Lidar Systembilder Kugel im Flug

Das GE Energy-Kontrolllabor in Niskayuna war früher die Heimat einiger Lasergeräte. Sie hielten das Schild (vermutlich, um Besucher abzuschrecken).Das GE Energy-Kontrolllabor in Niskayuna war früher die Heimat einiger Laser-Ausrüstung. Sie hielten das Schild (vermutlich, um Besucher abzuschrecken).

Lidar Imaging gibt es schon fast so lange wie das Technologie, auf der es basiert, der Laser. Aber im Gegensatz zu seiner bekannteren Cousin, Radar, es wurde hauptsächlich zu Forschungszwecken verwendet. Der Grund Wissenschaftler wissen so viel über die Dichte von Aerosolen im oberen Bereich Atmosphäre ist weitgehend auf die Praxis des Schießens mächtig Laser in die Atmosphäre und untersuchen das Rücksignal. Das fasst den entscheidenden Unterschied zwischen Lidar und Radar zusammen: Lidar funktioniert mit einer kürzeren Wellenlänge, so kann es im Prinzip erkennen und (manchmal) kleinere Objekte wie Aerosolpartikel abbilden.

Dieser Unterschied wurde jetzt eine spektakuläre Demonstration gegeben, mit Forschern, die das Profil einer Luftgewehrkugel in Abbilden Flug mit einer Auflösung von etwa einem Mikrometer (ein Luftgewehr Kugel ist ca. 5mm lang). Während Luftgewehre einen eher niedrigen Wert haben Mündungsgeschwindigkeit hätten die Forscher die Kugel aus abbilden können eine Waffe mit einer sehr hohen Mündungsgeschwindigkeit und hatte noch eine Auflösung von etwa 10 Mikrometern.

Zwei Laser, die noch keine Zwillinge sind

Altmodische Lidar-Systeme (und sogar neuere Lidar-Systeme) arbeiten daran Das bewährte Prinzip der Flugzeit. Grundsätzlich senden Sie einen Lichtimpuls aus und notieren Sie die Zeit, die zum Empfangen einer Echo. Dies ist ein ziemlich einfaches System, vorausgesetzt, Sie möchten nicht sehr gute Abstandsgenauigkeit.

Ein Freund von mir hat ein Lidar-System gebaut für Aerosolmessungen. Sein Laser strahlte Impulse aus, die ungefähr waren fünf Nanosekunden (eine Nanosekunde ist eine Milliardstel Sekunde) in Dauer, die ihm bestenfalls eine Entfernungsauflösung von etwa ergibt einen Meter. In Anbetracht dessen, dass er Aerosole im oberen Bereich studierte Atmosphäre, eine Auflösung von einem Meter war in Ordnung.

Es ist auch nicht so schwierig, Lichtimpulse zu erzeugen, die es sind erheblich kürzer. Ich habe einmal mit einem Laser gearbeitet, der eine 35 hatte Femtosekunden – Pulsdauer (eine Femtosekunde ist ein Millionstel der Milliardstel eine Sekunde (10-15s), die wäre, wenn ich sie benutzt hätte Lidar, gab mir eine Entfernungsauflösung von etwa fünf Mikrometern. Nur dass es nicht so wäre. Das Problem ist das elektronische Licht Detektoren sind nicht schnell genug. Auf der Detektorseite der 35fs-Impuls wird als 0,5-ns-Impuls aufgezeichnet, der etwa 15.000-mal länger ist. Wenn das Der Puls prallt wie eine Kugel von einem Gegenstand ab, ich kann das sehen Reflexion, aber die Änderung der Pulsform, die Informationen enthält über die Form der Kugel, wird von der langsamen ausgewaschen Elektronik.

Wir haben gute optische Systeme gebaut, mit denen sich Änderungen in. Messen lassen Entfernung im Pikometerbereich (10-12m) mit Interferometer – wenn Sie Gravitationswellendetektoren als Ihre Standardmäßig können wir 10 Millionen Mal besser als ein Pikometer. Das Unterschied zwischen diesen Systemen und einem Flugzeit-Lidar-System ist, dass die Interferometer Licht vergleichen, das von der Gegenstand zum Licht, das eine örtlich festgelegte Entfernung reist. Wir messen die Unterschied zwischen den beiden Entfernungen durch die Interferenz zwischen den beiden Lichtstrahlen.

