Classification des capteurs laser LiDAR et méthodes de numérisation

LiDARCapteur laser émet activement de la lumière laser et peut obtenir des informations telles que la distance, l'orientation, la vitesse et le contour d'une cible intrusive avec une haute précision et une haute résolution. Il a été largement utilisé dans des domaines tels que la sécurité urbaine et la sécurité industrielle. Cet article présente brièvement les principaux fabricants de lidars de sécurité nationaux et étrangers et les spécifications techniques de leurs produits. En combinant les besoins de différentes applications de sécurité, les principes, les caractéristiques et la situation actuelle du lidar sous différents systèmes techniques sont discutés sous trois aspects : le schéma de télémétrie, la méthode de balayage et la sélection de la source lumineuse. Enfin, les tendances des applications et les perspectives de développement du lidar de sécurité sont résumées et prospectées. Afin de répondre aux besoins des applications de sécurité grand public, le lidar de sécurité se développera davantage dans le sens du faible coût, des hautes performances, de la sérialisation, de la miniaturisation, de l'état solide, de la chipisation et de l'intégration multi-sources.

Selon qu'il y a ou non des composants mobiles à l'intérieur du système, le lidar peut être divisé en lidar mécanique et lidar à semi-conducteurs. Parmi elles, les méthodes de mise en œuvre du lidar à semi-conducteurs incluent le système micro-électromécanique (Micro-ElectroMechanical System, MEMS), la technologie Flash et la technologie OPA.

Selon les caractéristiques de contrôle du faisceau en mode balayage, le lidar peut être divisé en lidar à balayage et lidar sans balayage. Parmi eux, le lidar sans balayage permet d'obtenir une imagerie cible en couvrant la scène de lumière, comme le lidar à matrice de zone Flash. Des méthodes de numérisation appropriées peuvent permettre au lidar de sécurité d'obtenir un champ de vision et une résolution plus larges, tout en rendant l'ensemble de la structure plus stable. Par conséquent, le choix de la technologie de numérisation affecte grandement le cycle de vie du lidar, qui à son tour détermine si le lidar de sécurité dans le cadre de ce système peut être produit en série. Parmi eux, une longue portée de détection et un large champ de vision sont des indicateurs clés du lidar de sécurité, et ils déterminent également les perspectives d'application du lidar de sécurité à l'avenir.

1. Capteur laser LiDAR mécanique
Le lidar mécanique fait référence à l'utilisation de la rotation mécanique pour réaliser un balayage laser. Le moteur entraîne le module de télémétrie monopoint ou multipoint à tourner pour obtenir un balayage complet à 360 degrés ou une autre zone à grand angle. Le principe de fonctionnement du lidar mécanique est illustré à la figure 1. Il présente les avantages d'un principe simple, d'une conduite facile et d'un grand champ de vision de balayage. Il a été le premier à être largement utilisé et est devenu la solution d'analyse pour les produits lidar de sécurité les plus courants sur le marché. Compte tenu de facteurs tels que les lentilles, les structures mécaniques et les circuits imprimés, de nombreux modules de télémétrie ne peuvent généralement pas être optimisés en termes de taille et de poids. Par conséquent, lorsque le moteur entraîne le module en rotation pendant une longue période, les roulements s'usent facilement. Cela rend le balayage mécanique traditionnel critiqué en termes de durée de vie et de fiabilité, et le coût causé par l'usure augmente. C'est aussi un problème très réel. Par conséquent, les premiers marchés de la sécurité ont principalement adopté des solutions de réduction de dimensionnalité et à faible coût, c'est-à-dire l'utilisation d'un radar laser à faisceau de croisement en conjonction avec d'autres capteurs. Il présente une apparence compacte et un large champ de vision de numérisation et convient à des scénarios tels que la protection des bâtiments et la protection du périmètre régional.

Fig. 1 Principe de fonctionnement du LiDAR mécanique traditionnel

Actuellement, le plus grand défi auquel est confrontée la conception du LiDAR est d’atteindre performances et robustesse tout en réalisant une production de masse à un coût raisonnable. Cependant, le lidar mécanique ne peut pas être largement promu dans le domaine de la sécurité en raison de ses composants électroniques de base redondants, ce qui rend difficile la réduction de sa taille et de son coût. À cette fin, les composants centraux du lidar sont intégrés dans des puces de circuits intégrés spécifiques à une application (ASIC) afin de réduire la taille du circuit de traitement du signal lidar et de réduire la consommation d'énergie et les coûts. Il s’agit de réaliser la production en série de lidar multilignes. une tendance importante.

2. Capteur laser MEMS LiDAR
Le radar laser MEMS remplace le dispositif rotatif mécanique traditionnel par un micromiroir MEMS intégré sur une puce à base de silicium. Le micromiroir reflète le laser pour former un angle de balayage plus large et une plage de balayage plus large. Son principe de fonctionnement est illustré à la figure 2. Les micro-miroirs MEMS sont des innovateurs du lidar mécanique traditionnel et mèneront à la miniaturisation et à la réduction des coûts du lidar. La méthode de balayage du galvanomètre évite la rotation directe de la structure de télémétrie, permet un balayage à semi-conducteurs du lidar et rend le lidar compact.

