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Qu'est-ce que le NIR LiDAR ?

Qu'est-ce que le NIR LiDAR ?


Les capteurs LiDAR peuvent-ils collecter des données dans le proche infrarouge (NIR) en même temps ou une caméra NIR distincte doit-elle être combinée aux données LiDAR après la collecte ?

Blue Marble y fait référence dans leur dernière version de Global Mapper : http://www.directionsmag.com/pressreleases/updated-global-mapper-lidar-module-now-supports-nir-lidar-data/444480


La réponse simple est que les capteurs lidar couplés à des caméras NIR peuvent collecter des données de nuages ​​de points qui peuvent ensuite avoir les valeurs NIR "intégrées" avec eux, de la même manière que les valeurs RVB peuvent être attribuées aux données de nuages ​​de points collectées avec des photos haute résolution.


Les capteurs LiDAR ne sont pas "couplés" avec des capteurs NIR. La plupart des appareils LiDAR sommes Capteurs NIR. Un LiDAR fonctionne en émettant une impulsion de faisceau LASER dans une seule longueur d'onde et en mesurant le temps de trajet lorsque l'impulsion y revient. Le capteur récepteur peut mesurer l'intensité d'un ou plusieurs retours pour chaque impulsion. Le LiDAR topographique utilise la longueur d'onde dans le NIR (la plupart du temps 1550 ou 1064 nm) pour des raisons de sécurité oculaire. Le LiDAR bathymétrique utilise du vert (532 nm) afin de réduire l'absorption par l'eau, mais cela peut entraîner des problèmes de sécurité oculaire.

Les valeurs d'intensité sont généralement stockées dans les fichiers bruts sous forme d'onde complète ou uniquement pour les retours principaux. Il est à noter que la valeur NIR stockée sur un seul retour provient d'une fraction du signal émis si la même impulsion avait plusieurs retours. L'interprétation de l'intensité de retours multiples comme une valeur de réflectance de la surface observée est donc délicate car la surface de la surface contribuant à ce retour est inconnue.

Bien entendu, il est possible d'emporter dans l'avion d'autres capteurs équipés de LiDAR (par exemple un capteur multispectral) afin d'affecter d'autres vules spectrales au nuage de points. Mais alors vous avez plus de contraintes sur votre vol (les capteurs multispectraux sont passifs, vous ne pouvez donc pas les utiliser pendant la nuit).


Qu'est-ce qu'un système LIDAR ?

De nouvelles technologies sont utilisées par les géologues de nos jours, en particulier le mécanisme de détection et de télémétrie par la lumière (LIDAR), une méthode de télédétection pour examiner la surface de la Terre.

Le procédé utilisé par LIDAR utilise la lumière sous la forme d'un laser pulsé capable de mesurer des distances ou des distances variables par rapport à la Terre. La combinaison d'impulsions lumineuses et d'autres données enregistrées via un système aéroporté permettra de générer des informations tridimensionnelles sur la surface de la Terre et ses caractéristiques.

Un instrument LIDAR comprend :

Deux types de LIDAR :

  • Bathymétrique - Ce type de LIDAR utilise une lumière verte pénétrante pour mesurer les élévations du lit de la rivière et du fond marin.
  • Topographique - Cela cartographie généralement le terrain à l'aide d'un laser proche infrarouge.

Les professionnels de la cartographie et les scientifiques sont capables d'examiner les environnements artificiels et naturels via des systèmes LIDAR pour obtenir des résultats précis, flexibles et précis. Les scientifiques de la National Oceanic and Atmospheric Administration utilisent LIDAR pour produire des cartes du littoral plus précises, aider aux opérations d'intervention d'urgence, créer des modèles d'élévation numériques pour les systèmes d'information géographique et de nombreuses autres applications pertinentes.

Mais LIDAR n'est pas seulement limité en géographie puisque les scientifiques ont pu utiliser cette technologie pour détecter l'angle, la distance et la vitesse avec une grande précision. Fondamentalement, LIDAR est capable de classer des objets, de détecter des marquages ​​au sol et peut également être utilisé pour positionner un véhicule autonome avec plus de précision.

Mécanisme de détection

Le LIDAR est un mécanisme de détection critique qui permettrait aux véhicules autonomes. Les constructeurs automobiles ont maintenant développé et commercialisé la prochaine génération de systèmes LIDAR pour les applications automobiles.

Il y a un certain nombre de technologies qui vont et viennent, mais la question est de savoir laquelle serait appropriée pour l'avenir ? L'option la plus probable est l'utilisation de puces informatiques pour pouvoir gérer des images à plus haute résolution. Ainsi, il apporterait plus de précision, notamment la création de systèmes de vision industrielle pour la conduite.

Cela pourrait être rendu possible avec la création d'un ASIC personnalisé (circuit intégré spécifique à l'application), un processeur optimisé pour faire de la vision industrielle. En fait, une entreprise israélienne a déjà fabriqué quatre générations de cette puce pour la rendre plus performante.

ASIC LIDAR

En règle générale, les ASIC sont largement utilisés dans de nombreuses applications, notamment le contrôle automatique des émissions, la surveillance de l'environnement et d'autres gadgets mobiles. En fait, un ASIC peut être personnalisé pour une application client particulière ou une application spéciale.

De nos jours, la prochaine génération d'ASIC et de systèmes LIDAR a été développée et commercialisée pour les applications automobiles. Cela peut être fait à l'aide d'un capteur LIDAR évolutif à qualité automatique, d'une technologie logicielle 3D de base et d'un moteur LIDAR ASIC propriétaire.

Selon les experts, la première application sera le segment dit RoboTaxi, qui utilisera une interface commerciale et technique avec les clients. Cependant, cela a été au centre de la controverse en raison de son coût.

ASIC personnalisés

Le développement d'ASIC personnalisés est la clé de sa percée en termes de performances et de coûts. C'est pourquoi il a été prédit que cette technologie pourrait ne pas être commercialisée avant 2020. La bonne chose cependant est que cette technologie a été développée et testée à plusieurs reprises pour obtenir des résultats réalisables. Qui sait, dans quelques années, le LIDAR ASIC sera une technologie utilisée dans les automobiles et autres véhicules sans lesquels les gens peuvent difficilement vivre.

