Wie Lidar erschwinglich und automobiltauglich wird

Die Lidar-Entwicklung hat das Stadium 3.0 erreicht und geht sogar darüber hinaus. Entwickler wie das israelische Start-up-Unternehmen Opsys Tech sind der Ansicht, dass der Weg zum Erreichen des Kostenziels frei ist und gleichzeitig alle technischen Anforderungen an Reichweite, Auflösung, Abtastrate und Sichtfeld erfüllt werden können. Automobilzulieferer arbeiten an erschwinglichen Lösungen, und bei den Sensoren zeichnen sich erste Gewinner ab.

Lidar-Systeme der ersten Generation waren große, sich drehende Einheiten, die auf den Dächern von selbstfahrenden Testwagen angebracht waren und 80.000 Dollar kosteten. Heute kosten sie etwa 2.000 Dollar pro Sensor, sind aber mechanisch, relativ langsam und haben Schwierigkeiten, Objekte in der Ferne zu erkennen. Kleinere, auf MEMS basierende Lidar-Systeme der zweiten Generation lösten die sperrigen Anwendungen ab, da sie sich leichter in das Fahrzeug integrieren lassen.

Obwohl dieses Lidar mit mechanischen Spiegeln ausgestattet ist, die den Winkel ändern, um eine Handvoll Laserstrahlen zum Abtasten der Umgebung zu lenken, haben sie noch bewegliche Teile. Qualität und Zuverlässigkeit konnten die Hersteller aber verbessern. Die Kosten verringerten sich erst in den letzten Jahren und liegen jetzt etwa bei 600 Dollar. Allerdings ist die Leistung dieser Systeme nach wie vor problematisch, wodurch sie auch nicht die vollen Anforderungen der Automobilindustrie erfüllen können.

Doch während sich die Anwendungen für diese Systeme der zweiten Generation zu etablieren beginnen, hat Lidar mit der Festkörpertechnologie wie etwa das Lidar von Opsys die nächste Entwicklungsstufe erreicht. Die Festkörpertechnologie macht alle mechanischen Teile überflüssig und sorgt für niedrigere Kosten sowie eine bessere Qualität und Zuverlässigkeit bei steigender Leistung.

Lidar bietet eine echte Tiefenmessung einer Szene und erzeugt eine dreidimensionale (3D) Punktwolke und Intensität (4D), wodurch autonom fahrende Fahrzeuge mit erhöhter Sicherheit navigieren können. Der Automobilmarkt erfordert Lidar-Sensoren, die dunkle Objekte auf der Straße weit genug im Voraus erkennen können, damit ein Fahrzeug anhalten oder einen Zusammenstoß vermeiden kann. Technisch ausgedrückt bedeutet dies, dass Lidar-Systeme Mindestanforderungen an die Reichweite erfüllen und gleichzeitig eine hohe Wahrscheinlichkeit für die Erkennung von Objekten mit geringem Reflexionsvermögen bieten müssen. Lidar-Systeme sind keine Einzelpunkt-Entfernungsmesser, sondern erzeugen eine 3D-Punktwolke über ein breites Sichtfeld (FOV) mit Auflösungen, die der erforderlichen Mindestgröße des zu erkennenden Objekts entsprechen, und mit Bildwiederholraten von mindestens 20 Hz. Viele Lidar-Systeme können eine Sache sehr gut, aber nicht die volle Leistung über ein großes Sichtfeld (FOV) erbringen. Daher gehen bei vielen Lidarsystemen die Erfüllung einer Leistungskennzahl auf Kosten einer anderen.

Lidar-Systeme, die in der Lage sind, gleichzeitig die vier Schlüsselparameter (Reichweite, Auflösung, Sichtfeld und Bildwiederholungsrate) zu maximieren, haben einen klaren Vorteil für den Einsatz im Automobilmarkt. Die Messdatenrate oder Anzahl der Messpunkte pro Sekunde (PPS) ist eine Kombination aus drei Parametern: Auflösung, Sichtfeld und Aktualisierungsrate. PPS bei einer bestimmten maximalen Reichweite, bei 10 % Reflektivität, mit 90 % oder mehr Erkennungswahrscheinlichkeit (PD), unter vollen Sonnenbedingungen, kann eine nützliche Methode sein, um die relative Leistung zweier Systeme zu beurteilen.

Das Lidar-System von Opsys Tech basiert auf einer Festkörper-Scanner-Architektur, die darauf ausgelegt ist, die vier wichtigsten Messgrößen gleichzeitig zu maximieren. Von den vier Parametern ist die Reichweite in der Regel die wichtigste und muss daher ohne Kompromisse erfüllt werden. Da sich die Fahrzeuge in Bewegung befinden, wird die erforderliche Reichweite anhand der maximalen Fahrzeuggeschwindigkeit und des Bremswegs bestimmt, was bedeutet, dass es nur eine begrenzte Flexibilität bei der Festlegung der Reichweite gibt. Die wichtigsten Faktoren, die die Reichweite beeinflussen, sind die gesendete optische Leistungsdichte, die empfangene optische Leistung, die Empfindlichkeit des Empfängers und die Anzahl der Abtastungen, die zur Berechnung der gemessenen Entfernung zu einem Objekt verwendet werden.

Das System optimiert alle diese vier Faktoren, um die Reichweite zu maximieren und gleichzeitig ein strenges Augensicherheitssystem der Klasse 1 mit Wellenlängen von 905 Nanometern (nm) und 940 nm aufrechtzuerhalten. Im Vergleich zu Systemen, die mit mechanischer Bewegung scannen, wie MEMS oder Polygonspiegel, ist das reine Festkörperdesign von Opsys bei der Kombination dieser vier Faktoren um mindestens eine Größenordnung besser.