Fig. 2 Schéma du MEMS.（a）Principe de fonctionnement du MEMS LiDAR ;（b）Miroir de balayage MEMS

S'appuyant sur les avantages des micro-miroirs MEMS, l'industrie considère le lidar MEMS comme la technologie la plus rapide à mettre en œuvre. À l'heure actuelle, le lidar à semi-conducteurs MEMS série Leishen Intelligent LS20/LS21 a été utilisé dans des domaines tels que la sécurité intelligente et la surveillance des catastrophes. Cependant, l'inconvénient du micro-miroir MEMS est que son angle de balayage est petit et qu'un angle supplémentaire est nécessaire pour obtenir un balayage à grand champ de vision. De plus, la quantité de lumière laser qu'il peut projeter est limitée, ce qui rend difficile la réalisation d'une « détection longue distance ». En général, les solutions technologiques MEMS lidar ne sont pas suffisamment matures et doivent encore être améliorées. On pense qu’avec le développement des micromiroirs MEMS, les perspectives d’application du lidar MEMS seront plus larges.

3. Capteur Laser LiDAR Flash
Flash lidar est un radar sans balayage. Il émet une lumière matricielle sur la cible, utilise le détecteur matriciel pour détecter la diffusion de la lumière incidente par la cible et génère une image avec des informations sur la profondeur. Son principe de fonctionnement est illustré à la figure 3. Bien que le lidar Flash soit peu coûteux et présente une bonne stabilité, sa plage de détection est relativement courte, ses scénarios d'application sont donc limités. Dans le domaine de la sécurité, le radar laser Flash a été largement utilisé. En utilisant le lidar Flash 3D pour la détection, la segmentation et le suivi de cibles, les résultats montrent que le lidar Flash est adapté aux domaines de la surveillance périmétrique et de la sécurité sur site. Cependant, dans des domaines tels que la surveillance environnementale, l'observation d'objets et la prévention des risques, la détection en temps réel d'objets ou de personnes sera limitée par les caractéristiques de numérisation, ce qui entraînera une distorsion des données. Grâce à un système de capteurs construit avec le lidar 3D Flash, des objets en mouvement très variables peuvent être suivis en temps réel et avec une grande précision sur des distances moyennes à longues. Le processus expérimental et les résultats sont présentés dans la figure 4. De plus, avec le développement de petits composants, le coût des détecteurs de zone est réduit, et le lidar Flash est facile à miniaturiser et ses applications dans le domaine de la sécurité seront plus nombreuses.

Fig. 3 Principe de fonctionnement du Flash LiDAR

Fig. 4 Scénario de travail et résultats expérimentaux de Flash LiDAR. （a) Configuration expérimentale avec suivi en temps réel sur PC et Flash LiDAR sur tête panoramique ; (b) nuage de points du scénario ; (c) vue d'intensité du scénario avec une personne marquée au centre ; (d) vue de portée du scénario avec une personne centre marqué

4. Capteur laser OPA-LiDAR
En tant que nouveau type de technologie de contrôle du pointage du faisceau, la technologie de balayage OPA est devenue un point chaud de la recherche ces dernières années. Il présente les avantages de l'absence de dispositifs à inertie, d'une précision stable et d'une direction contrôlable. Son principe de fonctionnement est illustré à la figure 5. Plusieurs unités de transmission forment un réseau de transmission. L'angle de sortie du faisceau laser est modifié en ajustant la différence de phase de chaque unité de transmission dans le réseau de transmission, obtenant ainsi des interférences se renforçant mutuellement dans la direction définie, préparant ainsi un faisceau de pointage de haute intensité. S3, « le premier capteur lidar à semi-conducteurs au monde ». S3 utilise la méthode de numérisation OPA et n'a la taille que d'une paume. Le produit et son principe sont illustrés à la figure 6. Les produits de la série S3 ont été utilisés dans des domaines tels que la surveillance des intrusions et le contrôle d'accès.

Fig. 5 Principe de fonctionnement de l'OPA

Fig. 6 Principe de fonctionnement du Quanergy S3 LiDAR

La technologie optique multiéléments avec une intégration élevée peut répondre aux besoins de développement du tout solide et de miniaturisation du lidar de sécurité. Cependant, il existe actuellement deux facteurs principaux qui limitent la production en série de lidar de sécurité OPA : premièrement, des lobes latéraux se forment facilement lors du balayage lui-même, ce qui affectera la portée et la résolution angulaire du faisceau ; deuxièmement, la difficulté de traitement est élevée. Par conséquent, la technologie lidar de sécurité OPA est encore immature et il est difficile de parvenir à une production à ce stade.

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