Linear MicroSystems, Inc. est fier d'offrir ses services dans le monde entier ainsi que dans les zones environnantes et les villes autour de notre siège social à Irvine, en Californie : Mission Viejo, Laguna Niguel, Huntington Beach, Santa Ana, Fountain Valley, Anaheim, Orange County, Fullerton et Los Angeles.


Quels sont les différents types de LiDAR ?

Quanergy fournit des capteurs LiDAR 3D hautes performances et un logiciel de perception basé sur l'IA qui améliorent la sécurité, l'efficacité et les performances tout en réduisant les coûts dans une grande variété de marchés et d'applications.

Notre série M brevetée de capteurs LiDAR offre un champ de vision haute résolution à 360 degrés pour générer des nuages ​​de points 3D riches en temps réel à longue portée. Ces capteurs LiDAR haute définition économiques sont une solution robuste et fiable pour les applications réelles les plus difficiles qui nécessitent le champ de vision le plus large et la plus longue portée.

Basées sur la technologie Optical Phased Array (OPA), nos séries S sont de véritables capteurs LiDAR 100 % CMOS à semi-conducteurs qui offrent le plus haut niveau de fiabilité, de longévité et de rentabilité dans un appareil ultra-compact — assez petit pour tenir dans le paume de ta main. Grâce à la technologie OPA, la série Quanergy S ne comporte aucune pièce mobile à l'échelle macro ou microscopique. Cela garantit une haute résistance aux vibrations et fournit plus de 100 000 heures de temps moyen entre pannes (MBTF). Le processus de silicium CMOS abordable et évolutif permet une production de masse et des économies de coûts de pointe.


Composants du système LIDAR

  1. Capteurs LIDAR : Il déclenche les impulsions laser tout en balayant le sol d'un côté à l'autre.
  2. Système de positionnement et de navigation :Les récepteurs GPS suivent l'altitude et l'emplacement précis de l'avion. Les unités de mesure inertielle ou l'IMU suivent l'inclinaison de l'avion pendant qu'il vole et déclenchent les impulsions. Les calculs d'altitude sont effectués en utilisant l'inclinaison de l'avion pour mesurer l'angle incident de l'impulsion.
  3. Scanners :La qualité et la vitesse de l'image développée dépendent de la vitesse à laquelle elles sont numérisées. Le scanner comprend un double miroir plan oscillant et une combinaison avec un miroir polygonal et un scanner à double axe. Un séparateur de faisceau est utilisé pour recevoir le signal de retour. La qualité des choix optiques utilisés détermine la résolution angulaire et la plage pouvant être détectées.
  4. Des ordinateurs:Toutes les données collectées sont enregistrées et converties en images.

Démystifier le LiDAR

Il existe différents types de LiDAR. Les personnes impliquées dans l'industrie automobile doivent être conscientes des forces et faiblesses relatives de chacune.

Il est largement reconnu que les systèmes avancés d'aide à la conduite (ADAS) et la conduite autonome (AD) peuvent réussir avec une détection efficace de l'environnement entourant le véhicule alimentant les algorithmes permettant la navigation autonome. Compte tenu de la dépendance absolue à l'égard de la détection dans les situations critiques, plusieurs modalités de capteur sont utilisées avec les données fusionnées pour se compléter et assurer la redondance. Cela permet à chaque technologie de tirer parti de ses atouts et de fournir une solution mieux combinée.

Les trois modalités qui seront prédominantes pour le capteur utilisé dans les véhicules pour ADAS et AD à l'avenir sont les capteurs d'image, le radar et le LiDAR (Light Detection and Ranging). Chacun de ces capteurs a ses propres points forts et, ensemble, ils peuvent constituer une suite complète de capteurs fournissant des données pour permettre aux algorithmes de perception autonome de prendre des décisions avec la fusion de capteurs - la capacité de fournir la couleur, l'intensité, la vitesse et la profondeur pour chaque point ou noyau dans la scène.

Figure 1 : La fusion de capteurs tire parti des atouts de chaque modalité pour fournir des informations complètes sur l'environnement du véhicule.

De ces trois modalités principales, LiDAR est la technologie la plus naissante à être commercialisée pour une utilisation grand public, même si le concept d'utilisation de la lumière pour mesurer la distance remonte à des décennies. Le marché du LiDAR automobile devrait afficher une croissance spectaculaire passant de 39 millions de dollars en 2020 à 1,75 milliard de dollars en 2025, selon Yole Développement, porté par la prolifération des systèmes autonomes nécessitant la suite complète de capteurs. L'opportunité est si grande qu'il y a bien plus de 100 entreprises travaillant sur la technologie LiDAR, avec des investissements cumulés dans ces entreprises dépassant 1,5 milliard de dollars d'ici 2020 - et c'était avant le déluge d'offres publiques initiales menées par SPAC par plus d'une poignée de Les entreprises LiDAR qui ont commencé à la fin de 2020. Mais quand il y a tant d'entreprises qui travaillent sur une seule technologie - dont certaines sont fondamentalement différentes comme la longueur d'onde de la lumière utilisée (les exemples les plus importants étant 905 nm et 1550 nm) - il est inévitable qu'il y aura être une technologie gagnante et consolidée, comme on l'a vu à maintes reprises, qu'il s'agisse d'Ethernet pour la mise en réseau ou de VHS pour la vidéo.

Quand on regarde les utilisateurs de la technologie LiDAR - les constructeurs de véhicules automobiles, ainsi que les entreprises qui conçoivent et construisent des véhicules robotiques autonomes pour le transport de personnes et de marchandises - la chose la plus importante dans leur esprit est leurs exigences. En fin de compte, ces entreprises souhaitent que les fournisseurs leur fournissent des capteurs LiDAR à faible coût avec un degré élevé de fiabilité tout en répondant aux spécifications de performances de télémétrie et de détection d'objets à faible réflectivité. Bien que tous les ingénieurs aient des points de vue solides, ces entreprises sont susceptibles d'être agnostiques quant à la mise en œuvre de la technologie si le fournisseur peut répondre aux exigences de performance et de fiabilité au juste prix. Et cela conduit au débat fondamental que cet article vise à aider à trancher : quelle longueur d'onde prévaudra pour les applications LiDAR automobile ?

