La solution avancée à faible coût offre des performances élevées, une grande puissance et une taille ultra-compacte pour un déploiement à grande échelle.
par Michael Wittmann, premier vice-président chargé du marketing
Dans notre blogue précédent, nous avons abordé plusieurs modalités de capteurs, dont la détection et la télémétrie par la lumière (LiDAR), et leurs mérites relatifs pour les applications automobiles. Le LiDAR est une technologie habilitante de plus en plus importante pour les véhicules modernes, car les constructeurs automobiles cherchent à améliorer la sécurité et les fonctions d'automatisation de la conduite.
Le LiDAR automobile était initialement destiné aux véhicules entièrement autonomes, mais en raison de sa résolution, de sa portée et de ses capacités de perception de la profondeur supérieures à celles des systèmes de vision et de radar, le LiDAR offre des avantages complémentaires pour les systèmes avancés d'aide à la conduite (ADAS) destinés aux véhicules de grande diffusion.
Les systèmes LiDAR créent une vue en 3D de leur environnement en utilisant une source laser pour éclairer une scène avec de la lumière dans le spectre infrarouge qui est balayée dans les axes horizontaux et verticaux. Les réflexions qui en résultent sont détectées par des photodétecteurs récepteurs et créent une image en 3D appelée "nuage de points".
Il existe deux approches principales de la détection LiDAR : la détection directe et la détection cohérente. La détection directe mesure le temps nécessaire à chaque impulsion lumineuse émise ("temps de vol" ou ToF) pour revenir au photodétecteur, et la distance de l'objet peut alors être calculée à partir de cette mesure. Dans la détection cohérente, qui trouve son origine dans les communications radio, un signal source est modulé sur une onde laser cohérente émise, puis détecté au niveau du récepteur en comparant la phase et la fréquence du signal reçu à l'original comme référence.
Les systèmes LiDAR ToF fonctionnent généralement dans le proche infrarouge (NIR) à des longueurs d'onde comprises entre 850 et 950 nm, où les sources laser et les détecteurs à base de silicium sont facilement disponibles dans les applications datacom et grand public existantes. Les systèmes LiDAR cohérents fonctionnent généralement dans l'infrarouge à ondes courtes (SWIR), à des longueurs d'onde comprises entre 1300 et 1600 nm, ce qui permet une détection à longue portée, et où les composants se prêtent bien à l'intégration photonique au silicium et sont disponibles dans les applications de télécommunications. Certaines applications ToF tirent également parti de l'infrarouge à ondes courtes en raison de ses avantages inhérents.
L'une des applications les plus répandues de la détection cohérente, connue sous le nom de LiDAR à ondes continues modulées en fréquence (FMCW), a récemment gagné en popularité dans les applications automobiles pour diverses raisons, dont les suivantes :
- meilleure immunité contre les interférences provenant d'autres sources lumineuses (y compris la lumière du soleil et d'autres LiDAR) par rapport à la technologie ToF
- sensibilité inhérente supérieure de plusieurs ordres de grandeur par rapport à la technologie ToF (ce qui permet une plus grande portée ou une puissance d'émission optique plus faible pour des performances données)
- meilleure sécurité oculaire des longueurs d'onde SWIR typiquement utilisées dans les systèmes cohérents par rapport au NIR (permettant en toute sécurité une puissance optique plus élevée là où c'est nécessaire)
- la facilité d'intégration des principaux composants LiDAR dans des circuits intégrés photoniques en silicium, ce qui permet de réduire les facteurs de forme et de tirer parti des économies d'échelle offertes par le silicium
- la capacité de déterminer la vitesse ponctuelle des objets en mesurant le décalage Doppler de la lumière reçue (ce qui permet un positionnement rapide et précis, une classification et une prédiction de la trajectoire des objets).
Cette approche a été largement documentée dans la littérature académique et commerciale. Bien que la détection cohérente nécessite un traitement plus complexe, des techniques innovantes de traitement des signaux numériques peuvent y remédier.
Les avantages de la détection cohérente sont bien compris et presque tous les systèmes de communication qui ont existé ont migré vers des approches basées sur la cohérence, bien que la plupart d'entre eux commencent par des formes plus simples, moins chères et plus faciles à mettre en œuvre. Les exemples incluent la radio (AM -> FM), le cellulaire (analogique -> numérique -> 3e-5e générations avec une modulation de plus en plus complexe), la fibre optique et le RADAR. Ce dernier, par exemple, a commencé par la ToF pulsée pour de nombreuses applications, y compris l'automobile, mais est finalement passé à une approche cohérente pour améliorer les performances. De même, l indie estime que la détection LiDAR cohérente est celle qui répond le mieux aux besoins techniques et commerciaux des solutions automobiles de l'avenir.
