LiDAR দ্রুত আগ্রহ অর্জন করছে এবং ADAS এবং স্বয়ংক্রিয় যানবাহন সেন্সিং সিস্টেমে স্থাপন করা হচ্ছে, তবে প্রযুক্তিটি বাস্তবায়নের বিভিন্ন উপায় রয়েছে। এই কাগজটি এই পদ্ধতিগুলি এবং সুসঙ্গত LiDAR সনাক্তকরণের আপেক্ষিক সুবিধাগুলি ব্যাখ্যা করে।
আলো সনাক্তকরণ এবং রেঞ্জিং (লিডার) 1930 এর দশকে প্রথম ধারণা করা হয়েছিল, প্রায় একই সাথে রেডিও সনাক্তকরণ এবং রেঞ্জিং (রাডার)। যাইহোক, 1960-এর দশকে লেজারের আবির্ভাবের আগ পর্যন্ত প্রযুক্তিটি প্রমাণিত হয়নি এবং পরবর্তী বছরগুলিতে, অপটিক্যাল যোগাযোগের বিকাশ লেজার এবং অপটিক্যাল মডুলেশন প্রযুক্তিতে উল্লেখযোগ্য অগ্রগতির দিকে পরিচালিত করে।
2008 সালে, প্রথম বাণিজ্যিকভাবে উপলব্ধ LiDAR সিস্টেম, প্রাথমিকভাবে 'অপটিক্যাল রাডার' নামে পরিচিত, একটি ভলভো যাত্রীবাহী গাড়িতে আত্মপ্রকাশ করে। এই যুগান্তকারী প্রযুক্তিটি প্রথম অটোমেটিক ইমার্জেন্সি ব্রেকিং (AEB) সিস্টেমগুলির মধ্যে একটিকে শক্তি দেয়, যা পিছনের প্রান্তের সংঘর্ষ প্রতিরোধ বা প্রশমিত করতে যানবাহনগুলিকে স্বয়ংক্রিয়ভাবে ব্রেক করতে সক্ষম করে।
15 বছর আগে এটির প্রাথমিক প্রবর্তনের পরে (এবং AEB-এর একটি সস্তা বিকল্প হিসাবে রাডার দ্বারা এর পরবর্তী প্রতিস্থাপন), উচ্চ-রেজোলিউশন লিডার দ্রুত স্ব-চালিত গাড়ি প্রোগ্রামগুলির জন্য একটি প্রধান উচ্চ-রেজোলিউশন সেন্সরে পরিণত হয়েছে এবং বিভিন্ন প্রযুক্তিগতভাবে উত্সাহিত করেছে। উদ্ভাবনী এবং ভাল অর্থায়নের স্টার্ট আপ। বৃহত্তর পরিসর, উচ্চতর রেজোলিউশন, এবং গাড়ির আশেপাশের রিয়েল-টাইম 3D ভিজ্যুয়ালাইজেশন অফার করে, প্রযুক্তিটি এখন শুধুমাত্র স্বায়ত্তশাসিত ড্রাইভিংয়ের জন্য নয়, যাত্রীবাহী গাড়ি এবং বাণিজ্যিক ক্ষেত্রে অ্যাডভান্সড ড্রাইভার অ্যাসিসট্যান্স সিস্টেম (ADAS) এর পরিপূরক হিসেবে একটি গুরুত্বপূর্ণ সেন্সর প্যারাডাইমে পরিণত হয়েছে। নৌবহর
LiDAR সেন্সরগুলি তাদের আশেপাশের 3D চিত্রগুলি সনাক্ত করতে এবং তৈরি করতে ইনফ্রারেড বর্ণালীতে ফোটন নির্গত করে। তারা স্বয়ংচালিত অ্যাপ্লিকেশন খুব জনপ্রিয় হতে প্রমাণিত হয়. রাডারের উপরে LiDAR-এর প্রধান সুবিধা হল যে ব্যবহৃত আলোর তরঙ্গদৈর্ঘ্য খুব কম, যা সুনির্দিষ্ট পরিমাপের জন্য অনুমতি দেয়। এছাড়াও, LIDAR যেকোন আলোর অবস্থায় কাজ করতে পারে এবং ক্যামেরার তুলনায় এর একটি ভাল সনাক্তকরণ পরিসীমা রয়েছে। LIDAR সেন্সর দ্বারা ক্যাপচার করা ডেটা একটি "পয়েন্ট ক্লাউড" হিসাবে গণ্য করা যেতে পারে।
