Разработка и поставка лазерно-оптических компонентов и оборудования. Резидент Технопарка ИТМО
ru en
Разработка и поставка лазерно-оптических компонентов и оборудования. Резидент Технопарка ИТМО
Разработка и поставка лазерно-оптических компонентов и оборудования. Резидент Технопарка ИТМО
Товар добавлен в корзину
Перейти в корзину
Компонентная база LIDAR-систем

Компонентная база LIDAR-систем

16.04.2020
1590
Поделитеcь новостью:

LiDAR (транслитерация LIDAR англ. Light Detection and Ranging «обнаружение и определение дальности с помощью света») – это лазерная технология дистанционного зондирования. Если сравнивать данную технологию с радаром, которая базируется на волнах радиочастотного диапазона, то лазерные системы LiDAR позволяют получать трёхмерные изображения с большей детализацией (например, 3D LiDAR).

Изначально LiDAR системы больше относились к лазерному радару (LADAR, Laser Detection and Ranging), но в настоящее время этот акроним имеет более общее понимание и обозначает процесс определения дальности до объекта по оптическому отклику.

Обычно оба понятия относятся к дистанционному зондированию, однако:

  • LIDAR больше является гражданским термином, используемый для исследования атмосферы. Например, концентрации аэрозолей
  • LADAR применяется как военный термин, используется для обозначения таких целей, как земля, деревья или самолет в тумане, то есть для интеллектуальных систем вооружения.

Лазерное зондирование можно разделить следующим образом:

  • Традиционный
    • Измерения дистанции до объектов – импульсный лазер;
    • Эффект Допплера – непрерывный/импульсный узкополосный лазер;
  • Визуализация с помощью 3D LiDAR

Однако мощность (или импульсная энергия) лазера будет отличаться в зависимости от объекта исследования, будь то твёрдые объекты или обратное рассеяние от аэрозолей в атмосфере (например, от облаков).

Ниже представлены некоторые направления применения лазерной технологии для систем зондирования:

  • Лазерный дальномер (например, модуль для беспилотных автомобилей)
  • Ветровой LiDAR (например, определение направления и скорости перемещения воздушных потоков)
  • LiDAR система со счётчиком фотонов (например, 3D LiDAR)

За последнее время к данной технологии предъявляются всё больше требований, а особенно к лазерному источнику (повышение частоты повторения импульсов и т.д.), что дает стимул для развития и разработки новых типов лазеров. На сегодняшний день твердотельные и волоконные лазеры активно используются для исследования воздушных потоков, в 2D LiDAR, для 3D сканирования и лазерной дальнометрии.

Лазерные дальномеры

Лазерные дальномеры активно используются в различных областях, начиная от военных применений до научных. Принцип работы лазерной системы прост: лазерный импульс, вышедший из апертуры лазера, отражается от исследуемого объекта и попадает на фотоприёмник, который находится в той же плоскости, что и лазерный источник. Обработка данного сигнала дает информацию о дистанции до объекта.

Ключевыми параметрами лазерного источника для измерения дистанции являются длительность импульса и частота следования импульсов. Длительность импульса определяет разрешение и точность измерения. Для применения в лидарных системах и определения дистанции до объектов используют лазеры с короткой длительностью импульса - < 10 нс.

Касательно частоты повторения импульса - ключевым преимуществом использования высокой частоты следования импульсов позволяет произвести усреднение сигнала для улучшения отношения сигнал/шум в системе. Наиболее подходящей частотой является порядок ~ кГц для эффективного усреднения, а ~ МГц порядок является слишком большим, так как вносит неточности при определении сигнала на таких частотах. 

Длина волны лазерного источника чаще всего выбирается в ближнем ИК диапазоне, но зависит от объекта исследования. Например, для беспилотных устройств выбирают лазеры с длиной волны более 1.4 мкм, поскольку излучение в этом диапазоне сильно поглощается роговицей глаза и хрусталиком, минимизируя воздействие на сетчатку. Наиболее используемая длина волны лазерного источника для лазерной дальнометрии является 1.55 мкм из-за наличия в атмосфере окна прозрачности в этой области (а также 3 - 4 и с 8 - 12 мкм).


Пример лазерного источника и дальномерного модуля от производителя CryLink (Китай):

CryLink_1.png  CryLink_2.png 

Параметры лазера на Er стекле: 

Длина волны – 1535 нм
Частота следования импульсов – 10 Гц
Длительность импульса – 4.6 нс
Импульсная энергия – 100 мкДж

Параметры OEM модуля на базе Er лазера:

Дистанция измерения – 50-5000 м
Точность измерения - ±1 м
Разрешение – 0.02 м
Частота измерения – 1-10 Гц         


Пример лазерного источника на Эрбиевом стекле от производителя VoxtelOpto (США):

VoxtelOpto_1.png  VoxtelOpto_2.png 

Параметры LAN0-FB0C:

Длина волны – 1534 нм
Частота следования импульсов – 10 Гц
Длительность импульса – 5 нс
Импульсная энергия – 750 мкДж

