Tiempo de vuelo frente a sistemas FMCW LiDAR

Documentos recientes ^{1, 2, 3, 4, 5} han presentado una serie de afirmaciones de marketing sobre los beneficios de los sistemas LiDAR de onda continua modulada en frecuencia (FMCW). Como era de esperar, hay más en la historia de lo que afirman los titulares. Este artículo examinará estas afirmaciones y ofrecerá una comparación técnica del tiempo de vuelo (ToF) frente a FMCW LiDAR para cada una de ellas.

Entendemos que no todos los sistemas ToF y FMCW son iguales, por lo que nos centraremos en ToF como se emplea en AEye. Nuestra esperanza es que este artículo describa algunas de las difíciles compensaciones del sistema que un profesional exitoso debe superar, estimulando así una discusión informada sólida, la competencia y, en última instancia, la mejora de las ofertas de ToF y FMCW.

Reclamos competitivos

Afirmación n.° 1:FMCW es una (nueva) tecnología revolucionaria

Esto no es cierto.

Al contrario de artículos de noticias recientes, FMCW LiDAR existe desde hace mucho tiempo, a partir del trabajo realizado en el Laboratorio Lincoln del MIT en la década de 1960 ⁸ , solo siete años después de que se inventara el láser ⁹ . Muchas de las lecciones aprendidas sobre FMCW a lo largo de los años, aunque no clasificadas y de dominio público, lamentablemente se han olvidado hace mucho tiempo. Lo que ha cambiado recientemente es la mayor disponibilidad de láseres de longitud de coherencia larga. Si bien esto ha renovado el interés en la tecnología establecida, ya que en teoría puede proporcionar una ganancia de señal extremadamente alta, aún existen varias limitaciones que deben abordarse para que este LiDAR sea viable para los vehículos autónomos.

Afirmación n.º 2:FMCW detecta/rastrea objetos más lejos, más rápido

Esto no está probado.

Los sistemas ToF LiDAR pueden ofrecer tasas de disparo láser muy rápidas (varios millones de disparos por segundo en el sistema AEye), escaneo ágil, mayor prominencia de retorno y la capacidad de aplicar regiones de interés (ROI) de alta densidad, lo que le brinda un factor de dos. a cuatro veces mejor información de devoluciones frente a otros sistemas. En comparación, muchos sistemas FMCW de baja complejidad solo son capaces de velocidades de disparo de 10 a 100 de miles de disparos por segundo (~50 veces más lento). Entonces, en esencia, estamos comparando tiempos de permanencia de nanosegundos y altas tasas de repetición con tiempos de permanencia de decenas de microsegundos y bajas tasas de repetición (por par láser/rx). Hay disponibles productos LiDAR comerciales de grado automotriz que producen millones de retornos por segundo utilizando ToF, con FOV grande y resolución súper alta de más de 1000 puntos por grado cuadrado. AEye no tiene conocimiento de ningún sistema FMCW que coincida con este nivel de rendimiento (los sistemas FMCW en el mercado actualmente tienden a carecer de especificaciones de rendimiento específicas).

La detección, la adquisición (clasificación) y el seguimiento de objetos a larga distancia están muy influenciados por la tasa de disparos del láser, ya que una mayor densidad de disparos del láser (en el espacio y/o el tiempo) proporciona más información que permite tiempos de detección más rápidos y un mejor filtrado del ruido. AEye ha demostrado un sistema que es capaz de detectar puntos múltiples de baja reflectividad:objetos pequeños y peatones a más de 200 m, vehículos a 300 m y un camión de clase 3 a 1 km de distancia. Esto habla de la capacidad de alcance de la tecnología ToF. De hecho, prácticamente todos los telémetros láser usan ToF, no FMCW, para medir la distancia (por ejemplo, el telémetro Voxtel ¹⁰ productos, algunos con un rango de detección de más de 10 km). Aunque artículos recientes afirman que FMCW tiene un rango superior, no hemos visto un sistema FMCW que pueda igualar el rango de un sistema ToF avanzado mientras proporciona un FOV, una franja de rango general y una densidad de puntos coincidentes.

Afirmación n.º 3:FMCW mide la velocidad y el rango de manera más precisa y eficiente

Esto es engañoso.

