Kohärentes Lidar

Einführung in das Funktionsprinzip von Coherent Lidar
Die Lichterkennung und Entfernungsmessung (Lidar) umfasst eine Reihe von Techniken, bei denen Laserlicht zur Messung von Entfernungen verwendet wird, indem die Zeitverzögerung zwischen gesendeten und empfangenen optischen Signalen mit der Lichtgeschwindigkeit multipliziert wird. Moderne 3D-Lidar-Sensoren kombinieren eine hohe laterale/vertikale und radiale Auflösung. Ein anderes Prinzip ist das der kohärenten Laserentfernungsmessung, vor allem das frequenzmodulierte Dauerstrich-Lidar (fmcw), bei dem der Laser so eingerichtet ist, dass er lineare optische Frequenz-Chirps aussendet. Heterodyn-Mischung mit einer Nachbildung des emittierten Laserlichts bildet die Zielentfernung auf eine Hochfrequenz ab. Die kohärente Erkennung bietet viele inhärente Vorteile, wie z. B. eine verbesserte Entfernungsauflösung, direkte Geschwindigkeitserkennung über den Doppler-Effekt und Unempfindlichkeit gegenüber Blendung und Interferenzen durch Sonnenlicht. Doch die technische Komplexität der präzisen Steuerung von frequenzagilen Lasern mit schmaler Linienbreite hat bisher die erfolgreiche Parallelisierung von FMCW-Lidar verhindert. Jeder Kanal ist in der Lage, Entfernung und Geschwindigkeit eines Ziels gleichzeitig zu messen, während die spektrale Trennung der verschiedenen Kanäle das Gerät immun gegen Kanalübersprechen macht und sich natürlich für die Kointegration mit kürzlich eingesetzten optischen Phased-Arrays auf Basis photonischer Integration eignet optische Gitteremitter. Diese Arbeit ebnet den Weg für die weit verbreitete Anwendung von kohärentem Lidar in zukünftigen Anwendungen. Die Forscher konzentrieren sich nun auf die heterogene Kointegration von Lasern, verlustarmen nichtlinearen Mikroresonatoren und Fotodetektoren in einem einzigen und kompakten photonischen Paket.

Langstreckenempfindlichkeit von kohärentem Lidar
Heutzutage gibt es viele verschiedene Lidars auf dem Markt. Sie haben eine Vielzahl von Spezifikationen und Standards müssen noch entwickelt werden. Auf einer sehr grundlegenden Ebene können Lidars danach klassifiziert werden, wie sie Licht übertragen (Modulationsformat) und wie sie Licht empfangen (Detektionsmethode). Die meisten kommerziellen Lidars verwenden amplitudenmodulierte Hochleistungslaser und Direkterkennung. Beim kohärenten Detektions-Lidar wird üblicherweise eine frequenzmodulierte Dauerstrichlaserquelle (fmcw) mit niedriger Leistung verwendet. Solche Lidars erregen in der Industrie Aufmerksamkeit aufgrund ihrer Fähigkeit, die Radialgeschwindigkeit direkt zu messen, ihrer quantenbegrenzten Empfindlichkeit und ihrer Immunität gegenüber Störungen. Die beiden beliebtesten Modulationsformate von kohärentem Lidar sind lineare Frequenzmodulation (lfm) und Phasenumtastung (psk, phasenkodiertes Lidar). Es sieht wiederum so aus, als ob man für 50 % pfr mit phasencodiertem Lidar etwa ln(m) Photonen pro Codewort benötigt. Dabei ist m sowohl die Codewortlänge als auch die Anzahl der Range-Slots. Auch eine Pulskompression mit Amplitudenmodulation und kohärenter Detektion ist möglich und es wurden Empfindlichkeiten um 800 Photonen erreicht. Andere Permutationen von Modulations- und Erkennungsformaten sind möglicherweise möglich. Für Spad-Lidar mit Amplitudenmodulation und direkter Detektion könnte im Prinzip ein einzelnes Photon für die Entfernungsmessung in völliger Dunkelheit ausreichen. In der Praxis weisen Spads eine nicht ideale Detektionseffizienz, Nachpulsung, Totzeit, Dunkelzählrate usw. auf. Wichtig ist, dass Umgebungslicht zu einem Histogramm-„Haufen“-Effekt führt, der viel mehr Photonen für eine genaue Entfernungsmessung erfordert. Interferenzen durch Sonnenlicht und Licht anderer Lidars stellen im Allgemeinen ein Problem für Direct-Time-of-Flight-Sensoren und andere Direkterkennungssensoren dar. Letztendlich liegt der Unterschied zwischen kohärenten LFM- und phasencodierten Modulations-Lidaren in den Implementierungsspezifika. Bei phasenkodierten Daten ist der Dopplereffekt schädlich für die Codeintegrität und muss im Vergleich zur LFM-Hardware mit einem komplexeren Datenverarbeitungs- und Erkennungsaufbau angegangen werden.

