Если вы видели автономные автомобили на фотографиях или вживую, то заметили – сверху у них на крыше закреплена какая-то странная штука.

Иногда она похожа на сирену, как в случае с прототипами Waymo от Google, что придает им вид очаровательного полицейского автомобиля.

Но, чаще эта штуковина напоминает крутящуюся консервную банку, установленную на распорках.

Это устройство на беспилотных автомобилях является лидаром, оборудованием, которое наделяет машину «зрением».

Слово лидар (LIDAR) состоит из начальных букв четырех английских слов – Light Identification Detection and Ranging, что означает «обнаружение, идентификация и определение дальности с помощью света».

Автомобильный лидар в беспилотном автомобиле – это самая дорогостоящая штука. Ценой $75 000, лидар стОит дороже, чем многие автомобили. А между тем, это устройство лишь одно из многих, которым нужно оснащать беспилотный транспорт.

Однако, в этом году данная ситуация может измениться благодаря появлению так называемых твердотельных лидаров высокого разрешения и стоимостью всего несколько сотен долларов. На самом деле, слово твердотельные – не очень корректно. Лидары нового поколения отличаются от предыдущих, своей неподвижностью (статичностью).

Но, их изобретение серьезно приближает момент массового появления беспилотного транспорта на дорогах. Поэтому стоит понять, что такое автомобильный лидар, и в частности статичный (твердотельный).

Слово «лидар» передает саму суть его функционирования – это радар, который работает на световых волнах. Вспомнив школьную физику, мы знаем – излучая радиоволны, радар определяет расстояние до объекта на основании времени, которое требуется радиоволне для отражения от объекта.

Лидар действует по схожей схеме, но использует для этого не радиоволны, а короткие импульсы света высокой мгновенной мощности. Для получения более точной информации, лидары используют инфракрасное излучение и ближнее ультрафиолетовое.

Но, беспилотному автомобилю нужны данные о десятках объектов вокруг. Поэтому он крутится вокруг своей оси, испуская множество световых вспышек, и таким образом формирует из «облака точек» трехмерное 360-градусное изображение окружающей обстановки. И делать он это может в любых средах, погодных условиях и независимо от времени суток.

В этом музыкальном клипе группы Radiohead видно, как из таких «точек» формируется картинка.

Чтобы беспилотные автомобили могли без участия человека передвигаться в пространстве, им требуется комбинация видеокамер, радаров и лидаров. И лидар выполняет критически важную функцию – он дает автомобилю представление не только о собственной локализации, но и о местоположении окружающих объектов.

GPS в данном случае непригодно – оно определяет местоположение с формированием круга диаметром около 5 м, а лидар делает это с точностью до 10 см.

Уровень автономности – это международные критерии, принятые, дабы объяснить, насколько тот или иной транспорт является самостоятельным.

Существует 6 уровней автономности

И вот лидар необходим при автономности уровня 4 и выше.

Что такое статичный автомобильный лидар

На сегодняшний день большинство лидаров – это дорогостоящие подвижные устройства.

Конечно, как и все технологии, лидары со временем стали дешевле и уменьшились в размерах. Но, пока они стоят от $8 000 до $80 000, и быстро выходят из строя.

А вот статичные лидары – другое дело. Сделанные главным образом из кремния, в них нет подвижных частей и используется лазер с изменяемой длиной волны. Такое устройство легкое, маленькое, потребляет мало энергии (работает на батарейке АА), быстрое и точное, работает при любых погодных условиях, и стоит не тысячи, а сотни долларов.

Технологию статичных кремниевых лидаров изобрела американская компания Quanergy. Полный набор их лазерного сканера сейчас стоит $900, но разработчик обещает постоянно снижать цены, доведя до $100.

Твердотельный лидар не просто дешевле, он очень быстрый, высокоточный и работает дольше. Электромеханический лидар выдерживает максимум 2000 часов, что меньше, чем требуется на год эксплуатации автомобиля, а твердотельный – до 100 000 часов.

Когда беспилотные автомобили станут массовым продуктом

Первый лидар в 1999 году был установлен на автомобиль Jaguar стоимостью около $100 000. В то время лидары с датчиками были настолько дороги, что люди шутили «вы приобретаете лидар и получаете бесплатно в нагрузку Jaguar».

Сегодня эта функция в автомобилях уже стОит $18 000, а с применением твердотельных датчиков цена «лазерного зрения» упадет до $1000.

Предполагается, что первые твердотельные лидары Quanergy начнут устанавливать на серийный электромобиль Fisker EMotion с запасом хода до 640 км на одной зарядке.

Выпуск этого автомобиля пока еще большой стоимости – $130 000, запланирован на 2019 год.

А вот массовое появление беспилотных автомобилей, использующих технологию твердотельных лидаров, ожидают в 2020-2023 годах. Считается, что к этому времени минимум одна модель автономного транспорта будет почти у каждого крупного автопроизводителя. И хотя поначалу, скорее всего, способностью к автономности будут наделять дорогие и роскошные модели, очень скоро ею оснастят и бюджетные машины.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter .

