लेज़र वाणिज्यिक बाज़ार में दिखाई दिए हैं।
इसके अलावा, सभी स्कैनिंग तंत्र सुसंगत पहचान के अनुकूल नहीं हैं। रिसीवर को प्रत्येक बिंदु को पर्याप्त समय तक निरीक्षण करने की आवश्यकता होती है ताकि प्रकाश को सबसे दूर संभव लक्ष्य तक पहुंचने और वापस आने की अनुमति मिल सके, क्योंकि रिटर्न सिग्नल को प्रेषित सिग्नल के साथ मिश्रित करने की आवश्यकता होती है। उदाहरण के लिए, 300 मीटर की सीमा के लिए स्कैनिंग तंत्र को कम से कम 2 μs तक स्थिर रहने की आवश्यकता होती है, लेकिन कई लगातार चलने वाले स्कैनिंग तंत्र ऐसा करने में असमर्थ हैं।
अंत में, यह ध्यान रखना महत्वपूर्ण है कि सुसंगत लिडार का सिग्नल प्रोसेसिंग कार्य प्रत्यक्ष पहचान से काफी बड़ा है। सौभाग्य से, सेमीकंडक्टर निर्माताओं ने शक्तिशाली सिस्टम-ऑन-चिप (एसओसी) उत्पाद पेश किए हैं जो इन सिग्नल प्रोसेसिंग जरूरतों को पूरा करने के लिए एफएफटी गैस पैडल के साथ डेटा कन्वर्टर्स, माइक्रोकंट्रोलर और डीएसपी को एकीकृत करते हैं: इंडी सेमीकंडक्टर का iND83301 सूर्या LIDAR SoC एक ऐसा उदाहरण है।
अवलोकन
विभिन्न लिडार अनुप्रयोग विभिन्न डिज़ाइन दृष्टिकोणों से लाभान्वित होते हैं। जैसा कि पहले उल्लेख किया गया है, उच्च-शक्ति स्पंदित प्रत्यक्ष पहचान हवाई जमीनी सर्वेक्षण जैसे अनुप्रयोगों में अच्छी तरह से काम कर सकती है जहां अल्ट्रा-लंबी दूरी की आवश्यकता होती है और जहां LiDAR सिस्टम के एक-दूसरे के साथ हस्तक्षेप करने या मानव आंख को नुकसान पहुंचाने का जोखिम कम होता है।
हालाँकि, ADAS और स्वचालित ग्राउंड वाहनों जैसे अनुप्रयोगों के लिए जिन्हें एक श्रृंखला की आवश्यकता होती है<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.
