Klasyfikacja i metody skanowania czujników laserowych LiDAR

LiDARCzujnik laserowy aktywnie emituje światło laserowe i może uzyskać informacje takie jak odległość, orientacja, prędkość i kontur intruza z dużą precyzją i wysoką rozdzielczością. Jest szeroko stosowany w takich dziedzinach, jak bezpieczeństwo miejskie i bezpieczeństwo przemysłowe. W tym artykule pokrótce przedstawiono głównego nurtu krajowych i zagranicznych producentów lidarów zabezpieczających oraz specyfikacje techniczne ich produktów. Łącząc potrzeby różnych zastosowań bezpieczeństwa, zasady, cechy i obecna sytuacja lidaru w różnych systemach technicznych są omawiane z trzech aspektów: schematu wyznaczania odległości, metody skanowania i wyboru źródła światła. Na koniec podsumowano i przedstawiono trendy zastosowań i perspektywy rozwoju lidaru zabezpieczającego. Aby sprostać potrzebom aplikacji zapewniających bezpieczeństwo konsumenckie, lidar bezpieczeństwa będzie się dalej rozwijać w kierunku niskich kosztów, wysokiej wydajności, serializacji, miniaturyzacji, półprzewodnikowego, chipizacji i integracji wielu źródeł.

W zależności od tego, czy w systemie znajdują się ruchome elementy, lidar można podzielić na lidar mechaniczny i lidar półprzewodnikowy. Wśród nich metody wdrażania lidaru półprzewodnikowego obejmują układ mikroelektromechaniczny (Micro-Electro-Mechanical System, MEMS), technologię Flash i technologię OPA.

Ze względu na charakterystykę sterowania wiązką w trybie skanowania, lidar można podzielić na lidar skanujący i lidar nieskanujący. Wśród nich lidar nieskanujący umożliwia obrazowanie docelowe poprzez pokrycie sceny światłem, takim jak lidar z matrycą typu Flash. Odpowiednie metody skanowania pozwalają lidarowi zabezpieczającemu uzyskać większe pole widzenia i rozdzielczość, a jednocześnie sprawić, że cała konstrukcja będzie stabilniejsza. Dlatego wybór technologii skanowania w ogromnym stopniu wpływa na cykl życia lidaru, co z kolei decyduje o tym, czy lidar zabezpieczający w ramach tego systemu może być produkowany masowo. Wśród nich duży zasięg wykrywania i duże pole widzenia są kluczowymi wskaźnikami bezpieczeństwa lidaru, a także determinują perspektywy zastosowania lidaru bezpieczeństwa w przyszłości.

1. Mechaniczny czujnik laserowy LiDAR
Lidar mechaniczny odnosi się do zastosowania rotacji mechanicznej w celu uzyskania skanowania laserowego. Silnik napędza jednopunktowy lub wielopunktowy moduł pomiarowy w celu obracania się w celu uzyskania pełnego skanowania 360 stopni lub innego obszaru o dużym kącie. Zasadę działania mechanicznego lidara pokazano na rysunku 1. Ma on zalety prostej zasady, łatwego prowadzenia i dużego pola widzenia skanowania. Było to pierwsze rozwiązanie, które było szeroko stosowane i stało się rozwiązaniem skanującym dla głównych produktów lidarowych zabezpieczających dostępnych na rynku. Biorąc pod uwagę takie czynniki, jak soczewki, konstrukcje mechaniczne i płytki drukowane, wielu modułów pomiaru punktów zwykle nie można zoptymalizować pod względem rozmiaru i wagi. Dlatego też, gdy silnik napędza moduł w celu obracania się przez długi czas, łożyska ulegają łatwemu zużyciu. To sprawia, że ​​tradycyjne skanowanie mechaniczne jest krytykowane pod względem trwałości i niezawodności, a koszty spowodowane zużyciem rosną. To także bardzo realny problem. Dlatego na wczesnym rynku zabezpieczeń stosowano głównie redukcję wymiarów i tanie rozwiązania, to znaczy wykorzystanie radaru laserowego liniowego o niskiej wiązce w połączeniu z innymi czujnikami. Ma kompaktowy wygląd i duże pole widzenia skanowania i nadaje się do takich scenariuszy, jak ochrona budynków i ochrona obszarów regionalnych.

Rys. 1 Zasada działania tradycyjnego mechanicznego LiDAR-u

Obecnie największym wyzwaniem stojącym przed konstrukcją LiDAR jest osiągnięcie wydajności i solidności przy jednoczesnym osiągnięciu masowej produkcji przy rozsądnych kosztach. Jednakże mechanicznego lidara nie można szeroko promować w dziedzinie bezpieczeństwa ze względu na jego nadmiarowe komponenty elektroniczne, co utrudnia zmniejszenie jego rozmiaru i kosztu. W tym celu podstawowe komponenty lidaru są zintegrowane z chipami układów scalonych specyficznych dla aplikacji (ASIC), aby zmniejszyć rozmiar obwodu przetwarzania sygnału lidaru oraz zmniejszyć zużycie energii i koszty. Ma to na celu realizację masowej produkcji lidaru wieloliniowego. ważny trend.

2. Czujnik laserowy MEMS LiDAR
Radar laserowy MEMS zastępuje tradycyjne mechaniczne urządzenie obrotowe mikrolustrom MEMS zintegrowanym z chipem na bazie krzemu. Mikrolustro odbija laser, tworząc szerszy kąt skanowania i większy zasięg skanowania. Jego zasadę działania pokazano na rysunku 2. Mikrolustra MEMS są innowatorami tradycyjnego mechanicznego lidaru i pozwolą na miniaturyzację i redukcję kosztów lidaru. Metoda skanowania galwanometrycznego pozwala uniknąć bezpośredniego obrotu struktury odległościowej, umożliwia skanowanie lidara w stanie półprzewodnikowym i sprawia, że ​​lidar jest zwarty.

