Лидар

Теги: Лидар, излучатель, сигнал, когерентный, некогерентный, сканирующая оптика

Лидары

• Базовые принципы функционирования лидара
• Когерентное и некогерентное обнаружение сигналов
• Излучатель
• Сканирующая оптика
• Приём и обработка сигнала
• Современное состояние и перспективы

Лидар (LIDAR англ. Light Identification Detection and Ranging — световое обнаружение и определение дальности) — технология получения и обработки информации об удалённых объектах с помощью активных оптических систем, использующих явления отражения света и его рассеяния в прозрачных и полупрозрачных средах.

Лидар как прибор представляет собой активный дальномер оптического диапазона. Сканирующие лидары в системах машинного зрения формируют двумерную или трёхмерную картину окружающего пространства. «Атмосферные» лидары способны не только определять расстояния до непрозрачных отражающих целей, но и анализировать свойства прозрачной среды, рассеивающей свет. Разновидностью атмосферных лидаров являются доплеровские лидары, определяющие направление и скорость перемещения воздушных потоков в различных слоях атмосферы.

Принцип действия

Рис. 1. Принцип действия лидара

Таб. 1 Зависимость времени отклика от расстояния до цели.

Расстояние до цели	1 м	10 м	100 м	1 км	10 км	100 км
Время отклика	6.7 нс	67 нс	0.67 мкс	6.7 мкс	67 мкс	0.67 с

Принцип действия лидара не имеет больших отличий от радара: направленный луч источника излучения отражается от целей, возвращается к источнику и улавливается высокочувствительным приёмником (в случае лидара — светочувствительным полупроводниковым прибором); время отклика прямо пропорционально расстоянию до цели.

Рис. 2. Схема простейшей лидарной системы

Принцип действия лидара прост. Объект (поверхность) освещается коротким световым импульсом, и измеряется время, через которое сигнал вернется к источнику. Свет распространяется очень быстро — 3∙108 м/с. Однако он возвращается с некоторой задержкой, которая зависит от расстояния до объекта.

Расстояние, которое прошел фотон на пути до объекта и обратно, можно рассчитать по формуле:

L = c∙t пролёта 2

Оборудование, необходимое для измерения этого малого промежутка времени, должно работать чрезвычайно быстро.

Лидар запускает быстрые короткие импульсы лазерного излучения на объект (поверхность) с частотой до 150000 импульсов в секунду. Датчик на приборе измеряет промежуток времени, необходимый для возврата импульса. Свет движется с постоянной скоростью, поэтому лидар может вычислить расстояние между ним и цели с высокой точностью.

Когерентное и некогерентное обнаружение сигналов

Во всех случаях радиотехническая система обнаруживает сигналы на фоне помех. Считается, что полезный сигнал имеет частоту, равную резонансной частоте настройки системы ωc= ω0. Начальная фаза равна нулю:

u c t = U cm sin ω 0 t

Сумма сигнала и помехи:

u сп t = u с t + u п t = U cm + U п1 sin ω 0 t + U п2 cos ω 0 t

где Uп1 и Uп2 – амплитуды помех.

• Некогерентное детектирование (прямой метод измерения): Реагирование происходит на амплитуду суммарного колебания и помехи Uспm .Превышением сигнала над помехой называется следующее отношение: m нкг 2 = U cm 2 U п1 2 + U п2 2 = U cm 2 2σ 2 где σ2 – дисперсия каждой из амплитуд помехи Uп1 и Uп2
• Когерентное детектирование: Полностью исключает ортогональную к сигналу составляющую помех. Оно предусматривает реагирование лишь на колебание, равное сумме амплитуды сигнала Ucm и синфазной составляющей помехи U п1. Превышением сигнала над помехой при когерентном обнаружении называется отношение m нкг 2 = U cm 2 U_ п1 2 , где U_ п1 2 – дисперсия амплитуды синфазной составляющей. Когерентные системы лучше всего подходят для доплеровских или фазочувствительных измерений и, как правило, используют оптическое гетеродинное детектирование. Это позволяет им работать при гораздо меньшей мощности, но при этом конструкция фотоприемной схемы намного сложнее.

Существуют две основные категории импульсных лидаров: микроимпульсные и высокоэнергетические системы.

• Микроимпульсные лидары работают на более мощной компьютерной технике с большими вычислительными возможностями. Эти лазеры меньшей мощности и классифицируются как «безопасные для глаз», что позволяет использовать их практически без особых мер предосторожности.
• Лидары с большой энергией импульса в основном применяются для исследования атмосферы, где они часто используются для измерения различных параметров атмосферы, таких как высота, наслоение и плотность облаков, свойства частиц облака, температуру, давление, ветер, влажность и концентрацию газов в атмосфере.

В отличие от радиоволн, эффективно отражающихся только от достаточно крупных металлических целей, световые волны подвержены рассеиванию в любых средах, в том числе в воздухе, поэтому возможно не только определять расстояние до непрозрачных (отражающих свет) дискретных целей, но и фиксировать интенсивность рассеивания света в прозрачных средах. Возвращающийся отражённый сигнал проходит через ту же рассеивающую среду, что и луч от источника, подвергается вторичному рассеиванию, поэтому восстановление действительных параметров распределённой оптической среды — достаточно сложная задача, решаемая как аналитическими, так и эвристическими методами.

Излучатель

В абсолютном большинстве конструкций излучателем служит лазер, формирующий короткие импульсы света высокой мгновенной мощности. Периодичность следования импульсов или модулирующая частота выбираются так, чтобы пауза между двумя последовательными импульсами была не меньше, чем время отклика от обнаружимых целей (которые могут физически находиться дальше, чем расчётный радиус действия прибора). Выбор длины волны зависит от функции лазера и требований к безопасности и скрытности прибора; наиболее часто применяются Nd:YAG-лазеры и следующие длины волн (в нанометрах):

• 1550 нм — инфракрасное излучение, невидимое ни глазу человека, ни типичным приборам ночного видения. Глаз не способен сфокусировать эти волны на поверхности сетчатки, поэтому травматический порог для волны 1550 существенно выше, чем для более коротких волн
• 1064 нм — ближнее инфракрасное излучение неодимовых и иттербиевых лазеров, невидимое глазу, но обнаружимое приборами ночного видения
• 532 нм — зелёное излучение неодимового лазера, эффективно «пробивающее» массы воды
• 355 нм — ближнее ультрафиолетовое излучение

Также возможно использование вместо коротких импульсов непрерывной амплитудной модуляции излучения переменным напряжением.

