LiDAR-lasersensorclassificatie en scanmethoden

LiDARLasersensor zendt actief laserlicht uit en kan met hoge precisie en hoge resolutie informatie verkrijgen zoals de afstand, oriëntatie, snelheid en contour van een binnendringend doelwit. Het wordt veel gebruikt op gebieden als stedelijke veiligheid en industriële veiligheid. Dit artikel introduceert een korte introductie van de reguliere binnenlandse en buitenlandse lidar-fabrikanten op het gebied van veiligheid en hun technische productspecificaties. Door de behoeften van verschillende beveiligingstoepassingen te combineren, worden de principes, kenmerken en huidige situatie van lidar onder verschillende technische systemen besproken vanuit drie aspecten: bereikschema, scanmethode en lichtbronselectie. Ten slotte worden de toepassingstrends en ontwikkelingsvooruitzichten van beveiligingslidar samengevat en geprospecteerd. Om aan de behoeften van consumentenbeveiligingstoepassingen te voldoen, zal security-lidar zich verder ontwikkelen in de richting van lage kosten, hoge prestaties, serialisatie, miniaturisatie, solid state, chipisatie en multi-source integratie.

Afhankelijk van of er bewegende componenten in het systeem zijn, kan lidar worden onderverdeeld in mechanische lidar en solid-state lidar. Onder hen omvatten de implementatiemethoden van solid-state lidar micro-elektromechanisch systeem (Micro-ElectroMechanical System, MEMS), Flash-technologie en OPA-technologie.

Volgens de straalcontrolekarakteristieken in de scanmodus kan lidar worden onderverdeeld in scannende lidar en niet-scannende lidar. Onder hen bereikt niet-scannende lidar doelbeeldvorming door de scène met licht te bedekken, zoals Flash Area Array Lidar. Met de juiste scanmethoden kan beveiligingslidar een groter gezichtsveld en een grotere resolutie verkrijgen, terwijl de hele structuur stabieler wordt. Daarom heeft de keuze van de scantechnologie grote invloed op de levenscyclus van lidar, die op zijn beurt bepaalt of beveiligingslidar onder dit systeem in massa kan worden geproduceerd. Onder hen zijn een groot detectiebereik en een groot gezichtsveld sleutelindicatoren voor beveiligingslidar, en ze bepalen ook de toepassingsvooruitzichten van beveiligingslidar in de toekomst.

1. Mechanische LiDAR-lasersensor
Mechanische lidar verwijst naar het gebruik van mechanische rotatie om laserscanning te bereiken. De motor drijft de enkelpunts- of meerpuntsbereikmodule aan om te roteren om een ​​volledige 360 ​​graden of andere grote hoekgebiedscan te bereiken. Het werkingsprincipe van mechanische lidar wordt getoond in figuur 1. Het heeft de voordelen van een eenvoudig principe, gemakkelijk rijden en een groot scanveld. Het was de eerste die op grote schaal werd gebruikt en werd de scanoplossing voor reguliere lidar-beveiligingsproducten op de markt. Rekening houdend met factoren zoals lenzen, mechanische structuren en printplaten, kunnen veel punten variërende modules meestal niet worden geoptimaliseerd in termen van grootte en gewicht. Wanneer de motor de module gedurende lange tijd laat roteren, raken de lagers daarom gemakkelijk versleten. Hierdoor wordt traditioneel mechanisch scannen bekritiseerd in termen van levensduur en betrouwbaarheid, en nemen de kosten als gevolg van slijtage toe. Het is ook een heel reëel probleem. Daarom heeft de vroege beveiligingsmarkt vooral gebruik gemaakt van dimensionaliteitsreductie en goedkope oplossingen, dat wil zeggen het gebruik van dimlichtlijnlaserradar in combinatie met andere sensoren. Het heeft een compact uiterlijk en een groot scanveld en is geschikt voor scenario's zoals gebouwbeveiliging en regionale perimeterbeveiliging.

Fig. 1 Werkingsprincipe van traditionele mechanische LiDAR

Momenteel is de grootste uitdaging voor het LiDAR-ontwerp het bereiken van prestaties en robuustheid en tegelijkertijd het realiseren van massaproductie tegen redelijke kosten. Mechanische lidar kan echter niet op grote schaal worden gepromoot op het gebied van beveiliging vanwege de overtollige elektronische kerncomponenten, waardoor het moeilijk is de omvang en de kosten ervan te verminderen. Daartoe zijn de kerncomponenten van lidar geïntegreerd in toepassingsspecifieke geïntegreerde circuitchips (ASIC) om de omvang van het lidar-signaalverwerkingscircuit te verkleinen en het stroomverbruik en de kosten te verlagen. Dit is om de massaproductie van meerlijnige lidar te realiseren. een belangrijke tendens.

2.MEMS LiDAR-lasersensor
MEMS-laserradar vervangt het traditionele mechanische roterende apparaat door een MEMS-microspiegel geïntegreerd op een op silicium gebaseerde chip. De microspiegel reflecteert de laser om een ​​bredere scanhoek en een groter scanbereik te vormen. Het werkingsprincipe wordt getoond in figuur 2. MEMS-microspiegels zijn vernieuwers van de traditionele mechanische lidar en zullen leidend zijn in de miniaturisering en kostenreductie van lidar. De galvanometer-scanmethode vermijdt de directe rotatie van de bereikstructuur, maakt solid-state scannen van de lidar mogelijk en maakt de lidar compact.