Ryc. 2 Schemat MEMS. (a) Zasada działania MEMS LiDAR; (b) Lustro skanujące MEMS

Opierając się na zaletach mikroluster MEMS, branża uważa lidar MEMS za najszybszą technologię do wdrożenia. Obecnie lidar półprzewodnikowy MEMS Leishen Intelligent LS20/LS21 jest stosowany w takich dziedzinach, jak inteligentne bezpieczeństwo i monitorowanie katastrof. Jednakże wadą mikrolustra MEMS jest to, że jego kąt skanowania jest mały i do uzyskania dużego pola widzenia potrzebny jest dodatkowy kąt. Ponadto ilość światła laserowego, które może emitować, jest ograniczona, co utrudnia osiągnięcie „wykrycia na duże odległości”. Ogólnie rzecz biorąc, rozwiązania w zakresie technologii lidarowej MEMS nie są wystarczająco dojrzałe i wymagają dalszego udoskonalania. Uważa się, że wraz z rozwojem mikroluster MEMS perspektywy zastosowań lidaru MEMS będą szersze.

3. Flash czujnika laserowego LiDAR
Flash lidar to radar nieskanujący. Emituje światło obszarowe na cel, wykorzystuje detektor matrycy obszarowej do wykrywania rozproszenia padającego światła przez cel i generuje obraz z informacjami o głębokości. Jego zasadę działania pokazano na rysunku 3. Chociaż lidar Flash jest tani i ma dobrą stabilność, jego zasięg wykrywania jest stosunkowo krótki, więc scenariusze jego zastosowania są ograniczone. W dziedzinie bezpieczeństwa szeroko stosowany jest radar laserowy Flash. Wyniki wykorzystania lidaru 3D Flash do wykrywania, segmentacji i śledzenia celów pokazują, że lidar Flash nadaje się do nadzoru obwodowego i pól bezpieczeństwa na miejscu. Jednakże w takich dziedzinach, jak monitorowanie środowiska, obserwacja obiektów i zapobieganie zagrożeniom, wykrywanie obiektów lub ludzi w czasie rzeczywistym będzie ograniczone charakterystyką skanowania, co spowoduje zniekształcenie danych. Korzystając z systemu czujników zbudowanego z lidaru 3D Flash, można śledzić bardzo zmienne poruszające się obiekty w czasie rzeczywistym i z dużą dokładnością na średnich i długich dystansach. Proces eksperymentalny i wyniki przedstawiono na rysunku 4. Ponadto wraz z rozwojem małych komponentów koszt detektorów area array ulega zmniejszeniu, a lidar Flash jest łatwy do miniaturyzacji, a jego zastosowania w dziedzinie bezpieczeństwa będą coraz większe.

Rys. 3 Zasada działania Flash LiDAR

Rys. 4 Scenariusz pracy i wyniki eksperymentów Flash LiDAR. (a) Konfiguracja eksperymentalna ze śledzeniem w czasie rzeczywistym na komputerze PC i Flash LiDAR na głowicy uchylno-obrotowej; (b) chmura punktów scenariusza; (c) widok intensywności scenariusza z osobą oznaczoną w środku; (d) widok zasięgu scenariusza z osobą zaznaczone centrum

4. Czujnik laserowy OPA LiDAR
Jako nowy rodzaj technologii kontroli skierowania wiązki, technologia skanowania OPA stała się w ostatnich latach gorącym punktem badawczym. Ma zalety braku urządzeń bezwładnościowych, stabilną dokładność i kontrolowany kierunek. Jego zasadę działania pokazano na rysunku 5. Kilka jednostek nadawczych tworzy układ nadawczy. Kąt wyjścia wiązki laserowej zmienia się poprzez regulację różnicy faz każdej jednostki nadawczej w układzie nadawczym, uzyskując w ten sposób wzajemnie wzmacniającą się interferencję w ustawionym kierunku, przygotowując w ten sposób wiązkę wskazującą o wysokiej intensywności. S3, „pierwszy na świecie półprzewodnikowy czujnik lidarowy”. S3 wykorzystuje metodę skanowania OPA i mieści się tylko w dłoni. Produkt i jego zasadę pokazano na rysunku 6. Produkty serii S3 znalazły zastosowanie w takich dziedzinach, jak monitorowanie włamań i kontrola dostępu.

Rys. 5 Zasada działania OPA

Rys. 6 Zasada działania Quanergy S3 LiDAR

Technologia optycznego układu fazowanego o wysokiej integracji może zaspokoić potrzeby rozwojowe w zakresie całkowicie półprzewodnikowych i miniaturyzacji lidarów bezpieczeństwa. Jednakże obecnie istnieją dwa główne czynniki ograniczające masową produkcję lidaru zabezpieczającego OPA: po pierwsze, podczas rzeczywistego skanowania łatwo tworzą się listki boczne, co będzie miało wpływ na zasięg i rozdzielczość kątową wiązki; po drugie, trudność przetwarzania jest wysoka. Dlatego technologia lidarów zabezpieczających OPA jest wciąż niedojrzała i na tym etapie trudno jest osiągnąć produktywność.

Informacje kontaktowe:

Jeśli masz jakiś pomysł, nie wahaj się z nami porozmawiać. Bez względu na to, gdzie są nasi klienci i jakie są nasze wymagania, będziemy podążać za naszym celem, aby zapewnić naszym klientom wysoką jakość, niskie ceny i najlepszą obsługę.