Réduire la puissance, la complexité et le coût du LiDAR cohérent à haute performance
Le frontal optique et le mécanisme de balayage laser sont des éléments essentiels de la performance, de la puissance et du coût du système LiDAR dans son ensemble, et seront abordés plus en détail dans un prochain blogue. Dans les sections ci-dessous, nous nous concentrerons sur les exigences de traitement numérique d'un système LiDAR, qui est également l'objectif commercial de l'indie, pour les chaînes de signaux d'émission et de réception du front-end optique.
Jusqu'à présent, les systèmes LiDAR cohérents, complexes et gourmands en ressources informatiques, ont été réalisés à l'aide de réseaux de portes programmables sur le terrain (FPGA) très haut de gamme. Les FPGA sont idéaux pour le prototypage et offrent des niveaux élevés de flexibilité et de polyvalence, ce qui est particulièrement bénéfique pour les applications naissantes. Mais les FPGA sont coûteux, gourmands en énergie et nécessitent des circuits imprimés complexes supplémentaires et des composants discrets qui s'ajoutent au coût, à la taille du facteur de forme et aux contraintes thermiques et de consommation d'énergie. Les FPGA commerciaux haut de gamme ont des prix extrêmement élevés, de l'ordre de centaines à des milliers de dollars, avec une dissipation d'énergie correspondante de dizaines ou, dans les cas extrêmes, de centaines de watts (avant même que le frontal optique ne soit pris en compte). Les constructeurs automobiles demandent aux fournisseurs de viser une production en série à un prix inférieur à 500 dollars et un taux de dissipation d'énergie inférieur à 30 watts pour les systèmes LiDAR à longue portée. Les objectifs du LiDAR automobile à courte portée sont encore plus agressifs.
Cependant, un circuit intégré spécifique à une application (ASIC), conçu dès le départ pour l'application finale, a le potentiel d'offrir d'énormes économies d'énergie, des empreintes nettement plus petites et un coût bien inférieur à celui d'un FPGA. Bien que les ASIC complexes, comme dans le cas du LiDAR cohérent, nécessitent généralement plusieurs années de développement et plusieurs dizaines de millions de dollars d'investissement initial, la contrepartie est une solution de traitement numérique optimisée qui permet un véritable déploiement.
L'iND83301 d'indie, Surya™ LiDAR SoC, est le premier ASIC LiDAR à détection cohérente et marchande au monde, permettant aux concepteurs de mettre en œuvre un système d'acquisition de données et de traitement du signal défini par logiciel hautement intégré et performant, éliminant le besoin d'une mise en œuvre sous-optimale basée sur un FPGA. L'iND83301 intègre tous les convertisseurs analogiques-numériques multicanaux à haut débit nécessaires, le traitement du signal numérique matériel et logiciel programmable, ainsi que les interfaces de contrôle du système nécessaires à un système LiDAR. Surya prend en charge la chaîne de traitement complète, de la capture des données analogiques jusqu'à la sortie du nuage de points sur Ethernet. L'émetteur de l'appareil est doté d'un générateur de formes d'ondes arbitraires et comprend un tampon de stockage de formes d'ondes et un convertisseur numérique-analogique à grande vitesse, dont la synchronisation globale peut être synchronisée avec la chaîne de réception et les sous-systèmes LiDAR opto-mécaniques tels que les scanners à faisceau externe. Grâce à la possibilité de charger tous les microprogrammes en toute sécurité à partir d'une mémoire Flash hors puce, l'iND83301 conserve la capacité de mise à niveau sur le terrain des solutions FPGA héritées pour prendre en charge les algorithmes de traitement et de perception en évolution, mais sans les inconvénients en termes de puissance, d'encombrement et de coût.
L'iND83301 est reconnu par l'industrie, ayant été récompensé en 2022 par le prix "LiDAR Solution of the Year" (solution LiDAR de l'année) décerné par AutoTech Breakthrough Awards et ayant reçu l'argent pour le prix "LiDAR Development of the Year Award" (développement LiDAR de l'année) lors de la remise des prix AutoSens 2022 à Bruxelles.
Regarder vers l'avenir
Selon des données récentes de S&P Global, la valeur de l'ECU du système LiDAR automobile mondial devrait être multipliée par 10, passant de 600 millions de dollars en 2023 à 6 milliards de dollars d'ici 2033, soit un taux de croissance annuel moyen de 26 %. À mesure que les constructeurs automobiles mondiaux définissent de nouvelles exigences en matière de sécurité ADAS, telles que la détection d'objets à haute résolution pour les applications à courte et longue distance, et des capacités de perception améliorées exploitant les informations sur la vitesse, le LiDAR à détection cohérente deviendra la solution technique et commerciale de facto. Le SoC iND83301 Surya de l'indie, et les dispositifs ultérieurs de la feuille de route, permettront aux constructeurs automobiles de bénéficier de tous les avantages du LiDAR cohérent, sans compromettre le facteur de forme, les objectifs de coût et les surcoûts énergétiques et thermiques des approches précédentes.
Restez à l'écoute dans un prochain blogue, où nous examinerons plus en détail le frontal optique et le mécanisme de balayage laser, qui sont des éléments clés de la performance globale du système LiDAR.