Введение

Термин “лидар” является аббревиатурой английского выражения light identification, detection and ranging (обнаружение и определение дальности с помощью света).

Лидар - технология получения и обработки информации об удалённых объектах с помощью активных оптических систем, использующих явления отражения света и его рассеяния в прозрачных и полупрозрачных средах.

Как прибор, лидар представляет собой оптический локатор для дистанционного зондирования воздушных и водных сред. Также к лидарам относят оптические локаторы, которые позволяют дистанционно получать информацию о твердых объектах.

Лидары востребованы и пользуются популярностью благодаря достоинствам используемых в них лазерах:

· Когерентность излучения

· Малая длина волны излучения и, как следствие, малые потери из-за расходимости

· Мгновенная мощность излучения

Совокупность этих свойств делает использование лидара незаменимым на дистанциях от сотен метров до нескольких километров.

Принцип действия лидара

Импульсное излучение лазера посылается в атмосферу. Затем, рассеянное атмосферой в обратном направлении, излучение собирается телескопом и регистрируется фотоприемником с последующей оцифровкой сигналов.

импульсный лидар телеобъектив оптический

Лидар запускает быстрые короткие импульсы лазерного излучения на объект (поверхность) с частотой до 150000 импульсов в секунду. Датчик на приборе измеряет промежуток времени, необходимый для возврата импульса. Свет движется с постоянной и известной скоростью, поэтому лидар может вычислить расстояние между ним и цели с высокой точностью.

Существуют две основные категории импульсных лидаров: микроимпульсные и высокоэнергетические системы.

Микроимпульсные лидары работают на более мощной компьютерной технике с большими вычислительными возможностями.

Эти лазеры меньшей мощности и классифицируются как "безопасные для глаз", что позволяет использовать их практически без особых мер предосторожности.

Лидары с большой энергией импульса в основном применяются для исследования атмосферы, где они часто используются для измерения различных параметров атмосферы, таких как высота, наслоение и плотность облаков, свойства частиц облака, температуру, давление, ветер, влажность и концентрацию газов в атмосфере.

Устройство лидара

Большинство лидаров состоит из трех частей:

· Передающая часть

· Приемная часть

· Система управления

Передающая часть (а) лидара содержит источник излучения - лазер и оптическую систему для формирования выходного лазерного пучка, т.е. для управления размером выходного пятна и расходимостью пучка.

В абсолютном большинстве конструкций излучателем служит лазер, формирующий короткие импульсы света высокой мгновенной мощности. Периодичность следования импульсов или модулирующая частота выбираются так, чтобы пауза между двумя последовательными импульсами была не меньше, чем время отклика от обнаружимых целей (которые могут физически находиться дальше, чем расчётный радиус действия прибора). Выбор длины волны зависит от функции лазера и требований к безопасности и скрытности прибора; наиболее часто применяются Nd:YAG-лазеры и длины волн:

1550 нм -- инфракрасное излучение, невидимое ни глазу человека, ни типичным приборам ночного видения. Глаз не способен сфокусировать эти волны на поверхности сетчатки, поэтому травматический порог для волны 1550 существенно выше, чем для более коротких волн. Однако риск повреждения глаз на деле выше, чем у излучателей видимого света -- так как глаз не реагирует на ИК излучение, то не срабатывает и естественный защитный рефлекс человека

1064 нм -- ближнее инфракрасное излучение неодимовых и иттербиевых лазеров, невидимое глазу, но обнаружимое приборами ночного видения

532 нм -- зелёное излучение неодимового лазера, эффективно «пробивающее» массы воды

355 нм -- ближнее ультрафиолетовое излучение

Приёмная часть (б) состоит из объектива (телескоп), спектрального и/или пространственных фильтров, поляризационного элемента и фотодетектора. Излучение, отраженно-рассеянное от исследуемого объекта, концентрируется приемной оптикой (телескопом), а затем проходит через анализатор спектра. Этот прибор служит для выделения интервала длин волн, в котором проводятся наблюдения, и, следовательно, для отсечки фонового излучения на других длинах волн. Анализатор может представлять собой либо сложный, тщательно настраиваемый моно- или полихроматор, либо набор узкополосных фильтров, включая фильтр отсечки излучения на длине волны лазерного передатчика.

Излучатель и приемный блок могут быть далеко разнесены друг от друга или выполнены в едином блоке, что в последние годы является обычным. Оси излучателя и приемника могут быть совмещены (коаксиальная схема) или разнесены (биаксиальная схема).

Система управления(в) выполняет следующие задачи:

ѕ Управление режимом работы лидара;

ѕ Управление частотой зондирующего излучения лазера;

ѕ Измерение энергии излучения в выходящем и принимаемом двухчастотном лазерном пучке на обеих частотах;

ѕ Обработка результатов, т.е. получение спектральных характеристик атмосферы, определение наличия и концентраций примесей по имеющимся в базе данных компьютера «спектральным портретам» молекул;

ѕ Управление системой наведения лидара на исследуемый объект.

