Metaoberflächen-verstärkter Scan-Lidar mit weitem Sichtfeld könnte für die autonome Fahrzeugtechnologie vielversprechend sein

Das gepulste Laserscanning-Lidar ist eine Kerntechnologie für autonomes Fahren und Robotermobilität. Hierbei wird ein gerichteter Lichtimpuls von einem reflektierenden Objekt zurückgestreut und die verstrichene Zeit zwischen Emission und Erkennung des Impulses wird zur Berechnung der Tiefe verwendet. Diese direkten Flugzeitmessungen (d-ToF) zurückkehrender Lichtimpulse ermöglichen die dreidimensionale Abbildung komplexer Szenen.

Derzeit erfordert die Lidar-Technologie zahlreiche Entwicklungen, darunter eine Verbesserung des Beobachtungssichtfelds (FoV) mit hoher Winkelauflösung, eine Verbesserung der Bildfrequenz, eine Erweiterung des Mehrdeutigkeitsbereichs durch Reduzierung des Signal-Rausch-Verhältnisses (SNR) sowie eine Reduzierung der Herstellungskosten und der Komponentengröße für ihre großtechnische industrielle Anwendung auf dem Weltmarkt.

Die Gruppe von Patrice Genevet an der Université Côte d’Azur in Frankreich hat eine innovative Lösung vorgeschlagen, um einige der Einschränkungen der Lidar-Technologie zu überwinden und die anspruchsvollen Anforderungen von Automobil-Lidar zu erfüllen. Ihre Arbeit ist verfügbar in Fortgeschrittene Photonik.

Die Forscher präsentieren den experimentellen Prototyp eines ultraschnellen gepulsten Metaoberflächen-Scanning-Lidars mit hohem FoV. Es verwendet eine Laserdiode, die von einem akusto-optischen Deflektor (AOD) moduliert wird, und kaskadiert diese mit einer Metaoberfläche, wodurch das FoV sowohl in horizontaler als auch in vertikaler Richtung um bis zu 150° verbessert wird. Darüber hinaus werden die optischen Eigenschaften der Metaoberfläche kontinuierlich variiert, um das enge Sichtfeld des Deflektors zu erweitern. Schließlich verwendet der Erkennungsteil des Systems einen hochempfindlichen Fotodetektor, der von einem Analog-Digital-Wandler digitalisiert wird.

Obwohl Pulsscanning-Lidar auf einem einfachen physikalischen Prinzip basiert, weist es bei Objekten, die sich weit entfernt innerhalb des Mehrdeutigkeitsbereichs, d. h. der maximal messbaren Entfernung, befinden, typischerweise ein niedriges SNR und eine schlechte Genauigkeit auf. Außerdem gibt es bei der d-ToF-Bildgebung einen Kompromiss zwischen dem Mehrdeutigkeitsbereich und der Geschwindigkeit. Angesichts dieser Probleme schlagen die Forscher eine neuartige Bildgebungstechnik vor, die den oben genannten Kompromiss beim Puls-Scanning-Lidar mildert.

Inspiriert durch die CDMA-Pulscodiermethode (Code Division Multiple Access) – eine Multiplex-Beleuchtungstechnik, die traditionell in der Telekommunikationstheorie verwendet wird – nutzt der Bildgebungsprozess die hohe Scangeschwindigkeit des AOD, ohne Kompromisse beim Mehrdeutigkeitsbereich oder der Einfachheit der Architektur einzugehen. Diese Technik ermöglicht die Bildgebung in Umgebungen mit niedrigem SNR.

Experimentelle Ergebnisse zeigten, dass die Block-CDMA-Technik den Mehrdeutigkeitsbereich des Lidar im Vergleich zum herkömmlichen Einzelpuls-Lidar um das bis zu 35-fache – auf Kilometerentfernungen – erweitert. Es verbessert auch das SNR der Lidar-Bilder und ermöglicht so eine bessere Leistung in lauten Umgebungen oder auf größeren Entfernungen.

Die Forscher betonen, dass das neue Scan-Lidar-System, das die Fähigkeiten von Metaoberflächen nutzt, nahezu die Anforderungen für Automobil-Lidar erfüllt und vielversprechend für neuartige Anwendungen ist. Es ist kompakt und kann auf Chipgröße verkleinert werden. Diese Miniaturisierung wird neue Möglichkeiten und spannende Perspektiven für autonome Fahrzeuge und Roboterindustrien eröffnen.

Die Forschung bietet einen soliden Rahmen für die nächste Generation von Hochgeschwindigkeits-Lidar, bietet Einblicke in neue Fähigkeiten und öffnet die Türen zu weiteren neuartigen Spitzentechnologien. Der wissenschaftliche Fortschritt verbessert die Aussichten für reibungsloseres autonomes Fahren und adaptive Roboter.