একটি LiDAR সিস্টেম বিকাশ করার সময় অনেকগুলি বিষয় বিবেচনা করতে হবে, যেমন কোন তরঙ্গদৈর্ঘ্য ব্যবহার করতে হবে, কীভাবে স্ক্যান করতে হবে এবং কীভাবে হস্তক্ষেপের সাথে মোকাবিলা করতে হবে। যাইহোক, সিস্টেমটিকে সবচেয়ে বড় সিদ্ধান্ত নিতে হবে যে কীভাবে ফেরত আসা ফোটনগুলি সনাক্ত করা যায়। দুটি প্রধান প্রতিযোগী আছে, সরাসরি সনাক্তকরণ এবং সুসংগত সনাক্তকরণ।
সরাসরি সনাক্তকরণ
একটি সরাসরি সনাক্তকরণ সিস্টেমে, একটি লেজার পালস নির্গত হয়, কার্যকরভাবে একটি টাইমার শুরু করে। যখন লেজার পালসের রিটার্ন প্রাপ্ত হয়, তখন এটি থামে এবং অতিবাহিত সময়ের উপর ভিত্তি করে দূরত্ব গণনা করে। চিত্র 1 দেখুন।
চিত্র 1: যেহেতু আলোর গতি (c) ধ্রুবক, তাই লক্ষ্যের দূরত্ব হল Δtc/2, যেখানে Δt হল ফোটন ট্রান্সমিশন শুরু হওয়া এবং ফোটন গ্রহণের সামনের মধ্যবর্তী সময়।
প্রায় 50 মিটার পর্যন্ত দূরত্বের জন্য, একটি উচ্চ-মানের টিউনেবল একক-মোড লেজারের প্রয়োজন নেই (যেহেতু এটি কেবল একটি উত্স যা অল্প সময়ের মধ্যে প্রচুর সংখ্যক ফোটনকে সংকুচিত করে) বা মড্যুলেশন, এইভাবে ড্রাইভ সার্কিট্রিকে সরল করে। বা তরঙ্গফ্রন্ট বিকৃতির জন্য ক্ষতিপূরণের জন্য স্পষ্টতা অপটিক্সের প্রয়োজন হয় না।
কেন স্বল্প পরিসর? দূরত্বের সাথে আলোকসজ্জার ক্ষেত্র বাড়লে রিটার্ন পাওয়ার কমে যায় (দূরত্বের বর্গ হিসাবে)। দ্রষ্টব্য: এটি গণনা করার সূত্রটি হল: রিটার্ন পাওয়ার প্রায় ট্রান্সমিট পাওয়ার x (টার্গেট এলাকা/আলোকিত এলাকা) x (রিসিভ এলাকা/(π x রেঞ্জ2)) এর সমান। এই ক্ষতি এড়ানো যায় না, তাই সহজ সমাধান হল আরও শক্তি প্রেরণ করা বা রিসিভারের সংবেদনশীলতা বাড়ানো।
যাইহোক, লেজার শক্তি ব্যবহার করা যেতে পারে যে পরিমাণ একটি সীমা আছে. তীব্র কাছাকাছি-ইনফ্রারেড (IR) আলো (800 থেকে 1400ηm) মানুষের দৃষ্টিশক্তি নষ্ট করতে পারে। ADAS বা স্ব-ড্রাইভিং কার অ্যাপ্লিকেশনগুলিতে NIR আলোর ট্রান্সমিশন পাওয়ার বাড়ানো অন্য রাস্তা ব্যবহারকারী এবং পথচারীদের জন্য বিপদ ডেকে আনতে পারে।
প্রাপ্তির সংবেদনশীলতা উন্নত করার জন্য, বৃহত্তর এলাকা গ্রহণকারী লেন্স ব্যবহার করে ফোটন সংগ্রহ বাড়ানো যেতে পারে। উপরন্তু, avalanche photodiodes (APDs, photodiodes with intrinsic gain) ব্যবহার করা যেতে পারে, যদিও এগুলো ব্যয়বহুল, ভঙ্গুর এবং ছোট (যা সিস্টেম অপটিক্সকে আরও জটিল করে তোলে) এবং স্ব-উত্পাদিত শব্দের আগে প্রায় 15 গুণ লাভ প্রদান করতে পারে। একটি A সমস্যা হয়ে যায়। অন্যান্য সেন্সর প্রকার, যেমন Geiger Mode Avalanche Photodetectors (GMAPDs) এবং Single Photon Avalanche Detectors (SPADs), সরাসরি সনাক্তকরণ LIDAR সিস্টেমে ভাল সংবেদনশীলতা প্রদান করে, কিন্তু তুষারময়, ধুলোবালি বা কুয়াশাচ্ছন্ন পরিবেশে কম কার্যকর।
