Klassifizierung und Scanmethoden von LiDAR-Lasersensoren

LiDARLasersensor strahlt aktiv Laserlicht aus und kann mit hoher Präzision und hoher Auflösung Informationen wie Entfernung, Ausrichtung, Geschwindigkeit und Kontur eines eindringenden Ziels ermitteln. Es wird häufig in Bereichen wie der städtischen Sicherheit und der industriellen Sicherheit eingesetzt. In diesem Artikel werden die gängigen in- und ausländischen Lidar-Sicherheitshersteller und ihre technischen Produktspezifikationen kurz vorgestellt. Durch die Kombination der Anforderungen verschiedener Sicherheitsanwendungen werden die Prinzipien, Eigenschaften und die aktuelle Situation von Lidar unter verschiedenen technischen Systemen unter drei Gesichtspunkten diskutiert: Entfernungsschema, Scanmethode und Auswahl der Lichtquelle. Abschließend werden die Anwendungstrends und Entwicklungsperspektiven von Sicherheits-Lidar zusammengefasst und prospektiert. Um den Anforderungen von Verbrauchersicherheitsanwendungen gerecht zu werden, wird sich Security Lidar in den Richtungen niedrige Kosten, hohe Leistung, Serialisierung, Miniaturisierung, Solid State, Chipisierung und Multi-Source-Integration weiterentwickeln.

Abhängig davon, ob sich im System bewegliche Komponenten befinden, kann Lidar in mechanisches Lidar und Festkörper-Lidar unterteilt werden. Zu den Implementierungsmethoden von Festkörper-Lidar gehören unter anderem mikroelektromechanische Systeme (Micro-ElectroMechanical System, MEMS), Flash-Technologie und OPA-Technologie.

Entsprechend den Strahlsteuerungseigenschaften im Scanmodus kann Lidar in scannendes Lidar und nicht scannendes Lidar unterteilt werden. Unter anderem erreicht das nicht scannende Lidar eine Zielabbildung, indem es die Szene mit Licht abdeckt, wie zum Beispiel das Flash Area Array Lidar. Durch geeignete Scanmethoden kann das Sicherheits-Lidar ein größeres Sichtfeld und eine größere Auflösung erzielen und gleichzeitig die gesamte Struktur stabiler machen. Daher hat die Wahl der Scantechnologie großen Einfluss auf den Lebenszyklus von Lidar, der wiederum bestimmt, ob Sicherheits-Lidar unter diesem System in Massenproduktion hergestellt werden kann. Unter anderem sind die große Erkennungsreichweite und das große Sichtfeld Schlüsselindikatoren für Sicherheits-Lidar und bestimmen auch die Anwendungsaussichten von Sicherheits-Lidar in der Zukunft.

1. Mechanischer LiDAR-Lasersensor
Unter mechanischem Lidar versteht man die Verwendung mechanischer Rotation zur Erzielung eines Laserscans. Der Motor treibt das Einzelpunkt- oder Mehrpunkt-Entfernungsmessmodul so an, dass es sich dreht, um eine vollständige 360-Grad-Abtastung oder eine andere große Winkelbereichsabtastung zu erreichen. Das Funktionsprinzip des mechanischen Lidar ist in Abbildung 1 dargestellt. Es bietet die Vorteile eines einfachen Prinzips, einer einfachen Bedienung und eines großen Scan-Sichtfelds. Es war das erste, das weit verbreitet war und zur Scanlösung für gängige Sicherheits-Lidar-Produkte auf dem Markt wurde. Unter Berücksichtigung von Faktoren wie Linsen, mechanischen Strukturen und Leiterplatten können viele Punkte bei Ranging-Modulen in der Regel nicht hinsichtlich Größe und Gewicht optimiert werden. Wenn der Motor das Modul über einen längeren Zeitraum rotieren lässt, kommt es daher leicht zu einem Verschleiß der Lager. Dies führt dazu, dass die herkömmliche mechanische Abtastung hinsichtlich Lebensdauer und Zuverlässigkeit in der Kritik steht und die durch Verschleiß verursachten Kosten steigen. Es ist auch ein sehr reales Problem. Daher wurden auf dem frühen Sicherheitsmarkt vor allem Dimensionsreduzierungs- und kostengünstige Lösungen eingesetzt, d. h. die Verwendung von Linienlaserradar mit Abblendlicht in Verbindung mit anderen Sensoren. Es verfügt über ein kompaktes Erscheinungsbild und ein großes Scan-Sichtfeld und eignet sich für Szenarien wie den Gebäudeschutz und den regionalen Perimeterschutz.

