Sammanhängande Lidar

Introduktion till Working Princip of Coherent Lidar
Ljusdetektering och avståndsbestämning (lidar) omfattade en rad tekniker som använder laserljus för att mäta avstånd genom att multiplicera tidsfördröjningen mellan sända och mottagna optiska signaler med ljusets hastighet. Moderna 3d lidarsensorer kombinerar hög lateral/vertikal och radiell upplösning. En annan princip är den för koherent laseravståndsbestämning, viktigast av allt frekvensmodulerad kontinuerlig våg (fmcw) lidar, där lasern är inställd för att avge linjära optiska frekvenssignaler. Heterodyne-blandning med en kopia av det emitterade laserljuset kartlägger målavståndet till en radiofrekvens. Koherent detektering har många inneboende fördelar såsom förbättrad avståndsupplösning, direkt hastighetsdetektering via dopplereffekten och ogenomtränglighet för solljusbländning och störningar. Men den tekniska komplexiteten med att exakt kontrollera frekvensagila lasrar med smal linjebredd har hittills förhindrat den framgångsrika parallelliseringen av fmcw lidar. Varje kanal kan mäta avstånd och hastighet för ett mål samtidigt, medan den spektrala separationen av de olika kanalerna gör enheten immun mot kanalöverhörning, såväl som en naturlig passform för samintegration med nyligen utplacerade optiska fasade arrayer baserade på fotoniskt integrerade optiska gitteravsändare. Detta arbete banar väg för den utbredda tillämpningen av koherent lidar i tillämpningar i framtiden. Forskarna är nu fokuserade på heterogen samintegration av laser, icke-linjära mikroresonatorer med låg förlust och fotodetektorer i ett enda och kompakt fotoniskt paket.

Long Range Sensitivity of Coherent Lidar
Det finns många olika lidarer på marknaden idag. De har en mängd olika specifikationer och standarder är ännu inte utvecklade. På en mycket grundläggande nivå kan lidarer klassificeras efter hur de sänder (modulationsformat) och hur de tar emot (detektionsmetod) ljus. De flesta kommersiella lidarer använder högeffektamplitudmodulerade lasrar och direkt detektering. I koherent detektionslidar används vanligtvis en lågeffektsfrekvensmodulerad kontinuerlig våg (fmcw) laserkälla. Sådana lidarer vinner industriuppmärksamhet på grund av deras förmåga att mäta radiell hastighet direkt, kvantbegränsad känslighet och immunitet mot störningar. De två mest populära moduleringsformaten för koherent lidar är linjär frekvensmodulering (lfm) och phase shift keying (psk, faskodad lidar). Det ser ut som att man återigen behöver ungefär ln(m) fotoner per kodord för 50 % pfr med faskodad lidar. Här är m kodordslängden och antalet intervallluckor också. Pulskompression med amplitudmodulering och koherent detektering är också möjlig, och känsligheter runt 800 fotoner uppnåddes. Andra permutationer av modulerings- och detekteringsformat kan vara möjliga. För spad-lidar med amplitudmodulering och direkt detektering kan en enskild foton i princip räcka för att räcka i totalt mörker. I praktiken har spad icke-ideal detekteringseffektivitet, efterpulsering, dödtid, mörkräkningshastighet, etc. Viktigt är att omgivande ljus leder till histogram-"pile-up"-effekt som kräver många fler fotoner för exakt avståndsavstånd. Störningar som orsakas av solljus och ljus från andra lidarer är i allmänhet ett problem för direkta flygtider och andra direktdetekteringssensorer. I slutändan ligger skillnaden mellan lfm och faskodade moduleringskoherenta lidarer i implementeringsspecifikationerna. För faskodad är dopplereffekten skadlig för kodintegriteten och måste åtgärdas med en mer komplex databearbetnings- och detektionsinställning jämfört med lfm-hårdvara.

Fotondetektering av Coherent Lidar
Koherent detektion - en modulerad laser är på under en längre tid och retursignalen blandas optiskt med ett prov av den överförda fotodetektionen (kallad lokaloscillator) före fotodiodetektering. Denna optiska blandning resulterar i att mottagningssignalen förstärks av lokaloscillatorn. Genom att använda ett sampel av sändningssignalen är vi säkra på att fasförhållandet mellan sändnings- och mottagningskanaler bevaras (eller koherent). Precis som vid direktdetektering beräknas avståndet genom att mäta tiden mellan fotonöverföring och mottagning. Men i fallet med koherent detektering appliceras modulering på den kontinuerligt (eller kvasi-kontinuerligt) sända signalen. Eftersom lasern sänder kontinuerligt bestäms ekotimingen av lämplig demodulering, vilket kräver mer signalbehandling än direkt detektering. Med koherent detektering kan vi direkt mäta hastigheten omedelbart (inte genom att mäta målrörelse över flera ramar som man skulle göra med direkt detektering) genom att detektera frekvensförskjutningen av den returnerade signalen orsakad av doppler. Koherent detektion innebär att det inkommande ljuset blandas med ett prov av det utsända ljuset (ofta kallad lokaloscillatorn). Brusfri förstärkning genom fotonisk förstärkning uppnådd via konstruktiv interferens. Mottagningssignalen multipliceras med lokaloscillatorn. Som ett resultat uppnår koherenta detektionssystem utmärkt känslighet med lasrar med mycket låg effekt. Att blanda sändnings- och mottagningssignalerna resulterar effektivt i att lidarsystemet blir hyperselektivt. Ljus som inte har exakt samma våglängd avvisas helt enkelt. Solljus, den största bruskällan i lidar för direktdetektering, ignoreras, liksom närliggande lidarsystem. Även om det finns flera koherenta detektionsscheman, använder lidar ofta frekvensmodulerad kontinuerlig våg (fmcw) modulering. Så vi kommer att använda fmcw för att illustrera hur koherent lidar fungerar.

Användningsområde för sammanhängande Lidar
Koherent lidar avger en laserstråle mot ett målobjekt och mäter fasförskjutningen och frekvensförändringen av det reflekterade ljuset. Genom att jämföra fasen och frekvensen för det emitterade och mottagna ljuset kan den bestämma avståndet, hastigheten och andra egenskaper hos målet. Coherent lidar har olika tillämpningar, inklusive autonoma fordon, vindenergi, atmosfärisk forskning, flyg och försvar. Den kan användas för objektdetektering, spårning, kartläggning och miljöövervakning. Koherent lidar spelar en avgörande roll i autonoma fordon genom att tillhandahålla korrekta och realtidsdata om den omgivande miljön. Det hjälper till att upptäcka och spåra föremål, mäta deras avstånd och hastighet och möjliggöra säker navigering. Direktdetektering lidar mäter intensiteten av det reflekterade ljuset utan att analysera fas eller frekvens. Det är enklare och billigare än koherent lidar men erbjuder lägre noggrannhet och räckvidd.