Привет, друзья! На связи Алексей Разин. Я работаю инженером‑оптиком в Яндексе и уже четвёртый год занимаюсь разработкой лидаров. Мы с командой сделали несколько устройств, и сегодня я хочу поделиться с вами своими мыслями и опытом в сфере разработки лидаров — приборов, которые играют ключевую роль в развитии автономного транспорта.
Разработка лидаров — это сложный и увлекательный процесс, который требует от команды разработчиков компетенций и знаний в области оптики, механики, электроники и программирования. Порой в процессе разработки лидаров приходится сталкиваться с нереалистичными требованиями. Например, нужно, чтобы лидар имел большой угол обзора, большую дальность действия, высокое разрешение, малый форм‑фактор, низкую цену и был готов через полгода. В реальности же приходится чем‑то жертвовать и находить наилучшее из возможных решений.
Что такое лидар и как он устроен
Лидар (Light Detection and Ranging) — это прибор, определяющий расстояние до объектов с использованием лазера. Про него уже несколько раз рассказывали мои коллеги: например, в статьях об автономных грузовиках, устройстве робота‑доставщика и его разработке, а также о системе очистки лидаров автономных автомобилей, их системе восприятия и их устройстве. Но я кратко напомню принцип его работы.
В основе лидара — лазерный луч, который, как невидимая рука, измеряет расстояние до объектов, до которых достаёт. У лидаров есть несколько методов определения расстояния. Один из самых часто используемых — времяпролётный (time of flight, или TOF). По времени прохождения луча от лазера до объекта и обратно до детектора можно определить дистанцию. Так как скорость света постоянна и известна, это расстояние оказывается довольно точным.
Дальше надо каким‑то образом отклонять лазерное излучение, чтобы детектировать разные объекты. На выходе из лидара получается поток данных, представляющий собой координаты точек. При визуализации такие точки выглядят как облако, поэтому и называются облаком точек. По нему роботы определяют, где они находятся и что происходит вокруг.
Один из основных параметров лидара — это длина волны лазера. Лазеры бывают перестраиваемыми, но более технологичными считаются лазеры, в которых длина волны во время эксплуатации меняться не может и вполне конкретна. Поэтому при создании лидара важно сразу определиться с длиной волны, а следовательно, и типом лазера. Этот выбор влияет как на основные параметры лидара, так и на его конструктивные особенности.
Оптический диапазон электромагнитных волн очень широкий, простирается от 1 нм до 1 мм. Потенциально лазер для лидара можно выбрать в ультрафиолетовом (УФ), видимом или инфракрасном (ИК) диапазонах. Однако для автономных автомобилей не используют лидары с длиной волны в видимом или УФ‑диапазонах. Подходящие длины волн находятся в ближнем и среднем ИК‑диапазоне. А именно в окрестности двух длин волн: 1550 нм или 905 нм. У каждой длины волны есть свои плюсы и минусы. Да и почему из широкого оптического диапазона только эти две стали так популярны? Ответ на этот вопрос попробую дать ниже.
Почему важна длина волны
Принцип работы лидара заключается в том, что лазер светит узкорасходящимся пучком света на объект. В свою очередь, объект рассеивает излучение под разными углами, часть рассеянного лазерного излучения возвращается обратно и попадает на детектор. В случае когда лазер не светит, на детекторе всё равно есть какой‑то сигнал. Это шум, вызванный разной природой: тепловой, дробовой, шум, созданный усилителем, а также от случайного света, попадающего на детектор.
Днём Солнце освещает объекты на улице, что создаёт проблему для лидара. Чтобы алгоритмы могли распознать полезный импульс лазера, излучение лазера, рассеянное от объекта и принятое детектором, должно быть ярче, чем рассеянное излучение Солнца.
Большой плюс состоит в том, что Солнце светит неодинаково на разных длинах волн. Также часть излучения поглощает атмосфера, и до нас доходит неравномерный спектр. Остаётся посмотреть на график излучения у поверхности Земли и поискать диапазоны, где излучения Солнца меньше всего.
Бóльшую долю энергии Солнце излучает в видимом диапазоне с максимумом в зелёном спектре. Под эту особенность подстроился человеческий глаз, реагирующий на рассеянное объектами излучение. Но для лидара рассеянное от Солнца излучение — это шум. Поэтому видимый диапазон с длинами волн от 380 до 780 нм не оптимален для работы лидаров на улице. Помимо этого, лидары в таком диапазоне создавали бы световое загрязнение ночью, а также потенциально могли бы ослеплять людей и животных.