উপরন্তু, সমস্ত শনাক্তকরণ সিস্টেমের জন্য কিছু ধরনের হস্তক্ষেপ প্রশমন প্রয়োজন। এটি রাডার বা LIDAR যাই হোক না কেন, সিস্টেমটিকে জানতে হবে যে রিসিভার দ্বারা প্রাপ্ত সংকেত (হয় স্পন্দিত রেডিও তরঙ্গ বা ফোটন) ট্রান্সমিটার থেকে আসছে। স্পন্দিত স্বয়ংচালিত রাডারের প্রথম দিকে হস্তক্ষেপের সমস্যা দেখা দেয়। একবার অনেক গাড়ি রাডার দিয়ে সজ্জিত ছিল, পারস্পরিক হস্তক্ষেপ একটি সমস্যা হয়ে ওঠে। সবচেয়ে জনপ্রিয় সমাধান ছিল সুসঙ্গত সনাক্তকরণ কৌশলগুলিতে স্যুইচ করা, যেখানে রাডার সিস্টেম প্রাথমিকভাবে ফ্রিকোয়েন্সি মড্যুলেটেড একটানা তরঙ্গ ব্যবহার করে (FMCW - নীচে দেখুন)।
সরাসরি সনাক্তকরণ লিডারের আরেকটি সীমাবদ্ধতা হল যে এটি প্রতিটি বিন্দুতে সরাসরি বেগ পরিমাপ করে না - পরিবর্তে, সময়ের সাথে পরিসরটি কীভাবে পরিবর্তিত হয় তা নির্ধারণ করে (অর্থাৎ একাধিক পরবর্তী ফ্রেমের তুলনা করা) যা সিস্টেমের প্রতিক্রিয়াশীলতাকে ক্ষতিগ্রস্ত করতে পারে তা নির্ধারণ করে গণনা করা উচিত।
সুসংগত সনাক্তকরণ এবং FMCW
এতে প্রেরিত আলোর সাথে ঘটনা আলোর নমুনা মেশানো জড়িত, যার দুটি প্রধান সুবিধা রয়েছে। প্রথমত, ফোটন লাভের গোলমাল-মুক্ত পরিবর্ধন ফেজ-লেংথ ইন্টারফারেন্সের মাধ্যমে অর্জন করা যেতে পারে (অর্থাৎ, প্রাপ্ত সংকেতটি প্রেরিত সংকেত দ্বারা গুণিত হয়), যা সিস্টেমটিকে খুব কম শক্তির লেজারের সাথে চমৎকার সংবেদনশীলতা অর্জন করতে দেয়। দ্বিতীয়ত, প্রেরিত এবং প্রাপ্ত সংকেতগুলিকে মিশ্রিত করা LiDAR সিস্টেমকে অত্যন্ত নির্বাচনী করে তোলে, কারণ আলো যা ঠিক একই তরঙ্গদৈর্ঘ্যের নয় (যেমন, সূর্যালোক বা প্রতিবেশী LiDAR সিস্টেমের আলো) উপেক্ষা করা হয়।
সুসংগত সনাক্তকরণ LiDAR সিস্টেমগুলি বাস্তবায়নের বিভিন্ন উপায় রয়েছে, তবে সর্বাধিক জনপ্রিয় হল ফ্রিকোয়েন্সি মড্যুলেটেড কন্টিনিউটি ওয়েভ (FMCW) মড্যুলেশন। চিত্র 2 একটি সরলীকৃত উদাহরণ দেখায়।
চিত্র 2: লেজারটি প্রায় 1550 এনএম কাজ করে এবং কয়েকশ মেগাহার্টজ (যেমন, 1550.002 থেকে 1550 এনএম পর্যন্ত) মড্যুলেট করে। নির্গত (এবং প্রতিফলিত) সংকেত প্রায় 200 THz। অপটিক্যাল মিশ্রণের পরে, ফটোডিওড দুটি সংকেতের যোগফল এবং পার্থক্য উপস্থাপন করে। ফটোডিওডের একটি সীমিত ব্যান্ডউইথ রয়েছে এবং এটি প্রায় 400 THz এর সমষ্টিতে সাড়া দেয় না এবং শুধুমাত্র কয়েকশ মেগাহার্টজের পার্থক্য সংকেত সনাক্ত করতে পারে।