Das einzige mögliche Problem besteht darin, dass sich das Objekt verschiebt Abstand um genau eine Wellenlänge, das Signal von der Interferenzen sehen genauso aus. Über kurze Strecken, wie in Mit einem Mikroskop kann dies behandelt werden. Aber für lange Strecken und große Objekte, das Problem der Bestimmung von Abstandsänderungen, die sind größer als die Wellenlänge des Lichts werden wirklich hart.

Die Lösung scheint zu sein, Flugzeit und Zeit zu kombinieren Interferometrie.

Laser, die sehr kurze Lichtimpulse erzeugen, sind etwas ganz Besonderes. In Bezug auf die Zeit produzieren sie eine sehr regelmäßige Reihe von kurzen, scharfe Lichtimpulse. Aber wenn Sie das Licht betrachten, dass der Laser emittiert, es ist keine einzige Farbe. In der Tat, wenn Sie dazu bereit wären opfern Sie ein Auge, indem Sie auf die Leistung eines solchen Lasers schauen, auf Ihr Auge würde es (kurz vor dem Erblinden) als das Weiße wahrnehmen Licht von einer Schreibtischlampe.

Der Schein würde täuschen. Während der Laser viele, viele emittiert Farben erzeugt es kein glattes Spektrum. Stattdessen jede Farbe ist eine scharf definierte reine Farbe, und jede ist von ihrer getrennt Nachbarn durch eine feste Frequenz. Es ist diese Eigenschaft – ein Lichtimpuls das setzt sich aus einer Vielzahl von unterschiedlichen und genau zusammen Getrennte Farben – das ist der Schlüssel für eine genaue Bereichseinstellung.

Lichter, Kamera, Action

Um tatsächlich Messungen mit dieser Genauigkeit durchzuführen, war a ganz neues LaserSystem. Und die Forscher verwenden tatsächlich zwei Kopien desselben Lasersystems. Ich werde hier nicht auf Details eingehen, außer zu sagen, dass die Technik, die sie verwenden, Impulse erzeugt, die beide sind sehr kurz und haben eine sehr hohe Impulswiederholungsfrequenz – ungefähr 100 GHz, obwohl die beiden Laser leicht unterschiedliche Wiederholungen aufweisen Frequenzen. Sie haben auch einen etwas anderen Abstand zwischen die Farben.

Das Messverfahren ist etwas kompliziert, aber hier ist ein Umriss davon. Wir haben zwei Laser, die ich als Ranging bezeichnen werde Laser und der Referenzlaser. Wenn diese beiden Lichtstrahlen geleuchtet werden Zusammen auf einem Fotodetektor hängt das Ergebnis davon ab, ob der Impulse überlappen sich zeitlich. Wenn die Impulse von den beiden Lasern nicht Überlappend gibt die Fotodiode zwei Mikrowellenfrequenzen aus Signale – eines, das der Lücke zwischen den Farben im Bereich entspricht Laser und der andere aus der Lücke im Referenzlaser. Wenn die Impulse von den beiden Lasern überlappen sich, zwei zusätzliche Funk Frequenzen erscheinen: Diese beiden neuen Frequenzen entsprechen dem Trennung der Farben von den beiden verschiedenen Lasern.

Die Laser haben leicht unterschiedliche Pulsfolgefrequenzen, so schwingt mit der Zeit der Ausgang der Fotodiode ab Erzeugen von zwei Signalen zu Erzeugen von vier und wieder zurück. Die Phase dieser Schwingung sagt uns über die Überlappung zwischen den beiden Impulse.

Und genau das bestimmen die Forscher Abstand zu einem Objekt. Der Entfernungslaser wird an einem reflektiert Objekt, und das Rücksignal wird mit dem Referenzlaser gemischt. Je nach Überlappung der beiden Impulse beträgt der Abstand zu einem Objekt kann mit einer Genauigkeit zwischen 250nm und 12nm bestimmt werden (je nachdem, wie lange die Forscher durchschnittlich arbeiten). In der Tat ist es hängt von der Phase dieser Überlappungsschwingung im Vergleich zu a ab Referenzsignal, das von Licht erzeugt wird, das das Licht nie verlässt system.

