Classificazione e metodi di scansione dei sensori laser LiDAR

LiDARSensore laser emette attivamente luce laser e può ottenere informazioni quali distanza, orientamento, velocità e contorno di un bersaglio intruso con alta precisione e alta risoluzione. È stato ampiamente utilizzato in campi come la sicurezza urbana e la sicurezza industriale. Questo articolo presenta brevemente i principali produttori di lidar di sicurezza nazionali ed esteri e le specifiche tecniche dei loro prodotti. Combinando le esigenze di diverse applicazioni di sicurezza, i principi, le caratteristiche e la situazione attuale del lidar in diversi sistemi tecnici vengono discussi da tre aspetti: schema di misurazione, metodo di scansione e selezione della sorgente luminosa. Infine, vengono riassunte e prospettate le tendenze applicative e le prospettive di sviluppo del lidar di sicurezza. Al fine di soddisfare le esigenze delle applicazioni di sicurezza dei consumatori, il lidar di sicurezza si svilupperà ulteriormente nella direzione del basso costo, delle alte prestazioni, della serializzazione, della miniaturizzazione, dello stato solido, della chipizzazione e dell'integrazione multi-sorgente.

A seconda della presenza o meno di componenti mobili all'interno del sistema, il lidar può essere suddiviso in lidar meccanico e lidar a stato solido. Tra questi, i metodi di implementazione del lidar a stato solido includono il sistema microelettromeccanico (Micro-ElectroMechanical System, MEMS), la tecnologia Flash e la tecnologia OPA.

In base alle caratteristiche di controllo del raggio nella modalità di scansione, il lidar può essere suddiviso in lidar a scansione e lidar non a scansione. Tra questi, il lidar senza scansione ottiene l'imaging del bersaglio coprendo la scena con la luce, come il lidar Area Array Flash. Metodi di scansione appropriati possono consentire al lidar di sicurezza di ottenere un campo visivo e una risoluzione più ampi, rendendo l'intera struttura più stabile. Pertanto, la scelta della tecnologia di scansione influisce notevolmente sul ciclo di vita del lidar, che a sua volta determina se il lidar di sicurezza con questo sistema può essere prodotto in serie. Tra questi, il lungo raggio di rilevamento e l’ampio campo visivo sono indicatori chiave del lidar di sicurezza e determinano anche le prospettive di applicazione del lidar di sicurezza in futuro.

1. Sensore laser LiDAR meccanico
Il lidar meccanico si riferisce all'uso della rotazione meccanica per ottenere la scansione laser. Il motore fa ruotare il modulo di rilevamento a punto singolo o multipunto per ottenere una scansione completa di 360 gradi o un'altra area ad ampio angolo. Il principio di funzionamento del lidar meccanico è mostrato nella Figura 1. Presenta i vantaggi di un principio semplice, di una guida facile e di un ampio campo visivo di scansione. È stato il primo ad essere ampiamente utilizzato ed è diventato la soluzione di scansione per i principali prodotti lidar di sicurezza sul mercato. Tenendo conto di fattori quali lenti, strutture meccaniche e circuiti stampati, molti moduli che vanno da punti in genere non possono essere ottimizzati in termini di dimensioni e peso. Pertanto, quando il motore fa ruotare il modulo per un lungo periodo, i cuscinetti si usurano facilmente. Ciò rende la scansione meccanica tradizionale criticata in termini di durata e affidabilità e aumenta i costi causati dall’usura. È anche un problema molto reale. Pertanto, il primo mercato della sicurezza adottò principalmente soluzioni di riduzione dimensionale e a basso costo, ovvero utilizzando radar laser a raggio anabbagliante insieme ad altri sensori. Ha un aspetto compatto e un ampio campo visivo di scansione ed è adatto per scenari come la protezione degli edifici e la protezione del perimetro regionale.

Fig. 1 Principio di funzionamento del LiDAR meccanico tradizionale

Attualmente, la sfida più grande che la progettazione LiDAR deve affrontare è ottenere prestazioni e robustezza ottenendo al contempo una produzione di massa a un costo ragionevole. Tuttavia, il lidar meccanico non può essere ampiamente promosso nel campo della sicurezza a causa dei suoi componenti elettronici principali ridondanti, il che rende difficile ridurne dimensioni e costi. A tal fine, i componenti principali del lidar sono integrati in chip ASIC (circuiti integrati specifici dell'applicazione) per ridurre le dimensioni del circuito di elaborazione del segnale lidar e ridurre il consumo energetico e i costi. Si tratta di realizzare la produzione in serie di lidar multilinea. una tendenza importante.

2. Sensore laser LiDAR MEMS
Il radar laser MEMS sostituisce il tradizionale dispositivo rotante meccanico con un microspecchio MEMS integrato su un chip a base di silicio. Il microspecchio riflette il laser per formare un angolo di scansione più ampio e un campo di scansione più ampio. Il suo principio di funzionamento è mostrato nella Figura 2. I microspecchi MEMS sono innovatori del tradizionale lidar meccanico e guideranno la miniaturizzazione e la riduzione dei costi del lidar. Il metodo di scansione del galvanometro evita la rotazione diretta della struttura di rilevamento, consente la scansione a stato solido del lidar e rende il lidar compatto.