Излучение с длиной волны меньше 380 нм называется ультрафиолетовым (УФ). В ультрафиолетовом диапазоне Солнце излучает значительно меньше, чем в видимом диапазоне. Но УФ сильно рассеивается и поглощается атмосферой. Поэтому на больших расстояниях мощность излучения в пучке сильно падает. Детектировать такое излучение становится проблематично. Помимо этого, УФ обладает повышенными канцерогенными свойствами. Ввиду этих причин УФ исключается из рассмотрения.
Другой диапазон, где Солнце светит меньше, чем в видимом, — это ИК‑диапазон, то есть излучение с длинами волн больше 780 нм. Энергия отдельных квантов ИК‑излучения меньше, чем УФ и видимого диапазона; кроме того, излучение не может вызвать разрушение клеток или ионизацию. Поэтому такое излучение безопасно — идеальный вариант для уличного лидара.
Однако есть другая проблема: в среднем ИК‑диапазоне окружающие объекты сами начинают создавать излучение — оно называется тепловым. По сути, начиная с 8000 нм можно получать ночные пассивные ИК‑изображения без использования внешнего освещения. Шум детектора из‑за теплового излучения возрастает, а полезный сигнал становится трудно детектировать. Поэтому необходимо искать компромисс между тепловой и солнечной засветкой. Таким образом, наибольший интерес представляют длины волн от 800 до 8000 нм.
Поэтому, если вы задумали делать лидар, необходимо подбирать подходящие лазеры и детекторы в этом диапазоне. Несмотря на то что сейчас можно найти детектор и лазер практически на любую длину волны, есть нюансы. Эффективность приёмников и лазеров сильно отличается на разных длинах волн.
О детекторах и лазерах
Прежде чем отдельно разобрать детекторы и лазеры, следует остановиться на важной части. Исторически получилось так, что во многом детекторы и лазеры развивались совместно, потому что для многих применений используется пара «лазер + детектор». Лидары для автомобильной промышленности стали интенсивно развиваться только в 2010-х годах и на тот момент не могли диктовать рынку, какие детекторы и лазеры нужны.
Однако волоконная оптика на тот момент была уже достаточно хорошо развита. Для волоконной связи необходим передающий лазер, усилители и приёмник. Излучение от лазера до детектора распространяется не в воздухе, где светит Солнце, а в материале волокна. Поэтому во внимание принимается не спектр излучения Солнца, а спектр поглощения волокна — важно, чтобы рабочая длина волны была прозрачна для волокна.
Есть несколько окон прозрачности, в которых работает волоконная связь. Первое окно прозрачности — 850 нм. GaAs‑лазерные диоды и светодиоды работали на этой длине волны. В настоящее время этот диапазон из‑за большого затухания используется только в локальных сетях. Второе окно прозрачности — 1310 нм — стало использоваться, после того как были разработаны лазеры на тройных и четверных гетероструктурах. Третье окно прозрачности было освоено в начале 1990-х годов. Преимущество третьего окна в том, что на длину волны 1550 нм приходится рабочий диапазон волоконно‑оптических эрбиевых усилителей (EDFA). Данный тип усилителей, имея способность усиливать все частоты рабочей области, предопределил использование третьего окна прозрачности для систем со спектральным уплотнением (WDM).
Таким образом, для лидаростроения выбор длин волн оказывается небольшой. Рассмотрим далее, какие критерии влияют на него.
Выбор детектора
К детекторам лазерного излучения предъявляется ряд требований. Вот некоторые из них:
Детектор должен быть недорогим. В некоторых схемах лидаров используются линейки из сотен детекторов, а иногда даже матрицы детекторов. Поэтому стоимость одного детектора может умножаться на большое количество в конечном устройстве.
Детектор должен быть быстродействующим. Для обеспечения приемлемой точности определения дистанции требуется точно определять положение фронта сигнала. В большинстве случаев требуется частота более 1 ГГц.
Низкий уровень собственных шумов. Это важно, чтобы даже слабый сигнал был легко отличим на фоне шума.
Собственное усиление детектора. Чем меньше требуется усиливать сигнал после детектора, тем меньше будут усиливаться и шумы. Поэтому, если приёмник может усиливать сигнал, как лавинный фотодиод или фотоэлектронный умножитель, это будет существенным плюсом.
Детектор должен обладать геометрическими параметрами, которые согласуются с оптической схемой лидара. Например, слишком большая площадка детектора будет давать много фонового шума. В свою очередь, слишком маленькая площадка будет давать низкий уровень полезного сигнала.
Есть два самых распространённых и недорогих типа оптических детекторов: на основе кремния и на основе гетероструктуры InGaAs (арсенид галлия‑индия). Среди них можно найти подходящие для лидаров детекторы. Чаще всего это SiPM (кремниевый фотоумножитель) или APD (лавинный фотодиод). Характерные графики чувствительности к свету разной длины волны для таких детекторов показаны ниже.
