Время полета по сравнению с системами FMCW LiDAR

Последние статьи ^{1, 2, 3, 4, 5} представили ряд маркетинговых заявлений о преимуществах систем LiDAR с частотно-модулированной непрерывной волной (FMCW). Как и следовало ожидать, в этой истории есть нечто большее, чем утверждают заголовки. В этой статье мы рассмотрим эти утверждения и предложим техническое сравнение Time of Flight (ToF) и FMCW LiDAR для каждого из них.

Мы понимаем, что не все системы ToF и FMCW одинаковы, поэтому мы сосредоточимся на ToF, используемом в AEye. Мы надеемся, что в этой статье будут описаны некоторые из сложных системных компромиссов, которые должен преодолеть успешный практик, тем самым стимулируя активное информированное обсуждение, конкуренцию и, в конечном итоге, улучшение предложений как ToF, так и FMCW.

Конкурентные претензии

Утверждение 1. FMCW — это (новая) революционная технология

Это неправда.

Вопреки недавним новостным статьям, FMCW LiDAR существует уже очень давно, благодаря работе, проделанной в лаборатории Линкольна Массачусетского технологического института в 1960-х годах ⁸ . , всего через семь лет после изобретения самого лазера ⁹ . Многие уроки, извлеченные из FMCW за эти годы, хотя и не засекречены и являются общественным достоянием, к сожалению, давно забыты. Что изменилось в последнее время, так это более высокая доступность лазеров с большой длиной когерентности. Хотя это возродило интерес к устоявшейся технологии, поскольку теоретически она может обеспечить чрезвычайно высокое усиление сигнала, все еще существует несколько ограничений, которые необходимо устранить, чтобы сделать этот LiDAR жизнеспособным для автономных транспортных средств.

Претензия №2:FMCW обнаруживает/отслеживает объекты дальше и быстрее

Это не доказано.

Системы ToF LiDAR могут предложить очень высокую скорость лазерных импульсов (несколько миллионов импульсов в секунду в системе AEye), быстрое сканирование, повышенную заметность отражения и возможность применения областей интереса (ROI) с высокой плотностью, что дает вам в два раза больше получить в четыре раза больше информации из возвратов по сравнению с другими системами. Для сравнения, многие системы FMCW низкой сложности способны работать со скоростью от 10 до 100 тысяч выстрелов в секунду (примерно в 50 раз медленнее). Таким образом, по сути, мы сравниваем время пребывания в наносекундах и высокую частоту повторения с временем пребывания в десятки микросекунд и низкой частотой повторения (на пару лазер/приемник). Доступны коммерческие продукты LiDAR автомобильного класса, которые производят миллионы возвратов в секунду с использованием ToF, с большим полем зрения и сверхвысоким разрешением более 1000 точек на градус в квадрате. Компания AEye не знает ни о каких FMCW-системах, которые соответствовали бы этому уровню производительности (системы FMCW на рынке в настоящее время, как правило, не имеют конкретных характеристик производительности).

Обнаружение, обнаружение (классификация) и отслеживание объектов на большом расстоянии сильно зависят от частоты лазерных импульсов, поскольку более высокая плотность лазерных импульсов (в пространстве и/или во времени) предоставляет больше информации, что позволяет сократить время обнаружения и улучшить фильтрацию шума. Компания AEye продемонстрировала систему, способную обнаруживать объекты с низкой отражательной способностью в нескольких точках:небольшие объекты и пешеходы на расстоянии более 200 м, транспортные средства на расстоянии 300 м и грузовик класса 3 на расстоянии 1 км. Это говорит о дальномерности технологии ToF. Действительно, практически все лазерные дальномеры используют ToF, а не FMCW, для измерения расстояния (например, дальномер Voxtel ¹⁰ продукты, некоторые с дальностью обнаружения 10+ км). Хотя в недавних статьях утверждается, что FMCW имеет превосходную дальность, мы не видели системы FMCW, которая могла бы соответствовать дальности усовершенствованной системы ToF, обеспечивая при этом соответствующие FOV, общую полосу обзора и плотность точек.