В своем исследовании я решил подробно рассмотреть схемы объективов, используемых в различных лидарах.

Сегодня все большую популярность набирает технология светового обнаружения и определения дальности - LIDAR (Light Identification Detection and Ranging). Наши эксперты следят за развитием индустрии и подготовили обзор статьи, посвященной этой технологии.

Технологии дополнят камеры и радары в автономном транспорте

Полностью автономный транспорт будущего будет полагаться на комбинацию различных сенсорных технологий - продвинутых систем зрения, радара и системы светового обнаружения и определения дальности (лазерного локатора). Из этих трех, лазерный локатор на данный момент - самая дорогостоящая часть уравнения, и весь мир прилагает усилия по снижению этих цен.

Сейчас на рынке доступны механические лазерные локаторы, стоящие сотни долларов. Эти цифры необходимо уменьшить для того, чтобы массовое применение лазерных локаторов оправдывало себя в гибкой автомобильной отрасли.

Помимо фактора цены, поставщики лазерных локаторов должны показать высокую производительность и надежность своих продуктов. Для продвинутых систем помощи водителю и автоматизированного вождения недостаточно иметь надежность в 99%. В критических (с точки зрения безопасности) аспектах автомобильного производства, оборудование должно показывать надежность «шести девяток» - 99,9999%.

Важность продвинутых технологий в автомобильном транспорте не может быть переоценена. Предложенная Intel сделка на сумму 15,3 миллиарда долларов по приобретению Mobileye, израильского поставщика систем компьютерного зрения, хороший тому пример. Производитель чипов и Mobileye объединились с BMW в прошлом году для совместной работы над технологией автономного транспорта.

Лазерный локатор - ключевой компонент этой технологии, и инвесторы держат свои кошельки широко раскрытыми для стартапов, работающих над этой технологией. В марте 2017 года инвесторы вложили 10 миллионов долларов в TetraVue - стартап, работающий над лазерным локатором в городе Карлсбад, Калифорния. Список инвесторов включает в себя Foxconn, Nautilus Venture Partners, Robert Bosch Venture Capital и Samsung Catalyst Fund.

Стартап программного обеспечения для самоуправляемых машин Autonomic, расположенный в Пало-Алто, Калифорния, получил около 11 миллионов долларов от Ford Motor и Social Capital. Четыре сооснователя ранее работали в Pivotal Labs.

Technavio прогнозирует совокупный среднегодовой темп роста для мирового рынка автомобильных датчиков лазерной локации более чем на 34% до 2020 года (Рисунок 1). По оценке исследующей рынок фирмы, рынок лазерных локаторов составил 61,61 миллион долларов в 2015 году, с наибольшим спросом в Европейском/Средневосточном/Африканском регионах, а также в Северной и Южной Америке.

В июне 2016 года компания в открытый доступ выложила отчет «Глобальный рынок автомобильных датчиков лазерной локации 2016-2020», и будет обновлять этот отчет в течение третьей четверти текущего года.

«Технология лазерной локации в автомобильной индустрии испытывает быструю эволюцию, как в рамках технического прогресса, так и в рамках динамики рынка» , - утверждает Сиддхарт Джайсвал , один из ведущих аналитиков индустрии исследований автомобильной электроники Technavio.

Среди ключевых разработок, названных Technavio:

1. Снижение стоимости для увеличения масштаба. Производители лазерных локаторов работают над снижением стоимости системы, применяя эффективные методы обработки, а в некоторых случаях, позиционируя продукты для каждого сегмента клиента в отдельности: «Цена 64-лучевого блока лазерной локации Velodyne HDL-64E, который используют в беспилотном автомобиле Google, стоит 80000 долларов», - заявляет Джайсвал . «Velodyne также предлагает 32-лучевые и 16-лучевые блоки лазерной локации по цене 40000 долларов и 8000 долларов соответственно, которые могут быть использованы в более экономичных проектах. Мы ожидаем, что технология лазерной локации пойдет по «стопам радара» в автомобильной индустрии, где цена играла ключевую роль в принятии рынком. Следовательно, цена является ключевым фактором для игроков рынка» .
2. Компактный дизайн. Первый датчик лазерной локации Velodyne, выпущенный в 2005 году, был настолько большим и тяжелым (он весил около 5 килограмм), что должен был быть расположен на крыше автомобиля. Сейчас сенсор весит менее килограмма, а твердотельная версия достаточно компактна, чтобы поместиться внутри машины.
3. Сочетание датчиков. Технологический тренд совмещения датчиков изображения с датчиком лазерной локации был популярной темой для исследований на протяжении более десяти лет. Выходные данные становятся более надежными, если в результате сочетания информация, полученная одним датчиком, подтверждает информацию датчика другого типа. Однако, если данные одного датчика не сходятся с данными другого, система становится ненадежной.
4. Использование лазерных локаторов за пределами автомобилей для управления дорожными активами. Исследования по оценке состояния дорожного покрытия (TRACS) были введены для сети магистральных дорог Англии в 2000 году. Автодорожное агентство Великобритании проводит регулярные автоматизированные исследования состояния дорожного покрытия магистралей в рамках исследования TRACS. Лазерный локатор используется для измерения расстояния до датчика и, потенциально, может предоставлять данные об объектах, находящихся на гораздо более большом расстоянии от исследовательской машины, чем при исследовании TRACS.

