LIDAR 유형

이 백서에서는 다양한 유형의 LIDAR 시스템 중에서도 주로 좁은 펄스 ToF 방식에 중점을 둡니다. LIDAR 시스템에는 두 가지 유형의 빔 스티어링이 있습니다.

• 기계식 LIDAR는 고급 광학 부품과 회전 어셈블리를 사용하여 넓은(일반적으로 360도) FOV를 생성합니다. 기계적 측면에서 넓은 FOV에 높은 신호 대 잡음 비율(SNR)을 제공하지만, 크기가 줄어들었음에도 구현 부피가 큽니다.
• 솔리드 스테이트 LIDAR는 회전하는 기계 부품이 없고 FOV가 감소되었으므로, 비용이 적게 듭니다. 차량의 전방, 후방 및 측면에 있는 여러 채널을 사용하고 데이터를 융합하면 기계적 LIDAR에 견줄 수 있는 FOV가 생성됩니다.

솔리드 스테이트 LIDAR에는 다음과 같은 여러 가지 구현 방법이 있습니다.

• 미세 전자 기계 시스템(MEMS) LIDAR. MEMS LIDAR 시스템은 전압과 같은 자극을 적용할 때 기울기 각도가 변화하는 초소형 미러를 사용합니다. 실제로 MEMS는 기계식 스캐닝 하드웨어를 전자 기계 등가물로 대체합니다. 수신 SNR을 결정하는 수신기 광 수집 조리개는 일반적으로 MEMS의 경우 상당히 작습니다(수 밀리미터). 레이저 빔을 여러 차원으로 이동하려면 여러 개의 미러를 캐스케이드해야 합니다. 이 정렬 프로세스는 사소한 것이 아니며 일단 장착되면 이동 차량에서 일반적으로 발생하는 충격과 진동에 취약합니다. MEMS 기반 시스템의 또 다른 잠재적 문제점은 자동차 사양이 –40°C에서 시작한다는 것으로, MEMS 장치에 문제가 될 수 있다는 것입니다.
• 플래시 LIDAR. 플래시 LIDAR 작동은 광학 플래시를 사용하는 표준 디지털 카메라의 작동과 매우 유사합니다. 플래시 LIDAR에서는 하나의 대형 영역 레이저 펄스가 전면의 환경을 비추는 반면, 레이저 가까이에 배치된 포토 디텍터의 초점 평면 배열은 후방 산란광을 캡처합니다. 디텍터는 영상 거리, 위치 및 반사 강도를 캡처합니다. 이 방법은 기계적 레이저 스캐닝 방법에 비해 단일 이미지로 전체 장면을 캡처하므로 데이터 캡처 속도가 훨씬 빠릅니다. 또한 전체 이미지가 단일 플래시에 캡처되므로 이 방법은 이미지를 왜곡할 수 있는 진동 효과에 더 영향을 받지 않습니다. 이 방법의 단점은 실제 환경에서 역반사체가 있다는 것입니다. 역반사체는 빛과 후방 산란의 대부분을 거의 반사하지 않으며, 사실상 전체 센서를 눈멀게 하고 쓸모가 없게 만듭니다. 이 방법의 또 다른 단점은 전체 장면을 조명하고 충분히 멀리 보는 데 매우 높은 피크 레이저 전력이 필요하다는 것입니다. 눈의 안전 요구 사항을 준수하기 위해 플래시 LIDAR는 주로 단거리~중거리 감지 시스템에 사용됩니다.
• 광학 위상 배열(OPA). OPA 원리는 위상 배열 레이더와 유사합니다. OPA 시스템에서 광학 위상 변조기는 렌즈를 통과하는 빛의 속도를 제어합니다. 그림 2에 나와 있는 것처럼 빛의 속도를 제어하면 광파 전면 모양을 제어할 수 있습니다. 상단 빔은 지연되지 않고 중간 및 하단 빔은 양을 늘려 지연됩니다. 이 현상은 레이저 빔이 다른 방향을 가리키도록 효과적으로 "조종"합니다. 또한 유사한 방법으로 후방 산란광을 센서 방향으로 조종할 수 있으므로 기계식 구동 부품을 제거할 수 있습니다.
  그림 2 OPA.
• FMCW(주파수 변조 연속파) LIDAR. 지금까지 나열된 방법은 좁은 광 펄스를 사용하는 ToF 원리에 기반하지만, FMCW LIDAR는 일관된 방법을 사용하여 주파수 변조 레이저 광의 짧은 처프를 생성합니다. 반환 처프의 위상과 주파수를 측정하면 시스템이 도플러 원리를 사용하여 거리와 속도를 모두 측정할 수 있습니다. 처프 생성이 복잡성을 더하더라도 FMCW 방식을 사용하면 계산 부하와 광학 구조가 더 단순해집니다. FMCW 시스템에 필요한 레이저 전력은 펄스 ToF 시스템에 필요한 것보다 상당히 낮기 때문에 FMCW는 매우 장거리 감지 응용 분야에 적합합니다. 또한 안개, 비, 눈과 같은 악천후 조건에서도 잘 작동합니다.