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LED與檢測技術的結合 共促新型測距應用的發展

August 12, 2016

 

 

與光的渡越時間(Time of Flight)原理相結合,脈衝LED可以用來實現目標檢測以及距離測量等應用,且不存在距離限制或誤報缺陷,Michael Poulin寫道

 

        高功效LED技術以及波束成形光學的不斷發展﹐讓LED得以有希望將應用領域擴展到距離測量及目標探測(檢測)領域。事實上,LED以及傳感器技術已經具備了實現強健而精確的測距系統的潛能﹐甚至能夠實現多目標檢測。脈衝LED技術具有天然的對人眼的安全性﹐並且﹐相比傳統技術(包括雷達和雷射技術)有著多方面的優越性。

        在過去的25年裡﹐測距技術領域(尤其是檢測技術方面)不曾有過多少較大的創新。大多數的發展都集中在應用領域﹐抑或是對現有系統的優化方面。在本文中﹐我們將描述一種用於偵測來自LED的脈衝光信號的全新方法﹐它解決了諸如距離限制或誤報等已知的問題。這種被稱作發光二極管探測與測距(LEDDAR)的技術﹐基於光的渡越時間(ToF)原理﹐採用數字訊號處理(DSP)算法對收集的反射光中的背向散射(backscatter)信號進行處理。

首先﹐讓我們來看看目前正在使用的各種探測和測距方法。使用最廣泛的技術包括雷達、雷射掃描儀、光電探測器和超聲技術等等。

        每種傳統的實現方法﹐都有著各自的優點與缺點。例如﹐雷達技術擁有優越的探測範圍﹐但會受到虛假回波的影響並且刷新速率也不是最佳。雷射掃描儀使用平行光束進行測距﹐這避免了假回波的問題﹐但這些設備可能會很昂貴、複雜且容易損壞。超音波探測器成本相對較低﹐但測量範圍有限﹐也會受到塵埃之類的因素的影響。光電探測器性能優越,速度快且價格便宜﹐但探測範圍也非常有限。

        事實上,隨著探測能力的發展﹐一方面探測精度與範圍得到了提高﹐另一方面實現的成本更低且可靠性更高﹐探測技術的應用範圍也在不斷地擴展。以LED為基礎的技術就具有這樣的潛能。與其他技術相比,LEDDAR技術正常工作時適用的標準範圍最廣。

        正如前面提到的,這種創新型的LED方法是基于光的渡越時間原理﹐使用紅外光譜段的光波進行探測和測距。這種新型技術不僅具有比傳統方法更加越的性能﹐而且能夠實現適應性最強而最易于實現的解決方案﹐得以滿足難以計數的應用場合。

 

探測應用

        LEDDAR技術能夠服務的領域包括農業、交通管理、車輛存放、工業安全、安保與監視、建築、防禦與航空、機器人、自動化、甚至水下應用等等。特殊應用的實例包括:

  • 光柵欄(optical barriers)

  • 智慧停車

  • 液位檢測(level sensing)

  • 吊車操作

  • 大型車輛防撞檢測

  • 碼頭車輛定位檢測

  • 檢查站卡車分類檢測

  • 障礙門控的車輛檢測

        這裡列舉的只是這項技術迄今為止所獲得的一小部分應用領域﹐實際上即可能的應用範圍要寬廣得多。由於該技術具有多種實現形式﹐其應用可以適配於很多方面﹐乃至集成到各種各樣的系統之內。

 

價值定位

        從技術的使用方面來看﹐LEDDAR技術的優越性是很容易解釋的。與平行光發射器(如雷射器)相反﹐LEDDAR探測儀的LED元件和光輻射器件被用於產生一種覆蓋大片被測區域的漫射光束。多單元接收器收集來自光束所照射的物體的反射光的背向散射能量﹐並採用全波形分析方法來檢測光束所覆蓋的每一個分段的物體的存在性。

        系統依據光返回到探測器的時間對檢測到的目標進行距離測量。累加和過採樣方法用來實現檢測範圍、準確性和精度的最大化。大量的光學器件可供探測模組選配,為準備進行的檢測工作提供各種各樣的光束模式。