Рисунок 1.
Источник: Technavio

«Лазерный локатор находится на очень прибыльной позиции среди датчиков автономного вождения» , - утверждает Джайсвал. «360-градусная карта - его главное отличие от других сенсорных технологий, а его возможности в отношении обнаружения объектов даже в условиях полного отсутствия света нашли свое место среди оригинальных производителей оборудования. К тому же, явное падение цены самого дорогого компонента беспилотного автомобиля - блока датчиков лазерной локации, вероятно приведет к принятию автомобильных лазерных локаторов. Например, в 2016 году, Velodyne представила свой новый лазерный локатор ULTRA Puck VLP-32A. По заявлениям, это самый доступный лазерный локатор, способный, по определению SAE (Сообщество автомобильных инженеров), достигать уровней автономного вождения 1-5, а также он очень компактный, по сравнению с предыдущими версиями продуктов из этой индустрии. Из-за твердотельной архитектуры, сенсор достаточно маленький, чтобы быть установленным на наружные зеркала заднего вида, при этом радиус 3D-зондирования увеличен до 200 метров (656 футов). Velodyne установила целевое ценообразование из расчета менее чем 300 долларов за один блок, что в масштабах массового автомобильного производства - значительное снижение цены с 7900 долларов за предыдущий компактный блок лазерного локатора» .

Более того, лазерный локатор может быть разработан с использованием проверенных технологий полупроводниковых процессов, а твердотельная версия не имеет движущихся частей.

«Лазерный локатор считается ключевой технологией для точного 3D-картирования, «ощущения автомобиля» и навигации» , - утверждает Пьер Камбу , директор отдела работы с изображениями компании Yole Developpement. «Происходит соревнование в производительности и долговечности, для этого используются коротковолновые инфракрасные (SWIR) диоды, лавинные фотодиоды или однофотонные лавинные фотодиоды. Также прилагаются большие усилия по снижению цен. Это направлено в основном на то, чтобы сделать лазерный локатор полупроводниковым с помощью управляемых лазеров, микрозеркал МЭМС или детекторных решеток» .

Но Камбу заметил, что существуют разные подходы к автономному вождению, и лазерный локатор не является необходимым для каждого из них. «Лазерный локатор - это основополагающее оборудование для беспилотного транспорта, который я предпочитаю называть роботизированным транспортом. В будущем будет существовать много уровней автономности. Лазерный локатор может быть необходим для экстренного торможения в городских условиях, вероятно в сочетании с радарами и камерами. Этот мультимодальный подход сейчас четко определен. Никто не ставит его под сомнение» .

Рынок лазерных локаторов будет расти по мере уменьшения цен: от 600 миллионов долларов на сегодняшний день до 1,2 миллиардов в течение следующих пяти лет (Рисунок 2). «Сегодня три точки входа в автомобильную индустрию: 3000 долларов, 300 долларов и 30 долларов» , - заявил он. «Камеры на текущий момент находятся на ценовом уровне в 30 долларов, а лазерный локатор на уровне 3000 долларов. Цель производителей лазерный локаторов сейчас - снизить цену и достигнуть цели в 300 долларов, без значительных потерь производительности. Такие лазерные локаторы, вероятно, созданные на основе твердотельных подходов, появятся на рынке в течение следующих трех лет» .

Это малая часть рынка зрительных датчиков. «Консенсус здесь в том, что прибыль от автомобильных радаров и автомобильного зрения почти одинакова, но зрение на 50% состоит из современной системы содействия водителю (ADAS) и на 50% - из системы помощи при парковке», - сказал Камбу. «Мы достигли оборота датчиков автомобильного зрения в 1 миллиард долларов в 2016 году, и среднегодового темпа роста в 24%. Верхняя черта - 7.3 миллиарда прибыли в сфере датчиков автомобильного зрения к 2021 году».

Рисунок 2.
Источник: Yole Developpement.

Амин Каши , директор отдела современных систем содействия водителю и автономного вождения в Mentor Graphics, дочерней компании Siemens, заявил, что интерес к лазерным локаторам возник более десяти лет назад, в связи с высокой ценой радаров на тот момент, которые стоили по 500 долларов за штуку. Лазерные локаторы тогда были чрезвычайно дорогими, до 260000 долларов за блок.

«Три года назад, некоторое количество компаний или стартапов начали интересоваться сферой лазерных локаторов и инвестировать в неё средства» , - говорит Каши. «Каждая крупная компания внезапно начала вкладывать деньги или покупать компании, работающие в сфере лазерных локаторов» .