На графике можно увидеть, что зоны чувствительности этих двух детекторов достаточно широкие и пересекаются. Однако есть максимумы чувствительности: в районе 850–1000 нм для кремния и в районе 1500–1600 нм для гетероструктуры. И это важная информация: излучение с такими длинами волн будет наиболее эффективно преобразовываться в электрический сигнал детекторами. А значит, лазеры с такими длинами волн будут оптимальны для задач лидара.
Выбор лазера
К лазеру также предъявляются требования. Как и для детекторов, здесь важны цена и быстродействие. Помимо этого, нужно соблюсти ещё ряд важных требований:
Лазер должен быть безопасным для глаз, так как вокруг транспорта всегда есть люди и животные.
Нужна малая угловая расходимость, чтобы на расстоянии пучок оставался размером меньше цели. Кроме того, так можно обеспечить хорошее угловое разрешение.
Достаточная пиковая мощность излучения, чтобы детектировать удалённые объекты.
Чтобы разобраться в видах лазеров, вернёмся к волоконной связи. Как я уже писал, есть три окна прозрачности, в которых работают разные лазеры. Их мы и рассмотрим далее.
Первое окно прозрачности
В первом окне прозрачности используются полупроводниковые лазеры на арсениде галлия (химическом соединении галлия и мышьяка) — надёжные, дешёвые и эффективные. Монолитная полупроводниковая структура, не требующая внешних зеркал, сложных систем охлаждения и накачки, обеспечивает эти преимущества. При этом подходящая длина волны для волоконной связи — 850 нм — не совсем подходит для лидаров.
Однако у арсенида галлия есть возможность «настройки» длины волны путём изменения химического состава активной зоны на этапе производства. Достигается это за счёт создания твёрдых растворов, в которых, помимо мышьяка и галлия, могут присутствовать ещё один или два дополнительных химических элемента. Добавив мышьяк, можно сместить длину волны вплоть до 1100 нм.
Сместив максимум излучения на 900 нм, можно получить несколько преимуществ:
Излучение становится более безопасным для глаз: прозрачные среды глаза начинают частично поглощать это излучение, и до сетчатки доходит ослабленный свет.
Улавливается меньше шумов от Солнца.
Чувствительность кремниевого детектора в этом спектре выше.
Так для большинства автомобильных лидаров длина волны 905 нм стала основной. С ней работают несколько конструкций подходящих лазеров:
Классическая конструкция Edge‑Emitting. Здесь излучение испускается с торца, однако лазерный пучок некруглый (астигматичный) и требует коррекции.
VCSEL (Vertical‑Cavity Surface‑Emitting Laser). Лазер излучает с поверхности перпендикулярно ей. Пучок у него круглый, низкорасходящийся. Минус — его низкая мощность, но за счёт масштабирования можно получить мощность, как при использовании Edge‑Emitting‑конструкции.
В наших первых лидарах использовались Edge‑Emitting‑лазеры. Однако это приводит к тому, что у пучка на объекте остаётся прямоугольная асимметричная форма — даже после использования цилиндрической линзы и сложного объектива. При этом угловая расходимость остаётся высокой.
VCSEL‑лазеры за счёт того, что их можно масштабировать, бывают разной формы. В своём лидаре мы используем именно такие лазеры. Качество пучка таких лазеров значительно лучше.
При этом длина волны может быть не только 905 нм, но и 940 нм, а в этой области меньше шумов от Солнца. К слову, в настоящее время для автомобильных лидаров идёт конкуренция между 905 нм и 940 нм. Оба варианта довольно выгодны и эффективны благодаря колоссальному развитию технологии обработки арсенида галлия.
На таких длинах волн работают лидары ближней и средней дальности: до 250 м. Бо́льшую дальность сложно получить из‑за ограничений лазерной безопасности. Такой лидар применяется на роботе‑доставщике. В конструкции лидаров от Яндекса nanoHomer используются лазеры VCSEL.
Второе и третье окно прозрачности
Второе окно прозрачности волоконной оптики на 1300 нм не очень интересно. В этом случае излучение остаётся опасным для глаз и сами технологии оказываются дороже.
А вот третье окно на 1550 нм, несмотря на свою дороговизну, оказывается интересным вариантом. Дело в том, что излучение 1550 нм полностью поглощается в передних слоях глаза и совсем не доходит до сетчатки. Поэтому такое излучение оказывается значительно безопаснее для глаз. А значит, можно использовать бо́льшую мощность излучения, получая бо́льшую дальность.
Лазер на 1550 нм — это волоконный лазер, который состоит из множества компонентов и в целом достаточно сложное устройство. Поэтому стоимость таких лазеров может составлять несколько тысяч долларов.