Abb. 1 Funktionsprinzip des herkömmlichen mechanischen LiDAR

Derzeit besteht die größte Herausforderung beim LiDAR-Design darin, Leistung und Robustheit zu erreichen und gleichzeitig eine Massenproduktion zu angemessenen Kosten zu erreichen. Allerdings kann mechanisches Lidar im Sicherheitsbereich aufgrund seiner redundanten elektronischen Kernkomponenten nicht weit verbreitet werden, was eine Reduzierung seiner Größe und Kosten erschwert. Zu diesem Zweck werden die Kernkomponenten von Lidar in anwendungsspezifische integrierte Schaltkreise (ASIC) integriert, um die Größe des Lidar-Signalverarbeitungsschaltkreises zu reduzieren und den Stromverbrauch und die Kosten zu senken. Damit soll die Massenproduktion von mehrzeiligem Lidar realisiert werden. ein wichtiger Trend.

2.MEMS LiDAR-Lasersensor
MEMS-Laserradar ersetzt das herkömmliche mechanische Drehgerät durch einen MEMS-Mikrospiegel, der auf einem Chip auf Siliziumbasis integriert ist. Der Mikrospiegel reflektiert den Laser, um einen größeren Scanwinkel und einen größeren Scanbereich zu erzeugen. Das Funktionsprinzip ist in Abbildung 2 dargestellt. MEMS-Mikrospiegel sind Innovatoren des traditionellen mechanischen Lidar und werden die Miniaturisierung und Kostenreduzierung von Lidar anführen. Die Galvanometer-Scanmethode vermeidet die direkte Drehung der Entfernungsmessstruktur, ermöglicht die Festkörperabtastung des Lidars und macht den Lidar kompakt.

Abb. 2 Schematische Darstellung von MEMS. (a) Funktionsprinzip von MEMS LiDAR; (b) MEMS-Scanspiegel

Aufgrund der Vorteile von MEMS-Mikrospiegeln betrachtet die Industrie MEMS-Lidar als die am schnellsten zu implementierende Technologie. Derzeit wird das MEMS-Festkörper-Lidar der Leishen Intelligent LS20/LS21-Serie in Bereichen wie intelligenter Sicherheit und Katastrophenüberwachung eingesetzt. Der Nachteil des MEMS-Mikrospiegels besteht jedoch darin, dass sein Scanwinkel klein ist und ein zusätzlicher Winkel erforderlich ist, um das Scannen eines großen Sichtfelds zu erreichen. Darüber hinaus ist die Menge an Laserlicht, die es projizieren kann, begrenzt, was eine „Fernerkennung“ erschwert. Im Allgemeinen sind MEMS-Lidar-Technologielösungen noch nicht ausgereift genug und müssen weiter verbessert werden. Man geht davon aus, dass mit der Entwicklung von MEMS-Mikrospiegeln die Anwendungsaussichten von MEMS-Lidar breiter werden.