В число таких компаний входили Continental и TRW. Каши ранее работал в компании Quanergy Systems, которая разработала механический лазерный локатор, а сейчас работает над лазерным локатором с фазированной решеткой. Твердотельный лазерный локатор Quanergy продается по 250 долларов за штуку.

Тем временем, Mentor Graphics предоставляет оригинальным производителям оборудования и крупным компаниям аппаратное и программное обеспечение, а также услуги по проектированию в сфере лазерных локаторов. «Мы также предоставляем программное обеспечение обработки изображений, которое может быть запущено на их датчиках. В конце концов, все сенсоры должны быть каким-то образом соединены. Необходима вычислительная платформа или система, которая собирает всю эту разную информацию и делает её понятной для системы принятия решений. Вот в чем заключается наш интерес» .

«Камеры, лазерные локаторы и радары дополняют друг друга, восполняя недостатки каждой технологии» , - заявил он. «Это играет критическую роль, так как лазерный локатор может быть менее эффективным в тумане, при низких облаках, песчаных бурях, сильном дожде и сильном снегопаде».

«Все еще необходимо иметь очень высокое разрешение датчиков, используемых на беспилотном транспорте» , заметил Амин Каши. «Существует множество компаний, работающих над технологиями лазерной локации, множество стартапов и у них очень убедительные концепции. Интересно будет посмотреть, будет ли их путь к коммерциализации успешным. Некоторые из них совсем неоригинальны, но переход от отличной концепции к датчику автомобильного класса - очень сложная задача. И она требует больших вложений» .

Сравнения между различными технологиями лазерной локации не всегда прямолинейны, и растущая конкуренция не делает их проще.

«Существует множество обманчивой информации» , - заявляет Луай Эльдада , исполнительный директор стартапа Quanergy. «Есть люди, которые делают традиционные механические лазерные локаторы: большие, крутящиеся механические лазерные локаторы, используемые на вертолетах, и они называют их гибридными твердотельными, потому что содержание полупроводника в них не равно нулю. Это просто обман».

По словам Эльдады, такие продукты имеют один маленький чип, в продукте размером с ведро. «В автомобильной сфере никто уже не использует механические лазерные локаторы. Мы уверены, что наш твердотельный локатор является самой захватывающей разработкой в этой сфере».

В прошлом году Quanergy получила 90 миллионов долларов во втором инвестиционном раунде, что увеличило общую сумму частных инвестиций до 150 миллионов долларов, а также увеличило стоимость самой компании более чем до 1 миллиарда долларов. Delphi Automotive, GP Capital, Motus Ventures, Samsung Ventures и Sensata Technologies совершили вклады во втором инвестиционном раунде.

XenomatiX - другой стартап, специализируйщийся на твердотельных лазерных локаторах. «Стартапы сейчас лидируют в разработках, которые считаются необходимыми при автономном вождении» , - заявил Филип Гайенс , исполнительный директор Бельгийской компании. «Некоторые большие компании тратят много денег и серьезно инвестируют, чтобы получить датчики и программное обеспечение, необходимое для автономного вождения. Большинство этих компаний, с точки зрения технологий, двигаются в одном направлении. Мы ожидаем, что все они столкнутся с серьезными трудностями. Мы же, напротив, двигаемся в другом направлении и делаем вещи немного иначе. Мы считаем, что это лучший способ преодолеть трудности» .

«XenomatiX пытается избавиться от дезориентации при зондировании среди систем лазерных локаторов, связанной с тем, что многие системы используют прямое время полета, испуская один луч света или одну вспышку света» , - заявил Гайенс . «Метод, который используем мы, заключается в отправке тысяч лучей одновременно. Это довольно сложно. Мы также придерживаемся техники безопасности для защиты глаз. Это самая важная трудность, которая одинакова для всех нас. Мы испускаем множество лучей одновременно и это делает все еще сложнее. С другой стороны, это делает систему более надежной в реальных условиях, где несколько лазерных локаторов работают одновременно».

Некоторые компании утверждают, что камер и радаров для автономного вождения достаточно, однако Гайенс так не считает. Он утверждает, что вождение автомобиля происходит в объемном мире, а лазерный локатор незаменим при зондировании во всех направлениях.

Одна из больших проблем в индустрии - спрос и предложения между оригинальными производителями оборудования и ведущими компаниями. Оригинальные производители оборудования ожидают от ведущих компаний, необходимых им продвинутых технологий, в то время как ведущим компаниям требуются проверенные технологии, прежде чем они смогут представить их оригинальным производителям оборудования. Согласно многочисленным инсайдерам в индустрии, поставщики автомобильных частей не хотят иметь большие затраты на научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы без обязательств оригинальных производителей оборудования по объемам закупок.

«Находящееся на рассмотрении приобретение компанией Intel фирмы Mobileye - большой шаг вперед во введении высокотехнологичных продуктов в автомобильную индустрию» , - утверждает Гайенс .

