چه طول موجی از لیزر در سیستم لیدار نصب شده در خودرو استفاده می‌شود؟

1. مقدمه: نقش حیاتی طول موج

تشخیص و محدوده نور (LiDAR) به عنوان یک سنسور سنگ بنای وسایل نقلیه خودران پدیدار شده است که با اندازه‌گیری زمان پرواز (ToF) یا تغییر فاز پالس‌های لیزری منعکس‌شده، نقشه‌های سه‌بعدی با وضوح بالا-- از محیط ایجاد می‌کند. در قلب این فناوری یک انتخاب مهم و در عین حال اغلب نادیده گرفته شده است: طول موج لیزر.

در محدوده طیف مادون قرمز، نامرئی برای چشم انسان، طول موج انتخاب شده دلخواه نیست. این به عنوان تعیین کننده اصلی یک سیستم LiDAR عمل می کندایمنی چشم، حداکثر محدوده تشخیص، انعطاف پذیری در برابر تداخلات محیطی، و در نهایت، هزینه و مقیاس پذیری آن. 

2. فرو رفتن عمیق در مسیرهای تکنولوژیکی غالب

2.1 905 نانومتر طول موج: انتخاب فعلی و بالغ

طول موج 905 نانومتر پیشرو صنعت خودروسازی LiDAR بوده است، در درجه اول به دلیل پایه گذاری آن در فناوری نیمه هادی بالغ.

اصل فنی:از دیودهای لیزری آرسنید گالیوم (GaAs) و فتودیودهای بهمنی سیلیکونی (Si) بسیار حساس (APD) برای تشخیص استفاده می کند. بلوغ صنعت نیمه هادی سیلیکونی باعث می شود که این قطعات به راحتی در دسترس و مقرون به صرفه باشند.

مزایای اصلی:

هزینه-اثربخشی:زنجیره تامین تاسیس شده برای لیزرهای GaAs و آشکارسازهای مبتنی بر Si- منجر به هزینه‌های قابل‌توجهی پایین‌تر قطعات، تسهیل تولید و پذیرش در خودروهای مصرف‌کننده می‌شود.

بلوغ اثبات شده:سال‌ها توسعه، راه‌حل‌های مهندسی قوی و داده‌های اعتبارسنجی واقعی-جهانی گسترده را به همراه داشته است.

یکپارچه سازی سیستم:اجزای آن نسبتا فشرده هستند و به عوامل شکل کوچکتری اجازه می دهند که ادغام آنها در طرح های خودرو آسان تر باشد.

چالش ها و محدودیت های کلیدی:

ایمنی چشم:طول موج 905 نانومتر در "منطقه خطر شبکیه" قرار می گیرد، جایی که عدسی چشم انسان نور را روی شبکیه متمرکز می کند. برای رعایت استانداردهای سختگیرانه ایمنی لیزر (IEC 60825-1)، توان پیک هر پالس باید به شدت محدود شود.

محدوده تشخیص:این محدودیت توان مستقیماً حداکثر برد تشخیص قابل دستیابی را محدود می‌کند و شناسایی قابل اعتماد اجسام با قابلیت بازتاب پایین در فواصل بیش از 150 تا 200 متر را به چالش می‌کشد.

تداخل خورشیدی:طیف خورشیدی دارای نویز پس زمینه قابل توجهی در 905 نانومتر است که می تواند نسبت سیگنال به نویز (SNR) را به ویژه در نور شدید خورشید کاهش دهد.

2.2 1550 نانومتر طول موج: رقیب عملکرد بالا-

طول موج 1550 نانومتر نشان‌دهنده یک رویکرد{1} عملکرد محور است که چندین محدودیت کلیدی مشابه 905 نانومتری خود را برطرف می‌کند.

اصل فنی:این طول موج معمولاً از لیزرهای فیبری استفاده می‌کند که از تقویت‌کننده‌های فیبر{0} دوپ شده اربیوم استفاده می‌کنند و به آشکارسازهای ایندیوم گالیوم آرسناید (InGaAs) نیاز دارند.