Présentation du LiDAR
Pour commencer à répondre à cette question, il est nécessaire de comprendre l'anatomie d'un système LiDAR, dont il existe différentes architectures. Le LiDAR cohérent, dont un type est appelé onde continue modulée en fréquence (FMCW), mélange un signal laser transmis avec de la lumière réfléchie pour calculer la portée et la vitesse des objets. Le FMCW offre certains avantages, mais il reste relativement rare par rapport à l'approche LiDAR la plus courante, le LiDAR à temps de vol direct (dToF). Cette mise en œuvre mesure la distance à un objet en chronométrant le temps qu'il faut pour qu'une très courte impulsion de lumière émise par une source d'éclairage soit réfléchie par un objet et renvoyée pour être détectée par le capteur. Il utilise la vitesse de la lumière pour directement calculez la distance à l'objet en utilisant la formule mathématique simple reliant le temps, la vitesse et la distance. Un système LiDAR dToF typique possède six fonctions matérielles principales, bien que le choix de la longueur d'onde ait principalement un impact sur les fonctions d'émission et de réception.

Figure 2 : Un schéma fonctionnel d'un système dToF typique avec des parties vertes représentant certaines zones d'intérêt des produits ON Semiconductor.

Le tableau 1 présente une liste des différents fabricants de LiDAR qui vont des constructeurs automobiles de niveau 1 connus aux startups dans toutes les régions du monde. Sur la base des rapports de marché et des informations publiques, la grande majorité de ces sociétés exploitent leurs LiDAR dans des longueurs d'onde du proche infrarouge (NIR), par opposition aux longueurs d'onde de l'infrarouge court (SWIR). En outre, alors que les fournisseurs axés sur SWIR travaillant sur FMCW sont limités à ces longueurs d'onde, la plupart de ceux qui ont une mise en œuvre directe du temps de vol ont la possibilité de créer un système avec des longueurs d'onde NIR, s'ils le souhaitent, tout en étant en mesure de tirer parti d'un beaucoup de leurs IP existantes autour de fonctions telles que l'orientation des faisceaux et le traitement du signal.

Tableau 1 : Liste des fabricants de LiDAR qui opèrent dans les longueurs d'onde NIR et SWIR. Pas une liste exhaustive. (Source de l'image : Yole, IHS Markit et divulgations publiques)

Étant donné que la majorité, mais pas tous, de ces fabricants ont choisi les longueurs d'onde NIR, comment ils sont arrivés à cette décision et quelles sont les implications doivent être pris en compte. Au cœur de la discussion se trouve la physique de base liée aux propriétés de la lumière et des matériaux semi-conducteurs constituant les composants utilisés dans le LiDAR.

Les photons tirés par le laser dans un système LiDAR, qui sont destinés à rebondir sur des objets et reçus par le détecteur, doivent rivaliser avec les photons ambiants provenant du soleil. En regardant le spectre du rayonnement solaire et en tenant compte de l'absorption atmosphérique, il y a des « creux » dans l'irradiance à certaines longueurs d'onde qui réduiraient la quantité de photons existant comme bruit pour le système. À 905 nm, il y a environ 3 fois plus d'éclairement solaire qu'à 1550 nm, ce qui signifie qu'un système NIR doit faire face à plus de bruit qui peut interférer avec le capteur. Mais ce n'est qu'un des facteurs à prendre en compte lors du choix d'une longueur d'onde pour un système LiDAR.

Figure 3 : L'absorption atmosphérique de la lumière donne des pics clairs.

Capteurs
Les composants responsables de la détection des photons dans le système LiDAR sont différents types de photodétecteurs, il est donc important d'expliquer pourquoi ils peuvent être constitués de différents matériaux semi-conducteurs en fonction de la longueur d'onde à détecter. Dans un semi-conducteur, une bande interdite sépare les bandes de valence et de conduction. Les photons fournissent l'énergie nécessaire aux électrons pour surmonter cette bande interdite et rendre le semi-conducteur conducteur, créant ainsi un photocourant. L'énergie de chaque photon est liée à sa longueur d'onde et la bande interdite d'un semi-conducteur est liée à sa sensibilité. C'est pourquoi différents matériaux semi-conducteurs sont nécessaires en fonction de la longueur d'onde de la lumière à détecter. Le silicium, qui est le semi-conducteur le plus courant et le moins cher à fabriquer, est sensible aux longueurs d'onde visibles et NIR jusqu'à environ 1000 nm. Pour détecter des longueurs d'onde au-delà de celles de la gamme SWIR, l'alliage de semi-conducteurs plus exotiques du groupe III/V peut être fait pour fabriquer des matériaux comme InGaAs capables de détecter ces longueurs d'onde de lumière, de 1000 nm à 2500 nm.

Les premiers LiDAR utilisaient des photodiodes PIN comme capteurs. Les photodiodes PIN n'ont pas de gain inhérent et, par conséquent, ne sont pas capables de détecter facilement les signaux faibles. Les photodiodes à avalanche (APD) sont le type de capteur le plus utilisé dans le LiDAR aujourd'hui et fournissent un gain modéré. Cependant, les APD doivent également fonctionner en mode linéaire comme les photodiodes PIN pour intégrer le signal des arrivées de photons et souffrent également d'une mauvaise uniformité de pièce à pièce, tout en nécessitant des tensions de polarisation très élevées. Les types de capteurs les plus récents qui sont de plus en plus utilisés dans les LiDAR sont construits sur des diodes à avalanche à photon unique (SPAD), qui ont un gain très important et sont capables de produire une sortie de courant mesurable à partir de chaque photon détecté. Les photomultiplicateurs au silicium (SiPM) sont des matrices de SPAD à base de silicium qui présentent l'avantage supplémentaire de pouvoir distinguer les photons uniques des photons multiples en examinant l'amplitude du signal généré.