Los sistemas ToF, incluido el LiDAR de AEye, requieren múltiples disparos de láser para determinar la velocidad del objetivo. Esto puede parecer una sobrecarga adicional en comparación con las afirmaciones de FMCW con tomas individuales. Mucho más importante es comprender que no todas las medidas de velocidad son iguales. Si bien la velocidad radial en dos autos que se mueven de frente es urgente (una de las razones por las que es deseable un mayor rango de detección), también lo es la velocidad lateral, ya que comprende más del 90% de los casos extremos más peligrosos. Los autos que pasan una luz roja, los vehículos que se desvían bruscamente, los peatones que ingresan a una calle, todos requieren velocidad lateral para tomar decisiones evasivas. FMCW no puede medir la velocidad lateral simultáneamente, en un solo disparo, y no tiene ningún beneficio para encontrar la velocidad lateral sobre los sistemas ToF.

Considere un automóvil que se mueve entre 30 y 40 metros/segundo (~67 a 89 MPH) detectado por un disparo láser. Si se realiza un segundo disparo láser poco tiempo después, digamos 50 μs después del primero, el objetivo solo se habrá movido ~1,75 mm durante ese intervalo. Para establecer una velocidad que sea estadísticamente significativa, el objetivo debería haberse movido al menos 2 cm, lo que toma alrededor de 500 μs (mientras que requiere suficiente SNR para interpolar muestras de rango). Con esa segunda medición, se puede establecer un rango y una velocidad estadísticamente significativos dentro de un marco de tiempo que es insignificante en comparación con una velocidad de fotogramas. Con un escáner ágil, el 500μs no está exclusivamente dedicado o "cautivo" a la estimación de la velocidad. En cambio, se pueden disparar muchos otros tiros a los objetivos en el ínterin. Este tiempo se puede usar para observar otras áreas/objetivos antes de regresar al objetivo original para una medición de velocidad de alta confianza, mientras que un sistema FMCW está cautivo durante todo su tiempo de permanencia.

El tiempo de cautiverio se ve agravado por el hecho de que FMCW a menudo requiere un mínimo de dos barridos de frecuencia láser (hacia arriba y hacia abajo) para formar una detección inequívoca, y el barrido hacia abajo proporciona la información necesaria para superar la ambigüedad que surge del rango de mezcla + desplazamiento Doppler. Esto duplica el tiempo de permanencia requerido por toma más allá de lo ya descrito. La cantidad de movimiento de un objetivo en 10 μs puede ser típicamente de solo 0,5 mm, lo que dificulta separar la vibración del movimiento lineal real.

Afirmación n.º 4:FMCW tiene menos interferencias

¡Todo lo contrario en realidad!

Los reflejos espurios surgen en los sistemas ToF y FMCW. Estos pueden incluir anomalías retrorreflectoras como "halos", "capas", reflejos de la primera superficie, lóbulos laterales espaciales fuera del eje, así como trayectorias múltiples y desorden. La clave de cualquier buen LiDAR es suprimir los lóbulos laterales tanto en el dominio espacial (con buena óptica) como en el dominio temporal/forma de onda. ToF y FMCW son comparables en comportamiento espacial, pero donde FMCW realmente sufre es en el dominio de tiempo/forma de onda cuando hay objetivos de alto contraste.

Desorden: FMCW se basa en el rechazo de lóbulos laterales basado en ventanas para abordar la autointerferencia (desorden) que es mucho menos robusto que ToF, que no tiene lóbulos laterales. Para proporcionar contexto, un pulso FMCW de 10 μs propaga la luz radialmente en un rango de 1,5 km. Cualquier objeto dentro de esta extensión de rango quedará atrapado en los lóbulos laterales de FFT (tiempo). Incluso un pulso FMCW más corto de 1 μs puede corromperse por ecos parásitos de alta intensidad a 150 m de distancia. Se sabe que el primer lóbulo lateral de una FFT de ventana rectangular es de -13 dB, muy por encima de los niveles necesarios para una buena nube de puntos consistente. (A menos que ningún objeto en el disparo difiera en intensidad por cualquier otro punto de rango en un disparo en más de 13 dB, algo que es poco probable en condiciones operativas de la carretera).