Durch die Maximierung der Leistungskennzahlen werden mehr Messdaten erzeugt, da die Lichtgeschwindigkeit eine inhärente Grenze für die Schnelligkeit einer Messung darstellt. Um eine Leistung auf Automobilniveau zu erreichen, müssen mehrere Messungen parallel durchgeführt werden. Bild 3 zeigt die Mindestanzahl paralleler Datenkanäle, die gleichzeitig arbeiten müssen, um den erforderlichen Bereich und die erforderliche Auflösung bei zwei verschiedenen Bildfrequenzen (20 Hz und 30 Hz) für ein System mit einem Sichtfeld von 120° × 20° abzudecken. Die gezeigten Zahlen sind unter der Annahme berechnet, dass die für jede Messung benötigte Zeit der Zeit entspricht, die das Licht benötigt, um den angegebenen Bereich hin und zurück zu durchlaufen (ohne Rechenaufwand).

Das Diagramm in Bild 3 verdeutlicht, dass es keine praktische Implementierung für Kfz-Lidar gibt, die sich auf einen einzigen Messkanal stützen kann. Das Abfeuern eines einzelnen Lasers und der Empfang mit einem einzelnen Detektor bietet keine ausreichende Systemleistung. Bei einer Reichweite von 500 Metern, die typischerweise eine Auflösung von 0,05 × 0,05 erfordert, beträgt die Anzahl der Messkanäle für 20 Hz bzw. 30 Hz 69 bzw. 104. Nur Systeme mit mehreren gleichzeitig arbeitenden Detektoren können die erforderliche Leistung erreichen. Viele mechanische Abtastsysteme verfügen jedoch nur über zwei oder vier parallele Datenkanäle, da sie durch die physikalischen Beschränkungen im Zusammenhang mit beweglichen Elementen begrenzt sind.

Ein weiteres Merkmal des Tech Lidar von Opsys ist die Fähigkeit, die optische Leistungsdichte zu maximieren und so die Reichweite zu erhöhen, ohne die Sicherheitsgrenze der Klasse 1 für das Auge zu überschreiten. Opsys Tech verwendet als Empfänger den empfindlichsten Detektor, der möglich ist: ein Single-Photon Sensitive Detector Array (SPAD). Das Detektor-Array ermöglicht die gleichzeitige Erfassung von Daten aus mehreren Pixeln und damit eine hohe Anzahl paralleler Messkanäle. Darüber hinaus ermöglicht die Hochgeschwindigkeits-Rohbildrate von 1000 Hz eine zusätzliche Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses (SNR) durch Mittelung mehrerer Abtastwerte für jede Abstandsmessung. Nur Scansysteme, bei denen sich keine Teile bewegen, können die Mittelwertbildung in einem ausreichend kurzen Zeitraum durchführen, um das SNR zu verbessern, da mehrere Abtastungen so schnell erfolgen müssen, so dass es während dieses Vorganges nicht zu nennenswerten Bewegungen in der Szene kommt.

Bei den meisten mechanischen Systemen können aufgrund der Bewegung einiger Komponenten (z. B. Spiegel) nicht mehrere Proben eines einzelnen Punktes in ausreichend kurzer Zeit genommen werden, wodurch die potenzielle Verbesserung des SNR zunichtegemacht wird. Abbildung 4 zeigt ein Beispiel für die Signalverbesserung, die mit mehreren Abtastungen pro Messung erzielt werden kann. In der oberen Grafik sind nur zwei Rücklaufimpulse zu sehen, aber durch die Mittelung von 16 Abtastungen wird der Rauschpegel erheblich reduziert, und ein dritter Impuls ist zu erkennen. Dieser dritte Impuls entspricht entweder einem Ziel mit geringem Reflexionsvermögen oder einem Ziel, das weiter entfernt ist.

Das einzigartige reine Festkörper-Scanning-Lidar von Opsys Tech ermöglicht eine Verbesserung des SNR durch den Einsatz einer ultraschnellen Scan-Rate und Signalmittelung, was zu einer direkten Verbesserung der Lidar-Reichweite und der Erkennungswahrscheinlichkeit führt, ohne dass die übertragene optische Leistung über das Niveau der Klasse 1 angehoben oder das gescannte FOV eingeschränkt werden muss. Gleichzeitig liefert das Lidar von Opsys Tech die höchste Anzahl von Punkten, die pro Grad² über das gesamte Sichtfeld gescannt werden. Dies ermöglicht eine erstklassige Lidar-Leistung, die für autonome Anwendungen im Automobilbereich von Level 3 bis Level 5 erforderlich ist.

Die Fähigkeit, dieses Leistungsniveau zu erreichen und gleichzeitig unter dem FDA-Grenzwert für die Augensicherheit zu bleiben, ermöglicht die Verwendung von GaAs (Galliumarsenid) VCSEL-Arrays (vertical cavity surface-emitting laser), die mit siliziumbasierten SPAD-Arrays gekoppelt sind, die bei 900 nm und 940 nm Wellenlänge arbeiten. Diese Topologie ermöglicht ein wenig kostenintensives und äußerst zuverlässiges Lidar, das den Anforderungen der Automobilindustrie entspricht und in einem weiten Temperaturbereich von -45 °C bis 85 °C mit einer hochgradig skalierbaren Kostenstruktur arbeitet.