Le LiDAR suscite rapidement un intérêt croissant et est déployé dans les ADAS et les systèmes de détection automatisés de véhicules, mais il existe différentes manières de mettre en œuvre cette technologie. Cet article explique ces approches et les avantages relatifs de la détection LiDAR cohérente.
La détection et la télémétrie lumineuses (lidar) ont été conceptualisées pour la première fois dans les années 1930, presque simultanément avec la détection et la télémétrie radio (radar). Cependant, cette technologie n’a fait ses preuves qu’avec l’avènement des lasers dans les années 1960 et, au cours des années suivantes, le développement des communications optiques a conduit à des progrès significatifs dans le domaine des lasers et de la technologie de modulation optique.
En 2008, le premier système LiDAR disponible dans le commerce, initialement appelé « radar optique », a fait ses débuts dans une voiture particulière Volvo. Cette technologie révolutionnaire alimente l’un des premiers systèmes de freinage d’urgence automatique (AEB), permettant aux véhicules de freiner automatiquement pour prévenir ou atténuer les collisions arrière.
Après son introduction précoce il y a 15 ans (et son remplacement ultérieur par le radar comme alternative moins chère à l'AEB), le lidar haute résolution a rapidement évolué pour devenir un capteur haute résolution clé pour les programmes de voitures autonomes et a favorisé une variété de technologies. des start-up innovantes et bien financées. Offrant une plus grande portée, une résolution supérieure et une visualisation 3D en temps réel de l'environnement du véhicule, la technologie est désormais en train de devenir un paradigme de capteur important non seulement pour la conduite autonome, mais également pour compléter les systèmes avancés d'aide à la conduite (ADAS) dans les voitures particulières et commerciales. flottes.
Les capteurs LiDAR émettent des photons dans le spectre infrarouge pour détecter et créer des images 3D de leur environnement. Ils se révèlent très populaires dans les applications automobiles. Le principal avantage du LiDAR par rapport au radar est que la lumière utilisée a une longueur d’onde très courte, ce qui permet des mesures précises. De plus, le LIDAR peut fonctionner dans toutes les conditions d'éclairage et possède une meilleure portée de détection par rapport aux caméras. Les données capturées par les capteurs LIDAR peuvent être considérées comme un « nuage de points ».
De nombreux éléments doivent être pris en compte lors du développement d'un système LiDAR, tels que la longueur d'onde à utiliser, la manière de scanner et la manière de gérer les interférences. Cependant, la plus grande décision que le système doit prendre est de savoir comment détecter au mieux les photons qui reviennent. Il existe deux principaux concurrents : la détection directe et la détection cohérente.
Détection directe
Dans un système de détection directe, une impulsion laser est émise, démarrant efficacement une minuterie. Lorsque le retour de l'impulsion laser est reçu, il s'arrête et calcule la distance en fonction du temps écoulé. Voir la figure 1.
Figure 1 : Puisque la vitesse de la lumière (c) est constante, la distance à la cible est Δtc/2, où Δt est le temps entre le début de la transmission des photons et le front de réception des photons.
Pour des distances allant jusqu'à environ 50 m, il n'est pas nécessaire d'avoir recours à un laser monomode accordable de haute qualité (puisqu'il s'agit simplement d'une source qui comprime un grand nombre de photons en peu de temps) ou à une modulation, simplifiant ainsi les circuits de commande. Une optique de précision n’est pas non plus nécessaire pour compenser les aberrations du front d’onde.
Pourquoi cette courte portée ? À mesure que la zone d’éclairage augmente avec la distance, la puissance de retour diminue (comme le carré de la distance). Remarque : La formule de calcul est la suivante : la puissance de retour est approximativement égale à la puissance d'émission x (zone cible/zone d'éclairage) x (zone de réception/(π x plage2)). Cette perte ne peut être évitée, la solution la plus simple consiste donc à transmettre plus de puissance ou à augmenter la sensibilité du récepteur.