Сканирующая оптика

Простейшие атмосферные лидарные системы не имеют средств наведения и направлены вертикально в зенит.

Для сканирования горизонта в одной плоскости применяются простые сканирующие головки. В них неподвижные излучатель и приёмник также направлены в зенит; под углом 45° к горизонту и линии излучения установлено зеркало, вращающееся вокруг оси излучения. В авиационных установках, где надо сканировать полосу, перпендикулярную направлению полёта самолёта-носителя, ось излучения — горизонтальна. Для синхронизации мотора, вращающего зеркало, и средств обработки принимаемого сигнала используются точные датчики положения ротора, а также неподвижные реперные риски, наносимые на прозрачный кожух сканирующей головки.

Сканирование в двух плоскостях добавляет к этой схеме механизм, поворачивающий зеркало на фиксированный угол с каждым оборотом головки — так формируется цилиндрическая развёртка окружающего мира. При наличии достаточной вычислительной мощности можно использовать жёстко закреплённое зеркало и пучок расходящихся лучей — в такой конструкции один «кадр» формируется за один оборот головки.

Приём и обработка сигнала

Важную роль играет динамический диапазон приёмного тракта. Чтобы избежать перегрузки приёмника интенсивной засветкой от рассеивания в «ближней зоне», в системах дальнего радиуса действия применяют высокоскоростные механические затворы, физически блокирующие приёмный оптический канал. В устройствах ближнего радиуса со временем отклика менее микросекунды такой возможности нет.

Современное состояние и перспективы

Исследования атмосферы

Исследования атмосферы стационарными лидарами является наиболее массовой отраслью применения технологии. В мире развёрнуто несколько постоянно действующих исследовательских сетей (межгосударственных и университетских), наблюдающих за атмосферными явлениями.

Раннее оповещение о лесных пожарах

Лидар, размещённый на возвышенности (на холме или на мачте) и сканирующий горизонт, способен различать аномалии в воздухе, порождённые очагами пожаров. В отличие от пассивных инфракрасных систем, распознающих только тепловые аномалии, лидар выявляет дымы по аномалиям, порождаемым частицами горения, изменению химического состава и прозрачности воздуха и т. п.

Исследования Земли

Вместо установки лидара на земле, где принимаемый отражённый свет будет зашумлён из-за рассеяния в загрязнённых, нижних слоях атмосферы, «атмосферный» лидар может быть поднят в воздух или на орбиту, что существенно улучшает соотношение сигнал-шум и эффективный радиус действия системы.

Строительство и горное дело

Лидары, сканирующие неподвижные объекты (здания, городской ландшафт, открытые горные выработки), относительно дёшевы: так как объект неподвижен, то особого быстродействия от системы обработки сигнала не требуется, а сам цикл обмера может занимать достаточно долгое время (минуты).

Морские технологии

Измерение глубины моря. Для этой задачи используется дифференциальный лидар авиационного базирования. Красные волны почти отражаются поверхностью моря, тогда как зелёные частично проникают в воду, рассеиваются в ней, и отражаются от морского дна. Технология пока не применяется в гражданской гидрографии из-за высокой погрешности измерений и малого диапазона измеряемых глубин.

Поиск рыбы. Аналогичными средствами можно обнаруживать признаки косяков рыбы в приповерхностных слоях воды. Специалисты американской государственной лаборатории ESRL утверждают, что поиск рыбы лёгкими самолётами, оборудованных лидарами, как минимум на порядок дешевле, чем с судов, оборудованных эхолотами.

Спасение людей на море. В 1999 ВМС США запатентовали конструкцию авиационного лидара, применимого для поиска людей и человеческих тел на поверхности моря; принципиальная новизна этой разработки — в применении оптического маскирования отражённого сигнала, снижающего влияние помех.

Разминирование. Обнаружение мин возможно с помощью лидаров, непосредственно погруженных в воду (например, с буя, буксируемого катером или вертолётом), однако не имеет особых преимуществ по сравнению с активными акустическими системами (сонарами).

На транспорте

Определение скорости транспортных средств. В Австралии простейшие лидары используются для определения скорости автомобилей — так же, как и полицейские радары. Оптический «радар» существенно компактнее традиционного, однако менее надёжен в определении скорости современных легковых автомобилей: отражения от наклонных плоскостей сложной формы «запутывают» лидар.

Беспилотные транспортные средства. В 1987—1995 годах в ходе проекта EUREKA Prometheus, стоившего Европейскому союзу более 1 млрд долларов, были выработаны первые практические разработки беспилотных автомобилей. Наиболее известный прототип, VaMP (разработчик — Университет бундесвера в Мюнхене) не использовал лидары из-за недостатка вычислительной мощности тогдашних процессоров. Новейшая их разработка, MuCAR-3 (2006), использует единственный лидар кругового обзора, поднятый высоко над крышей машины, наравне с направленной мультифокальной камерой обзора вперёд и инерциальной навигационной системой.

Промышленные и сервисные роботы. Системы машинного зрения ближнего радиуса действия для роботов, основанные на сканирующем лидаре IBM, формируют цилиндрическую развёртку с углом охвата горизонта 360° и вертикальным углом зрения до +30..-30°. Собственно дальномер, установленный внутри сканирующей оптической головки, работает на постоянном излучении малой мощности, модулированном несущей частотой порядка 10 МГц. Расстояние до целей (при несущей 10 МГц — не более 15 м) пропорционально сдвигу фаз между опорным генератором, модулирующим источник света, и ответным сигналом.

Бальные танцы про-ам. Что это такое?

• на admin
• 16.05.2017
• Без комментариев

Многие люди мечтают научиться красиво танцевать. Особенно, когда по телевизору постоянно показывают разные проекты типа «Танцы со звездами», «Танцуют все» и т.д. Думаете взрослому человеку нельзя научиться так красиво танцевать? Сегодня расскажу про бальные танцы про-ам. И Вы почувствуете, что ваша мечта о паркете и выступлениях может осуществиться 🙂

Танцы про-ам.