Figure 4 : Différents types de photodétecteurs utilisés pour détecter des signaux dans un LiDAR

Pour en revenir à la pertinence du sujet des longueurs d'onde, tous ces types de photodétecteurs peuvent être construits sur du silicium (pour la détection NIR) ou des semi-conducteurs III/V (pour la détection SWIR). D'autre part, la fabrication et le coût sont essentiels à la viabilité de la technologie, et les fonderies de silicium CMOS permettent la fabrication en grand volume et à faible coût de tels capteurs. C'est l'une des principales raisons pour lesquelles les SiPM sont de plus en plus adoptés pour le LiDAR, en plus de permettre des performances plus élevées. Bien qu'il existe des APD et des SPAD pour SWIR, il est difficile de les intégrer à une logique de lecture en raison du fait que les processus ne sont pas à base de silicium. Enfin, les matrices SPAD et photomultiplicateurs basés sur III/V (analogues aux SiPM) pour SWIR n'ont pas encore été commercialisés, de sorte que la disponibilité de l'écosystème favorise les longueurs d'onde NIR.

Lasers
La génération de photons implique un processus totalement différent. Une jonction p-n semi-conductrice en tant que milieu de gain peut être utilisée pour fabriquer un laser. Cela se fait en pompant un courant à travers la jonction, provoquant l'émission résonante de photons lorsque les atomes se dirigent vers des bandes d'énergie inférieures, ce qui entraîne une sortie de faisceau laser cohérente. Les lasers à semi-conducteurs sont basés sur des matériaux à bande interdite directe tels que GaAs et InP, qui sont efficaces pour la génération de photons qui se produit lorsque les atomes passent dans une bande d'énergie inférieure, contrairement aux matériaux à bande interdite indirecte tels que le silicium.

Il existe deux principaux types de lasers utilisés dans le LiDAR : le laser à émission latérale (EEL) et le laser à cavité verticale à émission de surface (VCSEL). Les EEL sont plus largement utilisées aujourd'hui, en raison de leur coût inférieur et de leur rendement supérieur à celui des VCSEL. Ils sont plus difficiles à emballer et à intégrer dans des matrices et souffrent également d'un décalage de longueur d'onde en fonction de la température, ce qui oblige les détecteurs à rechercher une bande plus large de longueurs d'onde de photons, ce qui permet de détecter plus de photons ambiants sous forme de bruit. Malgré le coût plus élevé et l'efficacité énergétique plus faible, la nouvelle technologie VCSEL présente l'avantage d'un emballage simple et efficace puisque le faisceau est généré par le haut. L'adoption par le marché du VCSEL augmente, car ses coûts continueront de baisser de manière significative et l'efficacité énergétique s'améliorera. Les EEL et les VCSEL existent pour la génération de longueurs d'onde NIR et SWIR, avec une différence clé : les longueurs d'onde NIR peuvent être générées avec GaAs, tandis que les longueurs d'onde SWIR nécessitent l'utilisation d'InGaAsP. Les lasers GaAs sont capables d'utiliser des fonderies de plus grandes tailles de plaquettes, ce qui permet de réduire les coûts, ce qui montre à nouveau un avantage pour l'écosystème des fabricants de LiDAR NIR du point de vue des coûts et de la sécurité de la chaîne d'approvisionnement.

Figure 5 : Différents types de lasers utilisés dans un LiDAR.

Puissance laser et sécurité des yeux
Tout en parlant du débat sur la longueur d'onde, il est impératif de considérer les implications d'un système LiDAR sur la sécurité oculaire. Le concept du LiDAR dToF consiste à utiliser des impulsions laser courtes avec une puissance de crête élevée sur un certain angle de vue à émettre vers la scène. Un piéton se trouvant sur le chemin d'émission d'un LiDAR doit être assuré que ses yeux ne seront pas endommagés par un laser tiré dans sa direction, et la norme IEC-60825 est une spécification qui dicte l'exposition maximale admissible sur les différents longueurs d'onde de la lumière. Alors que la lumière NIR, similaire à la lumière visible, est capable de traverser la cornée et d'atteindre la rétine de l'œil humain, la lumière SWIR est principalement absorbée dans la cornée et, par conséquent, peut être exposée à des niveaux plus élevés.

Figure 6 : Spécification IEC-60825 pour une exposition laser sans danger pour les yeux.

Être capable de produire une puissance laser plus élevée de plusieurs ordres de grandeur est un avantage pour un système basé sur 1550 nm du point de vue des performances, car il permet d'envoyer plus de photons et donc d'être renvoyés pour être détectés. Des puissances laser plus élevées s'accompagnent également d'un compromis thermique. Il convient de noter qu'une conception appropriée sans danger pour les yeux doit être effectuée quelle que soit la longueur d'onde en prenant clairement en compte l'énergie par impulsion et la taille de l'ouverture laser. Avec un LiDAR basé sur 905 nm, la puissance de crête peut être augmentée par l'un de ces facteurs, comme le montre la figure 7.

Figure 7 : Conception laser sans danger pour les yeux pour un LiDAR NIR compte tenu de différents paramètres optiques et laser.

Comparaison des systèmes LiDAR NIR et SWIR
L'accent mis ci-dessus sur la quantité de puissance laser pouvant être émise nous ramène aux capteurs utilisés. Un capteur plus performant capable de détecter des signaux plus faibles profitera clairement au système de plusieurs manières - en pouvant atteindre une portée plus longue ou en utilisant moins de puissance laser pour atteindre la même portée. ON Semiconductor a développé une série de SiPM pour NIR LiDAR conduisant l'efficacité de détection de photons (PDE) - un paramètre clé indiquant la sensibilité - à 18% avec ses derniers capteurs de la série RDM.

Figure 8 : Feuille de route des processus des SiPM d'ON Semiconductor.

Pour comparer les performances d'un LiDAR NIR dToF avec un LiDAR SWIR dToF, nous avons effectué une modélisation du système pour des architectures LiDAR et des conditions environnementales identiques avec des paramètres différents pour les lasers et les capteurs. L'architecture LiDAR est un système coaxial avec un réseau de détecteurs à 16 canaux et un mécanisme de balayage pour s'étendre à travers le champ de vision, comme le montre la figure 10. Ce modèle de système a été validé avec du matériel et nous permet d'estimer avec précision les performances du LiDAR systèmes.