Претензия №3:FMCW измеряет скорость и дальность более точно и эффективно

Это заблуждение.

Системы ToF, в том числе LiDAR от AEye, требуют нескольких лазерных выстрелов для определения скорости цели. Это может показаться дополнительными накладными расходами по сравнению с заявлениями FMCW об одиночных выстрелах. Гораздо важнее понять, что не все измерения скорости одинаковы. В то время как радиальная скорость в двух автомобилях, движущихся лоб в лоб, актуальна (одна из причин, по которой желательна большая дальность обнаружения), так же важна и поперечная скорость, поскольку она составляет более 90% наиболее опасных крайних случаев. Автомобили, едущие на красный свет, сворачивающие транспортные средства, пешеходы, выходящие на улицу, — все они требуют поперечной скорости для уклонения от принятия решений. FMCW не может измерять боковую скорость одновременно, за один выстрел, и не дает никаких преимуществ при определении поперечной скорости по сравнению с системами ToF.

Рассмотрим автомобиль, движущийся со скоростью от 30 до 40 метров в секунду (от 67 до 89 миль в час), обнаруженный лазерным выстрелом. Если второй лазерный выстрел будет сделан через короткий промежуток времени, скажем, через 50 мкс после первого, цель сместится всего на ~ 1,75 мм за этот интервал. Чтобы установить скорость, которая является статистически значимой, цель должна переместиться не менее чем на 2 см, что занимает около 500 мкс (при этом требуется достаточное отношение сигнал-шум для интерполяции выборок дальности). С помощью этого второго измерения можно установить статистически значимый диапазон и скорость в пределах временного интервала, который пренебрежимо мал по сравнению с частотой кадров. В быстродействующем сканере 500 мкс предназначены не только для оценки скорости. Вместо этого в промежутке можно произвести множество других выстрелов по целям. Это время можно использовать для просмотра других областей/целей, прежде чем вернуться к исходной цели для высокодостоверного измерения скорости, в то время как система FMCW захвачена в течение всего времени задержки.

Время захвата усугубляется тем фактом, что FMCW часто требует как минимум двух разверток частоты лазера (вверх и вниз) для формирования однозначного обнаружения, а развертка вниз предоставляет информацию, необходимую для преодоления неоднозначности, возникающей из-за смешивания диапазона + доплеровского сдвига. Это удваивает время выдержки, необходимое для каждого выстрела, сверх того, что уже было описано. Величина движения цели за 10 мкс обычно может составлять всего 0,5 мм, что затрудняет разделение вибрации и реального линейного движения.

Претензия №4:FMCW меньше мешает

На самом деле совсем наоборот!

Ложные отражения возникают как в системах ToF, так и в системах FMCW. К ним могут относиться ретрорефлекторные аномалии, такие как «ореолы», «оболочки», первые поверхностные отражения, внеосевые пространственные боковые лепестки, а также многолучевое распространение и помехи. Ключом к любому хорошему LiDAR является подавление боковых лепестков как в пространственной области (с хорошей оптикой), так и во временной области/области формы сигнала. ToF и FMCW сопоставимы по пространственному поведению, но где FMCW действительно страдает, так это во временной области/области формы сигнала, когда присутствуют высококонтрастные цели.

Беспорядок: FMCW полагается на подавление боковых лепестков на основе окна для устранения собственных помех (помех), что гораздо менее надежно, чем ToF, который не имеет боковых лепестков. Чтобы обеспечить контекст, импульс FMCW длительностью 10 мкс распространяет свет в радиальном направлении в диапазоне 1,5 км. Любые объекты в пределах этого диапазона будут захвачены боковыми лепестками БПФ (времени). Даже более короткий импульс FMCW длительностью 1 мкс может быть искажен помехами высокой интенсивности на расстоянии 150 м. Хорошо известно, что первый боковой лепесток БПФ с прямоугольным окном составляет -13 дБ, что намного выше уровней, необходимых для неизменно хорошего облака точек. (Если только ни один объект в кадре не отличается по интенсивности от любой другой точки диапазона в кадре более чем на 13 дБ, что маловероятно в реальных дорожных условиях).

