Tijd van de vlucht versus FMCW LiDAR-systemen

Recente artikelen ^{1, 2, 3, 4, 5} hebben een aantal marketingclaims ingediend over de voordelen van Frequency Modulated Continuous Wave (FMCW) LiDAR-systemen. Zoals te verwachten is, is er meer aan de hand dan de krantenkoppen beweren. Dit artikel zal deze beweringen onderzoeken en een technische vergelijking bieden van Time of Flight (ToF) vs. FMCW LiDAR voor elk van hen.

We begrijpen dat niet alle ToF- en FMCW-systemen gelijk zijn, dus zullen we ons concentreren op ToF zoals gebruikt bij AEye. We hopen dat dit artikel enkele van de moeilijke systeemtrade-offs zal schetsen die een succesvolle beoefenaar moet overwinnen, waardoor een robuuste geïnformeerde discussie, concurrentie en uiteindelijk verbetering van zowel het ToF- als het FMCW-aanbod wordt gestimuleerd.

Concurrentieclaims

Claim #1:FMCW is een (nieuwe) revolutionaire technologie

Dit is niet waar.

In tegenstelling tot recente nieuwsartikelen, bestaat FMCW LiDAR al heel lang, als gevolg van werk dat in de jaren zestig in het MIT Lincoln Laboratory werd gedaan ⁸ , slechts zeven jaar nadat de laser zelf werd uitgevonden ⁹ . Veel van de lessen die in de loop der jaren over FMCW zijn geleerd - hoewel niet-geclassificeerd en openbaar domein - zijn helaas lang vergeten. Wat recentelijk is veranderd, is de hogere beschikbaarheid van lasers met een lange coherentielengte. Hoewel dit de interesse in de gevestigde technologie heeft doen herleven, omdat het in theorie een extreem hoge signaalversterking kan bieden, zijn er nog steeds verschillende beperkingen die moeten worden aangepakt om deze LiDAR levensvatbaar te maken voor autonome voertuigen.

Claim #2:FMCW detecteert/volgt objecten verder, sneller

Dit is niet bewezen.

ToF LiDAR-systemen kunnen zeer hoge laseropnamesnelheden bieden (meerdere miljoenen opnamen per seconde in het AEye-systeem), behendig scannen, een groter rendement en de mogelijkheid om Regions of Interest (ROI's) met een hoge dichtheid toe te passen — wat u een factor twee geeft. tot vier keer betere informatie uit retouren ten opzichte van andere systemen. Ter vergelijking:veel FMCW-systemen met een lage complexiteit zijn alleen in staat tot opnamesnelheden in de 10s tot 100s van duizenden opnamen per seconde (~50x langzamer). Dus in wezen vergelijken we de verblijftijden van nanoseconden en hoge herhalingssnelheden met verblijftijden van tientallen microseconden en lage herhalingssnelheden (per laser/rx-paar). Er zijn commerciële LiDAR-producten voor auto's beschikbaar die miljoenen rendementen per seconde produceren met ToF, met een groot gezichtsveld en een superhoge resolutie van meer dan 1000 punten per graad in het kwadraat. AEye is niet op de hoogte van FMCW-systemen die aan dit prestatieniveau voldoen (FMCW-systemen die momenteel op de markt zijn, hebben meestal geen specifieke prestatiespecificaties).

Detectie, acquisitie (classificatie) en het volgen van objecten op grote afstand worden allemaal sterk beïnvloed door de laseropnamesnelheid, omdat een hogere laseropnamedichtheid (in ruimte en/of tijd) meer informatie oplevert die zorgt voor snellere detectietijden en betere ruisfiltering. AEye heeft een systeem gedemonstreerd dat in staat is tot multi-point detectie van lage reflectiviteit:kleine objecten en voetgangers op meer dan 200 m, voertuigen op 300 m en een klasse-3 vrachtwagen op een afstand van 1 km. Dit spreekt tot het bereik van de ToF-technologie. Inderdaad, vrijwel alle laserafstandsmeters gebruiken ToF, niet FMCW, voor afstandsmetingen (bijv. de Voxtel-afstandsmeter ¹⁰ producten, sommige met een detectiebereik van meer dan 10 km). Hoewel in recente artikelen wordt beweerd dat FMCW een superieur bereik heeft, hebben we geen FMCW-systeem gezien dat het bereik van een geavanceerd ToF-systeem kan evenaren en tegelijkertijd een passend gezichtsveld, algemeen bereik en puntdichtheid biedt.

