LiDAR レーザーセンサーの分類とスキャン方法

ライダーレーザーセンサー 積極的にレーザー光を照射し、侵入対象の距離、方位、速度、輪郭などの情報を高精度・高分解能で取得します。 都市安全保障や産業安全保障などの分野で広く活用されています。 この記事では、国内外の主要なセキュリティ LIDAR メーカーとその製品の技術仕様を簡単に紹介します。 さまざまなセキュリティ アプリケーションのニーズを組み合わせて、さまざまな技術システムにおける LIDAR の原理、特性、および現状について、測距方式、スキャン方法、光源の選択という 3 つの側面から議論します。 最後に、セキュリティ LIDAR のアプリケーションの傾向と開発の見通しを要約し、展望します。 消費者セキュリティ アプリケーションのニーズを満たすために、セキュリティ LIDAR は、低コスト、高性能、シリアル化、小型化、ソリッド ステート、チップ化、およびマルチソース統合の方向にさらに発展していきます。

システム内に可動コンポーネントがあるかどうかに応じて、LIDAR は機械式 LIDAR とソリッドステート LIDAR に分類できます。 その中で、ソリッドステートライダーの実装方法には、微小電気機械システム（Micro-ElectroMechanical System、MEMS）、フラッシュ技術、およびOPA技術が含まれます。

スキャニングモードにおけるビーム制御特性に応じて、ライダーはスキャニングライダーと非スキャニングライダーに分類できます。 このうち、非走査型ライダーはフラッシュエリアアレイライダーなど、シーンを光で覆うことで目的の画像化を実現します。 適切なスキャン方法により、セキュリティ LIDAR はより広い視野と解像度を取得できると同時に、構造全体をより安定させることができます。 したがって、スキャン技術の選択は LIDAR のライフサイクルに大きく影響し、ひいてはこのシステムによるセキュリティ LIDAR を量産できるかどうかを決定します。 その中で、長い検出距離と広い視野はセキュリティライダーの重要な指標であり、将来のセキュリティライダーの応用見通しも決定します。

1. 機械式LiDARレーザーセンサー
機械式 LIDAR とは、レーザー スキャンを実現するために機械的回転を使用することを指します。 モーターはシングルポイントまたはマルチポイント測距モジュールを駆動して回転させ、360 度またはその他の大角度エリアのスキャンを実現します。 機械式ライダーの動作原理を図 1 に示します。原理が単純で、駆動が容易で、走査視野が広いという利点があります。 これは初めて広く使用され、市場の主流のセキュリティ LIDAR 製品のスキャン ソリューションとなりました。 レンズ、機械構造、回路基板などの要素を考慮すると、通常、モジュールの多くの点でサイズと重量の点で最適化できません。 そのため、モーターでモジュールを長時間回転駆動すると、ベアリングが摩耗しやすくなります。 このため、従来の機械的スキャンは寿命と信頼性の点で批判され、磨耗によるコストが増加します。 それは非常に現実的な問題でもあります。 したがって、初期のセキュリティ市場では主に次元削減と低コストのソリューション、つまりロービーム ライン レーザー レーダーを他のセンサーと組み合わせて使用​​する方法が採用されていました。 コンパクトな外観と広い走査視野を備えており、建物の保護や地域の周囲の保護などのシナリオに適しています。

図1 従来の機械式LiDARの動作原理

現在、LiDAR 設計が直面している最大の課題は、合理的なコストでの大量生産を達成しながら、パフォーマンスと堅牢性を実現することです。 しかし、機械式ライダーは、コア電子部品が冗長であるため、小型化やコストダウンが難しく、セキュリティ分野で広く普及させることができません。 この目的を達成するために、ライダーのコアコンポーネントは特定用途向け集積回路 (ASIC) チップに統合され、ライダー信号処理回路のサイズを縮小し、消費電力とコストを削減します。 多列ライダーの量産化を実現するためです。 重要な傾向。