В некоторых случаях использование волоконных лазеров окупается. Все дальнобойные лидары с рабочей зоной более 250 м используют лазеры с длиной волны 1550 нм. Это возможно не только за счёт высокой мощности излучения, но и за счёт малой, практически дифракционной, угловой расходимости лазерного пучка. Коллиматор для такого лазера может быть в разы меньше по диаметру, чем для лазера 905 нм, и более простым, состоящим из одной линзы. Угловая расходимость при этом на уровне ~1 мрад.
На такой длине волны работают лидары большой дальности: 450 м и выше. Яндекс производит лидары PBR, в которых используется волоконный лазер на 1550 нм, обеспечивающий большую дальность и разрешение лидара. А сами лидары можно использовать на легковых и грузовых автомобилях.
Безопасность лидаров
Длина волны — важная характеристика с точки зрения безопасности. Так как свет — это основа нашего зрения. Всё видимое излучение проникает внутрь глаза и фокусируется на нежной сетчатке глаза. Так и получается изображение, которое мы видим и осознаём. Лазеры тоже излучают свет, и очень важно, чтобы он не вредил окружающим. Именно поэтому все наши устройства соответствуют I классу лазерной опасности, что гарантирует безопасность как для человека, так и для оборудования.
Многие из вас летом брали в руки линзу и поджигали бумагу или сухие веточки. Обычное солнце — не страшно, а вот сфокусированное уже вызывает пожар. С лазерным излучением ситуация такая же. На роботов‑доставщиков мы устанавливаем лидары с лазерами на 905 нм. Их излучение должно быть по мощности таким, чтобы даже после фокусировки на сетчатке глаза не было существенного нагрева тканей. Это важнейшее требование и обязательное условие для всех производителей лидаров, которому строго следуем и мы.
Лидары с длиной волны 1550 нм считаются даже безопаснее: такое излучение не достигает сетчатки и поглощается в передних слоях глаза, что делает его ещё безопаснее, чем 905 нм. Благодаря этому стандарты позволяют использовать более мощные лазеры, а мы можем существенно увеличивать дальность обнаружения объектов. Такие лидары мы используем для автономных автомобилей и грузовиков.
Но свет — это ещё и основа работы камер. И здесь мы сталкиваемся с другим ограничением: несмотря на безопасность лидаров с 1550 нм для глаз, высокомощные лучи, сфокусированные объективом камеры, в исключительных случаях могут повлиять на её матрицу. Это происходит потому, что оптика в камерах прозрачна для 1550 нм и излучение фокусируется в крошечную точку. Ниже кадр, снятый телефоном в темноте. Я намеренно прожигал пиксели лазером с излучением 1550 нм на высокой мощности с очень близкого расстояния.
Но чтобы так выжечь матрицу, необходимо сочетание ряда факторов: диаметр лазерного пучка должен быть меньше апертуры объектива камеры, а энергия в импульсе должна быть достаточная, чтобы сжечь пиксели (она зависит от частоты и длительности импульсов и того, в пятно какого размера сфокусирует их объектив камеры). Если говорить проще, то случайно прожечь матрицу лазером от лидара практически невозможно.
Но и тут мы минимизируем эти риски: проектируем лидары с ограничением мощности, контролируем диаметр лазерного пучка и принимаем дополнительные меры, чтобы полностью исключить вероятность повреждения даже самой чувствительной электроники.
С лазерами же на 905 нм ситуация проще: достаточно только соблюдения требований для оборудования I класса лазерной опасности. Во‑первых, излучение лазеров менее мощное, а во‑вторых, в камерах есть светофильтры, отсекающие ближний ИК‑диапазон. Поэтому излучение лидаров 905 нм оказывается абсолютно безопасным как для глаз, так и для камер.
Выбор длины волны лазерного излучения — один из ключевых факторов при создании лидара для автономного транспорта. Именно от этого зависят дальность обнаружения, точность измерений, безопасность для водителей, пассажиров и окружающих, а также стойкость к солнечным и тепловым помехам. Как мы убедились, лидеры рынка сегодня концентрируются на длинах волн 905 и 1550 нм, каждая из которых имеет свои плюсы и ограничения, определяемые сочетанием технологических, экономических и нормативных факторов.
Разработка современных лидаров — это поиск баланса между этими параметрами, постоянное внедрение новых материалов, схем и подходов. Только такой комплексный подход позволяет создавать устройства, способные эффективно и безопасно работать в условиях реального дорожного движения. В Яндексе мы постоянно работаем над улучшением наших лидаров, чтобы сделать их более точными, надёжными и безопасными. Надеюсь, этот разбор помог понять, почему длина волны — это не просто цифра в спецификации, а важное техническое и инженерное решение, влияющее на будущее автономного транспорта.