Métodos de escaneo y clasificación del sensor láser LiDAR

LiDARSensor láser Emite activamente luz láser y puede obtener información como la distancia, orientación, velocidad y contorno de un objetivo intruso con alta precisión y alta resolución. Ha sido ampliamente utilizado en campos como la seguridad urbana y la seguridad industrial. Este artículo presenta brevemente los principales fabricantes de lidar de seguridad nacionales y extranjeros y las especificaciones técnicas de sus productos. Combinando las necesidades de diferentes aplicaciones de seguridad, los principios, las características y la situación actual de lidar bajo diferentes sistemas técnicos se analizan desde tres aspectos: esquema de alcance, método de escaneo y selección de fuente de luz. Finalmente, se resumen y prospectan las tendencias de aplicación y las perspectivas de desarrollo del LIDAR de seguridad. Para satisfacer las necesidades de las aplicaciones de seguridad de los consumidores, el lidar de seguridad se desarrollará aún más en direcciones de bajo costo, alto rendimiento, serialización, miniaturización, estado sólido, chipización e integración de múltiples fuentes.

Dependiendo de si hay componentes móviles dentro del sistema, el lidar se puede dividir en lidar mecánico y lidar de estado sólido. Entre ellos, los métodos de implementación de lidar de estado sólido incluyen sistemas microelectromecánicos (Sistema Micro-ElectroMecánico, MEMS), tecnología Flash y tecnología OPA.

Según las características de control del haz en el modo de escaneo, el lidar se puede dividir en lidar de escaneo y lidar sin escaneo. Entre ellos, el lidar sin escaneo logra imágenes del objetivo al cubrir la escena con luz, como el lidar de matriz de área Flash. Los métodos de escaneo apropiados pueden permitir que el lidar de seguridad obtenga un mayor campo de visión y resolución, al tiempo que hace que toda la estructura sea más estable. Por lo tanto, la elección de la tecnología de escaneo afecta en gran medida el ciclo de vida del lidar, lo que a su vez determina si el lidar de seguridad bajo este sistema se puede producir en masa. Entre ellos, el largo alcance de detección y el gran campo de visión son indicadores clave del LIDAR de seguridad y también determinan las perspectivas de aplicación del LIDAR de seguridad en el futuro.

1. Sensor láser LiDAR mecánico
Lidar mecánico se refiere al uso de rotación mecánica para lograr un escaneo láser. El motor impulsa el módulo de alcance de un solo punto o de múltiples puntos para que gire y logre un escaneo completo de 360 ​​grados u otro área de gran ángulo. El principio de funcionamiento del lidar mecánico se muestra en la Figura 1. Tiene las ventajas de un principio simple, fácil manejo y un gran campo de visión de escaneo. Fue el primero en ser ampliamente utilizado y se convirtió en la solución de escaneo para los principales productos lidar de seguridad del mercado. Teniendo en cuenta factores como lentes, estructuras mecánicas y placas de circuito, muchos módulos de rango de puntos generalmente no se pueden optimizar en términos de tamaño y peso. Por lo tanto, cuando el motor hace girar el módulo durante mucho tiempo, los cojinetes se desgastan fácilmente. Esto hace que el escaneo mecánico tradicional sea criticado en términos de vida útil y confiabilidad, y aumenta el costo causado por el desgaste. También es un problema muy real. Por lo tanto, los primeros mercados de seguridad adoptaron principalmente soluciones de bajo costo y reducción de dimensionalidad, es decir, el uso de un radar láser de línea de haz bajo junto con otros sensores. Tiene una apariencia compacta y un gran campo de visión de escaneo, y es adecuado para escenarios como protección de edificios y protección perimetral regional.

Fig.1 Principio de funcionamiento del LiDAR mecánico tradicional

Actualmente, el mayor desafío al que se enfrenta el diseño LiDAR es lograr rendimiento y robustez y al mismo tiempo lograr una producción en masa a un costo razonable. Sin embargo, el lidar mecánico no puede promocionarse ampliamente en el campo de la seguridad debido a sus componentes electrónicos centrales redundantes, lo que dificulta la reducción de su tamaño y costo. Con este fin, los componentes principales del lidar se integran en chips de circuito integrado de aplicación específica (ASIC) para reducir el tamaño del circuito de procesamiento de señales lidar y reducir el consumo y el costo de energía. Esto es para realizar la producción en masa de lidar multilínea. una tendencia importante.

2.Sensor láser MEMS LiDAR
El radar láser MEMS reemplaza el dispositivo giratorio mecánico tradicional con un microespejo MEMS integrado en un chip de silicio. El microespejo refleja el láser para formar un ángulo de escaneo más amplio y un rango de escaneo más amplio. Su principio de funcionamiento se muestra en la Figura 2. Los microespejos MEMS son innovadores del lidar mecánico tradicional y liderarán la miniaturización y reducción de costos del lidar. El método de escaneo del galvanómetro evita la rotación directa de la estructura de medición, permite el escaneo de estado sólido del lidar y hace que el lidar sea compacto.