Photonendetektion durch kohärentes Lidar
Kohärente Detektion – ein modulierter Laser ist über einen längeren Zeitraum eingeschaltet und das Rücksignal wird vor der Photodiodendetektion optisch mit einer Probe der übertragenen Fotodetektion (dem sogenannten lokalen Oszillator) gemischt. Diese optische Mischung führt dazu, dass das Empfangssignal durch den Lokaloszillator verstärkt wird. Durch die Verwendung einer Probe des Sendesignals können wir sicherstellen, dass die Phasenbeziehung zwischen Sende- und Empfangskanälen erhalten bleibt (oder kohärent ist). Wie bei der direkten Detektion wird die Entfernung durch Messung der Zeit zwischen Photonenübertragung und -empfang berechnet. Bei der kohärenten Detektion wird jedoch eine Modulation auf das kontinuierlich (oder quasi-kontinuierlich) übertragene Signal angewendet. Da der Laser kontinuierlich sendet, wird der Echozeitpunkt durch geeignete Demodulation bestimmt, was mehr Signalverarbeitung als die direkte Erkennung erfordert. Mit der kohärenten Erkennung können wir die Geschwindigkeit direkt und unmittelbar messen (nicht durch Messung der Zielbewegung über mehrere Frames, wie dies bei der direkten Erkennung der Fall wäre), indem wir die durch Doppler verursachte Frequenzverschiebung des zurückgegebenen Signals erfassen. Bei der kohärenten Erkennung wird das einfallende Licht mit einer Probe von gemischt das durchgelassene Licht (oft als lokaler Oszillator bezeichnet). Geräuschlose Verstärkung durch photonische Verstärkung durch konstruktive Interferenz. Das Empfangssignal wird mit dem lokalen Oszillator multipliziert. Dadurch erreichen kohärente Detektionssysteme mit Lasern sehr geringer Leistung eine hervorragende Empfindlichkeit. Das effektive Mischen der Sende- und Empfangssignale führt dazu, dass das Lidar-System hyperselektiv wird. Licht, das nicht genau die gleiche Wellenlänge hat, wird einfach zurückgewiesen. Sonnenlicht, die Hauptrauschquelle bei direkt detektierten Lidar-Systemen, wird ebenso ignoriert wie benachbarte Lidar-Systeme. Während es mehrere kohärente Erkennungsschemata gibt, verwendet Lidar häufig die frequenzmodulierte Dauerstrichmodulation (fmcw). Daher werden wir fmcw verwenden, um zu veranschaulichen, wie kohärentes Lidar funktioniert.

Anwendungsbereich von kohärentem Lidar
Kohärentes Lidar sendet einen Laserstrahl auf ein Zielobjekt und misst die Phasenverschiebung und Frequenzänderung des reflektierten Lichts. Durch den Vergleich der Phase und Frequenz des emittierten und empfangenen Lichts können Entfernung, Geschwindigkeit und andere Eigenschaften des Ziels bestimmt werden. Kohärentes Lidar hat verschiedene Anwendungen, darunter autonome Fahrzeuge, Windenergie, Atmosphärenforschung, Luft- und Raumfahrt und Verteidigung. Es kann zur Objekterkennung, Verfolgung, Kartierung und Umgebungsüberwachung verwendet werden. Kohärentes Lidar spielt eine entscheidende Rolle in autonomen Fahrzeugen, indem es genaue Echtzeitdaten über die Umgebung liefert. Es hilft bei der Erkennung und Verfolgung von Objekten, misst deren Entfernung und Geschwindigkeit und ermöglicht eine sichere Navigation. Direkterkennungs-Lidar misst die Intensität des reflektierten Lichts, ohne die Phase oder Frequenz zu analysieren. Es ist einfacher und kostengünstiger als kohärentes Lidar, bietet jedoch eine geringere Genauigkeit und Reichweite.