СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА №1/2016

РОБОТОТЕХНИКА 11 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 1 2016 ● 600–1000 нм – для наземных устройств, предназначенных для ком- мерческого использования; ● ∼ 1500 нм – для наземных сканиру- ющих систем, используемых в науч- ных целях. Выбор длины волны лазерного излучателя зависит от целого ряда факторов: ● отражающих свойств сканируемых объектов; ● характеристик окружающей среды; ● чувствительности используемого де- тектора; ● необходимой степени безопасности для глаз; ● требований к конструкции устрой- ства. Помимо длины волны излучения нужно также учитывать мощность лазера. Электрооптический приёмник полу- чает энергию лазерного луча, отражён- ного или рассеянного целью, и фокуси- рует её на светочувствительном детек- торе при помощи входной оптики. Методы определения расстояния Зафиксированные значения момен- тов передачи и приёма лазерного луча используются для расчёта времени, проведённого светом в пути, и, следо- вательно, расстояния до объекта, отра- зившего луч. В системе LIDAR обычно использу- ется один из двух режимов, определя- ющих метод измерения расстояния: импульсный режим или режим непре- рывной волны. В системах с импульсной модуляци- ей, также известных как времяпролёт- ные системы, лазером излучаются еди- ничные световые импульсы с высокой частотой следования. Измеряется вре- мя, прошедшее c момента излучения импульсного сигнала до момента воз- врата отклика в приёмник. Расстояние до точки поверхности объекта, в кото- рой произошло отражение лазерного луча, может быть вычислено поформуле: D = 0,5 × c × t, (1) где c – скорость света, t – полное вре- мя прохождения светом пути до точ- ки отражения и обратно (раундтрип), D – искомое расстояние до точки отра- жения. В системах с непрерывной волной лазер излучает непрерывный сигнал, к которому затем применяется сину- соидальная амплитудная модуляция. В этом случае время прохождения све- том полного пути от передатчика до приёмника будет прямо пропорцио- нально сдвигу фаз в излучённом и при- нятом сигналах: (2) где ϕ – фазовый сдвиг, T – период сигнала. После определения времени t про- хождения луча, расстояние D, как и в первом случае, вычисляется по фор- муле (1). Для снижения неопределён- ности может быть использована мно- готоновая синусоидальная модуляция. Также в системах с непрерывной волной используется альтернатив- ный метод – с линейной частотной модуляцией. В таких системах пере- данный и принятый сигналы смеши- ваются, а для демодуляции и получения информации, содержащейся в несу- щей частоте, используется когерент- ный приёмник. Нужно отметить, что в уравнени- ях (1) и (2) предполагается, что детек- тор в течение времени t стационарен. Для случаев с передвигающимся детек- тором необходимо будет внести в урав- нения соответствующие поправки. Методы детекции Обычно в системах LIDAR использу- ется два способа детекции: прямая и когерентная. При прямой детекции приёмник преобразует сигнал непосредственно в напряжение или ток, который про- порционален входящей оптической мощности. Приёмники могут включать лавинные фотодиоды и фотоэлектрон- ные умножители. LIDAR-детекторы также могут рабо- тать в режиме счёта фотонов. В этом режиме детектор способен регистри- ровать даже очень небольшое количе- ство фотонов, а в режиме счётчика Гей- гера становится чувствительным даже к отдельным фотонам. Электронная схема приёмника производит измере- ние генерируемого тока с поправкой на время пролёта фотонов в приёмни- ке, в результате чего получается прямое измерение момента приёма оптическо- го отклика. При когерентной детекции получен- ный оптический сигнал смешивается с локальным осциллятором посред- ством гетеродина, и только после этого фокусируется на фоточувстви- тельном элементе. При смешивании информация преобразуется в узкопо- лосный сигнал, что снижает шум по сравнению с методом прямого детек- тирования, где используется оптиче- ский фильтр. Бегущий луч и массив Важно отметить, что описанные методы определения расстояния и спо- собы детектирования требуют различ- ной геометрии приёмников. В целом, большинство коммерческих систем LIDAR работают по принципу «бегущего луча», где для одного излу- чённого импульса фиксируется один или несколько (как правило, от 2 до 5) значений расстояния для оптических сигналов, вернувшихся вдоль одной и той же линии визирования (множе- ственные возвраты). Для следующего импульса подсистема целеуказания изменяет направление линии визи- рования, и затем снова записывается несколько значений расстояния. Этот метод – метод точечного скани- рования – обычно применяется в систе- мах LIDAR, работающих в линейном режиме, при котором энергия лазера фокусируется на малой области иссле- дуемой поверхности, и требуется доста- точно сильный отражённый сигнал для записи отклика и расчёта дистанции. Однако существуют также системы LIDAR, которые используют лазерное излучение для засветки большой пло- щади поверхности. При этом они осна- щены покадровым матричным детекто- ром с целью измерения значений рас- стояния для каждого пикселя в массиве. Этим системам с кадровой развёрткой требуется небольшая сила отражённо- го сигнала. Они записывают сотни или даже тысячи расстояний для излучён- ного импульса. П ОДСИСТЕМА РАЗВЁРТКИ ( СКАНИРОВАНИЯ ) В тех случаях, когда необходимо не просто определить расстояние до объ- екта, а сделать обзор целевой обла- сти, система LIDAR должна произво- дить измерения во множестве точек. Для построения сцены целевой обла- сти пространства используется ком- бинация движения LIDAR-устройства в целом и работы подсистемы развёрт- ки, через которую проходит излучае- мый оптический сигнал. Распространённый вариант реализа- ции подсистемы развёртки основан на использовании качающегося зеркала. Последовательное изменение направ-