Что это такое?

Про-ам — это от английского Pro — am (professional — amateur), что обозначает: профессионал — любитель.

В этом и состоит смысл этой формы обучения танцам. Вы — любитель, начинающий (продолжающий) танцор. А ваш тренер (он же партнер) является профессионалом. Причем, он должен быть профессионалом не только как танцор, но и как тренер.

Соответственно, весь процесс обучения танцам построен на индивидуальных занятиях с тренером-партнером.

Эта форма обучения танцам зародилась на Западе. Довольно широко используется в странах Европы , в Америке.

В Нашей стране существует относительно недавно.

Но, пользуется популярностью. Проводятся соревнования по про-аму. Бывают конкурсы , где соревнуются участники одного возраста, независимо от уровня танцевания. Бывают другие виды соревнований — когда на паркет выходят именно пары, примерно одинаковые по уровню своего мастерства.

Плюсы и минусы занятий бальными танцами про-ам

Плюсы

• Не надо искать партнера, подходящего Вам по всем параметрам (А это очень нелегко в любом возрасте и при любом уровне танцевания).
• Ваш партнер — профессионал. Он и танцует отлично, без ошибок. И Вас исправляет и корректирует в процессе занятий.
• Все занятия индивидуальные. А это значит обучение происходит быстрее, чем при групповых занятиях.
• Время для занятий Вы выбираете сами, органично вписывая танцы в свою жизнь.
• Благодаря занятиям танцами, Вы улучшаете свою осанку, походку и общий уровень здоровья.
• Занятия бальными танцами улучшает эмоциональное состояние, здорово улучшает настроение.
• У Вас появляется (через какое-то время занятий) возможность участвовать в конкурсах. А это значит — делать красивые прически, надевать супер красивые платья. Возможно завоевывать первые места, получать кубки, грамоты и медали.

  Девушка на фото в обычной жизни и перед конкурсом.

• Нет возрастных ограничений.

Минусы

Минус один, но он может перевесить все плюсы — это дорого.

Оплата за занятия почасовая. Думаю, есть разброс, в зависимости от региона вашего проживания. В Подмосковье , например, примерно 1300-1500 за 45 минут (академический час). Получается, если Вы будете заниматься 2 раза в неделю, то только занятия обойдутся в 10-12 тысяч.

Плюс, нужна специальная обувь для занятий.

Если ехать на конкурс, то необходимо купить или сшить конкурсное платье.

Участие в конкурсе тоже платное.

Участие тренера-партнера оплачиваете тоже Вы.

Так что, чтобы научиться красиво и хорошо танцевать нужны деньги. И не очень-то маленькие.

Кто может заниматься бальными танцами по методике про-ам?

Заниматься с профессионалом-партнером могут и начинающие танцоры и те, кто уже занимался раньше бальными танцами по обычной схеме.

Возрастных ограничений тоже нет. Даже если Вам 60+, но Вы хотите танцевать, все у Вас получиться 🙂

Международный конкурс по про-ам «10-й бал чемпионов» прошел в Москве 23 апреля 2017 года.

Посмотрите несколько танцев с этого конкурса.

1. Джайв

Сканирование местности — одна из главных задач для беспилотных роботов, которые самостоятельно прокладывают путь из точки А в Б. Решать её можно по-разному: всё зависит от бюджета и поставленных целей, но общая суть инженерного подхода остаётся похожей. Лидарные системы стали стандартом де-факто для беспилотных автомобилей и роботов. А ещё лидар можно приладить к своему проекту на Arduino!

Как это работает

Название LIDAR расшифровывается как «Light Identification Detection and Ranging» — дословно, система световой идентификации, обнаружения и определения дальности. Из названия понятно, что лидар имеет что-то общее с радаром. Вся разница в том, что вместо СВЧ-радиоволн здесь используются волны оптического диапазона.

Давайте вспомним общий принцип работы подобных систем: у нас есть устройство, которое посылает наружу направленное излучение, затем ловит отражённые волны и строит исходя из этого картину пространства. Именно так и работает лидар: в качестве активного источника используют инфракрасный светодиод или лазер, лучи которого мгновенно распространяются в среде. Рядом с излучателем расположен светочувствительный приёмник — он и улавливает отражения.

Обозначения: D — измеренное расстояние; c — скорость света в оптической среде; f — частота сканирующих импульсов; Δφ — фазовый сдвиг.

Получив время, за которое вернулась отражённая волна, мы можем определить расстояние до объекта в поле зрения датчика. Подобный принцип определения дистанции называют времяпролётным — от английского Time-of-flight (ToF). А что дальше? У вас появляются разные возможности, как распорядиться этими данными.

Оптический дальномер

Дальномер — это частный случай лидара, у которого сравнительно узкий угол наблюдения. Устройство смотрит вперёд в узком сегменте и не получает посторонних данных, кроме удалённости объектов. Так работает оптический дальномер, основанный на принципе ToF. Рабочая дистанция зависит от используемого источника света: для ИК-светодиодов это десятки метров, а лазерные лидары способны стрелять лучом на километры вперёд. Неудивительно, что эти приборы прижились в беспилотных летающих аппаратах (БПЛА) и метеорологических установках.

Однако быстродействующий дальномер может пригодиться и в самодельных роботах на Arduino и Raspberry Pi: лидары не боятся засветки солнцем, а скорость реакции у них выше, чем у ультразвуковых датчиков. Используя лидар в качестве датчика пространства, ваше детище сможет видеть препятствия на увеличенной дистанции. Разные модели отличаются дальностью работы и степенью защиты. Модификации в герметичном корпусе позволят роботу работать на улице.

Лидарная камера

Следующая ступень развития — лидар в роли 3D-камеры. Добавляем к одномерному лучу систему развёртки и получаем прибор, который может построить модель пространства из облака точек в определённой зоне обзора. Для перемещения сканирующего луча чего только не применяют: от поворотных зеркал и призм до микроэлектромеханических систем (МЭМС). Подобные решения используют, например, для быстрого построения 3D-карты местности или оцифровки архитектурных объектов.

