Hvordan virker lidar "øjne"?
Før vi taler om, hvorfor støv påvirker genkendelseseffekten af lidar, skal vi først afklare, hvordan lidar virker.
LiDAR (LiDAR, fulde navn Light Detection and Ranging) er en aktiv sensor, der udsender en laserstråle af sig selv, og laserstrålen reflekteres tilbage efter at have ramt omgivende genstande. Ved at måle den tid, det tager for hver laserpuls at vende tilbage fra emission, kan afstanden og retningen af målobjektet beregnes, og derved konstruere en tre-punktsky af det omgivende miljø.
Dette design kan opnå meget nøjagtige miljøoplysninger under ideelle forhold, men det vil blive meget påvirket, hvis det støder på genstande som regndråber, røg, støv osv. Disse forhindringer vil påvirke laserstrålen og dermed påvirke kvaliteten af det returnerede signal.
Hvordan interfererer støv med lasersignaler?
Når mennesker kører i bil, hvis der er støv i miljøet, har det faktisk kun ringe indflydelse. Men for lidar er støv faktisk en meget besværlig kilde til interferens.
Når laserstrålen støder på støvpartikler i luften, sker der spredning, og det lys, der oprindeligt skulle bevæge sig i en lige linje, afbøjes af støvpartiklerne. En sådan spredning vil gøre retursignalet svagere og mere sløret, og noget lys vender muligvis ikke engang tilbage til den modtagende ende. Jo mere støv der er, jo mere alvorlig vil spredningen af lyspletter være, og jo svagere vil det detekterede effektive signal være. Dette vil i sidste ende manifestere sig som en stigning i støj i punktskyens data, uklare objektkonturer og endda en fejlvurdering fra systemet af, at der ikke er nogen hindring.
Udover at afbøje lys, får støv også strålen til at miste energi under udbredelsen, hvilket får signalstyrken modtaget af radarmodtageren til at falde. Når først signalstyrken falder til omkring sensorens støjniveau, bliver det svært nøjagtigt at skelne mellem reelle refleksioner og baggrundsstøj, hvilket direkte påvirker afstandsnøjagtigheden og evnen til at identificere fjerne objekter.
Støv kan også forårsage forurening af LiDAR-vinduer. LiDAR transmitterende og modtagende stråler skal passere gennem et gennemsigtigt beskyttelsesglas eller vindue. Hvis der er støv knyttet til overfladen af dette vindue, og det gradvist akkumuleres og bliver tykkere over tid, vil laseren producere diffus refleksion og absorption, når den passerer gennem dette lag af forurening, og signalet fra strålen, der går ud og kommer tilbage, vil blive svækket eller endda ændre retning. Denne form for fysisk okklusion har stor indflydelse på punktskyens overordnede kvalitet. Ikke alene vil afstandsmålingen være unøjagtig, men det kan også få systemet til fejlagtigt at tro, at der er en forhindring forude eller slet ikke kan se det rigtige objekt.
Sådan reduceres påvirkningen af støv på lidar
Faktisk er mange modforanstaltninger blevet foreslået og anvendt på støvinterferens.
En idé er at reducere vedhæftningen af støv til vinduet fra hardwaren. I udformningen af radarens skalmateriale og belægning kan materialer med høj lystransmittans og stærk anti-begroningsevne bruges til at reducere ophobning af støv på det beskyttende dæksel og derved sikre, at laseren blokeres så lidt som muligt. I nogle anvendelsesscenarier bruges f.eks. beskyttelsesovertræk med nano-begroningshæmmende belægninger på overfladen for at forhindre støv i at klæbe og forlænge udstyrets rengøringscyklus.
På softwareniveau har industrien også udviklet målrettede filtrerings- og genkendelsesalgoritmer. Disse algoritmer vil kombinere intensiteten og afstanden af laserekkoet og fordelingen af punkter omkring punktskyen for at bestemme, hvilke punkter der er mere tilbøjelige til at være støj forårsaget af støvspredning, og derefter fjerne dem fra punktskyens data. En sådan "støvfjernelsesalgoritme" kan gendanne punktskyinformationen i det virkelige miljø til en vis grad og reducere virkningen af falske forhindringer.
En anden metode er sensorfusion, som er at kombinere lidar med andre typer sensorer. Kameraer kan f.eks. give billedoplysninger for at hjælpe med at skelne støv fra rigtige mål. Millimeter-bølgeradar har bedre penetreringsevner for regn, tåge og støv. At kombinere dem kan danne et mere robust perceptionssystem, som er meget mere pålideligt end en enkelt lidar i komplekse miljøer.
I nogle specielle ekstreme scenarier vil der blive tilføjet aktive rengøringsforanstaltninger, såsom installation af luftblæsningsanordninger, børster eller andre mekaniske rengøringsmoduler på ydersiden af lidaren for regelmæssigt at rense støv på overfladen af vinduet. Denne type løsning har dog højere omkostninger og vedligeholdelseskrav og bruges hovedsageligt i industrielle eller specielle robotmiljøer.
Som konklusion,
støv påvirker LiDAR på mange måder. Det forstyrrer ikke kun laserudbredelsesvejen, men reducerer også signalstyrken, forurener sensorvinduet og fører i sidste ende til øget støj i punktskydata, nedsat genkendelsesnøjagtighed, forkortet registreringsområde og endda fejlvurdering af forhindringer. Af sikkerhedskritiske-applikationer som autonom kørsel kan disse påvirkninger ikke ignoreres.