Fig. 2 Schematische weergave van MEMS. (a) Werkingsprincipe van MEMS LiDAR; (b) MEMS-scanspiegel

De industrie vertrouwt op de voordelen van MEMS-microspiegels en beschouwt MEMS lidar als de snelste technologie die kan worden geïmplementeerd. Momenteel wordt de MEMS solid-state lidar uit de Leishen Intelligent LS20/LS21-serie gebruikt op gebieden als intelligente beveiliging en rampenmonitoring. De tekortkoming van de MEMS-microspiegel is echter dat de scanhoek klein is en dat er een extra hoek nodig is om een ​​groot gezichtsveld te kunnen scannen. Bovendien is de hoeveelheid laserlicht die het kan projecteren beperkt, waardoor het moeilijk wordt om "detectie op lange afstand" te realiseren. Over het algemeen zijn MEMS lidar-technologieoplossingen niet volwassen genoeg en moeten ze verder worden verbeterd. Er wordt aangenomen dat met de ontwikkeling van MEMS-microspiegels de toepassingsmogelijkheden van MEMS lidar breder zullen zijn.

3.Flash LiDAR-lasersensor
Flash lidar is een niet-scannende radar. Het zendt area array-licht uit op het doel, gebruikt de area array-detector om de verstrooiing van het invallende licht door het doel te detecteren en geeft een beeld met diepte-informatie weer. Het werkingsprincipe wordt getoond in Figuur 3. Hoewel Flash lidar goedkoop is en een goede stabiliteit heeft, is het detectiebereik relatief kort, waardoor de toepassingsscenario’s beperkt zijn. Op het gebied van beveiliging wordt Flash-laserradar op grote schaal gebruikt. Met behulp van 3D Flash-lidar voor doeldetectie, segmentatie en tracking laten de resultaten zien dat Flash-lidar geschikt is voor perimeterbewaking en beveiligingsvelden op locatie. Op gebieden als omgevingsmonitoring, objectobservatie en gevarenpreventie zal de realtime detectie van objecten of mensen echter worden beperkt door scaneigenschappen, wat resulteert in gegevensvervorming. Met behulp van een sensorsysteem gebouwd met 3D Flash lidar kunnen zeer variabele bewegende objecten in realtime en met hoge nauwkeurigheid worden gevolgd over middellange tot lange afstanden. Het experimentele proces en de resultaten worden getoond in Figuur 4. Bovendien worden, met de ontwikkeling van kleine componenten, de kosten van area array-detectoren verlaagd, is Flash lidar gemakkelijk te miniaturiseren en zullen de toepassingen ervan op het gebied van beveiliging uitgebreider zijn.

Afb. 3 Werkingsprincipe van Flash LiDAR

Fig. 4 Werkscenario en experimentele resultaten van Flash LiDAR. （a）Experimentele opstelling met real-time tracking op pc en Flash LiDAR op pan-tilt-kop; (b) puntenwolk van scenario; (c) intensiteitsweergave van scenario met persoon gemarkeerd in het midden; (d) bereikweergave van scenario met persoon gemarkeerd midden

4.OPA LiDAR-lasersensor
Als nieuw type beam pointing control-technologie is OPA-scantechnologie de afgelopen jaren een onderzoekshotspot geworden. Het heeft de voordelen van geen traagheidsapparaten, stabiele nauwkeurigheid en regelbare richting. Het werkingsprincipe wordt getoond in figuur 5. Verschillende zendeenheden vormen een zendarray. De uitgangshoek van de laserstraal wordt gewijzigd door het faseverschil van elke zendeenheid in de zendarray aan te passen, waardoor wederzijds versterkende interferentie in de ingestelde richting wordt bereikt, waardoor een richtstraal met hoge intensiteit wordt voorbereid. S3, "de eerste solid-state lidar-sensor ter wereld." S3 maakt gebruik van de OPA-scanmethode en heeft slechts het formaat van een handpalm. Het product en het principe ervan worden weergegeven in Figuur 6. De producten uit de S3-serie zijn gebruikt op gebieden als inbraakmonitoring en toegangscontrole.

Afb. 5 Werkingsprincipe van OPA

Afb. 6 Werkingsprincipe van Quanergy S3 LiDAR

Optische phased array-technologie met hoge integratie kan voldoen aan de ontwikkelingsbehoeften van volledig solid-state en miniaturisatie van beveiligingslidar. Er zijn momenteel echter twee belangrijke factoren die de massaproductie van OPA-beveiligingslidar beperken: ten eerste worden tijdens het daadwerkelijke scannen gemakkelijk zijlobben gevormd, wat het bereik en de hoekresolutie van de straal zal beïnvloeden; ten tweede is de verwerkingsmoeilijkheid hoog. Daarom is OPA-beveiligingslidartechnologie nog steeds onvolwassen en is het in dit stadium moeilijk om tot productie te komen.

Contactgegevens:

Heeft u ideeën? Neem dan gerust contact met ons op. Waar onze klanten zich ook bevinden en wat onze eisen ook zijn, wij zullen ons doel volgen om onze klanten hoge kwaliteit, lage prijzen en de beste service te bieden.