Сканирующий лидар с круговым обзором

Вот и мечта любого автопроизводителя — главный сенсор, который заменяет беспилотной машине почти все глаза. Здесь мы имеем комбинацию излучателей и приёмников, установленных на поворотной платформе, которая вращается со скоростью в сотни оборотов в минуту. Плотность генерируемых точек такова, что лидар строит полноценную картину местности, в которой видно другие машины, пешеходов, столбы и деревья на обочине, и даже изъяны дорожного покрытия или рельефную разметку!

Лидары с круговым обзором 360° — наиболее сложные и дорогие из всех разновидностей, но и самые желанные для разработчиков, поэтому они часто встречаются на прототипах беспилотных автомобилей, где вопрос стоимости не стоит слишком остро.

В заключение

Дожидаться светлого беспилотного будущего совсем необязательно, ведь можно начать собственные эксперименты с инфракрасным лидаром на Arduino или Raspberry Pi уже сейчас. Если вам нужен дальномер с рабочей дистанцией до 20 метров и моментальной реакцией — это подходящий вариант. А если заморочиться и моторизовать лидар, то у вас получится сделать и любительский 3D-сканер на принципе ToF.

Полезные ссылки

• Каталог датчиков пространства

Лидар совершенно необходим для робомобилей – и вот, как работают некоторые из ведущих датчиков

Лидар, или световой радар, это технология, критически важная для создания робомобилей. Датчики предоставляют компьютеру трёхмерное облако точек, обозначающее окружающее автомобиль пространство, а его концепт помог командам выиграть конкурс DARPA Urban Challenge в 2007 году. С тех пор системы лидаров стали стандартом для робомобилей.
В последние годы были созданы десятки стартапов, работающих с лидарами, и соревнующимися с лидером индустрии Velodyne. Все они наобещали более приемлемые цены и улучшенную эффективность работы. В 2018 году журнал Ars уже делал подборку основных тенденций в индустрии лидаров, и описал, почему эксперты ожидали появления улучшенных и менее дорогих систем в ближайшие несколько лет. В той статье не было подробностей по поводу самих компаний – в основном потому, что они держали информацию о работе своей технологии в тайне.
Но за последний год я получал непрерывный поток рекламы, исходящей от разработчиков лидаров, и побеседовал с большим количеством их представителей. Журнал Ars находится на связи директорами, по меньшей мере, восьми таких компаний, а также с компаниями, занимающимися анализом индустрии или их клиентами. Всё это общение позволило составить неплохое представление не только о тенденциях индустрии лидаров, но и о технологиях и бизнес-тратегиях отдельных компаний.
Сегодня существует три основных отличия лидаров друг от друга. После описания этих возможностей будет легче понять технологии девяти ведущих компаний, разрабатывающих лидары.
Чтобы не раздувать зря статью, мы опишем независимые компании, которые в основном занимаются лидарами. Поэтому мы не будем описывать собственную технологию лидаров от Waymo, стартапы, работающие с лидарами, которые купили себе GM и Ford в 2017 году, или попытки разработки лидаров от более крупных компаний, таких, как Valeo (сделавшая лидар для моделей Audi 2018 и 2019 годов A7 и A8), Pioneer или Continental. Сложно выпытать у этих крупных компаний подробности об их технологиях, но и без них есть, что описать.

Три крупных фактора, отличающих лидары друг от друга

Базовая идея лидара проста: датчик испускает лазерные лучи в разных направлениях, и ждёт, пока их отражения вернутся. Скорость света известна, и время в пути туда и обратно даёт точную оценку расстояния.
И хотя базовая идея проста, детали усложняют всё очень быстро. Каждый изготовитель лидаров должен принять три базовых решения: как направлять лазер в разные стороны, как измерять время на путь туда и обратно, и свет какой частоты использовать. Мы рассмотрим каждое из них по очереди.

Технология управления лучом

Большинство ведущих лидаров используют один из четырёх методов направления лазерных лучей в разные стороны (две компании, Baraja и Cepton, сообщили, что используют другие технологии, которые они не объяснили):

• Вращающийся лидар. Velodyne создала современную лидарную индустрию в 2007, представив лидар, в котором было размещено 64 лазера по вертикали, и вся эта штуковина вращалась со скоростью в несколько оборотов в секунду. Датчики из вышего сегмента от Velodyne до сих пор используют такую технологию, и, по крайней мере, один из конкурентов, Ouster, поступил так же. Преимущества такого подхода – покрытие на 360 градусов, но критики ставят вопросы о том, можно ли сделать дешёвый и надёжный вращающийся лидар, подходящий для массового рынка.
• Механический сканирующий лидар использует зеркало, перенаправляя единственный лазерный луч в разных направлениях. Некоторые из компаний используют подход под названием «микроэлектромеханическая система» (МЭМС) для управления зеркалом.
• Активная фазированная антенная решетка использует ряд излучателей, способных изменять направление лазерного луча, подстраивая относительную фазу сигнала между соседними передатчиками. Мы подробно опишем эту технологию в секции про Quanergy.
• Лидар на основе вспышек подсвечивает всю область сразу. Существующие технологии используют один широкоугольный лазер. Технология испытывает трудности с большими расстояниями, поскольку до любой точки доходит лишь малая часть лазерного света. По меньшей мере, одна компания, Ouster, планирует создать многолазерную вспышку, в которой будет массив из тысяч или миллионов лазеров, направленных в разные стороны.