مزایای اصلی:

ایمنی برتر چشم:نور 1550 نانومتری که در "منطقه خطر قرنیه" قرار دارد، تا حد زیادی توسط قرنیه و مایع زجاجیه چشم قبل از رسیدن به شبکیه جذب می شود. این حاشیه ایمنی بیولوژیکی امکان استفاده از سطوح توان اوج را فراهم می کند10 تا 40 برابر بیشتر استاز آنچه برای سیستم های 905 نانومتری مجاز است.

محدوده تشخیص طولانی تر:قدرت مجاز بالا مستقیماً به برد بسیار گسترده ای تبدیل می شود که به طور قابل اعتماد اجسام را در ارتفاع 250 متری و فراتر از آن تشخیص می دهد و برخی از سیستم ها قادر به 300-500 متر هستند. این زمان واکنش اضافی حیاتی را برای رانندگی خودکار با سرعت بالا فراهم می کند.

افزایش انعطاف پذیری محیطی:تابش پس زمینه خورشیدی در 1550 نانومتر به طور قابل توجهی کمتر است که منجر به SNR برتر می شود. علاوه بر این، این طول موج طولانی‌تر، نفوذ کمی بهتر از طریق تاریک‌کننده‌های جوی مانند مه، مه و غبار را نشان می‌دهد.

چالش ها و محدودیت های کلیدی:

هزینه بالاتر:هم لیزرهای فیبر و هم آشکارسازهای InGaAs در مقایسه با همتایان مبتنی بر Si{0}} خود پیچیده‌تر و گران‌تر هستند و بر هزینه کلی سیستم تأثیر می‌گذارند.

پیچیدگی و اندازه سیستم:سیستم‌های مبتنی بر لیزر فیبر{0}}از لحاظ تاریخی حجیم‌تر بوده و انرژی بیشتری مصرف می‌کنند و چالش‌هایی را برای یکپارچه‌سازی یکپارچه خودرو ایجاد می‌کنند، اگرچه تلاش‌های کوچک‌سازی ادامه دارد.

3. ابعاد کلیدی عملکرد: یک تحلیل مقایسه ای

4. هم افزایی طول موج با برش-معماری LiDAR

انتخاب طول موج به طور فزاینده ای با فناوری LiDAR در هم تنیده شده است.

فرکانس-موج پیوسته مدوله شده (FMCW) LiDAR:

وابستگی ذاتی:فناوری FMCW، که سرعت را فوراً از طریق اثر داپلر اندازه‌گیری می‌کند و وضوح برد استثنایی را ارائه می‌کند، به لیزرهایی با طول همدوسی طولانی نیاز دارد. این خاصیت طبیعی لیزرهای فیبری است که برای سیستم های 1550 نانومتری استفاده می شود.

مزیت هم افزایی:راFMCW + 1550 نانومتراین ترکیب نیروگاهی است که عملکرد بی‌نظیری را ارائه می‌کند: مصونیت در برابر تداخل سایر LiDARها و نور خورشید، اندازه‌گیری سرعت مستقیم، و دقت فوق‌العاده، و آن را به عنوان استاندارد طلایی برای ادراک- نسل بعدی قرار می‌دهد.

حالت جامد و آرایه‌های فاز نوری (OPA):

محدودیت های مواد:پیشرفته‌ترین پلت‌فرم‌های فوتونیک سیلیکونی برای اسکن OPA حالت جامد، عمدتاً برای طول موج‌های حدود 905 نانومتر یا 1300 نانومتر بهینه‌سازی شده‌اند. توسعه سیستم‌های OPA با کارایی بالا و مقرون‌به‌صرفه در 1550 نانومتر بر روی پلت‌فرم سیلیکونی یک چالش مهم تحقیقاتی و مهندسی است.

چشم انداز آینده:همگرایی اسکن حالت جامد خالص- (برای قابلیت اطمینان) با طول موج بهینه، میدان نبرد کلیدی برای توسعه آینده LiDAR است.

سایر طول موج های تحت بررسی:

باند 1350-1400 نانومتر:این منطقه به‌عنوان یک «نقطه شیرین» بالقوه مورد بررسی قرار می‌گیرد، که ایمنی چشمی بهتری نسبت به 905 نانومتر ارائه می‌کند، در حالی که به‌طور بالقوه از فناوری‌های آشکارساز مقرون‌به‌صرفه‌تر از 1550 نانومتر استفاده می‌کند.