        這種獨特的探測技術具有多種優越性。漫射光束的使用提高了對具有反光表面的物體以及在嚴酷天氣條件(如雨雪天氣)下進行檢測的可靠性。探測儀的對準也更加簡單﹐讓儀器的安裝變得快速而簡單。此外﹐多單元接收器讓儀器無需移動就實現了對光束覆蓋的多個分段的檢測和測距。這讓儀器的裝配變得更加緊湊、可靠和結實﹐也就意味著其服務壽命更長。

 

渡越時間原理

        LEDDAR探測器使用LED來產生極短的光脈衝﹐典型地﹐每秒鐘100,000個脈衝。渡越時間(ToF)的原理主要就是測量光脈衝從探測器到目標物體再返回探測器的時間。被測物體的距離就根據測得的光脈衝的總來回時程T﹐使用簡單的關係式R=cT/2n推算出來﹐其中c為光在真空中的速度,n是光脈衝所傳播的介質的折射率。

    根據目標的表面特性的不同﹐光脈衝或者被吸收、被全部反射、或者被漫反射。這使得回到接收器並被LEDDAR檢測器測量的回波脈衝具有不同的輻照度。測得的輻照度的大小依賴於目標的距離(用ToF原理測得)和入射角(可以通過光學成像收集技術將反射回的光束聚焦到光學探頭上面確定) 。代表性的LEDDAR探測儀的光學探頭為16單元(圖1) 。

光束模式

        多單元光電探測具有一個矩形的探測區域。LEDDAR探測儀的發射光學器件的目標是將來自一個或多個LED發光體的輻射光波導入一個最佳適配於光電探測器的幾何尺寸的模板。其接收光學器件的目標是收集光束中盡可能多的來自目標物體的背向散射光波進入光電探測器。

        發射與接收光學方案的組合設計﹐可以用於實現不同的光束寬度.例如 LeddarTech公司目前就提供光束寬度大致為9°、18°、24°、34°、45°和90°的各種光學器件選項。圖2示意了LEDDAR探測儀的一個模擬的發射光束模式﹐其中疊加了對應於光電探測元件的接收光學器件的匹配分段。

 

 

工作方式

        基於LED的測距技術原理上簡單﹐實現則頗複雜.前面已經提及﹐LED光源以每秒約100,000次的速率發射脈衝光波。光脈衝行經探測區域﹐其反射部分則被接收光學器件和16單元光電探測器所捕獲。系統必須對接收訊號進行放大並與脈衝信號同步。

        一種使用多脈衝發射的過採樣方案被用來提高捕獲信號的分辨率。典型的過採樣率為4或8。產生出具有更多樣本數據的數字信號﹐以提高測量的準確性和分辨率。除了過採樣之外﹐系統還採用了累加處理﹐以提高信噪比。過採樣率和累加次數會從多方面影響檢測的精確度﹐包過檢測/測量、距離以及測量的準確性和分辨率等等。

 

檢測與距離測量

        目標檢測和距離測量的實施﹐由探測儀上的處理器利用所獲取的各組信號(每個光電單元為一組)來完成。這些信號包含了距離探測儀不同位置上的代表著反射光幅度的一系列數值。信號的樣點數目根據所要求的最大測量範圍來選定。

        每個樣點的幅度值代表著來自某個特定距離的特定對象所反射的光的量。幅度值依賴於該對象的距離、大小、反射率以及相對於探測儀的反射角度。

如果檢測到反射的光脈衝的幅度高於某個預先確定的門限值﹐那麼該對象就被檢測到了。門限值是確定光跡線的峰值處是否可以被認定為有目標存在的判斷依據﹐它依賴於信噪比(SNR)的大小。LeddarTech公司就是根據信噪比的大小來確定每個探測儀的缺省門限值的。在對光跡線進行分析處理的時候﹐使用了一個門限表﹐同時大多數探測儀還提供了一個門限偏移參數﹐以便對該門限值進行調整。偏移參數可以被設置為增加或減小探測儀的靈敏度。利用這種方法﹐我們可以忽略那些反射信號很弱的目標﹐或者實現對這些目標的最佳檢測能力﹐並在應用軟體中最誤檢信號予以濾除。