Fig. 2 Esquema de MEMS. (a) Principio de funcionamiento de MEMS LiDAR; (b) Espejo de escaneo MEMS

Basándose en las ventajas de los microespejos MEMS, la industria considera MEMS lidar como la tecnología más rápida de implementar. En la actualidad, el lidar de estado sólido MEMS Leishen Intelligent serie LS20/LS21 se ha utilizado en campos como la seguridad inteligente y el monitoreo de desastres. Sin embargo, la desventaja del microespejo MEMS es que su ángulo de escaneo es pequeño y se requiere un ángulo adicional para lograr un escaneo de gran campo de visión. Además, la cantidad de luz láser que puede proyectar es limitada, lo que dificulta la "detección a larga distancia". En general, las soluciones de tecnología LIDAR MEMS no están lo suficientemente maduras y necesitan mejoras adicionales. Se cree que con el desarrollo de los microespejos MEMS, las perspectivas de aplicación del lidar MEMS serán más amplias.

3.Sensor láser LiDAR intermitente
Flash lidar es un radar que no escanea. Emite luz de área sobre el objetivo, utiliza el detector de área para detectar la dispersión de la luz incidente por el objetivo y genera una imagen con información de profundidad. Su principio de funcionamiento se muestra en la Figura 3. Aunque Flash lidar es de bajo costo y tiene buena estabilidad, su rango de detección es relativamente corto, por lo que sus escenarios de aplicación son limitados. En el campo de la seguridad, el radar láser Flash se ha utilizado ampliamente. Utilizando 3D Flash lidar para la detección, segmentación y seguimiento de objetivos, los resultados muestran que Flash lidar es adecuado para la vigilancia perimetral y los campos de seguridad en el sitio. Sin embargo, en campos como el monitoreo ambiental, la observación de objetos y la prevención de peligros, la detección en tiempo real de objetos o personas estará limitada por las características de escaneo, lo que resultará en una distorsión de los datos. Utilizando un sistema de sensores construido con 3D Flash lidar, se pueden rastrear objetos en movimiento altamente variables en tiempo real y con alta precisión en distancias medias y largas. El proceso experimental y los resultados se muestran en la Figura 4. Además, con el desarrollo de componentes pequeños, el costo de los detectores de matriz de área se reduce, Flash lidar es fácil de miniaturizar y sus aplicaciones en el campo de la seguridad serán mayores.

Fig. 3 Principio de funcionamiento de Flash LiDAR

Fig. 4 Escenario de trabajo y resultados experimentales de Flash LiDAR. (a) Configuración experimental con seguimiento en tiempo real en PC y Flash LiDAR en cabezal de giro e inclinación; (b) nube de puntos del escenario; (c) vista de intensidad del escenario con la persona marcada en el centro; (d) vista de alcance del escenario con la persona centro marcado

4.Sensor láser OPA LiDAR
Como nuevo tipo de tecnología de control de orientación del haz, la tecnología de escaneo OPA se ha convertido en un punto de investigación en los últimos años. Tiene las ventajas de no tener dispositivos de inercia, precisión estable y dirección controlable. Su principio de funcionamiento se muestra en la Figura 5. Varias unidades transmisoras forman una matriz de transmisión. El ángulo de salida del rayo láser se cambia ajustando la diferencia de fase de cada unidad transmisora ​​en el conjunto transmisor, logrando así interferencias que se refuerzan mutuamente en la dirección establecida, preparando así un haz apuntador de alta intensidad. S3, "el primer sensor lidar de estado sólido del mundo". S3 utiliza el método de escaneo OPA y solo tiene el tamaño de la palma de la mano. El producto y su principio se muestran en la Figura 6. Los productos de la serie S3 se han utilizado en campos como el monitoreo de intrusiones y el control de acceso.

Fig. 5 Principio de funcionamiento de OPA

Fig. 6 Principio de funcionamiento de Quanergy S3 LiDAR

La tecnología de matriz óptica en fase con alta integración puede satisfacer las necesidades de desarrollo del lidar de seguridad totalmente sólido y de miniaturización. Sin embargo, actualmente existen dos factores principales que restringen la producción en masa de lidar de seguridad OPA: primero, los lóbulos laterales se forman fácilmente durante el escaneo real, lo que afectará el alcance y la resolución angular del haz; en segundo lugar, la dificultad de procesamiento es alta. Por lo tanto, la tecnología lidar de seguridad OPA aún está inmadura y es difícil lograr la productización en esta etapa.

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