Параметры OEM модуля DUNL-KHBC:

Дистанция измерения – 20-21000 м
Точность измерения – 100-500 мм
Разрешение – 0.5 м
Частота измерения – 1-10 Гц             

Пример волоконного лазерного модуля с регулируемой длительностью импульса от производителя Connet (Китай):

Connet.jpg 

Параметры модели CoLID:

Длина волны – в диапазоне 1540-1565 нм 
Пиковая мощность – до 10 кВт 
Длительность импульса – от 0.5 до 250 нс (ТТЛ триггер) 
Частота следования импульсов – от 1 кГц до 3 МГц (ТТЛ триггер)
Импульсная энергия - до 100 мкДж

Подробнее можно ознакомиться по этой ссылке.     


3D LiDAR

3D LiDAR позволяет проводить сплошное сканирование пространства независимо от того, движется ли объект. Обычно, имея дело с 3D LiDAR, используют следующие лазеры:

  • Лазерные источники с высокой импульсной энергией/низкой частотой повторения импульсов
  • Непрерывные лазеры с фазовой модуляцией
  • Источники суперконтинуума (иногда)

Современные 3D LiDAR системы используют новую технологию фотоприёмников, которые содержат в себе массив фотодетекторов, чувствительных к одиночным фотонам. Они используют массивы лавинных фотодиодов (APDs) в режиме счёта одиночных фотонов (или в режиме Гейгера), позволяя с субнаносекундной точностью фиксировать время прихода фотонов. За счёт того, что детекторы в режиме Гейгера способны работать на частоте в десятки МГц, система может быть компактной, очень чувствительной и масштабируемой за счёт увеличения массива фотодекторов. Сейчас также активно используют лазерные источники с ультракороткими импульсами (до 25 пс, частота ~ кГц), что позволяет повысить точность измерений, но при этом, обладая достаточной энергией в импульсе.

Пример импульсных модулей от производителя FocusLight (Китай):

FL-AL01-1.5.png  FL-ALT01-800.png 

Параметры FL-AL01-1.5- 60x45-1064:

Длина волны – 1064 ± нм
Импульсная энергия - > 1.5 мДж
Длительность импульса - < 10 нс
Частота следования импульса – 30 Гц

Подробнее можно ознакомиться по этой ссылке

Параметры FL-ALT01-800- 0.5x30-905:

Длина волны – 905 ± нм
Пиковая мощность - > 800 Вт
Длительность импульса - 5 нс
Частота следования импульса – 100 кГц

Подробнее можно ознакомиться по этой ссылке


Пример пикосекундного микрочип лазера от производителя BrightSolutions (Италия):

Стремление к внедрению портативных, высокопроизводительных и низко потребляемых лазерных систем делает применение микрочип лазеров эффективным в лидарных системах:

BrightSolutions_1.png  BrightSolutions_2.png 
Компактный лазерный драйвер
Лазерный модуль FP3


Спецификация       
Длительность импульса    Наносекунды    Пикосекунды
< 2.5 нс
< 1.3 нс  < 400 пс 
Импульсная энергия 

Частота следования импульсов  До 5 кГц
До 15 кГц   До 100 кГц  
Выходная пиковая мощность
До 15 кВт    До 30 кВт  До 5 кВт 
Корпус  FP3, FP4  FP3, FP4  FP2, FP3, FP4 
Длина волны  1064, 946, 532, 473, 355, 315, 266, 236.5, 213 нм     
Качество пучка  < 1.2     
Электрические параметры  DC 5 В источник питания, < 25 VA     
Размеры  35*50*16 мм     
Рабочая температура   + 10 - + 40 гр     
Температура хранения  - 20 - + 60 гр     


Ветровые LiDAR

Ветровые LiDAR представляют собой лазерные системы для измерения направления и скорости воздушных потоков, например, за турбиной самолета. Сейчас активно используются наносекундные твердотельные лазерные системы и непрерывные волоконные лазеры (на короткие дистанции).

Для осуществления измерения используется эффект Допплера, что определяет существование двух традиционных методов измерения ветровых потоков: 

  • Когерентный
  • Некогерентный

Оба метода измеряют доплеровские частотные сдвиги. Поскольку измерения происходят в течение короткого промежутка времени, то требуется наличие высокой стабильности длины волны у лазерного источника. Для проведения точных измерений допплеровского сдвига также требуется лазерный источник с узкой шириной спектрально линии или с одиночной продольной модой.

doppler lidar.jpg 

Схема гетеродинного метода измерения доплеровского сдвига


Пример узкополосного волоконного лазерного модуля из линейки CoWIND от производителя Connet (Китай):

CoWIND.jpg

Одночастотный лазерный ОЕМ модуль CoWIND разработан для высокоточных измерений воздушных потоков на коротких дистанция. 
Особенности лазера:

  • Длина волны в диапазоне 1540-1565 нм
  • Ширина спектральной линии < 5 кГц
  • Большая длина когерентности 
  • Низкий RIN, низкие фазовые шумы 
  • Выходная мощность до 2 Вт
  • Наличие PM волокна 

Подробнее можно ознакомиться по этой ссылке.