Измерение расстояния

Лидар измеряет время, которое требуется свету для того, чтобы дойти до объекта, и отразиться от него. Есть три простых способа сделать это:

• Время в пути. Лидар отправляет короткий импульс и измеряет, сколько времени пройдёт до фиксации возвращающегося импульса.
• Лидар непрерывного излучения с частотной модуляцией (НИЧМ). Отправляет непрерывный луч света, частота которого постоянно меняется во времени. Луч разбивается на два, и один из них отправляется во внешний мир, а потом по возвращению объединяется с другим. Поскольку частота у источника луча меняется непрерывно, разница в пути двух лучей выражается через разность их частот. В результате получается картина интерференции, частота биений которой является функцией от времени в пути (и, следовательно, от расстояния). Этот путь может показаться беспричинно усложнённым, но у него есть парочка преимуществ. Лидар НИЧМ устойчив к интерференции от других лидаров или от Солнца. Лидар НИЧМ может также использовать допплеровское смещение для измерения скорости объектов, а не только расстояния до них.
• Лидар непрерывного излучения с амплитудной модуляцией (НИАМ) можно рассматривать, как компромисс между двумя предыдущими вариантами. Такой лидар, как и простой датчик, измеряющий время в пути, отправляет сигнал, а потом измеряет время, которое у него ушло на то, чтобы отразиться и вернуться. Но если простые системы отправляют один импульс, лидар НИАМ отправляет сложную схему (псевдослучайный поток цифровых нулей и единиц). Сторонники подхода говорят, что благодаря этому лидар НИАМ более устойчив к интерференции.

Длина волны лазера

Описанные в данной статье лидары используют один из трёх вариантов длин волн: 850, 905 или 1550 нм.
Этот выбор имеет значение по двум причинам. Одна из них – безопасность глаз. Жидкость внутри глаза прозрачна для света с длиной волны 850 и 905 нм, что позволяет свету дойти до сетчатки. Если лазер будет слишком мощным, он может причинить глазу непоправимый вред.
С другой стороны, глаз непрозрачен для излучения с длиной волны 1550 нм, что позволяет таким лидарам работать на большей мощности, не вредя сетчатке. Увеличение мощности позволяет увеличивать дальность действия.
Так почему же все не используют лазеры с длиной волны 1550 нм в лидарах? Детекторы, работающие с частотами 850 и 905 нм, можно создать на основе недорогих и распространённых кремниевых технологий. Для создания лидара с длиной волны 1550 нм требуется использовать экзотические и дорогие материалы, такие, как арсенид галлия-индия.
И хотя лазеры на 1550 нм могут работать с большей мощностью, не представляя угрозы для глаз, такие уровни мощности могут приводить к другим проблемам. На выставке CES в Лас-Вегасе в этом году один человек сообщил, что мощный лазер на 1550 нм в лидаре от AEye испортил ему камеру. И, конечно, лазеры большей мощности потребляют больше энергии, что уменьшает дальность хода и энергетическую эффективность машины.
Учтя всё это, давайте рассмотрим десятку ведущих разработчиков лидаров.

Velodyne

Три продукта Velodyne: Alpha Puck, Velarray и Veladome
Управление лучом: вращение.
Измерение расстояний: время в пути.
Длина волны: 905 нм
Velodyne изобрела современный трёхмерный лидар более десяти лет назад, и с тех пор доминирует на этом рынке. Характерные вращающиеся лидары компании часто используются в робомобилях, и компания, скорее всего, останется лидером рынка в 2019. Однако некоторые наблюдатели задаются вопросом, сможет ли компания поддерживать свою лидирующую позицию в последующие годы.
В конце 2017 флагманские лидары Velodyne на 64 лазера продавались по $75 000 за штуку. Velodyne представила новую модель на 128 лазеров, которая, по слухам, будет ещё дороже — $100 000.
Касательно этих цифр представитель Velodyne ответил: «Мы не раскрываем стоимость продукции, однако, озвученные цены характерны для единичных продуктов. В закупках автомобильных масштабов цены существенно ниже, и мы активно поставляем автопроизводителям продукцию по низким ценам».
Velodyne продаёт и менее дорогие лидары, включая 16-лазерную «шайбу», которая в прошлом году продавалась по $4000. Также Velodyne продаёт и твердотельную модель, Velarray. Velodyne говорит, что это система с длиной волны в 905 мм «с проприетарным методом управления лучом без трения». Velodyne ожидает, что в оптовых объёмах эта модель в итоге будет стоить менее $1000. Однако эти лидары не дают такого высокоточного результата, как вращающиеся модели на 64 и 128 лазеров.
Некоторые критики утверждают, что у Velodyne были трудности с производством и качеством продукции.
«Деликатные движущиеся датчики лидара, являющиеся средством к существованию компании, оказалось сложно производить эффективно и с высоким качеством, и они могут быть раздражающе хрупкими при применении в автомобилях», писал недавно журналист Эд Нидермайер, цитируя источники сектора робомобилей.

Представитель компании поспорил с таким отзывом, утверждая, что Velodyne «за годы работы довела науку изготовления этих датчиков в больших количествах до совершенства», и что «было доказано, что они выдерживают жёсткие условия эксплуатации в автомобилях».
Недавно Velodyne подписала лицензионный договор с Veoneer, известной компанией в цепочки поставок автомобильных запчастей. У Veoneer есть большой опыт создания компонентов, удовлетворяющих стандартам качества автомобильных компаний, и у неё могут появиться идеи о внесении изменений в классический дизайн Velodyne с целью улучшения качества и уменьшения цены продукта. Однако им нужно действовать быстро, поскольку целый ряд других компаний уже нацелился на место лидера.