Figure 9 : Modèle de système pour un capteur LiDAR dToF. Tableau 2 : Capteur LiDAR et paramètres laser pour la simulation de modèle de système NIR et SWIR.

Le système à 1550 nm utilise une puissance laser plus élevée, ainsi qu'un capteur PDE plus élevé en raison de son utilisation d'alliages InGaAs à haute PDE, ce qui devrait donner des performances de meilleure portée dans notre simulation de système. En utilisant des paramètres au niveau du système de lumière ambiante de 100 klux filtrés par une bande passante de 50 nm sur la lentille du capteur (centrée respectivement autour de 905 nm et 1550 nm), un angle de vue de 0,1° x 5° balayé sur 80° horizontalement à 30 ips, un taux de répétition laser de 500 kHz avec Largeur d'impulsion de 1 ns et diamètre de lentille de 22 mm, les résultats sont illustrés à la figure 10.

Figure 10 : Résultats de simulation pour des systèmes LiDAR similaires basés sur 905 nm et 1550 nm.

Comme prévu, le système à 1550 nm est capable de s'étendre plus loin pour un objet à faible réflectivité, allant jusqu'à 500 m avec une probabilité de portée de 99%. Cependant, le système basé sur 905 nm atteint toujours une portée bien supérieure à 200 m, ce qui montre que les deux types de systèmes peuvent répondre aux exigences LiDAR automobile à longue portée dans des conditions environnementales typiques. Lorsque de mauvaises conditions environnementales telles que la pluie ou le brouillard sont introduites, les propriétés d'absorption d'eau de la lumière SWIR entraînent une dégradation plus rapide de ses performances qu'un système basé sur le NIR, ce qui est un autre facteur à prendre en compte.

Considérations relatives aux coûts
Après avoir examiné en détail la technologie derrière les systèmes LiDAR, ainsi que les implications de l'utilisation de différentes longueurs d'onde, nous revenons maintenant au facteur de considérations de coût. Nous avons expliqué précédemment que les capteurs utilisés pour les LiDAR basés sur le NIR proviennent de processus de fonderie de silicium CMOS natifs, qui permettent le coût le plus bas possible pour les semi-conducteurs. En outre, ils permettent également l'intégration de la logique de lecture CMOS avec le capteur dans une puce en utilisant la technologie des matrices empilées, qui est facilement disponible dans les fonderies aujourd'hui, ce qui réduit davantage la chaîne de signaux et réduit les coûts. Inversement, les capteurs SWIR utilisent des fonderies de semi-conducteurs III/V comme InGaAs qui sont plus coûteux et la nouvelle technologie hybride Ge-Si - qui peut permettre des capteurs SWIR à moindre coût - facilitant l'intégration avec la logique de lecture mais sont toujours estimées à plus de 5 fois plus chères que le silicium CMOS traditionnel même après avoir atteint la maturité. Côté laser, la différence de taille de plaquette entre les plaquettes GaAs utilisées pour fabriquer les puces laser dans les systèmes NIR et les plaquettes InGaAs utilisées pour fabriquer les puces laser dans les systèmes SWIR conduit à nouveau à une disparité de coûts, et le fait que les systèmes NIR ont un chemin vers l'utilisation de VCSEL avec une base de fournisseurs beaucoup plus facilement disponible permet également une intégration à moindre coût.

La somme des facteurs ci-dessus a conduit à une analyse réalisée par IHS Markit (Amsrud, 2019), qui a montré que pour le même type de composant (le capteur ou le laser), le coût d'un système SWIR serait 10 à 100 fois plus élevé qu'un système NIR. Le coût moyen combiné des composants du capteur et du laser pour un système NIR a été estimé entre 4 et 20 dollars par canal en 2019 et diminuait à 2 à 10 dollars d'ici 2025. En revanche, le coût moyen équivalent des composants d'un système SWIR a été estimé à être de 275 $ par canal en 2019 et diminuer à 155 $ par canal d'ici 2025. C'est une énorme différence de coût si l'on considère le fait que les systèmes LiDAR contiennent plusieurs canaux, même en utilisant une approche de balayage 1D puisqu'un réseau vertical de canaux à point unique est toujours obligatoire.

Tableau 3 : Résumé des considérations de coût. (Source de l'image : IHS Markit)

La dynamique du marché LiDAR ne favorise pas non plus le camp SWIR. Le marché de la conduite autonome n'a pas augmenté aussi rapidement que les attentes du marché il y a cinq ans, et les systèmes d'autonomie de niveau 4 et de niveau 5, pour lesquels LiDAR est un must, sont à des années d'un déploiement de masse généralisé. En attendant, les marchés industriels et robotiques utilisant le LiDAR sont encore plus soucieux des coûts et n'ont pas besoin des avantages ultra-performants d'un système SWIR. les coûts en augmentant le volume comme on le prétend souvent. Il y a un problème de « la poule et l'œuf » pour obtenir le coût le plus bas lorsque le volume augmente, mais avoir besoin du coût le plus bas pour obtenir les volumes.

Résumé
Après avoir approfondi la technologie et les différences entre les systèmes NIR et SWIR, il est clair pourquoi la grande majorité des systèmes LiDAR existants aujourd'hui utilisent des longueurs d'onde NIR. Bien que les perspectives d'avenir ne soient jamais certaines à 100%, il est évident que le coût et la disponibilité des fournisseurs d'écosystèmes sont des facteurs clés, et les systèmes basés sur le NIR seront certainement toujours moins chers en raison de l'avantage technologique et des économies d'échelle du silicium CMOS. Et tandis que SWIR permet un système LiDAR à plus longue portée, les LiDAR basés sur le NIR peuvent également répondre aux exigences automobiles à longue portée souhaitées, tout en étant extrêmement performants pour les configurations à courte et moyenne portée également nécessaires dans ADAS et AD. L'existence de LiDAR basés sur le NIR en production de masse pour le marché automobile montre aujourd'hui que la technologie a été commercialisée et éprouvée, mais il faudra encore un certain temps pour que la consolidation se produise et que les gagnants et les perdants s'en sortent. Après tout, l'industrie automobile au tournant du XXe siècle comptait 30 constructeurs différents, et ce nombre est passé à près de 500 au cours des dix années suivantes, mais il n'a fallu que quelques années pour que la plupart d'entre eux disparaissent. On s'attend à ce qu'une dynamique similaire se produise avec les fabricants de LiDAR d'ici la fin de cette décennie.

