סיווג ושיטות סריקה של חיישן לייזר LiDAR

LiDARחיישן לייזר פולט באופן פעיל אור לייזר ויכול להשיג מידע כגון מרחק, כיוון, מהירות וקונטור של מטרה חודרת בדיוק רב וברזולוציה גבוהה. נעשה בו שימוש נרחב בתחומים כמו ביטחון עירוני ואבטחה תעשייתית. מאמר זה מציג בקצרה את יצרני הלידר האבטחה המקומיים והזרים המיינסטרים ואת המפרט הטכני של המוצר שלהם. שילוב הצרכים של יישומי אבטחה שונים, העקרונות, המאפיינים והמצב הנוכחי של lidar במערכות טכניות שונות נדונים משלושה היבטים: סכמת טווח, שיטת סריקה ובחירת מקור אור. לבסוף, מגמות היישום וסיכויי הפיתוח של לידר אבטחה מסוכמים ומצופים. על מנת לענות על הצרכים של יישומי אבטחה לצרכן, אבטחה lidar תתפתח עוד יותר בכיוונים של עלות נמוכה, ביצועים גבוהים, סדרה, מזעור, מצב מוצק, שבבים ושילוב רב-מקורות.

תלוי אם קיימים רכיבים נעים בתוך המערכת, ניתן לחלק את לידר ללידאר מכני ולידאר מוצק. ביניהן, שיטות היישום של lidar במצב מוצק כוללות מערכת מיקרו-אלקטרומכנית (Micro-ElectroMechanical System, MEMS), טכנולוגיית Flash וטכנולוגיית OPA.

על פי מאפייני בקרת האלומה במצב הסריקה, ניתן לחלק את לידר ללידאר סורק ולידאר שאינו סורק. ביניהם, לידר שאינו סורק משיג הדמיית מטרה על ידי כיסוי הסצנה באור, כגון לידר של מערך פלאש. שיטות סריקה מתאימות יכולות לאפשר ללידר אבטחה להשיג שדה ראייה ורזולוציה גדולים יותר, תוך הפיכת המבנה כולו ליציב יותר. לכן, הבחירה בטכנולוגיית הסריקה משפיעה מאוד על מחזור החיים של לידר, אשר בתורו קובע אם לידר אבטחה תחת מערכת זו ניתן לייצור המוני. ביניהם, טווח זיהוי ארוך ושדה ראייה גדול הם אינדיקטורים מרכזיים של לידר אבטחה, והם גם קובעים את סיכויי היישום של לידר אבטחה בעתיד.

1. חיישן לייזר LiDAR מכאני
לידר מכני מתייחס לשימוש בסיבוב מכני להשגת סריקת לייזר. המנוע מניע את מודול הטווח החד-נקודתי או הרב-נקודתי כדי להסתובב כדי להשיג סריקת שטח מלאה של 360 מעלות או זווית גדולה אחרת. עקרון העבודה של לידר מכני מוצג באיור 1. יש לו את היתרונות של עיקרון פשוט, נהיגה קלה ושדה ראייה סריקה גדול. זה היה הראשון בשימוש נרחב והפך לפתרון הסריקה למוצרי לידר אבטחה מיינסטרים בשוק. בהתחשב בגורמים כגון עדשות, מבנים מכניים ומעגלים, לרוב לא ניתן לייעל מודולים רבים בטווחי נקודות מבחינת גודל ומשקל. לכן, כאשר המנוע מניע את המודול להסתובב במשך זמן רב, המסבים נשחקים בקלות. זה גורם לביקורת על סריקה מכנית מסורתית במונחים של חיים ואמינות, והעלות הנגרמת על ידי בלאי עולה. זו גם בעיה מאוד אמיתית. לכן, שוק האבטחה המוקדם אימץ בעיקר הפחתת מימדים ופתרונות בעלות נמוכה, כלומר שימוש במכ"ם לייזר קו נמוך בשילוב עם חיישנים אחרים. יש לו מראה קומפקטי ושדה ראייה סריקה גדול, והוא מתאים לתרחישים כמו מיגון מבנים ומיגון היקפי אזורי.

איור 1 עקרון העבודה של LiDAR מכאני מסורתי

נכון לעכשיו, האתגר הגדול ביותר העומד בפני עיצוב LiDAR הוא השגת ביצועים וחוסן תוך השגת ייצור המוני בעלות סבירה. עם זאת, לידר מכני לא ניתן לקידום נרחב בתחום האבטחה בשל רכיבי הליבה האלקטרוניים המיותרים שלו, מה שמקשה על הקטנת גודלו ועלותו. לשם כך, מרכיבי הליבה של lidar משולבים בשבבי מעגל משולב ספציפי ליישום (ASIC) כדי להקטין את גודל מעגל עיבוד האותות של lidar ולהפחית את צריכת החשמל והעלות. זאת כדי לממש את הייצור ההמוני של לידר רב-קו. מגמה חשובה.

2.MEMS LiDAR חיישן לייזר
מכ"ם לייזר MEMS מחליף את המכשיר המסתובב המכאני המסורתי במיקרומירור MEMS המשולב בשבב מבוסס סיליקון. המיקרו-מראה מחזירה את הלייזר ליצירת זווית סריקה רחבה יותר וטווח סריקה גדול יותר. עיקרון העבודה שלו מוצג באיור 2. מראות מיקרו MEMS הן חדשניות של לידר מכאני מסורתי ויובילו את המיזעור והפחתת העלויות של לידר. שיטת סריקת הגלוונומטר מונעת סיבוב ישיר של מבנה הטווח, מאפשרת סריקה במצב מוצק של הלידר והופכת את הלידר לקומפקטי.