Конечно, можно применить более глубокую конусность боковых лепестков, но за счет уширения импульса. Кроме того, нелинейности во входном каскаде приемника (так называемый динамический диапазон без паразитных составляющих) будут ограничивать эффективные общие уровни боковых лепестков системы, достижимые из-за компрессии и побочных эффектов АЦП (перехваты третьего порядка); фазовый шум6; атмосферная фазовая модуляция и т. д., которые не может смягчить никакое сужение окна. Аэрокосмические и оборонные системы могут преодолевать и преодолевают такие ограничения, но нам неизвестны какие-либо недорогие автомобильные системы, способные к мгновенному динамическому диапазону>100 дБ, необходимому для сортировки небольших объектов дальнего действия от ретрорефлекторов ближнего действия, таких как возникают в FMCW.

Напротив, типичная гауссовская система ToF при длительности импульса 2 нс не имеет каких-либо зависящих от времени боковых лепестков за пределами нескольких сантиметров самой длительности импульса. Никакой динамический диапазон между малым и большим смещением отражения не влияет на свет, падающий на фотодетектор при захвате малого отражения от цели.

Первая поверхность: Потенциально более сильным источником помех является отражение, вызванное либо ветровым стеклом, либо другой первой поверхностью, применяемой к системе LiDAR. Так же, как передающий луч почти постоянно включен, отражения будут непрерывными и очень сильными по отношению к удаленным объектам, представляя аналогичный вид низкочастотной составляющей, которая создает нежелательные боковые лепестки БПФ в преобразованных данных. Результатом также может быть значительное сокращение полезного динамического диапазона. Кроме того, ветровые стекла, являясь многослойным стеклом при механическом воздействии, имеют сложную неоднородную поляризацию. Это рандомизирует электрическое поле возврата сигнала на поверхность фотоприемника, усложняя (декогерентизируя) оптическое смешение.

Наконец, из-за характера обработки во временной области по сравнению с обработкой в ​​частотной области обработка множественных эхо-сигналов — даже с высоким динамическим диапазоном — является простым процессом в системах ToF, тогда как в системах FMCW требуется значительное устранение неоднозначности. Обработка мультиэха особенно важна при работе с такими помехами, как дым, пар и туман.

Претензия № 5:FMCW — автомобильный класс, надежный и легко масштабируемый

Это в лучшем случае не доказано.

Предполагаемое преимущество FMCW заключается в том, что он использует зрелость фотоники и телекоммуникационных технологий, тем самым способствуя масштабируемости до более высоких уровней производительности (в дополнение к экономии средств). Правда, FMCW позволяет использовать недорогие фотодетекторы, такие как PIN-коды, тогда как ToF часто использует APD и другие более дорогие детекторы. Однако в деталях гораздо больше нюансов.

Цепочка поставок для компонентов LiDAR относительно зарождается, но такие компоненты, как волоконные лазеры, приемники с PIN-матрицей, АЦП и FPGA или ASICS, уже много лет используются в различных отраслях. Эти типы компонентов представляют очень низкий риск с точки зрения базы поставок. Для сравнения, важнейшим компонентом систем FMCW является лазер с очень низким фазовым шумом, который имеет множество жестких требований и не имеет другого массового пользователя, который помог бы снизить затраты на массовое производство.

Оптические компоненты, используемые в системах ToF LiDAR, являются производными от компонентов, широко используемых в коммерческих системах. Новыми разработками являются МЭМС, которые ранее использовались практически во всех автомобильных датчиках давления и подушек безопасности, а также в пушках Гатлина, ракетных ГСН и лазерных резонаторных модуляторах добротности в вооруженных силах. Компоненты систем FMCW были доступны в лабораторных условиях в течение многих лет, но ни в одной крупносерийной производственной системе не были развернуты такие элементы, как диодный лазер с быстрой перестройкой частоты и большой длиной когерентности, необходимый для работы таких систем.