Por supuesto, se puede aplicar una reducción más profunda del lóbulo lateral, pero sacrificando el ensanchamiento del pulso. Además, las no linealidades en el extremo frontal del receptor (el llamado rango dinámico libre de espurias) limitarán los niveles efectivos de lóbulo lateral del sistema general que se pueden lograr debido a la compresión y los impulsos ADC (intersecciones de tercer orden); ruido de fase6; y modulación de fase atmosférica, etc., que ninguna cantidad de conicidad de ventana puede mitigar. Los sistemas aeroespaciales y de defensa pueden superar y superan tales limitaciones, pero no conocemos ningún sistema de grado automotriz de bajo costo capaz del rango dinámico de tiempo instantáneo> 100db requerido para separar objetos pequeños de largo alcance de retrorreflectores de rango cercano, como surgen en FMCW.

Por el contrario, un sistema ToF gaussiano típico, con una duración de pulso de 2 ns, no tiene ningún lóbulo lateral basado en el tiempo más allá de unos pocos cm de la duración del pulso. Ninguna cantidad de rango dinámico entre retornos de compensación pequeños y grandes tiene ningún efecto sobre la luz que incide en el fotodetector cuando se captura el retorno de objetivo pequeño.

Primera superficie: Una fuente de interferencia potencialmente más fuerte es un reflejo causado por un parabrisas u otra primera superficie que se aplica al sistema LiDAR. Así como el haz de transmisión está casi continuamente, los reflejos serán continuos y muy fuertes en relación con los objetos distantes, lo que representa un tipo similar de componente de baja frecuencia que crea lóbulos laterales FFT no deseados en los datos transformados. El resultado también puede ser una reducción significativa del rango dinámico utilizable. Además, los parabrisas, al ser un vidrio multicapa sometido a esfuerzos mecánicos, tienen una polarización heterogénea compleja. Esto aleatoriza el campo eléctrico del retorno de la señal en la superficie del fotodetector, lo que complica (descoherencia) la mezcla óptica.

Por último, debido a la naturaleza del procesamiento en el dominio del tiempo frente al procesamiento en el dominio de la frecuencia, el manejo de ecos múltiples, incluso con un alto rango dinámico, es un proceso sencillo en los sistemas ToF, mientras que requiere una desambiguación significativa en los sistemas FMCW. El procesamiento de ecos múltiples es especialmente importante cuando se trata de oscurecedores como el humo, el vapor y la niebla.

Afirmación n.° 5:FMCW es de grado automotriz, confiable y fácilmente escalable

Esto no está probado en el mejor de los casos.

La supuesta ventaja de FMCW proviene del hecho de que aprovecha la madurez de la tecnología fotónica y de telecomunicaciones, lo que facilita la escalabilidad a niveles de rendimiento más altos (además del ahorro de costos). Es cierto que FMCW permite fotodetectores de bajo costo, como PIN, mientras que ToF a menudo usa APD y otros detectores más costosos. Sin embargo, los detalles son mucho más matizados.

La cadena de suministro de componentes LiDAR es relativamente incipiente, pero componentes como láseres de fibra, receptores de matriz de PIN, ADC y FPGA o ASICS se han utilizado en varias industrias durante años. Estos tipos de componentes tienen un riesgo muy bajo desde el punto de vista de la base de suministro. En comparación, el componente crítico para los sistemas FMCW es el láser de muy bajo ruido de fase, que tiene muchos requisitos estrictos y ningún otro usuario de alto volumen para ayudar a reducir los costos de fabricación de volumen.

Los componentes ópticos utilizados en los sistemas ToF LiDAR son derivados de componentes utilizados de forma amplia y habitual en sistemas comerciales. Los nuevos desarrollos son los MEMS, que se han utilizado anteriormente en prácticamente todos los sensores de bolsas de aire y de presión de automóviles, así como pistolas Gatlin, buscadores de misiles y q-switches de resonador láser en el ejército. Los componentes de los sistemas FMCW han estado disponibles en entornos de laboratorio durante años, pero ningún sistema de producción de gran volumen ha implementado elementos como el láser de diodo de longitud de coherencia larga y agilidad de frecuencia necesario para habilitar dichos sistemas.

