Lidar yang koheren

Pengenalan kepada Prinsip Kerja Lidar Koheren
Pengesanan dan julat cahaya (lidar) terdiri daripada pelbagai teknik menggunakan cahaya laser untuk mengukur jarak dengan mendarabkan kelewatan masa antara isyarat optik yang dihantar dan diterima dengan kelajuan cahaya. Penderia lidar 3d moden menggabungkan resolusi sisi/menegak dan jejari yang tinggi. Prinsip yang berbeza ialah julat laser yang koheren, yang paling penting lidar gelombang berterusan (fmcw) termodulat frekuensi, di mana laser ditetapkan untuk memancarkan kicauan frekuensi optik linear. Pencampuran heterodin dengan replika cahaya laser yang dipancarkan memetakan jarak sasaran kepada frekuensi radio. Pengesanan koheren mempunyai banyak kelebihan yang wujud seperti peleraian jarak yang dipertingkatkan, pengesanan halaju langsung melalui kesan doppler, dan kebal kepada silau dan gangguan cahaya matahari. Tetapi kerumitan teknikal dengan tepat mengawal laser frekuensi lebar lebar sempit setakat ini telah menghalang penyejajaran yang berjaya bagi fmcw lidar. Setiap saluran mampu mengukur jarak dan halaju sasaran secara serentak, manakala pemisahan spektrum saluran yang berbeza menjadikan peranti kebal terhadap crosstalk saluran, serta kesesuaian semula jadi untuk penyepaduan bersama dengan tatasusunan berfasa optik yang digunakan baru-baru ini berdasarkan bersepadu fotonik pemancar parut optik.Kerja ini membuka jalan untuk aplikasi meluas lidar koheren dalam aplikasi pada masa hadapan. Para penyelidik kini tertumpu pada penyepaduan bersama heterogen laser, mikroresonator tak linear kehilangan rendah, dan pengesan foto dalam pakej fotonik tunggal dan padat.

Sensitiviti Jarak Jauh Lidar Koheren
Terdapat banyak lidar yang berbeza di pasaran hari ini. Mereka mempunyai pelbagai spesifikasi, dan piawaian masih belum dibangunkan. Pada tahap yang sangat asas, lidar boleh diklasifikasikan mengikut cara ia menghantar (format modulasi) dan cara ia menerima (kaedah pengesanan) cahaya. Kebanyakan lidar komersial menggunakan laser termodulat amplitud kuasa tinggi dan pengesanan terus. Dalam lidar pengesanan koheren, sumber laser gelombang berterusan termodulat frekuensi kuasa rendah (fmcw) biasanya digunakan. Lidar sedemikian mendapat perhatian industri kerana keupayaannya untuk mengukur halaju jejarian secara langsung, kepekaan terhad kuantum dan imuniti terhadap gangguan. Dua format modulasi lidar koheren yang paling popular ialah modulasi frekuensi linear (lfm) dan kekunci anjakan fasa (psk, lidar berkod fasa). Nampaknya, sekali lagi, seseorang memerlukan kira-kira ln(m) foton bagi setiap perkataan kod untuk 50% pfr dengan lidar berkod fasa. Di sini m ialah panjang perkataan kod dan bilangan slot julat juga. Mampatan nadi dengan modulasi amplitud dan pengesanan koheren juga mungkin, dan sensitiviti sekitar 800 foton telah dicapai. Pilih atur lain bagi format modulasi dan pengesanan mungkin boleh dilakukan. Untuk spad-lidar dengan modulasi amplitud dan pengesanan langsung, satu foton pada dasarnya mungkin mencukupi untuk berada dalam keadaan gelap sepenuhnya. Dalam amalan, spad mempunyai kecekapan pengesanan yang tidak ideal, selepas berdenyut, masa mati, kadar kiraan gelap, dsb. Yang penting, cahaya ambien membawa kepada kesan "timbunan" histogram yang memerlukan lebih banyak foton untuk julat yang tepat. Gangguan yang disebabkan oleh cahaya matahari dan cahaya daripada lidar lain secara amnya merupakan masalah untuk spad masa penerbangan langsung dan penderia pengesanan langsung yang lain. Akhirnya, perbezaan antara lidar koheren modulasi berkod lfm dan fasa terletak pada spesifikasi pelaksanaan. Untuk berkod fasa, kesan doppler memudaratkan integriti kod dan perlu ditangani dengan persediaan pemprosesan dan pengesanan data yang lebih kompleks berbanding perkakasan lfm.