Соревнование на пути к беспилотному транспорту и количество технологических инноваций, которое требуется, чтобы достичь этого, меняет некоторые из использованных ранее подходов.

«На данный момент, технология лазерной локации - совершенно новое слияние технологий» , - считает Жан-Ив Дешен , президент Квебекской компании Phantom Intelligence. «Это слияние обусловлено автомобильной индустрией» .

Пять-десять лет назад лазерный локатор преимущественно использовался в архитектурных, картографических и военных целях. Блоки выглядели как огромные, громоздкие устройства с огромным количеством зеркал.

«Многие находятся в поиске решения» , - заявил он. «Недавние исследования и компании, о которых мы много слышим, сейчас пытаются заменить эти зеркала. Мы воспроизводим принцип сканирования лазерного локатора путем использования зеркал МЭМС и управления лучем. Много методов картирования двигается в этом направлении. В Phantom Intelligence мы уверены, что решение заключается в использовании вспышечного лазерного локатора. Вспышечный лазерный локатор- скорее аналог 3D-камеры. Вместо узкого луча, который постепенно проходит по полю зрения для воссоздания изображения, происходит вспышка лазерного импульса на большом пространстве, а для восстановления изображения используется множество пикселей» .

«Недостаток лазерного локатора - эхо, возвращающееся на датчик» , - заметил Дешен , сторонник «более умной» обработки сигналов, как он её называет. Он считает, что будет существовать пять уровней автономного вождения, полностью автономный транспорт появится в 2025 году, а широкое распространение получит в 2030 году.

Лазерный локатор – хорошо известная технология, которая наконец нашла себе выгодное применение на рынке.

«Сам принцип лазерной локации, отправленный с импульсом свет и эхо времени полета сильно не изменился» , - заявил один из источников в индустрии. «Физический принцип никогда не менялся с момента изобретения, уже на протяжении 40 лет. Изменения касаются скорее составных частей и системной интеграции. Никакого изменения фундаментального принципа» .

Источник заметил, что вспышечный лазерный локатор находился в разработке на протяжении последних пяти лет, и за это время получил сходства с датчиком КМОП. «Технология вспышечного лазерного локатора - сфера, требующая пристального внимания. Она предоставляет очень дешевое решение, но не высокую производительность» .

Кевин Уотсон , старший руководитель отдела разработки товаров Microvision (Редмонд, Вашингтон), не согласен. «Я не считаю, что это приведет к каким-то результатам» , - высказался он о вспышечном лазерном локаторе. «На протяжении многих лет Святым Граалем лазерных локаторов считались лазерные сканеры на основе МЭМС-зеркал, потому что они невероятно маленькие, относительно недорогие в производстве в больших количествах и очень надежные. К тому же, достаточнокомпактные, чтобы спрятать несколько штук в автомобиле» .

Уотсон называет лазерный локатор «самым важным датчиком» в автомобильной электронике. «Системы зрения - это здорово, но они абсолютно пассивны, а лазерный локатор активен» . Но и у лазерного локатора есть свои ограничения. Радар может распознать стену и имеет большую дальность действия, способен работать в тумане, а лазерная локация и зрение могут быть сбиты с толку. «До достижения четвертого уровня автономности (предшествующего самому высокому уровню) еще далеко» , - заявил Уотсон . «Это не будет реализовано на протяжении следующих десяти лет. Это очень, серьезная проблема. Еще слишком многое нужно сделать» .

Теги: Лидар, излучатель, сигнал, когерентный, некогерентный, сканирующая оптика

Лидары

Л идар (LIDAR англ. Light Identification Detection and Ranging - световое обнаружение и определение дальности) - технология получения и обработки информации об удалённых объектах с помощью активных оптических систем, использующих явления отражения света и его рассеяния в прозрачных и полупрозрачных средах.

Лидар как прибор представляет собой активный дальномер оптического диапазона. Сканирующие лидары в системах машинного зрения формируют двумерную или трёхмерную картину окружающего пространства. «Атмосферные» лидары способны не только определять расстояния до непрозрачных отражающих целей, но и анализировать свойства прозрачной среды, рассеивающей свет. Разновидностью атмосферных лидаров являются доплеровские лидары, определяющие направление и скорость перемещения воздушных потоков в различных слоях атмосферы.

Принцип действия

Принцип действия лидара не имеет больших отличий от радара: направленный луч источника излучения отражается от целей, возвращается к источнику и улавливается высокочувствительным приёмником (в случае лидара - светочувствительным полупроводниковым прибором); время отклика прямо пропорционально расстоянию до цели.

Принцип действия лидара прост. Объект (поверхность) освещается коротким световым импульсом, и измеряется время, через которое сигнал вернется к источнику. Свет распространяется очень быстро - 3∙10 8 м/с. Однако он возвращается с некоторой задержкой, которая зависит от расстояния до объекта.

Расстояние, которое прошел фотон на пути до объекта и обратно, можно рассчитать по формуле:

L = c ∙ t пролёта 2

Оборудование, необходимое для измерения этого малого промежутка времени, должно работать чрезвычайно быстро.