অনুশীলনে, লেজারটি ফ্রিকোয়েন্সিতে উপরে এবং নিচে স্ক্যান করে একটি করাত প্রফাইল (ফ্রিকোয়েন্সি বনাম সময়) তৈরি করা হয় যেখান থেকে দূরত্ব এবং বেগ বের করা যায়; পরেরটির জন্য, ডপলার প্রভাব বিবেচনা করুন। চিত্র 3 অপটিক্সের আরও বিস্তারিত ওভারভিউ দেখায়।
চিত্র 3: একটি FMCW লিডার সিস্টেমের প্রধান অপটিক্যাল উপাদান।
যদিও সরাসরি সনাক্তকরণ সিস্টেমের চেয়ে জটিল, FMCW লিডারের অনেক সুবিধা রয়েছে। উদাহরণস্বরূপ, উপরে উল্লিখিত হিসাবে, ফেরত সংকেত প্রেরণকারী উত্স থেকে অর্জিত নমুনা দ্বারা গুণিত হয় (স্থানীয় অসিলেটর, চিত্র 4-এ LO)। লিডারের হাই পাথ লসের কারণে, এমনকি কয়েক শতাংশ LO রিটার্ন সিগন্যালের চেয়ে অনেক বড় হতে পারে। সংকেত পরিবর্ধনের পরিমাণ খুব বেশি, কিন্তু ঠিক একই তরঙ্গদৈর্ঘ্যের সংকেতের মধ্যে সীমাবদ্ধ, যা উচ্চ ফোটন দক্ষতার দিকে নিয়ে যায়।
উদাহরণস্বরূপ, প্রায় 300 মিটার পরিসরের একটি FMCW লিডার সিস্টেম 200mW এর কম লেজার শক্তি দিয়ে উপলব্ধি করা যেতে পারে। একই পরিসরের জন্য, অনুরূপ সরাসরি শনাক্তকরণ সিস্টেমের জন্য সর্বোচ্চ শক্তির 1000 গুণ প্রয়োজন হবে। উল্লেখযোগ্যভাবে, FMCW LiDAR-এর অন্যান্য ক্ষেত্রগুলির কেন্দ্রস্থলে রয়েছে; উদাহরণস্বরূপ, কয়েক কিলোমিটার পর্যন্ত রেঞ্জ সহ অপটিক্যাল অলটাইমেট্রি যন্ত্র এবং 500 মিটারের বেশি রেঞ্জ সহ বায়ু চরিত্রায়নের জন্য লেজার ডপলার লিডার যন্ত্র।
সুসংগত লিডারের আরেকটি সুবিধা হল সংকেত চেইনের বরং কম ব্যান্ডউইথ। আমরা যদি চিত্র 3-এ তরঙ্গদৈর্ঘ্য বিবেচনা করি (যেখানে লেজার 1550.002 থেকে 1550ηm পর্যন্ত স্ক্যান করা হয়), ফটোডিওড ব্যান্ডউইথ কয়েকশ মেগাহার্টজে সীমাবদ্ধ হতে পারে। প্রাপ্ত নাড়ির অগ্রবর্তী প্রান্তটি সমাধান করার জন্য সরাসরি সনাক্তকরণ সিস্টেমগুলির জন্য যতটা সম্ভব প্রশস্ত ব্যান্ডউইথ প্রয়োজন (সাধারণত 2GHz-এর বেশি)।
বোধগম্যভাবে, সংকীর্ণ ব্যান্ডউইথ ফটোডিওডে কম শব্দ মিউচুয়াল ইম্পিডেন্স এমপ্লিফায়ার এবং ধীরগতির অ্যানালগ-টু-ডিজিটাল রূপান্তরকারী ব্যবহার করতে দেয়।
অবশেষে, সুসংগত সনাক্তকরণ প্রতি-পয়েন্ট বেগের তথ্য সরবরাহ করে। প্রতি-পয়েন্ট বেগের সুবিধা হল এটি একটি অতিরিক্ত প্রাসঙ্গিক মেট্রিক যা পরবর্তী সেন্সিং সিস্টেমগুলি LiDAR (এবং অন্যান্য সেন্সর) ডেটা ব্যাখ্যা করার সময় ব্যবহার করতে পারে, এটি আরও সচেতন সিদ্ধান্ত নেওয়া সম্ভব করে।
সুসংগত সনাক্তকরণের বিভিন্ন সুবিধাগুলি তাই তাৎপর্যপূর্ণ, কিন্তু সুসংগত লিডার এর চ্যালেঞ্জ ছাড়া নয়।