Pengesanan Foton oleh Lidar Koheren
Pengesanan koheren - laser termodulat dihidupkan untuk jangka masa yang lebih lama dan isyarat pemulangan secara optik bercampur dengan sampel pengesanan foto yang dihantar (dipanggil pengayun tempatan) sebelum pengesanan fotodiod. Percampuran optik ini menyebabkan isyarat terima dikuatkan oleh pengayun tempatan. Dengan menggunakan sampel isyarat penghantaran, kami yakin bahawa hubungan fasa antara saluran penghantaran dan penerimaan adalah terpelihara (atau koheren). Seperti pengesanan langsung, jarak dikira dengan mengukur masa antara penghantaran foton dan penerimaan. Tetapi dalam kes pengesanan koheren, modulasi digunakan pada isyarat yang dihantar secara berterusan (atau separa berterusan). Memandangkan laser memancar secara berterusan, pemasaan gema ditentukan oleh penyahmodulasi yang sesuai, yang memerlukan lebih banyak pemprosesan isyarat daripada pengesanan langsung. Dengan pengesanan koheren kita boleh secara langsung mengukur halaju serta-merta (bukan dengan mengukur pergerakan sasaran pada berbilang bingkai seperti yang akan dilakukan dengan pengesanan terus) dengan mengesan anjakan frekuensi isyarat yang dikembalikan disebabkan oleh doppler. Pengesanan koheren melibatkan pencampuran cahaya masuk dengan sampel cahaya yang dihantar (sering dirujuk sebagai pengayun tempatan). Penguatan tanpa bunyi melalui keuntungan fotonik dicapai melalui gangguan membina. Isyarat terima didarab dengan pengayun tempatan. Hasilnya, sistem pengesanan koheren mencapai kepekaan yang sangat baik dengan laser kuasa yang sangat rendah. Mencampurkan isyarat hantar dan terima dengan berkesan menyebabkan sistem lidar menjadi sangat selektif. Cahaya yang tidak tepat pada panjang gelombang yang sama ditolak begitu saja. Cahaya matahari, sumber utama hingar dalam lidar pengesanan langsung, diabaikan, begitu juga sistem lidar bersebelahan. Walaupun terdapat beberapa skim pengesanan koheren, lidar kerap menggunakan modulasi gelombang berterusan (fmcw) termodulat frekuensi. Jadi kami akan menggunakan fmcw untuk menggambarkan cara lidar koheren berfungsi.

Julat Aplikasi Lidar Koheren
Lidar koheren memancarkan pancaran laser ke arah objek sasaran dan mengukur anjakan fasa dan perubahan frekuensi cahaya yang dipantulkan. Dengan membandingkan fasa dan kekerapan cahaya yang dipancarkan dan diterima, ia boleh menentukan jarak, halaju, dan ciri-ciri lain sasaran. Lidar koheren mempunyai pelbagai aplikasi, termasuk kenderaan autonomi, tenaga angin, penyelidikan atmosfera, aeroangkasa dan pertahanan. Ia boleh digunakan untuk pengesanan objek, penjejakan, pemetaan dan pemantauan alam sekitar. Lidar koheren memainkan peranan penting dalam kenderaan autonomi dengan menyediakan data tepat dan masa nyata tentang persekitaran sekeliling. Ia membantu dalam mengesan dan menjejak objek, mengukur jarak dan halajunya serta mendayakan navigasi yang selamat. Lidar pengesanan langsung mengukur keamatan cahaya yang dipantulkan tanpa menganalisis fasa atau kekerapan. Ia lebih ringkas dan lebih murah daripada lidar koheren tetapi menawarkan ketepatan dan julat yang lebih rendah.