Кроме того, у ToF LiDAR уже есть несколько поставщиков, продающих автомобильные компоненты для всего аппаратного стека:лазеры, детекторы, ASIC и т. д. Исторически прорывная технология (например, лазерные источники FMCW), которая производится исключительно внутри компании, должна иметь 10-кратное увеличение. техническая выгода, чтобы компенсировать продукт, который имеет надежную цепочку поставок с несколькими поставщиками, которые уже соответствуют стандартам качества для данной клиентской базы.

Масштабируемость напрямую связана со зрелостью. Одним из способов описания технологической зрелости является схема, разработанная НАСА в 1970-х годах7 под названием «Уровень технологической готовности» (TRL). В этой схеме технологии присваиваются номера в соответствии с тем, как далеко проходит путь от ее вдохновения (TRL 1) до развертывания в нескольких успешных миссиях (TRL 9).

Мы считаем, что в случае ToF LiDAR компоненты и системы находятся на TRL 8, а компоненты и системы FMCW — на TRL 4. Это значительный пробел в технологической готовности, на преодоление которого уйдут многие годы. Основные недостатки масштабируемости систем FMCW включают низкую частоту импульсов из-за растяжения лазерного импульса чирпа, а также высокоскоростные АЦП и FPGA, необходимые для обработки возвратов. В случае, когда требуется более высокая частота импульсов на системном уровне, могут быть развернуты параллельные каналы оптического тракта и электроники. В них может использоваться один сканирующий MEMS, но каждый реплицированный элемент составляет большую часть стоимости системы LiDAR, поэтому удвоение каналов почти удваивает общую стоимость LiDAR.

Стоимость лазера: В системах FMCW длина когерентности определяется тем, как спроектирован и изготовлен лазер, и должна быть как минимум в два раза больше максимальной дальности до цели. Как правило, лазер с низким фазовым шумом намного дороже, чем традиционный диодный лазер. В отличие от этого, помимо поддержания правильной формы импульса, к лазеру в системе ToF предъявляется несколько других требований, помимо тех, которые уже требуются на рынках телекоммуникаций.

Расходы получателя: Хотя FMCW-детекторы могут быть низкокачественными PIN-кодами и относительно дешевыми, общая стоимость приемника высока из-за требований к внешней оптике и внутренней электронике. Однако даже в этом случае коаксиальная система FMCW и коаксиальная система ToF не будут иметь значительных различий в стоимости детектора в зависимости от необходимых размеров детектора. Общая стоимость приемника будет в пользу системы ToF. Тем не менее, где FMCW действительно блестит по стоимости, так это для систем малого радиуса действия. Более высокая энергоэффективность, обеспечиваемая когерентностью, позволяет использовать диодные лазеры, а масштаб Li-DAR достижим.

Расходы на оптику: В типичной системе ToF имеет место некогерентное обнаружение (простое обнаружение пика амплитуды), и оптические элементы должны находиться в пределах одной четверти длины волны (так называемая λ/4). Для сравнения, FMCW использует когерентное обнаружение, и в совокупности все оптические поверхности должны находиться в гораздо более жестких пределах допуска, например λ/20. Эти компоненты могут быть очень дорогими.

Затраты на электронику: В системе AEye ToF электроника состоит из высокоскоростного аналого-цифрового преобразователя (АЦП) и программируемой пользователем вентильной матрицы (FPGA), которая выполняет обнаружение пиков и вычисления дальности. Полоса пропускания электроники пропорциональна разрешению по дальности, и для общих требований системы Li-DAR в компонентах нет ничего необычного.

FMCW требует скорости преобразования АЦП, которая в два-четыре раза выше, чем у системы ToF, а затем должна следовать FPGA, способная принимать данные и выполнять очень быстрое преобразование FFT. Даже при использовании ASIC сложность систем FMCW в несколько раз превышает сложность (и стоимость) обработки, необходимой для ToF.