Les références
Yole Développement (2020). LiDAR pour les applications automobiles et industrielles – Rapport sur le marché et la technologie 2020

Amsrud, P. (25 septembre 2019). La course à un système LIDAR low-cost [Présentation conférence]. LIDAR automobile 2019, Detroit, MI, États-Unis. IHS Markit.

Cet article a été initialement publié le Temps EE.

Bahman Hadji, directeur du développement commercial, division de détection automobile, ON Semiconductor.


Comment faire face à un PCD trop bas :

Il existe plusieurs manières de passer à la basse résolution de l'ensemble de données. Par exemple, utilisez un algorithme d'interpolation ou assemblez deux ensembles de données. Cependant, cela aiderait si vous vous souveniez toujours d'un seuil de GPS, d'IMU, d'horloge ou d'une autre partie du système aéroporté. Même si vous pouvez compter sur la correspondance des résultats au sein d'un système ou d'une entreprise qui produit des ensembles de données, rien ne prouve que deux ensembles de données de nuages ​​de points aléatoires s'assembleront parfaitement.


Qu'est-ce que le LiDAR ?

LIDAR, qui signifie Détection de lumière et télémétrie, est une méthode de télédétection qui utilise la lumière sous la forme d'un laser pulsé pour mesurer les distances (distances variables) jusqu'à la Terre. Ces impulsions lumineuses, combinées à d'autres données enregistrées par le système aéroporté, génèrent des informations précises et tridimensionnelles sur la forme de la Terre et ses caractéristiques de surface.

Un instrument LIDAR se compose principalement d'un laser, d'un scanner et d'un récepteur GPS spécialisé. Les avions et les hélicoptères sont les plates-formes les plus couramment utilisées pour acquérir des données LIDAR sur de vastes zones. Deux types de LIDAR sont topographiques et bathymétriques. Le LIDAR topographique utilise généralement un laser proche infrarouge pour cartographier la terre, tandis que le LiDAR bathymétrique utilise une lumière verte pénétrante pour mesurer également les élévations du fond marin et du lit de la rivière.

Les systèmes LIDAR permettent aux scientifiques et aux professionnels de la cartographie d'examiner les environnements naturels et artificiels avec exactitude, précision et flexibilité. Les scientifiques de la NOAA utilisent LIDAR pour produire des cartes de rivage plus précises, créer des modèles d'élévation numériques à utiliser dans les systèmes d'information géographique, pour aider aux opérations d'intervention d'urgence et dans de nombreuses autres applications.

Les ensembles de données LIDAR pour de nombreuses zones côtières peuvent être téléchargés à partir du portail Web de l'Office for Coastal Management Digital Coast.


Qu'est-ce que le LiDAR et comment ça marche

Les voitures sans conducteur, qui étaient l'un des plus grands fantasmes technologiques des années 1990 (alimentées par des films antérieurs comme "The Love Bug" et "Demolition Man"), sont aujourd'hui une réalité, grâce aux énormes progrès réalisés autour de plusieurs technologies, en particulier LIDAR.

Qu'est-ce que le LiDAR ?

LIDAR (signifie Détection de la lumière et télémétrie) est une technologie de télémétrie qui mesure la distance d'un objet en envoyant des faisceaux de lumière sur l'objet et en utilisant le temps et la longueur d'onde du faisceau de lumière réfléchi pour estimer la distance et dans certaines applications (Imagerie laser), créer une représentation 3D de L'object.

Alors que l'idée derrière le laser remonte aux travaux d'EH Synge en 1930, ce n'était pas une chose jusqu'au début des années 1960, après l'invention du laser. Essentiellement une combinaison d'imagerie focalisée au laser avec la capacité de calculer des distances en utilisant la technique du temps de vol, il a trouvé ses premières applications en météorologie, où il a été utilisé pour mesurer les nuages, et dans l'espace, où un altimètre laser a été utilisé pour cartographier le surface de la lune lors de la mission Apollo 15. Depuis lors, la technologie s'est améliorée et a été utilisée dans diverses applications, notamment la détection d'activités sismiques, l'océanographie, l'archéologie et la navigation pour n'en citer que quelques-unes.

Comment fonctionne le LiDAR

La technologie est assez similaire à celle de RADAR (navigation par ondes radio utilisée par les navires et les avions) et SONAR (détection et navigation d'objets sous-marins par le son, principalement utilisés par les sous-marins) qui utilisent tous deux le principe de réflexion des ondes pour la détection d'objets et la distance. estimation. However, while RADAR is based on radio waves and SONAR is based on sounds, LIDAR is based on Light beams (Laser).

LIDAR uses light across different wavelengths including ultraviolet, visible, or near infrared light to image objects and its, as such, able to detect all kind of material compositions, including non-metals, rocks, rain, chemical compounds, aerosols, clouds and even single molecules. LIDAR systems could fire up to 1,000,000 light pulses per seconds and use the time taken for the pulses to be reflected back to the scanner to determine the distance at which objects and surfaces around the scanner are located. The technique used for the distance determination is known as time of flight and it’s equation is given below.

In most applications, other than just distant measuring, a 3D map of the environment/object at which the light beam was fired is created. This is done via continuous firing of the laser beam at the object or environment.