Cependant, il existe une limite à la quantité de puissance laser pouvant être utilisée. La lumière intense du proche infrarouge (IR) (800 à 1 400 ηm) peut altérer la vision humaine. Le simple fait d’augmenter la puissance de transmission de la lumière NIR dans les applications ADAS ou de voitures autonomes peut constituer un danger pour les autres usagers de la route et les piétons.
Pour améliorer la sensibilité de réception, la collecte de photons peut être augmentée en utilisant des lentilles de réception de plus grande surface. De plus, des photodiodes à avalanche (APD, photodiodes à gain intrinsèque) peuvent être utilisées, même si elles ont tendance à être coûteuses, fragiles et petites (ce qui complique encore davantage l'optique du système) et ne peuvent fournir qu'un gain d'environ 15 fois avant le bruit auto-généré. devient un problème A. D'autres types de capteurs, tels que les photodétecteurs d'avalanche en mode Geiger (GMAPD) et les détecteurs d'avalanche à photon unique (SPAD), offrent une meilleure sensibilité dans les systèmes LIDAR à détection directe, mais sont moins efficaces dans les environnements enneigés, poussiéreux ou brumeux.
De plus, tous les systèmes de détection nécessitent une certaine forme d’atténuation des interférences. Qu'il s'agisse d'un radar ou d'un LIDAR, le système doit savoir que le signal (ondes radio pulsées ou photons) reçu par le récepteur provient de l'émetteur. Des problèmes d’interférence sont apparus dès les débuts des radars automobiles à impulsions. Une fois que de nombreuses voitures furent équipées de radars, les interférences mutuelles devinrent un problème. La solution la plus populaire consistait à passer à des techniques de détection cohérentes, dans lesquelles le système radar utilise principalement des ondes continues modulées en fréquence (FMCW - voir ci-dessous).
Une autre limite du lidar à détection directe est qu'il ne mesure pas directement la vitesse en chaque point. Au lieu de cela, elle doit être calculée en déterminant comment la plage change au fil du temps (c'est-à-dire en comparant plusieurs images suivantes), ce qui peut altérer la réactivité du système.
Détection cohérente et FMCW
Cela implique de mélanger des échantillons de lumière incidente avec de la lumière transmise, ce qui présente deux avantages principaux. Premièrement, une amplification sans bruit du gain de photons peut être obtenue grâce à une interférence de longueur de phase (c'est-à-dire que le signal reçu est multiplié par le signal transmis), ce qui permet au système d'atteindre une excellente sensibilité avec des lasers de très faible puissance. Deuxièmement, le mélange des signaux transmis et reçus rend le système LiDAR très sélectif, car la lumière qui n'a pas exactement la même longueur d'onde (par exemple, la lumière du soleil ou la lumière des systèmes LiDAR voisins) est simplement ignorée.
Il existe plusieurs façons de mettre en œuvre des systèmes LiDAR de détection cohérents, mais la plus populaire est la modulation par onde continue modulée en fréquence (FMCW). La figure 2 montre un exemple simplifié.
Figure 2 : Le laser fonctionne autour de 1550 nm et module à plusieurs centaines de MHz (par exemple de 1550,002 à 1550 nm). Le signal émis (et réfléchi) est d'environ 200 THz. Après mélange optique, la photodiode présente la somme et la différence des deux signaux. La photodiode a une bande passante limitée et ne répond pas à des sommes d'environ 400 THz et ne peut détecter que des signaux différentiels de quelques centaines de MHz.
En pratique, le laser est balayé en fréquence de haut en bas pour produire un profil en dents de scie (fréquence en fonction du temps) à partir duquel la distance et la vitesse peuvent être dérivées ; pour ces derniers, considérons l’effet Doppler. La figure 3 montre un aperçu plus détaillé de l'optique.
Figure 3 : Principaux composants optiques d’un système lidar FMCW.