Батиметрия

Батиметрия занимается исследованиями подводных глубин для получения информации о топологии поверхности морского дна. Для подобных исследований используют лазерные системы на летательных аппаратах, которые работают в зеленом диапазоне длин волн из-за их низкого поглощения водой. Сейчас активно используют импульсные твердотельные лазеры для одновременного зондирования как поверхности воды на длине волны 1064 нм, так и для получения информации о рельефе морского дна на длине волны 532 нм с длительностью импульса < 2 нс.


Пример твердотельного импульсного лазера (кастомного) от производителя Bright Solutions (Италия):

BrightSolutions_3.jpg

Параметры лазерной системы:

Длина волны – 532 нм   
Импульсная энергия – 400 мкДж 
Длительность импульса – 600 пс 
Частота следования импульсов – 10 кГц 
Прочный и герметичный корпус                        


В качестве приёмной части в системах лазерной дальнометрии можно выделить гибридные фотоприёмные устройства, включающие в себя не только лавинные фотодиоды как таковые, на также предусилитель и всю необходимую электронную обвязку, интегрированную непосредственно на одну плату.

Такие гибриды оптимизированы как для приложений LiDAR, так и для конфокальной микроскопии, распределенного температурного зондирования (DTS) и применения в высокоскоростных атмосферных линиях оптической связи.

Использование таких устройств обуславливает их работу на длине волны, как правило, 1550 нм, ибо, как упоминалось ранее, излучение на такой длине волны безопасно для человеческого зрения, а также повсеместно используется в телекоммуникациях

LiDAR_plate.png

Плата гибридного фотоприёмника

Гибридный модуль для дальнометрии от Wooriro, компании, являющейся первой в области оптических коммуникаций в Корее и основанной в декабре 1998 года, оптимизирован для работы на длине волны 1550 нм и имеет высокую чувствительность, что позволяет его использовать для всего спектра приложений, требующих прецизионную точность измерений. Ниже приведена таблица с основными характеристиками WDR110.


Параметр  Значение 
Рабочая длина волны, нм  1550 
Диаметр фотодетектора, мкм  200 
Ёмкость фотодетектора, пФ  2,5 
Питание усилителя, В  +3,6 
Питание ЛФД(1), В  75 
Входная оптическая мощность(2), мВт 
Минимальный детектируемый сигнал, нВт  10   
Рабочая температура, °С  -35..+64 
Температура хранения, °С  -40..+85 

(1) Минимальное напряжение питания APD должно быть больше 70 В для правильного смещения.
(2) WDR110 будет повреждён при превышении данной мощности. Для долгосрочной надежности максимальная мощность не должна превышать 100 мкВт.


С более подробными техническими характеристиками модуля WDR110 можно ознакомиться по этой ссылке.


Помимо прочего, для гибридного модуля WDR110 компания Wooriro предлагает специальную отладочную плату, использование которой позволяет произвести тонкую настройку и тест устройства до его интеграции в конечное устройство.

Wooriro_1.jpg  Wooriro_2.png 
 Внешний вид WRD110 и отладочной платы  

В лазерной дальнометрии не только инфракрасного, но и видимого диапазона также возможно применение устройств серии C30659 от Excelitas Technologies. Данная линейка включает в себя Si или InGaAs лавинные фотодиоды с гибридным предусилителем в герметичном корпусе TO-8, что позволяет работать с ультранизким шумом.

C30659.jpg

Детекторные модули серии C30659

Детекторы этой линейки обеспечивают отклик между 400 и 1700 нм, имеют быстрое время нарастания и спада и рассчитаны на высокие пороговые значения, что обеспечивает устойчивость при воздействии высоких плотностей оптической мощности. Секция предусилителя в модулях использует малошумящий полевой транзистор на основе арсенида галлия (GaAsFET), предназначенный для работы с более высоким трансимпедансом.

По запросу возможна настройка модулей серии C30659 под конкретные задачи; модификации включают в себя оптимизацию полосы пропускания и усиления, использование различных фотодиодов и коннекторов в корпусе. Ниже приведены основные особенности гибридных модулей серии C30659 от Excelitas.

Параметр  Значение 
Рабочая длина волны, нм  Si: 400 – 1100
InGaAs: 1100 – 1700  
Угол входа света, °  >130 
Полоса пропускания системы, МГц  50 и 200 
Питание усилителя, В  ±5
Типичная потребляемая мощность, мВт  150 
Рабочая температура, °С  -40..+70 
Температура хранения, °С  -50..+100 


АО «ЛЛС» представляет весь спектр описанной в статье продукции на территории РФ и предлагает наиболее выгодные условия поставки продукции, а также техническую поддержку. Ознакомиться с полным перечнем продукции Вы можете на нашем сайте или на сайте производителя.


Понравилось?
Обязательно поделитесь статьей в социальных сетях!