موج کوتاه-مادون قرمز (SWIR):باندهای گسترده تر SWIR در کاربردهای تخصصی (مثلاً نظامی، صنعتی) مورد استفاده قرار می گیرند، اما به دلیل هزینه، هنوز شاهد پذیرش گسترده خودرویی نبوده اند.

5. سناریوهای کاربردی و موقعیت یابی در بازار

انتخاب طول موج بهینه اغلب توسط برنامه هدف تعیین می شود.

ADAS وسیله نقلیه مسافربری (L2+/L3):

انتخاب اصلی: 905 نانومترLiDARها در حال حاضر بر این بخش تسلط دارند و تعادلی بین عملکرد و هزینه{0}}اثربخشی لازم برای تولید حجمی ایجاد می‌کنند.

وسایل نقلیه ممتاز و-با عملکرد بالا:مدل‌های پیشرفته-در حال استفاده از آن هستند1550 نانومترفناوری به عنوان یک متمایزکننده کلیدی، ایمنی برتر و قابلیت‌های برد بلند-ش را بازاریابی می‌کند.

Robotaxi / Robobus (L4/L5):

روند روشن:اکثر شرکت هایی که وسایل نقلیه کاملاً خودمختار را توسعه می دهند به این سمت گرایش دارند1550 نانومترسیستم ها الزامات سخت محیط های شهری پیچیده و نیاز حیاتی به حداکثر محدوده تشخیص، هزینه بالاتر را توجیه می کند.

وسایل نقلیه تجاری (کامیون، لجستیک):

سناریو{0}}انتخاب وابسته:تصمیم گیری به حوزه طراحی عملیاتی (ODD) بستگی دارد. کامیون‌های مسافت طولانی-در بزرگراه‌ها ممکن است از برد طولانی 1550 نانومتر بهره‌مند شوند، در حالی که وسایل نقلیه حمل‌ونقل شهری با سرعت کمتر ممکن است راه‌حل‌های 905 نانومتری را از نظر اقتصادی مقرون‌به‌صرفه‌تر بیابند.

6. نتیجه گیری و چشم انداز آینده

در نتیجه، چشم انداز طول موج LiDAR خودرو با یک دوگانگی واضح تعریف می شود:

905 نانومترنشان دهنده"مسئول عملگرا"که تسلط آن ریشه در یک زنجیره تامین بالغ و مقرون به صرفه دارد-که پذیرش گسترده در وسایل نقلیه مصرفی را به واقعیت امروزی تبدیل می‌کند.

1550 نانومتررا مجسم می کند"پرفورمنس پیشتاز"ارائه یک نقشه راه قانع کننده به سمت ایمنی بالاتر و عملکرد برتر، که برای دستیابی به سطوح بالاتر استقلال ضروری است.

با نگاه به آینده، صنعت روی یک طول موج همگرا نخواهد شد. در عوض، الفاکوسیستم متنوع و همزیستیپدیدار خواهد شد. همانطور که فن‌آوری‌های اسکن حالت جامد{1} و FMCW بالغ می‌شوند، انتظار می‌رود که هزینه مربوط به سیستم‌های 1550 نانومتری کاهش یابد و پذیرش آنها تسریع شود. در نهایت، صرف نظر از طول موج خاص، پیگیری بی وقفه صنعت یکسان باقی می ماند: ارائه سیستم های LiDAR که ارائه می کنندایمنی بی‌نتیجه، عملکرد استثنایی، قابلیت اطمینان بی‌نظیر و هزینه قابل دسترسو بدین وسیله مسیر به سوی آینده ای کاملا مستقل را روشن می کند.

اطلاعات تماس:

اگر ایده ای دارید، در صورت تمایل با ما صحبت کنید. مهم نیست که مشتریان ما کجا هستند و نیازهای ما چیست، ما هدف خود را دنبال خواهیم کرد تا با کیفیت بالا، قیمت پایین و بهترین خدمات به مشتریان خود ارائه دهیم.