Wie schnell können Sie die Position eines Objekts aktualisieren? Das hängt davon ab auf die Geschwindigkeit der Überlappungsschwingung, die etwa 100 MHz ist, was bedeutet, ein Update alle 10ns. Mittelwertbildung erhöht die Genauigkeit unter Beeinträchtigung der Abbildungsgeschwindigkeit. Bei höchster Genauigkeit ist die Die Position wird alle 13 Mikrosekunden aktualisiert.

Das Lidar-System kombiniert das Beste aus einem Flugzeit-Lidar mit den besten interferometrischen Sensoren. Leider auch kombiniert ihre Nachteile. Im aktuellen Setup werden die Impulse von Die Entfernungsmesser haben einen Abstand von ca. 1,5 mm. Ist der Abstand zu Ist ein Objekt ein Vielfaches davon, dann sieht das Signal genau so aus gleich. Es gibt Möglichkeiten, das zu beheben, aber diese Verbesserungen werden es schaffen auf eine zukünftige Iteration warten.

Sie benötigen dafür mehr als eine Goldkarte

Diese Technik erfordert eine beeindruckende Ausrüstung. Die Laser selbst sind ziemlich banal und basieren weitgehend auf Komponenten verwendet in optischen Faserkommunikationssystemen. Die sehr kurzen Impulse werden durch Lichtlenkung in einem kleinen Ring erzeugt, der als Mikroring bezeichnet wird Resonator, in einem Glaschip. Obwohl diese besonderen Mikroringen Resonatoren sind nicht im Handel erhältlich, sie werden unter Verwendung von hergestellt Standardfertigungstechniken – ein Wafer davon ist teuer, aber Es hat viele Ringe.

Es ist der Lichtdetektor – und die Art und Weise, wie die Forscher und erkennen Verarbeiten Sie die Funkfrequenzen des Lichtdetektors Atem rauben. Um dies für eine der am häufigsten verwendeten Lidar zu verwenden Bei Anwendungen würden wir über die Verdoppelung Ihrer Kosten sprechen Traum autonomes Fahrzeug.

Die Forscher skizzieren den Eindruck eines Künstlers, wie nutzbar er ist System könnte aussehen. In ihrem Bild wird das gesamte System mit Strom versorgt ein paar Diodenlaser – etwas teurere Versionen des Laser für CD-Player. Diese sind direkt mit dem gekoppelt Geräte, die sehr kurze Impulse erzeugen – die kleinen Glasscherben das enthält Mikroresonatoren – und von dort geht das Licht raus zum Ranging-System.

Die Forscher schlagen vor, dass alle teuren Detektor und Signalverarbeitungsgeräte können durch ein Feld ersetzt werden programmierbares Gate-Array (FPGA) und ein Analog-Digital-Wandler. Im Prinzip ist das richtig. Aber der Detektor ist der Grund warum ihr digitaler Abtastumfang (nicht mehr als ein paar FPGAs, ein Analog-Digital-Wandler und ein vergoldetes Preisschild) ist so teuer. Ich glaube ehrlich gesagt nicht, dass dies ein vernünftiger Fall sein wird Preiswertes Lidar-System jederzeit verfügbar.

Das andere, was die Forscher im Vorbeigehen erwähnen, ist das Dieses System kann derzeit nicht mit Laserdioden betrieben werden. Eigentlich, Im Forschungssystem setzen sie einen einigermaßen leistungsstarken Laser ein Fahr es. Die Forscher glauben, dass dieses Problem durch gelöst werden kann Verbesserung der Herstellung der Glasringe. Ich kenne Firmen die Ich habe einige Zeit an diesem Problem gearbeitet und Verbesserungen vorgenommen sind langsam und kosten eine Menge fehlgeschlagener Ideen.

Kurz gesagt, diese Arbeit ist wunderschön, aber es könnte eine Weile her sein Sie können das Los damit losfahren.

Science, 2018, DOI: 10.1126 / science.aao3924

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