Fig. 2 Schema del MEMS.（a）Principio di funzionamento del MEMS LiDAR;（b）Specchio di scansione MEMS

Facendo affidamento sui vantaggi dei microspecchi MEMS, l'industria considera il lidar MEMS la tecnologia più veloce da implementare. Attualmente, il lidar a stato solido MEMS della serie Leishen Intelligent LS20/LS21 è stato utilizzato in campi quali la sicurezza intelligente e il monitoraggio dei disastri. Tuttavia, il difetto del microspecchio MEMS è che il suo angolo di scansione è piccolo ed è necessario un angolo aggiuntivo per ottenere una scansione con campo visivo ampio. Inoltre, la quantità di luce laser che può proiettare è limitata, rendendo difficile il "rilevamento a lunga distanza". In generale, le soluzioni tecnologiche lidar MEMS non sono sufficientemente mature e necessitano di ulteriori miglioramenti. Si ritiene che con lo sviluppo dei microspecchi MEMS, le prospettive di applicazione del lidar MEMS saranno più ampie.

3. Sensore laser LiDAR flash
Flash lidar è un radar non a scansione. Emette luce array di aree sul bersaglio, utilizza il rilevatore array di aree per rilevare la diffusione della luce incidente da parte del bersaglio e genera un'immagine con informazioni sulla profondità. Il suo principio di funzionamento è mostrato nella Figura 3. Sebbene Flash lidar sia a basso costo e abbia una buona stabilità, il suo raggio di rilevamento è relativamente breve, quindi i suoi scenari applicativi sono limitati. Nel campo della sicurezza, il radar laser Flash è stato ampiamente utilizzato. Utilizzando il lidar 3D Flash per il rilevamento, la segmentazione e il tracciamento dei bersagli, i risultati mostrano che il lidar Flash è adatto per la sorveglianza perimetrale e i campi di sicurezza in loco. Tuttavia, in campi quali il monitoraggio ambientale, l'osservazione di oggetti e la prevenzione dei rischi, il rilevamento in tempo reale di oggetti o persone sarà limitato dalle caratteristiche di scansione, con conseguente distorsione dei dati. Utilizzando un sistema di sensori costruito con 3D Flash lidar, è possibile tracciare oggetti in movimento altamente variabili in tempo reale e con elevata precisione su distanze medio-lunghe. Il processo sperimentale e i risultati sono mostrati nella Figura 4. Inoltre, con lo sviluppo di piccoli componenti, il costo dei rilevatori ad array di aree viene ridotto e Flash lidar è facile da miniaturizzare e le sue applicazioni nel campo della sicurezza saranno maggiori.

Fig. 3 Principio di funzionamento di Flash LiDAR

Fig. 4 Scenario di lavoro e risultati sperimentali di Flash LiDAR. （a）Setup sperimentale con tracciamento in tempo reale su PC e Flash LiDAR su testa pan-tilt;（b）nuvola di punti dello scenario;（c）visualizzazione in intensità dello scenario con la persona contrassegnata al centro;（d）visualizzazione a distanza dello scenario con persona centro segnato

4. Sensore laser LiDAR OPA
Essendo un nuovo tipo di tecnologia di controllo del puntamento del raggio, la tecnologia di scansione OPA è diventata un punto caldo della ricerca negli ultimi anni. Presenta i vantaggi di non avere dispositivi inerziali, precisione stabile e direzione controllabile. Il suo principio di funzionamento è mostrato nella Figura 5. Diverse unità trasmittenti formano un array di trasmissione. L'angolo di uscita del raggio laser viene modificato regolando la differenza di fase di ciascuna unità trasmittente nell'array di trasmissione, ottenendo così un'interferenza che si rinforza reciprocamente nella direzione impostata, preparando così un raggio puntante ad alta intensità. S3, "il primo sensore lidar a stato solido al mondo". S3 utilizza il metodo di scansione OPA ed è grande solo come un palmo. Il prodotto e il suo principio sono mostrati nella Figura 6. I prodotti della serie S3 sono stati utilizzati in campi quali il monitoraggio delle intrusioni e il controllo degli accessi.

Fig. 5 Principio di funzionamento dell'OPA

Fig. 6 Principio di funzionamento di Quanergy S3 LiDAR

La tecnologia Optical Phased Array con elevata integrazione può soddisfare le esigenze di sviluppo di sistemi completamente a stato solido e di miniaturizzazione del lidar di sicurezza. Tuttavia, ci sono attualmente due fattori principali che limitano la produzione di massa del lidar di sicurezza OPA: in primo luogo, i lobi laterali si formano facilmente durante la scansione effettiva, il che influenzerà la portata e la risoluzione angolare del raggio; in secondo luogo, la difficoltà di elaborazione è elevata. Pertanto, la tecnologia lidar di sicurezza OPA è ancora immatura ed è difficile raggiungere la produzione in questa fase.

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