It is important to note that, as opposed to the specular type reflection obtainable in plane mirrors, reflection experienced in LIDAR systems is backscattered reflection as the light waves are diffused back through the direction where they came. Depending on the application, LIDAR systems use different variations of backscattering including Rayleigh and Raman scattering,

Components of a LIDAR System

A LIDAR system typically comprises of 5 elements which are expected to be present irrespective of variations due to application. These main components include:

  1. Laser
  2. Scanners and Optics system
  3. Processeur
  4. Accurate timing electronics
  5. Inertial Measurement Unit and GPS

The Laser serves as the source of the energy for the light pulses. The wavelength of the laser deployed in LIDAR systems differ from one application to another due to the specific requirements of certain applications. For instance, Airborne LiDAR systems use 1064 nm diode pumped YAG lasers whilst Bathymetric systems use 532nm double diode pumped YAG lasers which penetrate water (up to 40 meters) with much less attenuation than the airborne 1064nm version. However, Irrespective of the applications, the lasers used are usually of low energy to ensure safety.

2. Scanner and Optics

Scanners are an important part of any LIDAR system. They are in charge of projecting laser pulses to surfaces and receiving back the reflected pulses from the surface. The speed at which images are developed by a LIDAR system is dependent on the speed at which the scanners capture the backscattered beams. Irrespective of the application, the optics used in a LIDAR system must be of high precision and quality to obtain the best results especially for mapping. The type of lenses, specific glass choice, along with the optical coatings used are major determinants of the resolution and range capabilities of the LIDAR.

Depending on the application, a variety of scanning methods can be deployed for different resolutions. Azimuth and elevation scanning, and dual axis scanning are some of the most popular scanning method.

3. Processors

A high capacity processor is usually at the heart of any LIDAR system. It is used to synchronize and coordinate the activities of all the individual components of the LIDAR system ensuring all components are working when they should. The processor integrates the data from the scanner, the timer (if not built into the processing subsystem), the GPS and the IMU to produce the LIDAR point data. These elevation point data are then used to create maps depending on the application. In Driverless Cars, the point data are used to provide a real-time map of the environment to help the cars with obstacle avoidance and general navigation.

With light travelling at a speed of about 0.3metres per nanoseconds and thousands of beams usually reflected back to the scanner, the processor is usually required to be of high speed with high processing capabilities. Thus, the advancements in the processing power of computing elements has been one of the major drivers of LIDAR technology.

4. Timing Electronics

Accurate timing is of the essence in LIDAR systems as the entire operation is built on time. The timing electronics represents the LIDAR subsystem that records the exact time a laser pulse leaves and the exact time it returns to the scanner.

It’s precision and accuracy cannot be over emphasized. Due to the scattered reflection, pulses sent out usually have multiple returns each of which needs to be precisely timed to ensure the accuracy of the data.

5. Inertial Measurement Unit and GPS

When a LiDAR sensor is mounted on a mobile platform such as satellites, airplanes or automobiles, it is necessary to determine the absolute position and the orientation of the sensor to retain useable data. This is achieved by the use of an Inertial measurement system (IMU) and Global Positioning System (GPS). The IMU usually comprises of an accelerometer, gyroscope, and a magnetometer to measure the velocity, orientation, and gravitational forces, which combined together, are used to determine the angular orientation (Pitch, roll and Yaw) of the scanner relative to the ground. The GPS on the other hand provide accurate geographical information regarding the position of the sensor, thus allowing for direct georeferencing of the object points. These two components provide the method for translating sensor data into static points for use in a variety of systems.

The extra information obtained using the GPS and IMU is crucial to the integrity of data acquired, and it help ensures distance to surfaces are correctly estimated, especially in mobile LIDAR applications like Autonomous vehicles and Air Plane based imagine systems.

Types of LiDAR

While LIDAR systems can be classified into types based on quite a number of factors, there are three generic types of LIDAR Systems which are

1. Range Finder LIDAR

These are the simplest kind of LIDAR systems. They are used to determine the distance from the LIDAR scanner to an object or surface. By using the time of flight principle described under the “how it works” section, the time taken for the reflection beam to hit the scanner is used to determine the distance between the LIDAR system and the object.

2. Differential Absorption LIDAR

Differential absorption LIDAR systems (sometimes referred to as DIAL), is usually used in the investigating the presence of certain molecules or materials. DIAL systems usually fire laser beams of two wavelengths which are selected in such a way that one of the wavelengths will be absorbed by the molecule of interest whilst the other wavelength will not be. The absorption of one of the beams results in a difference (differential absorption) in the intensity of the return beams received by the scanner. This difference is then used to deduce the level of presence of the molecule being investigated. DIAL has been used to measure chemical concentrations (such as ozone, water vapor, pollutants) in the atmosphere.

3. Doppler LIDAR

Doppler LiDAR is used to measure the velocity of a target. When light beams fired from the LIDAR hits a target moving towards or away from the LIDAR, the wavelength of the light reflected/scattered off the target will be changed slightly. This is known as a Doppler shift - as a result, Doppler LiDAR. If the target is moving away from the LiDAR, the return light will have a longer wavelength (sometimes referred to as a red shift), if moving towards the LiDAR the return light will be at a shorter wavelength (blue shifted).

Some of the other classifications on which LIDAR systems are grouped into types include:

Types of LiDAR based on Platform

Using platform as a criteria, LIDAR systems can be grouped into four types including

These LIDARs differ in construction, materials, wavelength, outlook and other factors which are usually selected to suit what works in the environment for which they are to be deployed.

Types of LIDAR Based on Type of Backscattering

During my description of how LIDAR systems work, I mentioned that reflection in LIDAR is via backscattering. Different type of backscattering exits and its sometimes use to describe the type of LIDAR. Types of backscattering include

Applications of LiDAR

Due to its extreme accuracy and flexibility LIDAR has a wide number of applications, in particular, the production of high-resolution maps. As well as surveying, LIDAR has been used in agriculture, archaeology, and in robots as it’s currently one of the major enablers of the autonomous vehicle race, being the major sensor used in most vehicles with the LIDAR system performing a role similar to that of the eyes for the vehicles.

There are 100s of other applications of LiDAR and will try to mention as many as possible below.