Luminar

Управление лучом: механическое сканирование
Измерение расстояний: время в пути.
Длина волны: 1550 нм
Многие считают Luminar одним из главных соперников Velodyne. Компания занимается этим бизнесом с 2012 года, и в прошлом году начала производство лидаров в больших количествах. Компания утверждает, что качество её продукции находится на высшем уровне.
В частности это происходит благодаря тому, что в Luminar решили использовать лазеры с длиной волны 1550 нм. Использование безопасной для глаз длины волн позволяет Luminar выкручивать мощность лазера, благодаря чему лидар дальше видит. Но лазеры на 1550 нм означают, что Luminar приходится использовать экзотический арсенид галлия-индия для обнаружения вернувшихся импульсов. Это должно быть дорого, но Luminar в прошлом году сообщили нам, что стоимость приёмников в их лидарах составляет всего $3.
В прошлом году в ответ на наши расспросы о Luminar президент компании Velodyne Марта Холл указала нам на серьёзный недостаток лидаров от Luminar – большое энергопотребление. Это особенно важно, поскольку лидары от Luminar представляют собой фиксированные датчики с полем зрения в 120 градусов. Это значит, что для обеспечения просмотра всех 360 градусов потребуется четыре прибора от Luminar (с учётом наложения их полей зрения), вместо всего одного от Velodyne или Ouster. Однако затем в письме представитель Luminar ответил, что последняя версия их лидара значительно уменьшила потребление энергии по сравнению с ранними моделями, и потребляет «на круг примерно 50 Вт».
Также Luminar ничего не сообщает по поводу цен. В прошлом мае директор Luminar Остин Рассел рассказал нам, что их лидар должен будет «подешеветь до нескольких тысяч долларов», чтобы суметь состязаться на потребительском рынке, и что этот вопрос для компании «не является проблемой». Однако из этого следует, что в то время стоимость приборов получалась значительно выше нескольких тысяч.
Luminar опережает многих изготовителей лидаров в области реальных поставок, поскольку начала массовое производство более девяти месяцев назад. За последние 18 месяцев Luminar сумела заключить партнёрские соглашения с компаниями Toyota, Volkswagen и Volvo.
В недавнем интервью Рассел указал на эти сделки, назвав их крупнейшими конкурентными преимуществами компании. Он сказал мне, что крупнейшие компании разрабатывают робомобили на основе лидаров от Luminar, и им дорого обойдётся переход на продукцию конкурентов в будущем.

AEye

Управление лучом: механическое сканирование
Измерение расстояний: время в пути.
Длина волны: 1550 нм
У AEye много общего с Luminar. Она использует механическое сканирующее зеркало для управления лучами. Она использует лазер безопасной для глаз длины волны 1550 нм, позволяя ему работать на больших уровнях энергии. В результате у лидара от AEye впечатляющие характеристики по дальности. AEye говорит, что их лидар может видеть на расстоянии вплоть до 1000 м – это гораздо больше, чем те 200-300 м, которыми хвастаются самые дорогие устройства.
В декабрьском интервью директор AEye Люис Дюссан расхваливал высокоэнергетические импульсы, которые способны выдавать волоконные лазеры лидара AEye. Он сказал, что многие лидары конкурентов основаны на диодных лазерах, «ограниченных мощностью в 100-150 Вт. Волоконные лазеры могут доходить до 100 000 Вт – очень короткий импульс, большое количество сигнала».
Большая энергия позволяет увеличивать расстояние, но у неё есть и свои недостатки. В этом году на выставке CES в Лас-Вегас один человек рассказал журналу Ars, что его дорогая камера оказалась испорченной, когда он сделал фотографию лидара от AEye. Глаза заполнены жидкостью, непроницаемой для волн длиной 1550 нм. А камеры – нет. Видимо, мощный лазер AEye попал на хрупкую матрицу фотокамеры.
В заявлении для журнала Ars компания AEye описала повреждение камеры как проблему, присущую всей индустрии. Но Ангус Пакала, директор конкурирующей компании Ouster, спорит с этим. Он писал: «Наши сенсоры безопасны для глаз и камер. И точка». Luminar сообщила, что «мы провели всесторонние испытания с той же камерой с теми же линзами и с теми же настройками, что были у повреждённой на CES, и не смогли причинить ей вреда» при помощи лидара от Luminar.
Большинство лидаров используют фиксированную схему сканирования. Лидар AEye использует другой подход, который компания называет «подвижным сканированием». Схему сканирования AEye можно настроить программно и менять динамически. Согласно Дюссану, подвижная схема сканирования работает с гибкостью волоконного лазера. «От снимка к снимку можно контролировать энергию импульсов», — сказал он Ars. ПО управляет не только тем, когда произойдёт следующее измерение, но и тем, сколько энергии будет использовано – и, следовательно, какое расстояние будет измерено в следующий раз.
В результате, когда лидар замечает далеко находящийся объект, он может увеличить разрешение сканирования и уровень энергии в данной части изображения, и получить больше точек данных. В итоге может получиться скан с высоким разрешением, который поможет различить пешехода, мотоцикл или габаритный мусор, оставшийся на дороге.
С другой стороны, существует опасность чрезмерной оптимизации. Если лидар будет тратить много времени на сканирование уже распознанных объектов, возникает опасность, что на систематическое сканирование времени останется слишком мало, из-за чего он пропустит другие объекты.

Ouster

Управление лучом: вращение
Измерение расстояний: время в пути.
Длина волны: 850 нм