איור 2 סכמטי של MEMS.（a）עקרון העבודה של MEMS LiDAR;（b）מראה סריקה של MEMS

בהסתמך על היתרונות של מראות מיקרו MEMS, התעשייה רואה ב-MEMS lidar את הטכנולוגיה המהירה ביותר ליישום. נכון לעכשיו, נעשה שימוש ב-Leishen Intelligent LS20/LS21 MEMS-lidar במצב מוצק בתחומים כמו אבטחה חכמה וניטור אסונות. עם זאת, החיסרון של מיקרו-מראה MEMS הוא שזווית הסריקה שלה קטנה, ונדרשת זווית נוספת כדי להשיג סריקת שדה ראייה גדול. בנוסף, כמות אור הלייזר שהוא יכול להקרין מוגבלת, מה שמקשה על השגת "זיהוי למרחקים ארוכים". באופן כללי, פתרונות הטכנולוגיה של MEMS lidar אינם בוגרים מספיק וזקוקים לשיפור נוסף. מאמינים שעם הפיתוח של מראות מיקרו MEMS, סיכויי היישום של MEMS lidar יהיו רחבים יותר.

3. חיישן לייזר פלאש LiDAR
Flash lidar הוא מכ"ם שאינו סורק. הוא פולט אור מערך שטח על המטרה, משתמש בגלאי מערך השטח כדי לזהות את פיזור האור הנכנס על ידי המטרה, ומוציא תמונה עם מידע עומק. עקרון הפעולה שלו מוצג באיור 3. למרות שה-Flash lidar הוא בעלות נמוכה ובעל יציבות טובה, טווח הזיהוי שלו קצר יחסית, ולכן תרחישי היישום שלו מוגבלים. בתחום האבטחה נעשה שימוש נרחב במכ"ם לייזר פלאש. באמצעות 3D Flash lidar לזיהוי מטרות, פילוח ומעקב, התוצאות מראות כי Flash lidar מתאים למעקב היקפי ושדות אבטחה באתר. עם זאת, בתחומים כמו ניטור סביבתי, תצפית עצמים ומניעת סיכונים, זיהוי בזמן אמת של עצמים או אנשים יוגבל על ידי מאפייני סריקה, וכתוצאה מכך לעיוות נתונים. באמצעות מערכת חיישנים הבנויה עם 3D Flash lidar, ניתן לעקוב אחר אובייקטים נעים משתנים מאוד בזמן אמת ובדיוק גבוה על פני מרחקים בינוניים עד ארוכים. תהליך הניסוי והתוצאות מוצגים באיור 4. בנוסף, עם פיתוח רכיבים קטנים, העלות של גלאי מערך שטח מופחתת, וקל למזער את Flash lidar, והיישומים שלו בתחום האבטחה יהיו גבוהים יותר.

איור 3 עקרון העבודה של Flash LiDAR

איור 4 תרחיש עבודה ותוצאות ניסוי של Flash LiDAR. （a）הגדרה נסיונית עם מעקב בזמן אמת במחשב ו-Flash LiDAR על ראש הטיה פנויה; (b) ענן נקודות של תרחיש; (c) תצוגת עוצמה של תרחיש עם אדם מסומן במרכז; (d) תצוגת טווח של תרחיש עם אדם מרכז מסומן

4. חיישן לייזר OPA LiDAR
כסוג חדש של טכנולוגיית בקרת הצבעת קרן, טכנולוגיית סריקת OPA הפכה בשנים האחרונות למוקד מחקר. יש לו את היתרונות של התקני אינרציה, דיוק יציב וכיוון שניתן לשליטה. עקרון העבודה שלו מוצג באיור 5. מספר יחידות שידור יוצרות מערך שידור. זווית היציאה של קרן הלייזר משתנה על ידי התאמת הפרש הפאזה של כל יחידת שידור במערך השידור, ובכך משיגה הפרעות מחזקות הדדיות בכיוון שנקבע, ובכך מכינה קרן מצביעה בעוצמה גבוהה. S3, "חיישן הלידר המוצק הראשון בעולם". S3 משתמש בשיטת סריקת OPA והוא רק בגודל כף היד. המוצר והעיקרון שלו מוצגים באיור 6. מוצרי סדרת S3 שימשו בתחומים כמו ניטור פריצה ובקרת גישה.

איור 5 עקרון העבודה של OPA

איור 6 עקרון העבודה של Quanergy S3 LiDAR

טכנולוגיית מערך אופטי מדורג עם אינטגרציה גבוהה יכולה לענות על צורכי הפיתוח של כל-מצב מוצק ומיזעור של לידר אבטחה. עם זאת, ישנם כיום שני גורמים עיקריים המגבילים את הייצור ההמוני של לידר אבטחה OPA: ראשית, אונות צד נוצרות בקלות במהלך סריקה בפועל, מה שישפיע על הטווח והרזולוציה הזוויתית של הקרן; שנית, קושי העיבוד גבוה. לכן, טכנולוגיית OPA security lidar עדיין לא בשלה, וקשה להגיע להפקה בשלב זה.

פרטי התקשרות:

אם יש לך רעיונות, אתה מוזמן לדבר איתנו. לא משנה היכן נמצאים הלקוחות שלנו ומהן הדרישות שלנו, אנו נפעל לפי המטרה שלנו לספק ללקוחותינו איכות גבוהה, מחירים נמוכים, והשירות הטוב ביותר.