Типы и производители 3D-лидаров, представленных на рынке РФ

На отечественном рынке представлено несколько вариантов исполнения 3D-лидаров, включая:

• Механические с горизонтальным углом обзора 360 градусов;
• Твердотельные с горизонтальным углом обзора до 120 градусов.

Главной особенностью механических лидаров является установка лазерного излучателя (как правило, на длине волны 905 нм) и фотоприемного устройства на вращающуюся платформу.

В качестве лазерного излучателя используются лазеры поверхностного излучения с вертикальным резонатором (VCSEL), количество которых напрямую влияет на качество формируемого облака точек. Фотоприемное устройство обычно изготавливается на базе кремниевых фотоумножителей (SiPM).

На начальном этапе свет от лазера попадает на линзу, затем на дифракционный оптический элемент и после этого достигает окружающие лидар объекты. На следующем этапе отраженный свет попадает на линзу фотоприемного устройства, проходит через оптический фильтр и фиксируется светочувствительной матрицей. Ниже представлена схема прохождения лазерного луча от излучателя до фотоприемного устройства.

Сенсорная электронная компонентная база монтируется на вращающуюся механическую платформу, что позволяет осуществлять сбор информации об окружающем пространстве с горизонтальным углом обзора 360° и высокой точностью.

Еще одним вариантом исполнения механического 3D-лидара является использование резонансного зеркала, которое выступает в качестве вращающегося элемента между излучателем и приемником.

Твердотельные 3D-лидары имеют следующее технологическое исполнение:

Одной из особенностью таких изделий является возможность задавать желаемый угол обзора с помощью перемещения MEMS-зеркал. В дополнение к этому, небольшой вес и размеры твердотельных лидаров являются еще одним неоспоримым преимуществом при их использовании в качестве полезной нагрузки на беспилотные летательные аппараты (БПЛА).

В состав твердотельного лидара входят модуль по обработке сигнала, лазерный модуль, MEMS-зеркала и линзы. В качестве фотоприемного устройства могут выступать лавинный фотодиод, кремниевые фотоумножители и источник сигнала VSCEL на длине волны 905 нм.

Обработка сигнала обладает схожими чертами во всех типах лидаров и выполняется по следующему сценарию:
1. Лазер генерирует оптический сигнал, который, отразившись от окружающих объектов, попадает в чувствительную область приемника.
2. Оптический сигнал конвертируется в цифровой с помощью ADC-преобразователя.
3. За счет вычислительных мощностей AI-, ПЛИС-модуля или иных схем, цифровой сигнал поступает на дисплей в режиме реального времени или сохраняется на накопитель для последующей обработки.

Ниже представлены данные по исследованию рынка РФ за период 2020-2021 гг. на предмет использования 3D-лидаров.

Согласно результатам исследования, основная доля использования 3D-лидаров в 2020 году приходится на полезную нагрузку для БПЛА и автопилотируемый наземный легковой транспорт.

На протяжении 2021 года прослеживается сокращение доли, приходящейся на автопилотируемый транспорт, что вызвано сроком полезного использования лидаров свыше 1 года. Вместе с тем отмечен рост сектора «Полезная нагрузка для БПЛА» с 51% до 77%.

На рынке РФ представлены изделия, базирующиеся на вышеупомянутых технологиях, от следующих производителей:

• Американская компания Velodyne, штаб-квартира которой находится в Сан-Хосе, Калифорния. Изделия данного производителя нашли широкое применение в автомобильной индустрии и активно используются для создания автопилотируемых транспортных средств. Лидары Velodyne также применяются в качестве полезной нагрузки для беспилотных летательных платформ, с помощью которых можно получать информацию об исследуемых объектах на дистанции до 200 метров в сжатые сроки.
• Американская компания Ouster, головной офис которой находится в Сан-Франциско. К достоинствам изделий Ouster можно отнести высокую степень защиты, небольшой размер и малый вес корпуса. Лидары данного производителя также успешно применяются в автопилотируемых грузовых транспортных средствах и в качестве полезной нагрузки для БПЛА. Возможности лидаров от Ouster позволяют осуществлять построение цифровых моделей рельефа, а также проводить инспекцию зданий и сооружений на дистанции до 120 метров.
• Китайская компания Robosense, головной офис которой находится в городе Шэньчжень. Robosense специализируется на производстве механических и твердотельных лидаров для автопилотируемых транспортных средств. Организация имеет опыт создания комплексных решений с использованием AI-модулей NVidia и собственного программного обеспечения, позволяющего определять различные препятствия на своем пути.
• Китайский производитель Hesai Technology специализируется на создании твердотельных и механических лидаров высокой точности. Компания была основана в 2014 году и имеет богатый опыт в создании оптических сенсоров для роботизированных платформ, автопилотируемого транспорта и полезной нагрузки БПЛА при решении задач по созданию цифровых моделей рельефа на дистанции до 300 метров.
• Немецкий разработчик твердотельных лидаров Blickfeld. Компания была основана в 2017 году в Мюнхене. К достоинствам лидаров Blickfeld можно отнести малые массогабаритные и программно-управляемые технические характеристики.
• Канадский производитель лидар-модулей и твердотельных лидаров LeddarTech с головным офисом в Квебеке. Лидарные модули данного разработчика широко применяются в системах предотвращения столкновений на карьерной технике, а твердотельные лидары повсеместно используются в системах контроля трафика и в составе систем охраны периметра.
• Производитель твердотельных лидаров для дронов DJI из Китая Livox. Изделия производителя применяются для создания систем по предотвращению столкновений и в составе решений для автопилотируемых подвижных платформ.