На первый взгляд, лидар от Ouster выглядит очень похоже на Velodyne. Это вращающиеся системы, измеряющие время импульсов в пути, и обе компании продают приборы с 16, 64 и 128-ю лазерами. И это не совпадение: Ouster специально разрабатывала продукцию так, чтобы её можно было использовать для замены приборов от Velodyne, поскольку многие потенциальные клиенты освоились с их классическим форм-фактором.
Но если вскрыть устройства от Ouster, окажется, что внутри они выглядят совсем не так. Классический дизайн Velodyne, судя по патенту, использует 64 отдельных лазера и 64 отдельных детектора. Ouster же придумала, как упаковать 64 лазера на один чип, а второй их чип содержит 64 датчика, распознающих отражённый свет. Такой интегрированный дизайн может кардинально уменьшить стоимость и сложность производства лидаров.
Самый сложный из лидаров Ouster, поставки которого должны начаться в этом году, это OS-2, 64-лазерный прибор, продающийся по $24 000. Ouster говорит, что его дальность работы сравнима с самыми дорогими лидарами от Velodyne. Ouster также продаёт лидары и с меньшим радиусом действия всего за $3500.
Ouster может запихнуть 64 лазера на чип, используя поверхностно-излучающий лазер с вертикальным резонатором (VCSEL) — в отличие от обычных лазерных диодов, излучающих в плоскости, параллельной поверхности. Поскольку VCSEL излучают перпендикулярно поверхности подложки, много лазеров можно разместить на полупроводниковом кристалле. Технология уже давно используется в таких пользовательских приложениях, как компьютерные мыши, но она всегда считалась недостаточно мощной для использования в лидаре. В Ouster говорят, что придумали, как создать лидар высокой эффективности при помощи VCSEL.
Ouster использует ещё одну полупроводниковую технологию, диоды однофотонного каскада (SPAD), чтобы обнаруживать возвратившийся свет. Как и VCSEL, SPAD можно изготовить при помощи стандартных технологий производства кремниевых чипов, и в один кристалл можно запихнуть много SPAD. Благодаря этому Ouster было довольно несложно перейти с 64-лазерных приборов в прошлом году на 128-лазерные, анонс которых состоялся в январе, а поставки начнутся летом. Компании просто пришлось заменить в старой модели чипы с 64 лазерами и 64 детекторами на новые 128-е чипы.
И обновление с 64 до 128 лазеров – это только начало, утверждает директор Ангус Пакала. Он рассчитывает, что за несколько лет компания представит лидары, в распоряжении которых будут тысячи – а, возможно, и миллионы – лазеров VCSEL и детекторов SPAD.
Пока что Ouster концентрируется на создании одномерных массивов лазеров для использования во вращающемся датчике, похожем на устройства от Velodyne. Но Пакала говорит, что ту же технику можно использовать и для создания двумерных массивов из лазеров и детекторов – наподобие матрицы в фотоаппарате. Это может привести к созданию нового класса лидаров на основе вспышек, где каждый «пиксель» будет обслуживать своей парой лазер-детектор. В результате у лидара будут преимущества вспышки – никаких движущихся частей, возможность воспринять «кадр» сразу и целиком – без жертв дальности обычного лидара.
Суть стратегии Ouster заключается в том, чтобы использовать в своих интересах промышленную базу потребительской электроники, в которой VCSEL уже используются в компьютерных мышках, для дальномеров у камер смартфонов, и в других областях. Пакала утверждает, что VCSEL ещё есть куда улучшать по таким параметрам, как яркость, стоимость и энергоэффективность. А все улучшения технологий VCSEL (и SPAD) будут автоматически работать на руку Ouster.

Blackmore

Управление лучом: механическое сканирование.
Измерение расстояний: непрерывное излучение с частотной модуляцией.
Длина волны: 1550 нм
Как и Ouster, Blackmore надеется использовать в своих целях развёрнутую инфраструктуру полупроводниковой промышленности. Однако её интересует индустрия оптических коммуникаций, а не потребительской электроники.
На первый взгляд, лидары и устройства оптической связи отличаются друг от друга, но на самом деле у них больше общего, чем можно было представить. Они отправляют информацию, закодированную в свете, улавливают свет позже и извлекают информацию из него.
«Оптический слой Blackmore создан на основе стандартных компонентов для оптоволоконной связи», — написано на сайте компании. «Пользуясь наработанными за десятилетия решениями в области оптоволоконной связи, мы с уверенностью заявляем, что наши схемы масштабируемы и надёжны».
Практически во всех других аспектах лидар Blackmore удивительно сильно отличается от продукции компаний Ouster и Velodyne. Вместо вращения на 360 градусов, лидар зафиксирован с полем зрения в 120 градусов по горизонтали и 30 градусов по вертикали. Он использует непрерывное излучение с частотной модуляцией для измерения расстояний, что позволяет измерять и скорость объектов.
Blackmore несколько недель назад представила новый интересный лидар на CES. Первоначальная его стоимость составляет $20 000, и он обладает впечатляющими характеристиками. Компания надеется со временем постепенно снижать стоимость лидара.

Baraja

Управление лучом: спектроскопическое сканирование.
Измерение расстояний: непрерывное излучение с амплитудной модуляцией.
Длина волны: 1550 нм
Baraja – один из самых необычных стартапов, о которых я рассказывал в прошлом году – и один из наиболее таинственных.
У большинства лидаров поле зрения составляет 120 градусов или меньше, что означает необходимость покупать не менее четырёх штук для обеспечения полного покрытия 360 градусов. Это может выйти дорого, а также требует расстановки хрупкой электроники по краям машины, где её очень легко повредить.
Идея Baraja состоит в том, чтобы переместить всю хрупкую электронику в багажник. Находящийся там обработчик сигналов соединяется по оптоволокну с четырьмя дешёвыми и прочными головками датчиков, которые можно разместить снаружи машины.
В интервью прошлым летом директор компании Федерико Колларте сказал мне, что четыре головки датчиков «состоят, по сути, из кремниевого стекла. Они дёшевы, надёжны, хорошо выдерживают стихии. В случае аварии нужно будет просто заменить головку датчика».
Привлекательная идея. Проблема в том, что я не могу сообразить, как она будет работать – и не смог убедить Колларте пояснить мне её в деталях.

Baraja описывает свой лидар как «лидар спектроскопического сканирования», что означает, что лучи лазеров управляются изменением частоты света, проходящего через призму. Просто представить, как можно управлять таким лучом в одном измерении, но сложно понять, как достичь двумерного управления».
Когда я спросил об этом Колларте, он сказал: «Для второго измерения мы используем тот же концепт спектрального сканирования. И у нас ещё есть вспомогательная механическая система».
Он добавил, что эта система не включает в себя ни зеркала, ни вращающиеся лазеры. Он сказал, что она «использует такую же призматическую оптику – этот момент мы всё ещё держим в секрете».
Также Baraja остаётся единственной компанией из тех, с кем мы общались, использующей непрерывное излучение с амплитудной модуляцией для измерения расстояний. Колларте рассказал нам, что одним из преимуществ такого подхода является то, что «для отдельных импульсов не требуется больших энергий». Некоторые оптические компоненты могут повредиться из-за скачков энергии, и их отсутствие даёт инженерам гибкость в использовании более широкого спектра вариантов — что потенциально позволит создать менее дорогую и более надёжную технологию.
Колларте говорит, что Baraja (как и Blackmore) старается «перенести компоненты и технологии из оптических телекоммуникаций», где большая экономия на масштабе позволяет удерживать стоимость продукта на низком уровне. Baraja, судя по всему, находится на ранних этапах коммерциализации, но Колларте говорит, что при производстве сотен тысяч устройств компания рассчитывает снизить их стоимость до «нескольких сотен» долларов.