3.Flash-LiDAR-Lasersensor
Flash Lidar ist ein nicht scannendes Radar. Es sendet Flächenlicht auf das Ziel aus, erkennt mithilfe des Flächendetektors die Streuung des einfallenden Lichts durch das Ziel und gibt ein Bild mit Tiefeninformationen aus. Sein Funktionsprinzip ist in Abbildung 3 dargestellt. Obwohl Flash-Lidar kostengünstig ist und eine gute Stabilität aufweist, ist seine Erkennungsreichweite relativ kurz, sodass seine Anwendungsszenarien begrenzt sind. Im Sicherheitsbereich ist Flash-Laserradar weit verbreitet. Unter Verwendung von 3D-Flash-Lidar zur Zielerkennung, -segmentierung und -verfolgung zeigen die Ergebnisse, dass Flash-Lidar für die Perimeterüberwachung und Sicherheitsbereiche vor Ort geeignet ist. In Bereichen wie Umweltüberwachung, Objektbeobachtung und Gefahrenabwehr wird die Echtzeiterkennung von Objekten oder Personen jedoch durch Scaneigenschaften eingeschränkt, was zu Datenverzerrungen führt. Mithilfe eines mit 3D-Flash-Lidar aufgebauten Sensorsystems können sich stark verändernde bewegte Objekte in Echtzeit und mit hoher Genauigkeit über mittlere bis große Entfernungen verfolgt werden. Der experimentelle Prozess und die Ergebnisse sind in Abbildung 4 dargestellt. Darüber hinaus werden durch die Entwicklung kleiner Komponenten die Kosten für Flächendetektoren gesenkt, und Flash-Lidar lässt sich leicht miniaturisieren, und seine Anwendungen im Sicherheitsbereich werden vielfältiger.

Abb. 3 Funktionsprinzip von Flash LiDAR

Abb. 4 Arbeitsszenario und experimentelle Ergebnisse von Flash LiDAR. (a) Experimenteller Aufbau mit Echtzeit-Tracking auf dem PC und Flash-LiDAR auf dem Schwenk-Neige-Kopf; (b) Punktwolke des Szenarios; (c) Intensitätsansicht des Szenarios mit markierter Person in der Mitte; (d) Entfernungsansicht des Szenarios mit Person markierte Mitte

4.OPA LiDAR-Lasersensor
Als neuartige Technologie zur Strahlausrichtungssteuerung hat sich die OPA-Scantechnologie in den letzten Jahren zu einem Forschungsschwerpunkt entwickelt. Es bietet den Vorteil, dass es keine Trägheitsgeräte, eine stabile Genauigkeit und eine kontrollierbare Richtung gibt. Das Funktionsprinzip ist in Abbildung 5 dargestellt. Mehrere Sendeeinheiten bilden ein Sendearray. Der Austrittswinkel des Laserstrahls wird durch Anpassen der Phasendifferenz jeder Sendeeinheit im Sendearray geändert, wodurch eine gegenseitige Verstärkung der Interferenz in der eingestellten Richtung erreicht und so ein hochintensiver Richtstrahl erzeugt wird. S3, „der weltweit erste Festkörper-Lidar-Sensor“. S3 verwendet die OPA-Scanmethode und ist nur handtellergroß. Das Produkt und sein Prinzip sind in Abbildung 6 dargestellt. Die Produkte der S3-Serie werden in Bereichen wie Einbruchüberwachung und Zugangskontrolle eingesetzt.

Abb. 5 Funktionsprinzip von OPA

Abb. 6 Funktionsprinzip des Quanergy S3 LiDAR

Die optische Phased-Array-Technologie mit hoher Integration kann den Entwicklungsanforderungen von All-Solid-State-Geräten und der Miniaturisierung von Sicherheits-Lidar gerecht werden. Allerdings gibt es derzeit zwei Hauptfaktoren, die die Massenproduktion von OPA-Sicherheitslidar einschränken: Erstens bilden sich beim eigentlichen Scannen leicht Nebenkeulen, die sich auf die Reichweite und Winkelauflösung des Strahls auswirken; Zweitens ist die Verarbeitungsschwierigkeit hoch. Daher ist die OPA-Sicherheits-Lidar-Technologie noch unausgereift und es ist derzeit schwierig, eine Produktisierung zu erreichen.

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