Лидар запускает быстрые короткие импульсы лазерного излучения на объект (поверхность) с частотой до 150000 импульсов в секунду. Датчик на приборе измеряет промежуток времени, необходимый для возврата импульса. Свет движется с постоянной скоростью, поэтому лидар может вычислить расстояние между ним и цели с высокой точностью.

Во всех случаях радиотехническая система обнаруживает сигналы на фоне помех. Считается, что полезный сигнал имеет частоту, равную резонансной частоте настройки системы ω c = ω 0 . Начальная фаза равна нулю:

U c t = U cm sin ω 0 t

Сумма сигнала и помехи:

U сп t = u с t + u п t = U cm + U п1 sin ω 0 t + U п2 cos ω 0 t

где U п1 и U п2 – амплитуды помех.

• Некогерентное детектирование (прямой метод измерения): Реагирование происходит на амплитуду суммарного колебания и помехи U спm .Превышением сигнала над помехой называется следующее отношение: m нкг 2 = U cm 2 U п1 2 + U п2 2 = U cm 2 2σ 2 где σ 2 – дисперсия каждой из амплитуд помехи U п1 и U п2
• Когерентное детектирование: Полностью исключает ортогональную к сигналу составляющую помех. Оно предусматривает реагирование лишь на колебание, равное сумме амплитуды сигнала Ucm и синфазной составляющей помехи U п1. Превышением сигнала над помехой при когерентном обнаружении называется отношение m нкг 2 = U cm 2 U _ п1 2 , где U _ п1 2 – дисперсия амплитуды синфазной составляющей. Когерентные системы лучше всего подходят для доплеровских или фазочувствительных измерений и, как правило, используют оптическое гетеродинное детектирование. Это позволяет им работать при гораздо меньшей мощности, но при этом конструкция фотоприемной схемы намного сложнее.

Существуют две основные категории импульсных лидаров: микроимпульсные и высокоэнергетические системы.

• Микроимпульсные лидары работают на более мощной компьютерной технике с большими вычислительными возможностями. Эти лазеры меньшей мощности и классифицируются как "безопасные для глаз", что позволяет использовать их практически без особых мер предосторожности.
• Лидары с большой энергией импульса в основном применяются для исследования атмосферы, где они часто используются для измерения различных параметров атмосферы, таких как высота, наслоение и плотность облаков, свойства частиц облака, температуру, давление, ветер, влажность и концентрацию газов в атмосфере.

В отличие от радиоволн, эффективно отражающихся только от достаточно крупных металлических целей, световые волны подвержены рассеиванию в любых средах, в том числе в воздухе, поэтому возможно не только определять расстояние до непрозрачных (отражающих свет) дискретных целей, но и фиксировать интенсивность рассеивания света в прозрачных средах. Возвращающийся отражённый сигнал проходит через ту же рассеивающую среду, что и луч от источника, подвергается вторичному рассеиванию, поэтому восстановление действительных параметров распределённой оптической среды - достаточно сложная задача, решаемая как аналитическими, так и эвристическими методами.

Излучатель

В абсолютном большинстве конструкций излучателем служит лазер, формирующий короткие импульсы света высокой мгновенной мощности. Периодичность следования импульсов или модулирующая частота выбираются так, чтобы пауза между двумя последовательными импульсами была не меньше, чем время отклика от обнаружимых целей (которые могут физически находиться дальше, чем расчётный радиус действия прибора). Выбор длины волны зависит от функции лазера и требований к безопасности и скрытности прибора; наиболее часто применяются Nd:YAG-лазеры и следующие длины волн (в нанометрах):

• 1550 нм - инфракрасное излучение, невидимое ни глазу человека, ни типичным приборам ночного видения. Глаз не способен сфокусировать эти волны на поверхности сетчатки, поэтому травматический порог для волны 1550 существенно выше, чем для более коротких волн
• 1064 нм - ближнее инфракрасное излучение неодимовых и иттербиевых лазеров, невидимое глазу, но обнаружимое приборами ночного видения
• 532 нм - зелёное излучение неодимового лазера, эффективно «пробивающее» массы воды
• 355 нм - ближнее ультрафиолетовое излучение

Также возможно использование вместо коротких импульсов непрерывной амплитудной модуляции излучения переменным напряжением.

Сканирующая оптика

Простейшие атмосферные лидарные системы не имеют средств наведения и направлены вертикально в зенит.

Для сканирования горизонта в одной плоскости применяются простые сканирующие головки. В них неподвижные излучатель и приёмник также направлены в зенит; под углом 45° к горизонту и линии излучения установлено зеркало, вращающееся вокруг оси излучения. В авиационных установках, где надо сканировать полосу, перпендикулярную направлению полёта самолёта-носителя, ось излучения - горизонтальна. Для синхронизации мотора, вращающего зеркало, и средств обработки принимаемого сигнала используются точные датчики положения ротора, а также неподвижные реперные риски, наносимые на прозрачный кожух сканирующей головки.