Quanergy

Управление лучом: Активная фазированная антенная решетка.
Измерение расстояний: время в пути.
Длина волны: 905 нм
Вокруг Quanergy три года назад развернулась сильная шумиха, когда она объявила о создании твердотельного продукта со стоимостью менее $250, которую можно будет достигнуть при масштабном производстве. Но критики говорят, что компания не сумела выполнить свои обещания.
«У Quanergy, судя по всему, с трудом получается заставить датчики работать на нужных дистанциях», — сказал в интервью Сэм Абулсамид, аналитик из компании Navigant.
Quanergy – одна из немногих компаний, делающих лидары по технологии активной фазированной антенной решетки. Как было указано в пояснении к концепции 2017 года:
Фазированная решётка – это ряд передатчиков, способных менять направление электромагнитного луча, подстраивая относительную фазу сигнала от одного передатчика к другому.
Если все передатчики синхронно излучают электромагнитные волны, луч отправится прямо, т.е., перпендикулярно массиву. Чтобы отклонить луч влево, передатчики сдвигают фазу сигнала отправляемого каждой антенной, и сигнал от передатчиков слева оказывается позади сигнала передатчиков справа. Для отклонения луча вправо решётка совершает противоположное действие, сдвигая фазу самых левых элементов вперёд по отношению к правым.
Такая технология десятилетиями использовалась в радарах, где передатчиками служат антенны радаров. Оптические фазированные решётки применяют тот же принцип к свету, упаковывая массив лазеров на достаточно небольшом чипе.
Если бы Quanergy удалось заставить эту технологию хорошо работать, у неё была бы масса преимуществ. При отсутствии движущихся частей твердотельное устройство могло бы быть дешёвым, надёжным и универсальным. Лидар от Quanergy, как и прибор от AEye, настраивается программно и динамически переключается между разрешением и скоростью обновления.
Но у Quanergy нет особенных успехов на рынке. В ноябрьском интервью директор Луэй Эльдада сказал, что «мы проходим нужные этапы, мы идём по графику». Но есть причины сомневаться в этом. К примеру, Ангус Пакала был сооснователем Quanergy до того, как уйти и основать компанию Ouster в 2015-м.
Абульсамид указывает на недавний интерес Quanergy к использованию лидаров в промышленной безопасности – в этой области применения не требуются такие расстояния, как у робомобилей. Эльдада сказал мне, что теперь у Quanergy появился более типичный лидар с механическим наведением, предназначенный для рынка безопасности.

Cepton

Управление лучом: проприетарная технология микродвижений.
Измерение расстояний: время в пути.
Длина волны: 905 нм
Полностью автоматические робомобили – наиболее требовательная область применения лидаров, и пока что я в основном описывал продукты, нацеленные на этот рынок. Но Cepton – пример уважаемого производителя лидаров, в основном нацеленного на использование их технологии в передовых вспомогательных системах для водителей (ADAS). Сегодняшние системы ADAS используют радары и камеры для контроля полосы и динамического круиз-контроля. Но все ждут от автопроизводителей появления лидаров на машинах будущего, которые смогут обеспечить более сложные ADAS-системы.
Проблема в том, что, как мы увидели, лучшие лидары стоят десятки тысяч долларов, и эта ситуация может не поменяться даже при их производстве в промышленных масштабах. Поэтому такие компании, как Cepton, нацеливаются на производство лидаров средней дальности, достаточно доступных для их включения в автомобили, которые будут выпускать уже через несколько лет.
И когда я спросил директора Cepton Джун Пей о лидаре дальнего действия, требуемого для робомобилей, он открестился от этого рынка, сказав, что не думает, что клиенты начнут запрашивать подобные устройства в больших количествах «в обозримом будущем».
Вместо этого Cepton сконцентрировалась на рынке ADAS, где уже начинают заключать сделки на крупные объёмы поставок. Cepton утверждает, что её конкурентным преимуществом является цена.
«Мы – единственная компания, способная продавать лидары дешевле $1000», — сказал Пей. Прошлым летом Cepton объявила о сделке с Koito, японской компанией и одним из крупнейших мировых поставщиков автомобильных фар, по которой та включит их технологию лидаров в дизайн фар. Это значит, что если автопроизводитель решит, что лидар от Cepton устраивает их по всем параметрам, он сможет без проблем добавить такую возможность в свои автомобили.
Пей сказал мне, что технология микродвижения, управляющая лучом, уникальна для этой индустрии. Традиционные МЭМС используют для перенаправления света крохотное механически перемещающееся зеркальце. Но Пей говорит, что Cepton использует «очень проприетарный оптический дизайн, устраняющий зеркальце, но всё равно способный получать картинку высокого разрешения». Он также описал его, как «небольшую вибрационную систему, работающую по принципу динамика» – но отказался раскрывать подробности.

Innoviz

Управление лучом: механическое сканирование.
Измерение расстояний: время в пути.
Длина волны: 905 нм
Innoviz, как и Cepton, в основном концентрируется на сделках большого объёма с автопроизводителями. Она торгует доступными лидарами средней дальности, подходящими для использования в ADAS. И весьма успешно.
В прошлом апреле BMW объявила о планах установить лидар от Innoviz в свои автомобили в 2021 модельном году. Также в этом партнёрстве участвует Magna, известный поставщик, который поможет с логистикой, необходимой для установки готовой запчасти в тысячи автомобилей.
Автопроизводители экспериментируют со многими технологиями лидаров, поэтому многие их изготовители могут похвастать заключением сделок с OEM-производителями. Но сделка BMW выделяет Innoviz на фоне остальных конкурентов – BMW, судя по всему, серьёзно настроена на установку их лидаров в автомобили для продажи, а не просто покупает эти устройства для испытаний на прототипах.
В производстве автомобилей сроки освоения новой продукции весьма велики, поэтому Innoviz будет чем заняться в ближайшие несколько лет, и, конечно, одна заключённая сделка позволит Innoviz заключать новые сделки в будущем. Он полон оптимизма касательно этой сделки».
Сделка с BMW, судя по всему, будет использоваться для реализации ADAS, но у Innoviz есть амбиции и в области робомобилей. В последней своей модели InnovizOne компания хвастается дальностью до 200 метров с объектами с 50% отражающей способностью и полем зрения в 120 градусов.