Claim #3:FMCW meet snelheid en bereik nauwkeuriger en efficiënter

Dit is misleidend.

ToF-systemen, waaronder AEye's LiDAR, vereisen meerdere laserschoten om de doelsnelheid te bepalen. Dit lijkt misschien extra overhead in vergelijking met de beweringen van FMCW met enkele opnamen. Veel belangrijker is het inzicht dat niet alle snelheidsmetingen gelijk zijn. Hoewel de radiale snelheid in twee frontale auto's dringend is (een van de redenen waarom een ​​groter detectiebereik wenselijk is), geldt dit ook voor laterale snelheid, aangezien deze meer dan 90% van de gevaarlijkste randgevallen omvat. Auto's die door een rood licht rijden, uitwijkende voertuigen, voetgangers die een straat instappen, ze hebben allemaal zijwaartse snelheid nodig om beslissingen te ontwijken. FMCW kan de laterale snelheid niet tegelijkertijd meten, in één keer, en heeft geen enkel voordeel bij het vinden van laterale snelheid via ToF-systemen.

Beschouw een auto die beweegt tussen 30 en 40 meter/seconde (~67 tot 89 MPH) gedetecteerd door een laserschot. Als een tweede laseropname korte tijd later wordt gemaakt, zeg 50 s na de eerste, zal het doel tijdens dat interval slechts ~ 1,75 mm zijn bewogen. Om een ​​snelheid vast te stellen die statistisch significant is, moet het doelwit ten minste 2 cm zijn verplaatst, wat ongeveer 500 s duurt (terwijl er voldoende SNR nodig is om afstandsmonsters te interpoleren). Met die tweede meting kan een statistisch significant bereik en snelheid worden vastgesteld binnen een tijdsbestek dat verwaarloosbaar is in vergelijking met een framesnelheid. Met een behendige scanner is de 500μs niet alleen toegewijd of "gevangen" aan snelheidsschatting. In plaats daarvan kunnen in de tussentijd veel andere schoten op doelen worden gelost. Deze tijd kan worden gebruikt om naar andere gebieden/doelen te kijken voordat je terugkeert naar het oorspronkelijke doel voor een snelheidsmeting met een hoge betrouwbaarheid, terwijl een FMCW-systeem gedurende hun gehele verblijfstijd in gevangenschap is.

De gevangenschapstijd wordt nog versterkt door het feit dat FMCW vaak minimaal twee laserfrequentiezwaaien (omhoog en omlaag) vereist om een ​​ondubbelzinnige detectie te vormen, waarbij de neerwaartse beweging informatie verschaft die nodig is om ambiguïteit te overwinnen die voortvloeit uit het mengbereik + Dopplerverschuiving. Dit verdubbelt de benodigde verblijftijd per opname en gaat verder dan de reeds beschreven tijd. De hoeveelheid beweging van een doel in 10μs kan doorgaans slechts 0,5 mm zijn, waardoor het moeilijk is om trillingen te scheiden van echte, lineaire beweging.

Claim #4:FMCW heeft minder interferentie

Integendeel zelfs!

Onechte reflecties treden op in zowel ToF- als FMCW-systemen. Deze kunnen retroreflectorafwijkingen omvatten zoals "halo's", "schillen", eerste oppervlaktereflecties, ruimtelijke zijlobben buiten de as, evenals multipath en rommel. De sleutel tot een goede LiDAR is het onderdrukken van zijlobben in zowel het ruimtelijke domein (met goede optica) als het temporele/golfvormdomein. ToF en FMCW zijn vergelijkbaar in ruimtelijk gedrag, maar waar FMCW echt onder lijdt, is in het tijdsdomein/golfvormdomein wanneer doelen met hoog contrast aanwezig zijn.

Rommel: FMCW vertrouwt op window-based sidelobe weigering om zelfinterferentie (rommel) aan te pakken die veel minder robuust is dan ToF, die geen sidelobes heeft. Om context te bieden, verspreidt een FMCW-puls van 10 s licht radiaal over een bereik van 1,5 km. Alle objecten binnen dit bereik worden gevangen in de FFT (tijd) zijlobben. Zelfs een kortere FMCW-puls van 1 s kan worden beschadigd door ruis met hoge intensiteit op 150 meter afstand. Van de 1e zijlob van een Rectangular Window FFT is bekend dat deze -13dB is, ver boven de niveaus die nodig zijn voor een consistent goede puntenwolk. (Tenzij geen enkel object in de opname meer dan ongeveer 13 dB in intensiteit verschilt met een ander bereikpunt in een opname, iets wat onwaarschijnlijk is onder operationele wegomstandigheden).

