Prototyp solide

Ein Team der Université Côte d'Azur hat einige der Herausforderungen von Automobil-Lidar angegangen, indem es einen akusto-optischen Modulator, einen Metaoberflächendeflektor und eine aus der Telekommunikation übernommene Technik zur Verbesserung der Reichweite und des Signal-Rausch-Verhältnisses verwendet hat.

Ein Team der Université Côte d'Azur hat einige der Herausforderungen von Automobil-Lidar angegangen, indem es einen akusto-optischen Modulator, einen Metaoberflächendeflektor und eine aus der Telekommunikation übernommene Technik zur Verbesserung der Reichweite und des Signal-Rausch-Verhältnisses verwendet hat.

Fahrzeug-Lidar sendet Impulse aus und misst die Flugzeit für zurückgegebene Impulse, um die Reichweite zu bestimmen. Diese Impulse werden einzeln gesendet und über eine Szene abgetastet, indem die Impulsquelle vertikal und horizontal abgelenkt wird.

Ein vorausschauendes Lidar muss ausreichend weit voraus mit ausreichender Winkelauflösung über einen ausreichend breiten Kegel scannen, um sich schnell bewegende Objekte zu erkennen und dem Fahrzeug Zeit zum Reagieren zu geben.

Dies erfordert viele Impulse, um genügend Datenpunkte zu generieren, aber die Impulsfrequenz wird durch die Notwendigkeit begrenzt, auf die Rückkehr eines Impulses zu warten, bevor der nächste gesendet wird (um Entfernungsmehrdeutigkeiten zu vermeiden – hin und zurück über 200 m dauert 1,3 μs) und Impulse kann erst gesendet werden, nachdem der Scanner neu ausgerichtet wurde.

Der Prototyp der französischen Gruppe verwendet eine rot-orangefarbene (633 nm) Laserdiode, die bei 250 MHz amplitudenmoduliert werden kann, und sie modulieren den Impulsstrom räumlich mithilfe eines akusto-optischen Deflektors, der bei bis zu 5 MHz scannen kann – letzteres löst jedes Problem -Zeigen von Zeitproblemen.

Aber obwohl er schnell ist, ist die Ausgabe des Winkelmodulators eher schmal – nur 2°, daher wird dies an der Universität durch eine Metaoberfläche verstärkt (links), der den Winkelbereich auf 150° erweitert.

Der optische Empfänger ist empfindlich und schnell: eine Gruppe von Single-Photon-Avalanche-Photodioden (SPADs), die einen „Multipixel-Photonenzähler“ bilden, dessen Ausgabe von einem 6,4 Gsample/s ADC digitalisiert wird.

Nachdem das System eine hohe Bandbreite und eine hohe Empfindlichkeit erreicht hat, wird es immer noch durch die Physik des Impulsflugs behindert, um Entfernungsmehrdeutigkeiten zu vermeiden, und hier kommt die Telekommunikationstechnik ins Spiel.

Unter Ausnutzung der hohen Lasermodulationsbandbreite werden die ausgehenden optischen Impulse CDMA (Code Division Multiple Access) kodiert, wobei jeder Impuls einen anderen Code erhält.

Dies bedeutet, dass mehrere Impulse gleichzeitig im Umlauf sein und vom selben Detektor empfangen werden können.

Unabhängig von der Reihenfolge, in der sie zurückkehren, auch wenn sie sich überlagern, können die Impulse im Rücksignal digital getrennt und anhand des Codes, mit dem sie gekennzeichnet sind, separat zeitlich gesteuert werden.

„Experimentelle Ergebnisse haben gezeigt, dass die Block-CDMA-Technik den Mehrdeutigkeitsbereich des Lidars im Vergleich zum herkömmlichen Einzelpuls-Lidar um das bis zu 35-fache – auf Kilometerentfernungen – erweitert“, so die Photonik-Gesellschaft SPIE, die die Arbeit veröffentlicht hat. „Es verbessert außerdem das Signal-Rausch-Verhältnis der Lidar-Bilder und ermöglicht so eine bessere Leistung in lauten Umgebungen oder auf größeren Entfernungen.“

Der Prototyp „erfüllt nahezu die Anforderungen für Automotive-Lidar. „Es ist kompakt und kann auf Chipdimensionen verkleinert werden“, sagte SPIE. Es gebe „Möglichkeiten für autonome Fahrzeuge und Roboterindustrien“.

„Überwindung der Einschränkungen von 3D-Sensoren mit metaoberflächenverstärktem Scanning-Lidar mit großem Sichtfeld“ wird im SPIE-Journal „Advanced Photonics“ veröffentlicht. Das vollständige Papier ist kostenlos erhältlich und enthält einen kurzen, aber nützlichen Überblick über bestehende Fahrzeug-Lidar-Techniken.

Bilder bereitgestellt von SPIE