Les cibles de réflectance diffuse dans la caractérisation des LIDAR intégrés dans les systèmes avancés d’aide à la conduite (ADAS)
Par Russell Bailey, Pro-Lite Technology Ltd & Greg McKee, Labsphere, Inc
Janvier 2021
Introduction
Le LIDAR est une technologie de plus en plus déployée dans les produits de consommation et dans les véhicules sans conducteur. LIDAR est l’acronyme de Light Detection and Ranging (détection et télémétrie par la lumière). Les systèmes LIDAR sont utilisés depuis plus de 50 ans, mais jusqu’à récemment, le coût de ces systèmes les empêchait d’être viables dans les applications de marché de masse.
Le cousin du LIDAR, le RADAR est une technologie populaire utilisée dans les technologies de véhicules autonomes, par exemple dans les systèmes de régulation de vitesse adaptative. Le LIDAR, quant à lui, est considéré comme le capteur de choix dans les voitures assistées par un conducteur lorsqu’il s’agit de la précision de la cartographie des positions et des distances, permettant la détection de petits objets et l’imagerie 3D. Il utilise des lasers pulsés avec détection du temps de vol pour mesurer les distances. La caractérisation des LIDAR nécessite la compensation de la réponse du capteur aux niveaux de lumière laser pulsée ou à semi-conducteurs sur une large gamme dynamique de niveaux de réflectance. Cela nécessite l’utilisation de cibles de réflectance de grande surface dont la réflectance est connue et stable. Les cibles Permaflect à revêtement de réflectance diffuse de Labsphere, dont la réflectance varie de 5 % à 94 %, permettent aux équipementiers automobiles et à leurs fournisseurs de caractériser et de calibrer leurs systèmes LIDAR dans une large gamme de conditions environnementales.
La Technologie LIDAR
La forme la plus élémentaire de LIDAR est le télémètre laser qui est largement utilisé dans les applications militaires depuis les années 1980. Les télémètres laser se composent d’un laser pulsé (émetteur) et d’un photodétecteur (récepteur). Le télémètre est conçu pour permettre une mesure précise des distances (ce que l’on appelle le « ranging ») et repose sur la mesure du temps nécessaire à l’impulsion laser pour être réfléchie et reçue par le détecteur (on parle de mesure du « temps de vol »).
Le télémètre est dirigé vers une cible et une impulsion laser est émise. La lumière laser frappe la cible, est diffusée et une partie de la lumière réfléchie est mesurée par le détecteur. La vitesse de la lumière étant très précisément connue, la distance entre le télémètre et la cible peut être mesurée avec une grande précision. Les systèmes LIDAR plus avancés utilisent le même principe mais font appel à l’optique et à des détecteurs mobiles ou multiples pour cartographier les cibles en deux dimensions. Ces systèmes émettent généralement des milliers d’impulsions par seconde, ce qui permet de détecter des milliers de points par seconde. L’analyse des données de ce nuage de points crée des cartes précises de la zone cible. Le fonctionnement du LIDAR est analogue à celui du radar et du sonar, qui utilisent respectivement des ondes radio et des ondes sonores. Les données du radar et du sonar peuvent être utilisées pour cartographier les environs de manière similaire, mais les systèmes LIDAR utilisent un rayonnement infrarouge de plus courte longueur d’onde que les ondes radio de plus grande longueur d’onde. En raison des longueurs d’onde plus courtes utilisées, les mesures LIDAR sont plus précises que celles du radar.
Les systèmes LIDAR qui sont déployés sur les véhicules autonomes utilisent généralement des faisceaux laser de balayage et des technologies flash afin de mesurer des points 3D dans l’espace par rapport au capteur. Ces systèmes LIDAR émettent généralement des milliers d’impulsions laser par seconde afin que le véhicule puisse réagir aux obstacles tels que les piétons et les autres véhicules. Le LIDAR permet aux véhicules autonomes de fournir et de recevoir l’éclairage réfléchi des objets et de l’environnement avec une précision et une résolution élevées et de longues distances de détection. Des systèmes d’IA (intelligence artificielle) plus avancés sont en cours de développement pour prédire les trajectoires des véhicules et des piétons et réagir en conséquence. Lorsque vous combinez les données LIDAR avec des informations de positionnement (à l’aide d’un GPS ou d’un système similaire), vous pouvez dresser une carte complète des environs du véhicule.
Les performances du LIDAR dépendent fortement de la puissance et de la longueur d’onde du laser utilisé. Pour des raisons de sécurité, il existe une limite supérieure à la puissance du laser qui peut être utilisée. En l’absence de puissances laser toujours plus élevées, vous pouvez utiliser un détecteur plus sensible ou utiliser un laser dont la longueur d’onde s’étend plus loin dans l’infrarouge (IR). En raison de la maturité technologique des lasers disponibles, les longueurs d’onde couramment utilisées sont 850nm, 905nm, ou 1550nm. Les lasers de 1550 nm sont plus sûrs que les autres options car, au-delà de 1400 nm, le rayonnement IR n’est plus transmis à travers la cornée de l’œil et n’est donc pas focalisé sur la rétine, mais ils nécessitent une plus grande puissance pour compenser l’absorption d’eau beaucoup plus élevée à 1550 nm.