Претензия № 6. Добавление FMCW к оптическим фазированным решеткам (OPA) компенсирует недостаток твердотельных характеристик FMCW

Это не доказано.

FMCW имеет низкий уровень технической готовности, а оптические фазированные решетки имеют еще более низкий уровень технической готовности (примерно TRL 3 с экспериментальным подтверждением принципа и не могут использоваться в масштабе, необходимом для FMCW). Первоначальная программа DARPA Modular Optical Aperture Building Blocks (MOABB) продемонстрировала, что для достижения очень низких пространственных характеристик управления передачей боковых лепестков необходимы субмикронные (λ/2) волноводы11. Следствием необходимости таких небольших волноводов является способность таких элементов выдерживать мощность, что было определено как фундаментальное ограничение подхода. На приемной стороне идея направить свет от входной линзы на фотонную подложку, где свет должен быть собран в очень маленький волновод, также является проблемой оптических характеристик (продолжающееся ограничение).

В большинстве систем OPA используется тепловое смещение длины волны лазера для направления лучей в одном измерении, а фазированные решетки используются для направления лучей в другом измерении. Хорошо известно, что управление лучом фазированной решетки очень быстро ухудшается (создаются пространственные боковые лепестки) при сдвиге частоты лазерного луча. Комбинация механизма управления лучом, который зависит от того, что лазер имеет постоянную интенсивность и постоянную длину волны, в то время как механизм дальности зависит от качания частоты (длины волны) лазера, плохо работает для традиционных подходов FMCW. Идея объединения FMCW с этой технологией управления лучом, которая находится на такой ранней стадии разработки, невероятно рискованна. Мы считаем, что этот путь может занять еще 10 лет, прежде чем он станет пригодным для использования.

Заключение

AEye считает, что высокопроизводительные системы ToF с гибким сканированием удовлетворяют потребности автономных транспортных средств LiDAR более эффективно, чем FMCW, когда важны стоимость, дальность, производительность и качество облака точек. Тем не менее, нетрудно увидеть логическое объяснение того, что FMCW может играть нишевую роль в приложениях, где подходит более низкая частота впрыска, а системы FMCW более экономичны.

Эта статья была написана Луисом Дюссаном, основателем и техническим директором AEye (Дублин, Калифорния). Для получения дополнительной информации посетите здесь .

Ссылки

1. Команда Aurora, «Лидар FMCW:беспилотный автомобиль, меняющий правила игры », 9 апреля 2020 г.
2. Филип Росс, «Aeva представляет лидар на чипе ", IEEE Spectrum, 11 декабря 2019 г.
3. Тимоти Ли, «Два ветерана Apple создали новый датчик лидара — вот как он работает », арсТЕХНИКА, 2 октября 2018 г.
4. Джефф Хект, «Лазеры для лидара:лидар FMCW:альтернатива беспилотным автомобилям ”, Laser-FocusWorld, 31 мая 2019 г.
5. «Aeva запускает 4D-лидар на чипе для автономного вождения ", 16 декабря 2019 г.
6. Филипп Сэндборн, «Лидар FMCW:масштабирование до уровня микросхемы и улучшение характеристик с ограничением фазового шума ”, Электротехника и компьютерные науки, Калифорнийский университет в Беркли, технический отчет № UCB/EECS-2019-148, 1 декабря 2019 г.
7. “Уровень технологической готовности », Википедия.
8. А. Гшвендтнер, В. Кейхер, «Разработка когерентного лазерного радара в Линкольнской лаборатории », журнал MIT Tech, том 12, № 2, 2000 г.
9. С. Патель, «Стабильность одночастотных лазеров ", IEEE J Quantum Electronics, v4, 1968 г.
10. Лазерные дальномеры Voxtel , июнь 2020 г.
11. П. Суни и др., «Фотонная интегральная схема FMCW Lidar On A Chip ”, 19-я конференция по когерентным лазерным радарам.