Natuurlijk kan een diepere taper van de zijlob worden toegepast, maar met opoffering van polsverbreding. Bovendien zullen niet-lineariteiten in het front-end van de ontvanger (het zogenaamde spurious-free dynamisch bereik) de effectieve algehele systeemzijlobniveaus beperken die haalbaar zijn als gevolg van compressie en ADC-sporen (derde orde onderscheppingen); faseruis6; en atmosferische fasemodulatie enz., die geen enkele hoeveelheid vensterversmalling kan verminderen. Lucht- en ruimtevaart- en defensiesystemen kunnen dergelijke beperkingen overwinnen, maar we zijn niet op de hoogte van goedkope systemen van automobielkwaliteit die in staat zijn tot het onmiddellijke dynamische bereik van>100db dat nodig is om kleine objecten met een groot bereik te onderscheiden van retroreflectoren in de buurt, zoals ontstaan ​​in FMCW.

Daarentegen heeft een typisch Gaussiaans ToF-systeem, met een pulsduur van 2 ns, geen enkele op tijd gebaseerde zijlobben buiten de paar cm van de pulsduur zelf. Geen enkel dynamisch bereik tussen kleine en grote offset-retouren heeft enig effect op het licht dat op de fotodetector valt wanneer de kleine target-return wordt vastgelegd.

Eerste oppervlak: Een potentieel sterkere interferentiebron is een reflectie die wordt veroorzaakt door een voorruit of een ander eerste oppervlak dat op het LiDAR-systeem wordt aangebracht. Net zoals de zendstraal bijna continu brandt, zullen de reflecties continu en zeer sterk zijn ten opzichte van verre objecten, wat een soortgelijk soort laagfrequente component voorstelt die ongewenste FFT-zijlobben in de getransformeerde gegevens creëert. Het resultaat kan ook een aanzienlijke vermindering van het bruikbare dynamische bereik zijn. Bovendien hebben voorruiten, die meerlagig glas zijn onder mechanische belasting, een complexe inhomogene polarisatie. Dit maakt het elektrische veld van de signaalterugkeer op het oppervlak van de fotodetector willekeurig, wat de (decohering) optische menging bemoeilijkt.

Ten slotte, vanwege de aard van de verwerking van het tijdsdomein versus de verwerking van het frequentiedomein, is de verwerking van multi-echo's - zelfs met een hoog dynamisch bereik - een eenvoudig proces in ToF-systemen, terwijl het aanzienlijke ondubbelzinnigheid vereist in FMCW-systemen. Multi-echoverwerking is vooral belangrijk bij het omgaan met obscuranten zoals rook, stoom en mist.

Claim #5:FMCW is van automobielkwaliteit, betrouwbaar en gemakkelijk schaalbaar

Dit is op zijn best niet bewezen.

Het beweerde voordeel van FMCW komt van het feit dat het gebruik maakt van de volwassenheid van fotonica en telecommunicatietechnologie, waardoor schaalbaarheid naar hogere prestatieniveaus mogelijk wordt gemaakt (naast kostenbesparingen). Toegegeven, FMCW staat goedkope fotodetectoren toe, zoals PIN's, terwijl ToF vaak APD's en andere duurdere detectoren gebruikt. De details zijn echter veel genuanceerder.

De toeleveringsketen voor LiDAR-componenten is relatief jong, maar componenten zoals fiberlasers, PIN-array-ontvangers, ADC's en FPGA's of ASICS worden al jaren in verschillende industrieën gebruikt. Dit soort componenten hebben een zeer laag risico vanuit het oogpunt van de levering. Ter vergelijking:de kritieke component voor FMCW-systemen is de laser met zeer lage faseruis, die veel strenge eisen stelt en geen andere gebruiker met een groot volume die de productiekosten van het volume helpt verlagen.

De optische componenten die worden gebruikt in ToF LiDAR-systemen zijn afgeleiden van componenten die op grote schaal en routinematig worden gebruikt in commerciële systemen. De nieuwe ontwikkelingen zijn de MEMS, die eerder zijn gebruikt in vrijwel alle autodruk- en airbagsensoren, evenals Gatlin-kanonnen, raketzoekers en laserresonator-q-switches in het leger. De componenten van FMCW-systemen zijn al jaren beschikbaar in laboratoriumomgevingen, maar er zijn geen productiesystemen met grote volumes die items hebben geïmplementeerd zoals de frequentie-agile diodelaser met lange coherentielengte die nodig is om dergelijke systemen mogelijk te maken.