  1. Autonomous Vehicles
  2. 3D Imaging
  3. Land Survey
  4. Power Line Inspection
  5. Tourism and Parks Management
  6. Environmental Assessment for Forest protection
  7. Flood Modeling
  8. Ecological & Land Classification
  9. Pollution Modeling
  10. Oil and Gas Exploration
  11. Météorologie
  12. Océanographie
  13. All sort of military Applications
  14. Cell Network Planning
  15. Astronomie

LiDAR Limitations

LIDAR like every other technology has its shortcomings. Le range and accuracy of LIDAR systems are badly affected during bad weather conditions. For example, in Foggy conditions, a significant amount of false signals are generated due to beams being reflected by the fog. This usually leads to the mie scattering effect and as such, a bulk of the fired beam doesn’t return back to the scanner. A similar occurrence is experienced with rain as rain particles cause spurious returns.

Asides weather, LIDAR systems can be fooled (either deliberately or indeliberately) to think an object exist by flashing “lights” at it. Selon un papier published in 2015, flashing a simple laser pointer at the LIDAR system mounted on autonomous vehicles could disorient the navigation systems of the vehicle, giving it the impression of the existence of an object where there is none. This flaw especially in driverless car application of lasers, opens up a lot of security concerns as it won’t take long for carjackers to refine the principle for use in attacks. It could also lead to accidents with cars stopping suddenly in the middle of the road if they sensed what they believed to be another car or a pedestrian.

Advantages and Disadvantages of LiDAR

To wrap up this article, we probably should look at reasons why you LIDAR could be a good fit for your project and reasons why you probably should avoid it.

1. High Speed and accurate data acquisition

3. Not affected by the intensity of light in its environment and can be used at night or in the sun.

4. High Resolution Imaging compared to other methods.

5. No Geometrical Distortions

6. Easily integrates with other data acquisition methods.

7. LIDAR has minimum human dependence which is good in certain applications where human error could affect the reliability of data.

Disadvantages

1. The cost of LIDAR makes it overkill for certain projects. LIDAR is best described as relatively expensive.

2. LIDAR systems perform poorly in heavy rain, fog or snow conditions.

3. LIDAR systems generate large datasets which require high computational resources to process.

4. Unreliable in turbulent water applications.

5. Depending on the wavelength adopted, the performance of LIDAR systems is limited altitude as the pulses fired in certain kind of LIDARs become ineffective at certain altitudes.

LIDAR for Hobbyist and Makers

Due to the cost of LIDARs, most of the LIDAR systems in the market (like the velodyne LIDARs) are used in industrial applications (to bring together all “non-hobbyist” applications).

The closest to “hobbyist grade” LIDAR system available right now are the iLidar Solid-State LiDAR sensors designed by Hybo. It is a small LiDAR system capable of 3D mapping (without rotating the sensor) with an effective maximum range of 6 meters. The sensor is equipped with a USB port alongside a UART/SPI/i2C port through which communication can be established between the sensor and a microcontroller.

iLidar was designed to suit everyone and the features associated with LiDAR makes it attractive to makers.


Using LiDAR and geographic information system data to identify optimal sites in southern Minnesota for constructed wetlands to intercept nonpoint source nitrogen

Nitrate (NO3) carried in drainage from midwestern crop lands impairs local waters and makes a significant contribution to hypoxia in the Gulf of Mexico (Brezonik et al. 1999 Nangia et al. 2008). Conservation practices are being promoted in the Midwest to remedy water quality. Among them, improved farming practices such as reduced fertilizer use, constructed (either created or restored) wetlands, and riparian buffers are the three principal approaches for remedying Gulf of Mexico hypoxia (Mitsch et al. 2001 Randall and Mulla 2001 Mitsch and Gosselink 2007a).

A constructed wetland was defined by Hammer and Bastian (1989) as “a designed and man-made complex of saturated substrate, emergent and submergent vegetation, animal life, and water that simulates natural wetlands for human use and benefits.” The microbial populations at the plant roots can transform nutrients and metallic ions and compounds this makes wetlands effective at treating runoff from municipal, mining, and agricultural sources (Haan et al. 1994). Wetlands were once widely distributed in the Midwest, and many of them were drained for crop production. Therefore, the midwestern geomorphology and soils are favorable for wetland restoration. Wetland construction can control the growing problem of reactive nitrogen (N), primarily NO3, in the aquatic environment (Hey…

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What is LIDAR?

What is LIDAR?

LIDAR—Light Detection and Ranging—is a remote sensing method used to examine the surface of the Earth.

LIDAR, which stands for Light Detection and Ranging, is a remote sensing method that uses light in the form of a pulsed laser to measure ranges (variable distances) to the Earth.

LIDAR data is often collected by air, such as with this NOAA survey aircraft (right) over Bixby Bridge in Big Sur, Calif. Here, LIDAR data reveals a top-down (top left) and profile view of Bixby Bridge. NOAA scientists use LIDAR-generated products to examine both natural and manmade environments. LIDAR data supports activities such as inundation and storm surge modeling, hydrodynamic modeling, shoreline mapping, emergency response, hydrographic surveying, and coastal vulnerability analysis.

LIDAR, which stands for Light Detection and Ranging, is a remote sensing method that uses light in the form of a pulsed laser to measure ranges (variable distances) to the Earth. These light pulses—combined with other data recorded by the airborne system— generate precise, three-dimensional information about the shape of the Earth and its surface characteristics.

A LIDAR instrument principally consists of a laser, a scanner, and a specialized GPS receiver. Airplanes and helicopters are the most commonly used platforms for acquiring LIDAR data over broad areas. Two types of LIDAR are topographic and bathymetric. Topographic LIDAR typically uses a near-infrared laser to map the land, while bathymetric lidar uses water-penetrating green light to also measure seafloor and riverbed elevations.

LIDAR systems allow scientists and mapping professionals to examine both natural and manmade environments with accuracy, precision, and flexibility. NOAA scientists are using LIDAR to produce more accurate shoreline maps, make digital elevation models for use in geographic information systems, to assist in emergency response operations, and in many other applications.

LIDAR data sets for many coastal areas can be downloaded from the Office for Coastal Management Digital Coast web portal.

Light Detection and Ranging, or Lidar, sensors create 3-D maps of the world around autonomous vehicles. https://on.mktw.net/33mFFK0

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