Además, los ToF LiDAR ya tienen múltiples proveedores que venden componentes calificados para automóviles en toda la pila de hardware:láseres, detectores, ASIC, etc. Históricamente, una tecnología disruptiva (como las fuentes de láser FMCW) que se fabrica de forma interna de manera única, debe tener un 10x ganancia técnica para compensar un producto que disfruta de una sólida cadena de suministro con múltiples proveedores que ya superan los estándares de calidad para una base de clientes determinada.

La escalabilidad se relaciona directamente con la madurez. Una forma de describir la madurez de la tecnología es un esquema desarrollado por la NASA en la década de 1970 llamado "Nivel de preparación tecnológica" (TRL). Este esquema asigna números a una tecnología de acuerdo con el recorrido desde la inspiración de la tecnología (TRL 1) hasta el despliegue en múltiples misiones exitosas (TRL 9).

En el caso de ToF LiDAR, creemos que los componentes y sistemas están en TRL 8, mientras que los componentes y sistemas FMCW están en TRL 4. Esta es una brecha significativa en la preparación tecnológica que llevará muchos años cerrar. Las principales deficiencias de escalabilidad de los sistemas FMCW incluyen la baja tasa de disparo debido al estiramiento del pulso de chirrido láser y el ADC y FPGA de alta velocidad necesarios para procesar las devoluciones. En el caso de que se requieran tasas de disparo más altas a nivel del sistema, se pueden implementar canales paralelos del camino óptico y la electrónica. Estos pueden usar un solo MEMS de escaneo, pero cada elemento replicado representa la mayor parte del costo del sistema LiDAR, por lo que duplicar los canales casi duplica el costo total del LiDAR.

Costos de láser: En los sistemas FMCW, la longitud de coherencia está determinada por la forma en que se diseña y fabrica el láser y debe ser al menos dos veces más larga que el rango objetivo más largo. Normalmente, un láser de bajo ruido de fase es mucho más caro que un láser de diodo tradicional. Por el contrario, además de mantener una buena forma de pulso, hay algunos otros requisitos en el láser en un sistema ToF más allá de los que ya se requieren en los mercados de telecomunicaciones.

Costos del receptor: Si bien es cierto que los detectores FMCW pueden ser PIN de baja calidad y relativamente baratos, el costo total del receptor es elevado debido a los requisitos de la parte delantera de la óptica y la parte trasera de la electrónica. Incluso aquí, sin embargo, un sistema FMCW coaxial y un sistema ToF coaxial no verán diferencias significativas en los costos del detector en función de los tamaños de detector necesarios. El costo total del receptor favorecerá un sistema ToF. Sin embargo, donde FMCW realmente brilla en el costo es en los sistemas de corto alcance. La mayor eficiencia energética demostrada por la coherencia permite emplear láseres de diodo y se puede lograr Li-DAR a escala de chip.

Costos de óptica: En un sistema ToF típico, tiene lugar la detección incoherente (detección de pico de amplitud simple) y los elementos ópticos solo tienen que estar dentro de un cuarto de longitud de onda (llamado λ/4). En comparación, FMCW usa detección coherente y, en conjunto, todas las superficies ópticas deben estar dentro de una tolerancia mucho más estricta, como λ/20. Estos componentes pueden ser muy costosos.

Costos de electrónica: En el sistema AEye ToF, la electrónica consta de un convertidor analógico a digital (ADC) de alta velocidad y una matriz de puertas programables en campo (FPGA) que realiza la detección de picos y los cálculos de rango. El ancho de banda de la electrónica es proporcional a la resolución del rango y para los requisitos comunes del sistema Li-DAR, los componentes no son nada inusuales.

FMCW requiere tasas de conversión ADC que son de dos a cuatro veces más altas que un sistema ToF y luego debe ser seguido por un FPGA capaz de tomar los datos y realizar conversiones FFT de muy alta velocidad. Incluso con el uso de ASIC, la complejidad de los sistemas FMCW es varias veces mayor que la complejidad (y el costo) del procesamiento requerido para ToF.

