Solution de télémétrie radar à capteur laser de sécurité

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.

Afin de détecter les informations sur la cible, le lidar de sécurité peut non seulement mesurer directement le temps de vol des impulsions laser, mais également moduler l'amplitude, la fréquence et la phase du signal laser émis, détectant ainsi indirectement la distance de la cible. Selon la méthode de détection, les solutions de télémétrie lidar de sécurité peuvent être divisées en temps de vol d'impulsion (TOF), onde continue modulée en amplitude (AMCW) et onde continue modulée en fréquence (onde continue modulée en fréquence, FMCW) trois types.

La détection Pulse TOF utilise des signaux de lumière pulsée comme signaux de détection et obtient des informations sur la distance cible en mesurant avec précision le temps de vol des impulsions lumineuses réfléchies. Le principe est illustré dans la figure 1. La solution TOF peut être appliquée à la sécurité à différentes distances, comme la sécurité périmétrique et la sécurité industrielle. Son principe technique est simple et sa maturité est élevée. Dans le même temps, il existe des composants de module matures correspondants et des puces de traitement dédiées pour l'émission, la réception et le traitement des lasers à impulsions. De plus, il existe déjà un grand nombre de solutions et de composants TOF matures combinant des méthodes de numérisation, qui peuvent facilement répondre à la demande du marché. La plupart des lidars utilisent ce mécanisme technique. Cependant, de nombreux problèmes doivent encore être résolus de toute urgence : le premier est une mauvaise anti-interférence, et la méthode d'obtention de signaux d'écho par détection directe est sensible aux interférences de la lumière ambiante, ce qui présente des risques pour la sécurité ; la seconde est une faible sensibilité de détection et une puissance d’impulsion élevée. Il met en avant des exigences plus élevées en matière de performances des appareils et de sécurité oculaire humaine ; le troisième est le problème du fonctionnement par tous temps. Cette méthode est facilement affectée par les intempéries telles que la pluie, le brouillard et la neige. Différents fabricants de lidars de sécurité ont proposé des solutions correspondantes. Parmi eux, le lidar de sécurité Beixing Photon TF03 utilise la technologie multi-écho et combine des algorithmes de compensation pour les environnements extérieurs de forte lumière et de pluie, de neige et de brouillard pour garantir une détection fiable dans les environnements extérieurs difficiles.

Fig. 1 Schéma du LiDAR TOF pulsé

La détection AMCW est différente de la détection directe des impulsions. Il émet un signal laser continu et module l'amplitude du signal d'émission laser. La distance est mesurée en détectant la différence de phase entre le signal d'écho et le signal d'émission. Le principe est illustré à la figure 2. illustré. L'AMCW convient généralement aux distances courtes à moyennes, telles que les distances de détection de plusieurs dizaines de mètres à plusieurs centaines de mètres. Sa méthode de détection unique permet de réaliser une analyse flash des réseaux à semi-conducteurs. Dans le même temps, la précision de la télémétrie basée sur la phase est élevée, atteignant généralement le niveau millimétrique.

Fig. 2 Schéma du LiDAR AMCW

La détection FMCW utilise des signaux de modulation de fréquence linéaire pour moduler le laser et obtient des informations sur la distance cible et la vitesse instantanée en comparant la différence de fréquence instantanée entre le signal lumineux réfléchi et le signal lumineux de l'oscillateur local. Le principe est illustré à la figure 3. Par rapport aux deux premiers, son avantage exceptionnel est qu'il peut mesurer simultanément la distance cible et la vitesse relative radiale Doppler, peut fournir des informations 4D, aider à la classification des cibles et avoir un champ d'application plus large ; il présente également une forte résistance aux interférences et une sensibilité plus élevée. De plus, cette méthode de détection convient à une production de masse à faible coût utilisant la photonique sur silicium et la technologie multiéléments, mais la maturité technologique actuelle est faible et les dispositifs sont relativement coûteux.

Fig. 3 Schéma du FMCW LiDAR

Chacune des trois solutions de la gamme a ses propres caractéristiques et valeur d'application. Par rapport aux solutions de détection TOF pulsée et de détection AMCW, la technologie FMCW présente des avantages significatifs et un énorme potentiel en termes de maturité technologique et de rapport coût-performance. Cependant, jusqu'à présent, des problèmes subsistent dans l'application des solutions techniques FMCW sur le marché de la sécurité. Les composants hautes performances requis sont coûteux et ne peuvent pas être fabriqués en grande quantité. Avec le développement de la technologie des semi-conducteurs, l’utilisation de la technologie d’intégration photonique pour construire un lidar intégré sur puce constitue une tendance importante dans le développement futur.

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