Bovendien hebben ToF LiDAR's al meerdere leveranciers die auto-gekwalificeerde componenten verkopen in de hele hardwarestack:lasers, detectoren, ASIC's, enz. Historisch gezien moet een disruptieve technologie (zoals FMCW-laserbronnen) die op unieke wijze in eigen huis wordt vervaardigd, een 10x technische winst om een ​​product te compenseren dat een robuuste toeleveringsketen heeft met meerdere leveranciers die al voldoen aan de kwaliteitsnormen voor een bepaald klantenbestand.

Schaalbaarheid is direct gekoppeld aan volwassenheid. Een manier om de volwassenheid van technologie te beschrijven, is een schema dat in de jaren '70 door de NASA is ontwikkeld7 en het 'Technology Readiness Level' (TRL) wordt genoemd. Dit schema kent nummers toe aan een technologie op basis van hoe ver het pad is van technologische inspiratie (TRL 1) tot inzet in meerdere succesvolle missies (TRL 9).

In het geval van ToF LiDAR zijn we van mening dat de componenten en systemen zich op TRL 8 bevinden, terwijl de FMCW-componenten en -systemen op TRL 4 staan. Dit is een aanzienlijk hiaat in technologische paraatheid dat vele jaren zal duren om te dichten. De belangrijkste tekortkomingen op het gebied van schaalbaarheid van FMCW-systemen zijn de lage opnamesnelheid als gevolg van het uitrekken van de laserchirp-puls en de snelle ADC en FPGA die nodig zijn om retourzendingen te verwerken. In het geval dat hogere opnamesnelheden op systeemniveau vereist zijn, kunnen parallelle kanalen van het optische pad en de elektronica worden ingezet. Deze kunnen een enkel scan-MEMS gebruiken, maar elk gerepliceerd item is het grootste deel van de kosten van het LiDAR-systeem, dus verdubbeling van kanalen verdubbelt bijna de totale kosten van de LiDAR.

Laserkosten: In FMCW-systemen wordt de coherentielengte bepaald door hoe de laser is ontworpen en gefabriceerd en moet deze minstens twee keer zo lang zijn als het langste doelbereik. Gewoonlijk is een laser met lage faseruis veel duurder dan een traditionele diodelaser. Daarentegen zijn er, afgezien van het behouden van een goede pulsvorm, weinig andere vereisten aan de laser in een ToF-systeem dan die welke al vereist zijn in telecommarkten.

Ontvangerkosten: Hoewel het waar is dat FMCW-detectoren laagwaardige pincodes kunnen zijn en relatief goedkoop, zijn de totale ontvangerkosten duur vanwege de vereisten voor front-end optica en back-end elektronica. Maar zelfs hier zullen een coaxiaal FMCW-systeem en een coaxiaal ToF-systeem geen significante verschillen in detectorkosten zien op basis van de benodigde detectorgroottes. De totale kosten van de ontvanger zijn gunstig voor een ToF-systeem. Waar FMCW echter echt uitblinkt in kosten, is voor systemen met een korte afstand. Dankzij de hogere energie-efficiëntie die wordt aangetoond door coherentie, kunnen diodelasers worden gebruikt en is Li-DAR op chipschaal haalbaar.

Opticakosten: In een typisch ToF-systeem vindt incoherente detectie (eenvoudige amplitudepiekdetectie) plaats en hoeven optische elementen zich slechts binnen een kwart van een golflengte te bevinden (de zogenaamde λ/4). Ter vergelijking:FMCW gebruikt coherente detectie en in totaal moeten alle optische oppervlakken binnen een veel nauwere tolerantie vallen, zoals λ/20. Deze componenten kunnen erg duur zijn.

Elektronicakosten: In het AEye ToF-systeem bestaat de elektronica uit een snelle analoog-naar-digitaalomzetter (ADC) en een veldprogrammeerbare poortarray (FPGA) die piekdetectie en bereikberekeningen uitvoert. De bandbreedte van de elektronica is evenredig met de resolutie van het bereik en voor algemene Li-DAR-systeemvereisten zijn de componenten niets ongewoons.

FMCW vereist ADC-conversiepercentages die twee tot vier keer zo hoog zijn als een ToF-systeem en moet dan worden gevolgd door een FPGA die de gegevens kan opnemen en FFT-conversies met zeer hoge snelheid kan uitvoeren. Zelfs met het gebruik van ASIC's is de complexiteit van FMCW-systemen meerdere malen de complexiteit (en kosten) van de verwerking die nodig is voor ToF.