Afirmación n.º 6:agregar FMCW a los arreglos ópticos en fase (OPA) compensará la falta de rendimiento de estado sólido de FMCW

Esto no está probado.

FMCW tiene un nivel de preparación técnica bajo, y los conjuntos ópticos en fase tienen un nivel de preparación técnica aún más bajo (aproximadamente TRL 3 con prueba de principio experimental y no se puede usar a escala en la medida necesaria para FMCW). El programa original DARPA Modular Optical Aperture Building Blocks (MOABB) demostró que, para lograr un rendimiento de dirección del haz de transmisión de lóbulo lateral espacial muy bajo, se necesitaban guías de ondas submicrónicas (λ/2)11. La consecuencia de necesitar guías de ondas tan pequeñas es la capacidad de manejo de energía de dichos elementos, que se identificó como una limitación fundamental del enfoque. En el lado de la recepción, la idea de acoplar la luz de una lente de entrada a un sustrato fotónico donde la luz debe recolectarse en una guía de ondas muy pequeña también es un desafío de rendimiento óptico (limitación prolongada).

La mayoría de los sistemas OPA utilizan el cambio térmico de la longitud de onda del láser para dirigir los haces en una dimensión, mientras que utilizan matrices en fase para dirigir los haces en otra dimensión. Es bien sabido que la dirección del haz de matriz en fase se degrada (crea lóbulos laterales espaciales) muy rápidamente con los cambios de frecuencia del haz láser. La combinación de un mecanismo de dirección del haz que depende de que el láser tenga una intensidad constante y una longitud de onda constante, mientras que el mecanismo de rango depende del barrido de la frecuencia (longitud de onda) del láser, no funciona bien para los enfoques FMCW tradicionales. La idea de combinar FMCW con esta tecnología de dirección de haz que se encuentra en una etapa tan temprana de desarrollo es increíblemente arriesgada. Creemos que este camino puede tomar otros 10 años para alcanzar la madurez útil.

Conclusión

AEye cree que los sistemas ToF de escaneo ágil y alto rendimiento satisfacen las necesidades de LiDAR de vehículos autónomos de manera más efectiva que FMCW cuando el costo, el alcance, el rendimiento y la calidad de la nube de puntos son importantes. Sin embargo, no es difícil ver el razonamiento lógico en el que FMCW podría desempeñar un papel de nicho en aplicaciones donde son adecuadas tasas de disparo más bajas y los sistemas FMCW son más económicos.

Este artículo fue escrito por Luis Dussan, Fundador y CTO, AEye (Dublin, CA). Para obtener más información, visite aquí .

Referencias

1. Equipo de Aurora, “FMCW Lidar:el revolucionario sistema de conducción autónoma ”, 9 de abril de 2020.
2. Philip Ross, “Aeva presenta Lidar en un chip ”, IEEE Spectrum, 11 de diciembre de 2019.
3. Timothy Lee, “Dos veteranos de Apple construyeron un nuevo sensor lidar:funciona así ”, arsTECHNICA, 2 de octubre de 2018.
4. Jeff Hect, “Láseres para Lidar:FMCW lidar:una alternativa para los vehículos autónomos ”, Laser-FocusWorld, 31 de mayo de 2019.
5. “Aeva lanza ‘4D’ LiDAR en chip para conducción autónoma ”, 16 de diciembre de 2019.
6. Phillip Sandborn, "FMCW Lidar:escalando al nivel de chip y mejorando el rendimiento limitado por ruido de fase ”, Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación, Universidad de California en Berkeley, Informe Técnico No. UCB/EECS-2019-148, 1 de diciembre de 2019.
7. “Nivel de preparación tecnológica ”, Wikipedia.
8. A Gschwendtner, W Keicher, “Desarrollo de radar láser coherente en el laboratorio Lincoln ”, Revista tecnológica del MIT, Vol. 12, n.º 2, 2000.
9. C. Patel, “Estabilidad de láseres de frecuencia única ”, IEEE J Electrónica cuántica, v4, 1968.
10. Telémetros láser Voxtel , junio de 2020.
11. P Suni et al, “Circuito integrado fotónico FMCW Lidar en un chip ”, 19.ª Conferencia de radar láser coherente.