La technologie LIDAR et les véhicules autonomes LIDAR dans les produits électroniques grand public et les véhicules autonomes
Le LIDAR est une technologie clé, associée aux systèmes de caméras et autres capteurs, dans les applications d’automatisation. Les systèmes LIDAR sont utilisés commercialement depuis de nombreuses années pour la cartographie spécialisée et les applications connexes. Cependant, ce n’est que ces dernières années que le LIDAR est devenu plus courant, principalement en raison du besoin de dispositifs plus petits et moins chers dans les applications automobiles autonomes (voitures sans conducteur). Le LIDAR est utilisé dans les véhicules semi-autonomes comme base du régulateur de vitesse adaptatif depuis le début des années 1990, tandis que la première démonstration du LIDAR dans un véhicule autonome remonte à 2005.
Dans le domaine de l’électronique grand public, la dernière génération de l’iPad Pro d’Apple (et maintenant l’iPhone 12 Pro) a intégré un capteur LIDAR dans sa matrice de caméra spécifiquement pour les applications d’imagerie et de réalité augmentée (AR). Le capteur LIDAR permet à l’iPad d’interpréter correctement la position d’un objet réel par rapport à un objet de réalité augmentée tel qu’imagé par la matrice de la caméra. La RA n’en est qu’à ses débuts, il reste donc à voir quelle sera la pertinence du LIDAR sur les smartphones et autres appareils grand public, mais la RA suscite un grand intérêt dans les applications professionnelles où le LIDAR peut être une amélioration très utile. Les applications de la RA professionnelle sont diverses, qu’il s’agisse d’aider les employés d’un entrepôt à trouver le chemin le plus rapide et le plus sûr vers la pièce requise ou d’offrir aux ingénieurs une superposition du processus d’une réparation complexe. Dans ces applications, le LIDAR permettrait un positionnement et un alignement précis, ce qui est important pour toute application nécessitant de la précision.
Le rôle des cibles de réflectance diffuse dans le test et l'étalonnage des systèmes LIDAR
Pro-Lite et Labsphere soutiennent le développement des systèmes LIDAR avec nos cibles de réflectance diffuse depuis de nombreuses années. Les cibles de réflectance diffuse Spectralon® de Labsphere, plus compactes, sont couramment utilisées par l’armée pour la caractérisation des LIDAR. La réflectance spectrale calibrée avec précision, associée à la réflectance (diffuse) quasi-lambertienne, signifie que pour ces applications, vous disposez d’une cible précise et reproductible pour tester votre système en laboratoire ou sur le terrain. Pour comprendre ce qu’est la réflectance lambertienne ou diffuse, consultez l’article du blog de Pro-Lite.
Les systèmes LIDAR utilisés pour la cartographie à grande échelle ou pour les applications de véhicules autonomes nécessitent une zone cible plus grande. Comme la majorité des objets naturels réfléchissent la lumière de manière diffuse, les matériaux de Labsphere à réflectance diffuse sont un choix naturel pour fournir une simulation reproductible pour l’assurance qualité, les tests sur le terrain et les mesures comparatives. Labsphere a développé les cibles Permaflect (voir figure 1) pour répondre au besoin d’un matériau de cible de grande surface, durable et optiquement stable. La grande taille des cibles, jusqu’à 1,2 m x 2,4 m en standard, associée aux données de réflectance spectrale calibrées, permet de mesurer avec précision la portée du LIDAR. Des cibles plus grandes sont nécessaires pour réfléchir un nombre représentatif de points à travers la cible sur des distances d’essai de longue portée de 100m, 200m, 300m et plus.
Permaflect est un revêtement par pulvérisation qui peut être appliqué sur de grandes surfaces ou des formes en 3D, ce qui lui permet de simuler des objets du monde réel. Peu d’objets du monde réel sont plats comme un panneau cible. Les objets revêtus de Permaflect permettent donc d’obtenir des niveaux de réflectance quasi-lambertiens répétables qui peuvent être appliqués, par exemple, à un mannequin pour simuler un piéton.
Les cibles LIDAR étant généralement déployées en extérieur, on peut s’attendre à une certaine dérive des valeurs de réflectance calibrées au fil du temps, lorsque la surface est exposée à l’atmosphère. Les matériaux de réflectance diffuse de Labsphere peuvent, dans une large mesure, être nettoyés. Pour contrer toute baisse résiduelle de la réflectance, on peut utiliser un réflectomètre étalonné (« reflectometer ») qui mesure la réflectance de la cible in-situ et permet de prendre en compte tout changement de la réflectance IR. Un changement dans la réflectance de la cible affectera directement la portée mesurée. Le graphique ci-dessous montre l’effet sur la portée mesurée d’un changement de réflectance pour une gamme de différents niveaux de réflectance de la cible. Une petite modification de la réflectance a un effet important sur la portée mesurée pour les cibles à faible réflectance. Par exemple, si la réflectance d’une cible de 5 % est réduite à 4 %, la distance mesurée à 300 m sera inférieure de plus de 30 m (voir figure 2). La seule façon de savoir si cela s’est produit est de mesurer la réflectance de la cible, puis de corriger vos calculs en fonction de cet ajustement.effectuer
Le kit de réflectomètre LIDAR de Labsphere a été développé pour répondre à cette exigence. Ce réflectomètre portable mesure la réflectance hémisphérique à 8° à l’une des trois longueurs d’onde (en utilisant une LED interchangeable de 850nm, 905nm ou 1550nm). Il peut être utilisé pour vérifier la réflectance d’une cible Permaflect ou de tout autre objet sur lequel vous souhaitez tester le système LIDAR.
