Решения для создания однофотонной LiDAR-системы
Однофотонный LiDAR обеспечивает наиболее эффективный подход к быстрому 3D-картированию с высоким разрешением. Для таких лидаров требуется только один детектируемый фотон на одно измерение дальности, в отличие от сотен или тысяч обнаружаемых фотонов при измерении дальности в традиционных LiDAR-системах.
Более высокая эффективность однофотонных лидаров даёт больше возможностей для трёхмерного картографирования за счёт:
- большей полосы обзора;
- лучшего пространственного разрешения;
- меньшего времени сбора данных;
- большей плотности возвращаемых значений дальности.
В однофотонных LiDAR-системах чувствительность к одиночным фотонам сочетается с фотоприёмниками, имеющими время восстановления чувствительности в наносекунды и работающими в условиях солнечной засветки. За счёт этих преимуществ и использования длин волн из NIR-диапазона лидары способны проводить измерения сквозь квазипрозрачные препятствия, такие как растительность, туман, тонкие облака, дымки и другие. Кроме того, при использовании в качестве рабочей длины волны зеленого (~532 нм) лазера появляются дополнительные возможности для подводных измерений (батиметрия).
Таким образом, системы LiDAR, помимо прочего, могут использоваться в таких ответственных приложениях, как:
- оптическое зондирование и картография;
- автоматика и беспилотные системы;
- мониторинг газов;
- охрана периметра.
Схема устройства LiDAR-системы на компонентах IDQuantique
Системы LiDAR вычисляют расстояние, используя измерение времени пролёта света:
Принципиальное устройство LiDAR-системы
Пример работы LiDAR на компонентах IDQ в реальных условиях: а) Условия проведения эксперимента в видимом диапазоне; б) Результаты проведения измерений в условиях тумана при разных мощностях
Детекторы одиночных фотонов
Для регистрации одиночных фотонов той или иной поляризации необходимы детекторы одиночных фотонов. В основе таких детекторов лежат лавинные фотодиоды, оптимизированные для работы в режиме Гейгера (SPADы). Принцип их работы заключается в регистрации образующегося электронного лавинного пробоя из-за инициировавшего этот пробой поглощённого фотона.
Детекторы одиночных фотонов бывают как на видимый диапазон (материал Si), так и на ближний ИК (материал InGaAs или сверхпроводящие нанопроволоки SNSPD).
На что обращать внимание при выборе детекторов для приёма одиночных фотонов? В первую очередь это:
- Диапазон рабочих длин волн
- Квантовая эффективность
- Частота темнового счёта
- Режим работы (стробируемый/gated/синхронный или free-running/асинхронный)
- Тип детекторы (компонент или модуль)
Также имеет смысл обратить внимание на дополнительные опции:
- Тип оптического ввода (волоконный или free-space)
- Возможность регулирования квантовой эффективности и/или частоты темнового счёта
- Частота стробирования (при наличии данной функции)
Подходящие решения
|
Диапазон длин волн 1100-1600 нм |
Квантовая эффективность до 70% |
Частота темнового счета 500/2000 Гц |
|
|
Диапазон длин волн 1100-1600 нм |
Квантовая эффективность до 70% |
Частота темнового счета 500/2000 Гц | |
|
|
Диапазон длин волн 1100-1600 нм |
Квантовая эффективность до 70% |
Частота темнового счета 2 кГц |
Детектор фотонов IDQube | Диапазон длин волн 900-1700 нм | Квантовая эффективность до 25% | Частота темнового счёта от 800 Гц | |
Детектор фотонов ID120 | Диапазон длин волн 350-1000 нм | Квантовая эффективность до 80% | Частота темнового счёта < 200 Гц | |
Многопиксельный фотонный счетчик MPPC серии S13360-X050VE |
Диапазон длин волн 320-900 нм |
Квантовая эффективность до 40% |
Частота темнового счёта 500 кГц |
|
Диапазон длин волн 950-1650 нм |
Чувствительность до 9 А/Вт |
Темновой ток 5-50 нА |
Импульсные лазеры
Для генерации коротких и достаточно мощных оптических сигналов в LiDAR-системах используют импульсные лазерные модули. Это могут быть как компонентные решения, так и модульные изделия.
На что обращать внимание при выборе импульсных лазеров для LiDAR?
В первую очередь это:
-
Центральная длина волны
-
Частота следования оптических импульсов
-
Средняя мощность
-
Длительность импульсов
-
Уровень интеграции (OEM или Benchtop)
Подходящие решения
|
Пикосекундный лазер ID 3000 |
Центральная длина волны: 375 - 1550 нм |
Частота следования импульсов: CW - 40 МГц |
Средняя мощность: 0.02 - 1 мВт |
Длительность импульсов: 30 - 110 пс |
OEM и Benchtop |
Эрбиевый волоконный лазер, модульное исполнение |
Центральная длина волны: 1560 нм |
Частота следования импульсов: 40 - 80 МГц |
Средняя мощность: 2 - 200 мВт |
Длительность импульсов: 350 - 1000 фс |
OEM | |
Безопасный для глаз лазер с модуляцией добротности DPQ |
Центральная длина волны: 1535 нм |
Частота следования импульсов: 10, 100, 1000 Гц |
Средняя мощность: 0.4 - 40 мВт |
Длительность импульсов: 4 нс |
OEM | |
Импульсный Nd: YAG-лазер серии AURORA 1.57 OPO |
Центральная длина волны: 1570 нм |
Частота следования импульсов: CW - 40 МГц |
Средняя мощность: 1 - 5 мВт |
Длительность импульсов: 10 - 12 нс |
Benchtop | |
|
Волоконно-эрбиевый лазер с короткой длительностью импульса |
Центральная длина волны: 1540 - 1565 нм |
Частота следования импульсов: 1 - 3000 кГц |
Средняя мощность: 1.5 Вт |
Длительность импульсов: 0.5 - 250 нс |
OEM |
|
905 нм лазерный модуль с высокой мощностью для LiDAR |
Центральная длина волны: 905±10 нм |
Частота следования импульсов: 100 кГц |
Средняя мощность: 400 мВт |
Длительность импульсов: 5 нс |
OEM |
Контроллер
Управление импульсным лазером, а также приём выходных импульсов с детекторов осуществляет специальная синхронизирующая платформа ID900.
Данный контроллер имеет 4 входа/выхода и способен увеличивать это количество посредством параллельного включения этих платформ. В отличие от многих других подобных устройств, синхронизатор ID900 осуществляет обработку поступивших в него данных, что позволяет использовать его в LiDAR-системах без дополнительного вычислительного оборудования.
Ключевые особенности:
-
Предобработка данных
-
Гибкая конфигурация и возможность модернизации версии
-
Гистограммирование, временные метки, генерация задержек и паттернов
-
Высокоскоростной счёт (1 ГГц)
-
Синхронизация устройств до 64 каналов
-
4 входных (от -3 В до +3 В с шагом 1 мВ) и 4 выходных канала (NIM + LVTTL)
-
Джиттер до 8 пс (RMS)
-
Быстрая передача данных на ПК (100 МГц/с)
-
Язык программирования: LabView, Python, Matlab, C/C++