Для полноты исследования был проведен сравнительный анализ технических характеристик передовых моделей механических 3D-лидаров от вышеуказанных производителей.

Сравниваемые модели	Hesai Pandar128	Velodyne Alpha Prime	Robosense Ruby	Ouster OS1 128
Количество каналов	128	128	128	128
Горизонтальный охват, °	360	360	360	360
Вертикальный охват, °	40	40	40	45
Вес, кг	1,63	3,5	3,75	0,4
Диапазон измерений, м	200	245	250	120
Обнаружение (отражаемость объекта), м	до 200 (10%)	до 220 (10%)	до 200 (10%)	до 60 (10%)
Режим однократного возврата, точки/сек	3 456 000	2 400 000	2 304 000	2 621 440
Режим двойного возврата, точки/сек	6 912 000	4 800 000	4 608 000	-
Степень защиты	IP69	IP67	IP67	IP69
Рабочая температура, °C	от -40 до +85	от -20 до +60	от -30 до +60	от -20 до +50
Температура хранения, °C	от -40 до +85	от -40 до +105	от -40 до +85	от -40 до +105
Диаметр, мм	118	165,5	166	85
Высота, мм	123,7	141,3	148,5	73,5
Длина волны лазера, нм	905	903	905	865

Из представленных данных можно сделать вывод, что несмотря на высокую популярность изделий Velodyne на рынке РФ, китайские механические лидары имеют некоторые технические преимущества над американскими устройствами. Так, например, Hesai Pandar128 демонстрирует превосходное качество сгенерированного облака точек благодаря высокой скорости сканирования в 3,4 млн точек в секунду и надежному морозоустойчивому исполнению.

При сравнении изделия Ouster с Hesai можно заметить, что американское устройство имеет более компактный корпус, малый вес и увеличенный вертикальный угол обзора. Однако, рабочий температурный диапазон не отвечает климатическим условиям, присущим большинству регионов РФ. Кроме этого, скорость сканирования лидаров Ouster существенно ограничивает сферу их применения, поскольку показатель плотности точек существенно ниже, чем у Hesai, что может привести к пропуску некоторых исследуемых участков.

Результаты сравнительного анализа изделий Hesai Technology подтверждают их малые массогабаритные характеристики и высокое качество создаваемого облака точек. Также, хочется отметить высокую точность формируемого изображения серией лидаров Hesai PandarXT, которые успешно применяются в качестве полезной нагрузки для БПЛА и широко используются при создании навигационного сенсора для роботизированных платформ.

Отдельное внимание заслуживает изделие XT32M с максимальной дистанцией сканирования до 300 м, весом 500 г и тройным режимом возврата отраженных лучей света. Технические характеристики XT32M позволяют успешно применять такой лидар для построения цифровых моделей рельефа с борта БПЛА. 

Помимо механических лидаров, для решения задач по созданию автономных подвижных систем, систем контроля дорожного трафика и наполняемости ЖД-платформ, а также при детекции объектов во время движения карьерной техники широко используются твердотельные 3D-лидары. Ниже представлен сравнительный анализ твердотельных лидаров, доступных на рынке РФ.

Параметры	Blickfeld Cube1	LS Lidar	Robosense RS-Lidar-M1	Leddar Pixel
Диапазон измерений, м	250 (30,10%)	200 (160,10%)	200 (150, 10%)	32 (20,10%)
Точность, см	±1	±3	±3	±3
Горизонтальный FOV, °	70	120	120	177,5
Вертикальный FOV, °	30	25	25	16
Частота, Гц	50	25	10	20
Скорость сканирования, точки/сек	500	760 000	750 000	768
Вес, г	275	1 000	730	2100
Питание, Вт	15	15	15	20
Размер, мм	82 x 60 x 50	118 x 90 x 75	108 x 110 x 45	245 x 130 x 86
Рабочая температура, °С	от -30 до +60	от -40 до +85	от -40 до +50	от -30 до +65
Степень защиты	IP40	IP67	IP67	IP67

Китайские твердотельные лидары LS Lidar занимают лидирующие позиции на современном рынке РФ. Отличительными особенностями данных изделий является впечатляющая скорость сканирования в 760000 точек в секунду, что обеспечивает получение высококачественного изображения с максимальным диапазоном измерения до 200 метров.

Следует отметить, что в 2023 году Hesai Technology планирует выпуск твердотельного лидара AT128, который имеет превосходные технические характеристики, представленные ниже:

Скорость сканирования, точки/сек	1 536 000
Количество каналов	128
Диапазон измерений, м	200, 10%
Угол обзора, °	120 х 25,4
Размеры, мм	137 х 112 х 47
Частота, Гц	10
Степень защиты	IP67

Для получения дополнительной информации по условиям поставки продукции пишите нам на почту info@npk-photonica.ru или звоните по номеру +7 (812) 209-20-20.