Сканирование в двух плоскостях добавляет к этой схеме механизм, поворачивающий зеркало на фиксированный угол с каждым оборотом головки - так формируется цилиндрическая развёртка окружающего мира. При наличии достаточной вычислительной мощности можно использовать жёстко закреплённое зеркало и пучок расходящихся лучей - в такой конструкции один «кадр» формируется за один оборот головки.

Приём и обработка сигнала

Важную роль играет динамический диапазон приёмного тракта. Чтобы избежать перегрузки приёмника интенсивной засветкой от рассеивания в «ближней зоне», в системах дальнего радиуса действия применяют высокоскоростные механические затворы, физически блокирующие приёмный оптический канал. В устройствах ближнего радиуса со временем отклика менее микросекунды такой возможности нет.

Современное состояние и перспективы

Исследования атмосферы

Исследования атмосферы стационарными лидарами является наиболее массовой отраслью применения технологии. В мире развёрнуто несколько постоянно действующих исследовательских сетей (межгосударственных и университетских), наблюдающих за атмосферными явлениями.

Раннее оповещение о лесных пожарах

Лидар, размещённый на возвышенности (на холме или на мачте) и сканирующий горизонт, способен различать аномалии в воздухе, порождённые очагами пожаров. В отличие от пассивных инфракрасных систем, распознающих только тепловые аномалии, лидар выявляет дымы по аномалиям, порождаемым частицами горения, изменению химического состава и прозрачности воздуха и т. п.

Исследования Земли

Вместо установки лидара на земле, где принимаемый отражённый свет будет зашумлён из-за рассеяния в загрязнённых, нижних слоях атмосферы, «атмосферный» лидар может быть поднят в воздух или на орбиту, что существенно улучшает соотношение сигнал-шум и эффективный радиус действия системы.

Строительство и горное дело

Лидары, сканирующие неподвижные объекты (здания, городской ландшафт, открытые горные выработки), относительно дёшевы: так как объект неподвижен, то особого быстродействия от системы обработки сигнала не требуется, а сам цикл обмера может занимать достаточно долгое время (минуты).

Морские технологии

Измерение глубины моря . Для этой задачи используется дифференциальный лидар авиационного базирования. Красные волны почти отражаются поверхностью моря, тогда как зелёные частично проникают в воду, рассеиваются в ней, и отражаются от морского дна. Технология пока не применяется в гражданской гидрографии из-за высокой погрешности измерений и малого диапазона измеряемых глубин.

Поиск рыбы . Аналогичными средствами можно обнаруживать признаки косяков рыбы в приповерхностных слоях воды. Специалисты американской государственной лаборатории ESRL утверждают, что поиск рыбы лёгкими самолётами, оборудованных лидарами, как минимум на порядок дешевле, чем с судов, оборудованных эхолотами.

Спасение людей на море . В 1999 ВМС США запатентовали конструкцию авиационного лидара, применимого для поиска людей и человеческих тел на поверхности моря; принципиальная новизна этой разработки - в применении оптического маскирования отражённого сигнала, снижающего влияние помех.

Разминирование . Обнаружение мин возможно с помощью лидаров, непосредственно погруженных в воду (например, с буя, буксируемого катером или вертолётом), однако не имеет особых преимуществ по сравнению с активными акустическими системами (сонарами).

На транспорте

Определение скорости транспортных средств . В Австралии простейшие лидары используются для определения скорости автомобилей - так же, как и полицейские радары. Оптический «радар» существенно компактнее традиционного, однако менее надёжен в определении скорости современных легковых автомобилей: отражения от наклонных плоскостей сложной формы «запутывают» лидар.

Беспилотные транспортные средства . В 1987-1995 годах в ходе проекта EUREKA Prometheus, стоившего Европейскому союзу более 1 млрд долларов, были выработаны первые практические разработки беспилотных автомобилей. Наиболее известный прототип, VaMP (разработчик - Университет бундесвера в Мюнхене) не использовал лидары из-за недостатка вычислительной мощности тогдашних процессоров. Новейшая их разработка, MuCAR-3 (2006), использует единственный лидар кругового обзора, поднятый высоко над крышей машины, наравне с направленной мультифокальной камерой обзора вперёд и инерциальной навигационной системой.

Промышленные и сервисные роботы . Системы машинного зрения ближнего радиуса действия для роботов, основанные на сканирующем лидаре IBM, формируют цилиндрическую развёртку с углом охвата горизонта 360° и вертикальным углом зрения до +30..-30°. Собственно дальномер, установленный внутри сканирующей оптической головки, работает на постоянном излучении малой мощности, модулированном несущей частотой порядка 10 МГц. Расстояние до целей (при несущей 10 МГц - не более 15 м) пропорционально сдвигу фаз между опорным генератором, модулирующим источник света, и ответным сигналом.

Ru-Cyrl 18- tutorial Sypachev S.S. 1989-04-14 [email protected] Stepan Sypachev students

Всё ещё не понятно? – пиши вопросы на ящик