        LeddarTech探測儀的另外一個可設參數是LED的發光強弱。對LED發光強度的控制可設為手動模式或自動模式。在手動模式﹐由操作者來調整參數使之對所應用的場合實現最佳匹配。在自動模式中﹐探測儀會根據探測到的光束覆蓋範圍內目標信號的大小來動態調整LED的發光強度。通過這樣的控制方式﹐一款探測儀型號就可以用於具有不同範圍要求的大量的應用場合﹐以及目標對象的分布差異性大(有的距離儀器很遠而有的距離又很近)的應用場景。

        圖3示例了某個探測單元的一條典型光跡信號線。在這個例子中﹐探測儀收集的是來自兩個分立物體的反射光信號。通過全波型分析﹐LEDDAR探測儀能夠檢測同一段中的多個目標。只要距離較近物體的尺寸小於該分段所幅照的區域﹐即可實現這樣的多目標檢測能力。隨後﹐光束就能夠照亮並未被就近距離物體所完全遮擋的另外一個物體。

 

                                                                                     

LEDDAR的優勢

        在其他諸如雷射掃描、雷達、視頻、熱成像、超音波及被動紅外線檢測等技術進行比較的時候﹐LEDDAR的優勢就是它具有最寬廣的性能標準範圍﹐這一點來自於這種技術所特有的屬性:結實性、16個獨立的檢測分段、同時捕獲以及快速數據獲取等等。LEDDAR技術對0-50米(165英尺)環境做了檢測及測距方面的優化﹐可以有效地服務於多個行業﹐並且具有優越的性價比。                                                                                    

        此外﹐該技術還能以不同的形式來應用﹐例如﹐裝配好的元器件、OEM模組、或者特定應用的探測儀器等。作為一種光電技術﹐它可以很容易進行定制﹐並經過了特別的設計﹐可以簡便而快速地讓開發者和集成商將其整合到各種不同的應用之中。對開發者和集成商來說﹐其優勢在於該技術的性價比、單分段多目標檢測能力、用低功率LED實現長距離檢測、實時對象跟蹤能力、橫向分辨能力、惡劣天氣條件下的檢測能力、以及視覺安全性等等。

 

LEDDAR探測器模組

        許多開發者將發現﹐通過一種模組化的產品﹐LEDDAR技術會特別容易地被集成到其他系統之內。這種模組化方案﹐因其緊湊的尺寸和靈活的接口﹐可以被集成到任何檢測及測距系統之內﹐讓貼牌企業、OEM廠商和開發者/集成商得以將這種先進的技術應用於他們自身的產品之上。

        例如﹐LeddarTech就提供這樣一種模組﹐它使用背部的六只機械螺絲﹐可以很容易地進行安裝。該模組包含一個8引腳的公連接頭和一個簡單的電線束﹐還能通過可選的RS-485串行接口或CAN總線來進行數據傳遞。此外﹐還有一個UART擴展頭可以使用。RS-485和UART鏈路都使用MODBUS來進行配置和數據捕獲。針對特定應用的擴展能力設計﹐模組還提供了一個Mini-B型USB連接頭﹐並使用專門的軟體開發包來進行開發。

        在接收器方面﹐開發者可以有多個光束選項進行選擇﹐範圍從到9°到95°。對那些不需要使用16單元光電探頭來進行橫向識別的應用來說﹐可以使用只包含一個單元探頭的低成本方案來實現LEDDAR技術。LeddarTech計劃以模組的形式提供一種光束為3°的這類產品。這樣的探測儀特別適用於液位檢測、近距檢測和其他類似的應用﹐它們要求具有小巧的外型、可靠而結實的設計、優秀的測量範圍以及良好的能源效率。

        LEDDAR探測技術能夠極大地改變將檢測與測距功能廣泛地集成到各個行業及應用領域的方法。它不僅能夠讓這些功能更加準確可靠和耐用﹐而且能讓整個方案的成本更低。為鼓勵貼牌廠商OEM廠商及開發者/集成商去了解這種技術究竟好在哪裡﹐以及是多麼容易被集成到其他產品中﹐已經有了一種低成本的評估工具套件供他們試用。

 

 

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