Claim #6:FMCW toevoegen aan Optical Phased Arrays (OPA's) compenseert het gebrek aan solid-state prestaties van FMCW

Dit is niet bewezen.

FMCW heeft een laag technisch gereedheidsniveau en optische gefaseerde arrays hebben een nog lager technisch gereedheidsniveau (ruwweg TRL 3 met experimenteel bewijs van principe en niet bruikbaar op schaal in de mate die nodig is voor FMCW). Het oorspronkelijke DARPA Modular Optical Aperture Building Blocks (MOABB)-programma toonde aan dat, om zeer lage ruimtelijke zijlob-zendstraalbesturingsprestaties te bereiken, submicron (λ/2) golfgeleiders nodig waren11. Het gevolg van het nodig hebben van dergelijke kleine golfgeleiders is het vermogen van dergelijke elementen om het vermogen te verwerken, wat werd geïdentificeerd als een fundamentele beperking van de benadering. Aan de ontvangstzijde is het idee om licht van een ingangslens te koppelen aan een fotonisch substraat waar het licht moet worden verzameld in een zeer kleine golfgeleider, ook een uitdaging voor optische prestaties (etendue-beperking).

De meeste OPA-systemen gebruiken thermische verschuiving van de lasergolflengte om bundels in één dimensie te sturen, terwijl gefaseerde arrays worden gebruikt om bundels in een andere dimensie te sturen. Het is algemeen bekend dat de besturing van de phased array-straal zeer snel degradeert (creëert ruimtelijke zijlobben) met frequentieverschuivingen van de laserstraal. De combinatie van een straalbesturingsmechanisme dat afhangt van het feit dat de laser een constante intensiteit en constante golflengte heeft, terwijl het bereikmechanisme afhangt van het vegen van de frequentie (golflengte) van de laser, werkt niet goed voor traditionele FMCW-benaderingen. Het idee om FMCW te combineren met deze beam steering-technologie die zich in zo'n vroeg ontwikkelingsstadium bevindt, is ongelooflijk riskant. We denken dat dit nog 10 jaar kan duren voordat het bruikbare volwassenheid bereikt.

Conclusie

AEye is van mening dat hoogwaardige, agile-scanning ToF-systemen effectiever voldoen aan de behoeften van LiDAR voor autonome voertuigen dan FMCW wanneer kosten, bereik, prestaties en puntenwolkkwaliteit belangrijk zijn. Het is echter niet moeilijk om de logische redenering te zien waarin FMCW een nicherol zou kunnen spelen in toepassingen waar lagere schotsnelheden geschikt zijn en FMCW-systemen zuiniger zijn.

Dit artikel is geschreven door Luis Dussan, oprichter en CTO, AEye (Dublin, CA). Voor meer informatie, bezoek hier .

Referenties

1. Aurora Team, "FMCW Lidar:de zelfrijdende game-changer ”, 9 april 2020.
2. Philip Ross, "Aeva onthult Lidar on a Chip ”, IEEE Spectrum, 11 december 2019.
3. Timothy Lee, "Twee Apple-veteranen hebben een nieuwe lidar-sensor gebouwd - zo werkt het ”, arsTECHNICA, 2 oktober 2018.
4. Jeff Hect, "Lasers voor Lidar:FMCW lidar:een alternatief voor zelfrijdende auto's ”, Laser-FocusWorld, 31 mei 2019.
5. “Aeva lanceert ‘4D’ LiDAR op chip voor autonoom rijden ”, 16 december 2019.
6. Phillip Sandborn, "FMCW Lidar:opschalen naar het chipniveau en verbetering van fase-ruisbeperkte prestaties ”, Electrical Engineering and Computer Sciences, University of California at Berkeley, Technical Report No. UCB/EECS-2019-148, 1 december 2019.
7. “Technologiegereedheidsniveau ”, Wikipedia.
8. A Gschwendtner, W Keicher, "Ontwikkeling van coherente laserradar in Lincoln Laboratory ”, MIT Tech tijdschrift, Vol 12, #2, 2000.
9. C. Patel, "Stabiliteit van enkelvoudige frequentielasers ”, IEEE J Quantum Electronics, v4, 1968.
10. Voxtel laserafstandsmeters , juni 2020.
11. P Suni et al, "Photonic Integrated Circuit FMCW Lidar op een chip ”, 19e coherente laserradarconferentie.