Bien que plus complexes que les systèmes de détection directe, les lidars FMCW présentent de nombreux avantages. Par exemple, comme mentionné ci-dessus, le signal de retour est multiplié par l'échantillon acquis à partir de la source émettrice (oscillateur local, LO sur la figure 4). En raison de la perte de trajet élevée du lidar, même quelques pour cent du LO peuvent être beaucoup plus importants que le signal de retour. Le degré d'amplification du signal est très élevé, mais limité aux signaux ayant exactement la même longueur d'onde, ce qui conduit à des rendements photoniques élevés.
Par exemple, un système lidar FMCW d’une portée d’environ 300 m peut être réalisé avec une puissance laser inférieure à 200 mW. Pour la même portée, un système de détection directe similaire nécessiterait une puissance de crête 1 000 fois supérieure. Notamment, FMCW est au cœur d’autres domaines du LiDAR ; par exemple, des instruments d'altimétrie optique avec des portées allant jusqu'à plusieurs kilomètres et des instruments laser Doppler LiDAR pour la caractérisation du vent avec des portées supérieures à 500 m.
Un autre avantage du lidar cohérent est la bande passante plutôt faible de la chaîne de signaux. Si l'on considère les longueurs d'onde de la figure 3 (où le laser balaie de 1 550,002 à 1 550 ηm), la bande passante de la photodiode peut être limitée à quelques centaines de MHz. les systèmes de détection directe nécessitent une bande passante aussi large que possible (généralement supérieure à 2 GHz) afin de résoudre le front montant de l'impulsion reçue.
Naturellement, la bande passante plus étroite permet l’utilisation d’amplificateurs à impédance mutuelle à faible bruit et de convertisseurs analogique-numérique plus lents sur la photodiode.
Enfin, la détection cohérente fournit des informations sur la vitesse par point. L’avantage de la vitesse par point est qu’il s’agit d’une mesure contextuelle supplémentaire que les systèmes de détection ultérieurs peuvent utiliser lors de l’interprétation des données LiDAR (et d’autres capteurs), permettant ainsi de prendre des décisions plus éclairées.
Les différents avantages de la détection cohérente sont donc importants, mais le lidar cohérent n’est pas sans défis.
Le laser doit être capable de maintenir son intégrité de phase sur une période suffisamment longue pour que sa lumière atteigne et revienne de la cible la plus éloignée. Si la phase du laser change de manière significative au cours du temps de transmission, la cohérence peut être perdue et entraîner des mesures de distance floues. De plus, il doit être FM (dans le cas du FMCW). La plupart des lasers à diode ne sont pas à la hauteur de la tâche, mais certains lasers accordables à semi-conducteurs sont apparus sur le marché commercial.
De plus, tous les mécanismes de balayage ne sont pas compatibles avec une détection cohérente. Le récepteur doit observer chaque point suffisamment longtemps pour permettre à la lumière d'atteindre et de revenir de la cible la plus éloignée possible, car le signal de retour doit être mélangé au signal transmis. Par exemple, une portée de 300 m nécessite que le mécanisme de balayage reste immobile pendant au moins 2 μs, mais de nombreux mécanismes de balayage en mouvement continu ne sont pas en mesure de le faire.
Enfin, il est important de noter que la tâche de traitement du signal du lidar cohérent est nettement supérieure à celle de la détection directe. Heureusement, les fabricants de semi-conducteurs ont introduit de puissants systèmes sur puce (SoC) qui intègrent des convertisseurs de données, des microcontrôleurs et des DSP avec des pédales d'accélérateur FFT pour répondre à ces besoins de traitement du signal : le SoC iND83301 Surya LIDAR d'Indie Semiconductor en est un exemple.
APERÇU
Différentes applications lidar bénéficient de différentes approches de conception. Comme mentionné précédemment, la détection directe pulsée de haute puissance peut bien fonctionner dans des applications telles que les levés aéroportés au sol où de très longues portées sont nécessaires et où il y a peu de risque que les systèmes LiDAR interfèrent les uns avec les autres ou nuisent à l'œil humain.
Cependant, pour les applications telles que les ADAS et les véhicules terrestres automatisés qui nécessitent une gamme de<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.