2.MEMS LiDAR レーザーセンサー
MEMS レーザー レーダーは、従来の機械式回転装置を、シリコン ベースのチップに統合された MEMS マイクロミラーに置き換えます。 マイクロミラーはレーザーを反射して、より広い走査角度とより大きな走査範囲を形成します。 その動作原理を図 2 に示します。MEMS マイクロミラーは従来の機械式ライダーの革新者であり、ライダーの小型化とコスト削減をリードします。 検流計スキャン方式では、測距構造の直接回転が回避され、ライダーのソリッドステートスキャンが可能になり、ライダーがコンパクトになります。

図2 MEMSの概略図（a）MEMS LiDARの動作原理、（b）MEMSスキャニングミラー

MEMS マイクロミラーの利点を利用して、業界では MEMS LIDAR が最も高速に実装されるテクノロジーであると考えられています。 現在、ライシェン インテリジェント LS20/LS21 シリーズ MEMS ソリッドステート ライダーは、インテリジェント セキュリティや災害監視などの分野で使用されています。 ただし、MEMS マイクロミラーの欠点は、その走査角度が小さいことであり、広い視野の走査を実現するには追加の角度が必要であることです。 また、照射できるレーザー光の量も限られているため、「長距離の検知」が困難です。 一般に、MEMS LIDAR テクノロジー ソリューションは十分に成熟しておらず、さらなる改善が必要です。 MEMSマイクロミラーの開発により、MEMSライダーの応用の可能性はさらに広がると考えられています。

3.フラッシュLiDARレーザーセンサー
フラッシュライダーは非走査型レーダーです。 エリアアレイ光をターゲットに照射し、エリアアレイ検出器を使用してターゲットによる入射光の散乱を検出し、深さ情報を含む画像を出力します。 その動作原理を図 3 に示します。フラッシュ LIDAR は低コストで安定性が優れていますが、検出範囲が比較的短いため、応用シナリオは限られています。 セキュリティ分野では、フラッシュレーザーレーダーが広く使用されています。 ターゲットの検出、セグメンテーション、追跡に 3D フラッシュ ライダーを使用した結果は、フラッシュ ライダーが境界監視と現場のセキュリティ分野に適していることを示しています。 しかし、環境モニタリング、物体観察、危険防止などの分野では、物体や人物のリアルタイム検出がスキャン特性によって制限され、データの歪みが発生します。 3D Flash LIDAR で構築されたセンサー システムを使用すると、中距離から長距離にわたって、非常に変化しやすい移動物体をリアルタイムかつ高精度で追跡できます。 実験プロセスと結果を図4に示します。また、小型コンポーネントの開発によりエリアアレイ検出器のコストが削減され、フラッシュライダーは小型化が容易であり、セキュリティ分野での応用がさらに増えると考えられます。

図3 フラッシュLiDARの動作原理

図4 Flash LiDARの動作シナリオと実験結果。 （a）PC 上のリアルタイム追跡と回転台上の Flash LiDAR を使用した実験セットアップ、（b）シナリオの点群、（c）中央にマークされた人物によるシナリオの強度ビュー、（d）人物によるシナリオの範囲ビューマークされた中心

4.OPA LiDARレーザーセンサー
OPAスキャニング技術は、新しいタイプのビームポインティング制御技術として、近年研究のホットスポットとなっています。 慣性装置がなく、精度が安定し、方向を制御できるという利点があります。 その動作原理を図 5 に示します。いくつかの送信ユニットが送信アレイを形成します。 送信アレイの各送信ユニットの位相差を調整することでレーザー光の出射角を変化させ、設定方向に相互に強め合う干渉を実現し、高強度のポインティングビームを作成します。 S3、「世界初のソリッドステートライダーセンサー」。 S3はOPAスキャン方式を採用しており、手のひらサイズです。 製品とその原理を図 6 に示します。S3 シリーズ製品は、侵入監視やアクセス制御などの分野で使用されています。

図5 OPAの動作原理

図6 Quanergy S3 LiDARの動作原理

高集積度の光フェーズドアレイ技術は、セキュリティライダーの全固体化と小型化の開発ニーズに対応できます。 しかし、現在、OPA セキュリティ LIDAR の量産を制限する主な要因が 2 つあります。1 つは、実際のスキャン中にサイドローブが容易に形成され、ビームの範囲と角度分解能に影響を与えることです。 第二に、処理難易度が高い。 したがって、OPAセキュリティライダー技術はまだ未成熟であり、現段階で製品化を達成することは困難です。

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