লেজারটি অবশ্যই তার আলোকে দূরতম লক্ষ্য থেকে পৌঁছানোর এবং ফিরে আসার জন্য দীর্ঘ পর্যাপ্ত সময় ধরে তার ফেজ অখণ্ডতা বজায় রাখতে সক্ষম হতে হবে। ট্রান্সমিশন সময়ের সাথে লেজারের ফেজ উল্লেখযোগ্যভাবে পরিবর্তিত হলে, সুসংগততা হারিয়ে যেতে পারে এবং দূরত্ব পরিমাপ ঝাপসা হতে পারে। উপরন্তু, এটি FM হতে হবে (FMCW এর ক্ষেত্রে)। বেশিরভাগ ডায়োড লেজারগুলি কাজ করে না, তবে কিছু সেমিকন্ডাক্টর টিউনেবল লেজার বাণিজ্যিক বাজারে উপস্থিত হয়েছে।
উপরন্তু, সমস্ত স্ক্যানিং প্রক্রিয়া সুসঙ্গত সনাক্তকরণের সাথে সামঞ্জস্যপূর্ণ নয়। রিসিভারকে প্রতিটি বিন্দুকে পর্যাপ্তভাবে পর্যবেক্ষণ করতে হবে যাতে আলো পৌঁছাতে এবং সম্ভাব্য দূরতম লক্ষ্য থেকে ফিরে আসতে পারে, কারণ রিটার্ন সিগন্যালকে প্রেরিত সংকেতের সাথে মিশ্রিত করতে হবে। উদাহরণস্বরূপ, 300 মিটার পরিসরের জন্য স্ক্যানিং প্রক্রিয়াটিকে কমপক্ষে 2 μs পর্যন্ত স্থির থাকতে হবে, কিন্তু অনেক ক্রমাগত চলমান স্ক্যানিং প্রক্রিয়া তা করতে অক্ষম।
অবশেষে, এটি লক্ষ করা গুরুত্বপূর্ণ যে সুসংগত লিডারের সংকেত প্রক্রিয়াকরণ কাজটি সরাসরি সনাক্তকরণের চেয়ে উল্লেখযোগ্যভাবে বেশি। সৌভাগ্যবশত, সেমিকন্ডাক্টর নির্মাতারা শক্তিশালী সিস্টেম-অন-চিপ (SoC) পণ্যগুলি চালু করেছে যা ডেটা কনভার্টার, মাইক্রোকন্ট্রোলার এবং ডিএসপিগুলিকে FFT গ্যাস প্যাডেলগুলির সাথে সংহত করে এই সিগন্যাল প্রক্রিয়াকরণের প্রয়োজনীয়তাগুলি মেটাতে: ইন্ডি সেমিকন্ডাক্টরের iND83301 Surya LIDAR SoC এরকম একটি উদাহরণ।
ওভারভিউ
বিভিন্ন লিডার অ্যাপ্লিকেশন বিভিন্ন ডিজাইন পদ্ধতি থেকে উপকৃত হয়। যেমন আগে উল্লেখ করা হয়েছে, উচ্চ-শক্তি স্পন্দিত সরাসরি সনাক্তকরণ অ্যাপ্লিকেশনগুলিতে ভাল কাজ করতে পারে যেমন বায়ুবাহিত স্থল সমীক্ষা যেখানে অতি-দীর্ঘ রেঞ্জের প্রয়োজন হয় এবং যেখানে LiDAR সিস্টেমগুলি একে অপরের সাথে হস্তক্ষেপ বা মানুষের চোখের ক্ষতি করার ঝুঁকি কম থাকে।
যাইহোক, যেমন ADAS এবং স্বয়ংক্রিয় গ্রাউন্ড যানবাহনগুলির জন্য অ্যাপ্লিকেশনগুলির জন্য একটি পরিসীমা প্রয়োজন<1km and where other potentially interfering LiDAR systems are likely to be deployed, coherent detection (and in particular FMCW) offers a number of advantages. These include immunity to interference (including solar), high signal-to-noise ratio (important in adverse weather conditions), locally accurate velocity detection (providing additional information to the sensing system), and ease of system modification. For these reasons, coherent LiDAR detection is gaining momentum given the multiple use cases, especially next-generation automotive sensing.
