Modelado y simulación de arquitecturas FMCW-LIDAR

Abstract

En este trabajo se presentan y simulan tres arquitecturas de una nueva tecnología en auge dentro de los sistemas LIDAR (Light Detection and Ranging). Dichos sistemas LIDAR emplean la transmisión de un haz de láser hacia un blanco a fin de medir la distancia a la que éste se encuentra. Hasta el momento, los sistemas LIDAR más extendidos hacen uso de una transmisión de pulsos de luz, llamados LIDAR ToF (Time of Flight). Estos LIDAR presentan ciertas debilidades como la limitación en potencia transmitida para cumplir con la normativa vigente o la interferencia con otros sistemas LIDAR ToF. Habitualmente se ha hecho uso del tiempo entre transmisión y recepción del haz de láser para calcular la distancia al blanco conociendo la velocidad de propagación (velocidad de la luz). En cambio, en los últimos años ha surgido una nueva tecnología LIDAR que no utiliza el tiempo de propagación, llamada LIDAR FMCW (Frequency Modulated Continuous Wave), en referencia a un láser de onda continua y una modulación FM de las que hace uso. Esta tecnología viene a solventar algunos de los problemas del LIDAR ToF. Uno de ellos es la limitación en potencia ya que al tenerse un láser continuo, la potencia emitida puede ser mayor debido a que no se tiene la energía concentrada en un pulso breve. También solventa el problema de la interferencia gracias a las arquitecturas coherentes donde se emplea una detección coherente. Gracias a esta detección, un LIDAR en cuestión sólo detectará su propia señal al permitir el uso de frecuencias de láser distintas. En primer lugar, se definen estos sistemas LIDAR y se comparan con tecnologías similares para la medida de distancias utilizadas hasta el momento, por ejemplo, el RADAR (Radio Detection and Ranging). Éste último hace uso de una señal con frecuencias de radio, a diferencia del LIDAR, que hace uso de frecuencias de luz (longitudes de onda de 400 a 700 nm). A continuación se presenta el LIDAR FMCW, se explica su principio de funcionamiento y se compara con la mencionada tecnología LIDAR ToF. Además, se hace un desarrollo matemático detallado de las ecuaciones que rigen cada una de las tres arquitecturas LIDAR FMCW (LIDAR FMCW con detección directa, con detección coherente heterodina y con detección coherente homodina). Posteriormente se implementan mediante el software de simulación óptica Optisystem. Adicionalmente, se implanta un sistema de co-simulación entre Optisystem y Matlab lanzando desde Matlab un proceso de Windows que ejecuta Optisystem. Posteriormente, se utilizan comandos de Windows predefinidos por Optisystem para modificar los parámetros dentro de éste, lanzar simulaciones, almacenar y procesar resultados. Haciendo uso de este sistema se realizan simulaciones de las distintas arquitecturas, incluyendo simulaciones iterativas donde se hacen variar ciertos parámetros y se analizan sus resultados, obteniendo valores aproximados de rango de medida y resolución. Por último, se comentan los pros y contras de cada arquitectura de los cuales se pueden remarcar la gran resolución de las medidas y la robustez de las arquitecturas coherentes ante condiciones no ideales de reflectividad del blanco, pérdidas en la atmósfera, etc. Además, se tiene el mayor rango de medida de las arquitecturas coherentes respecto a la detección directa para condiciones iguales.

In this project, three architectures of a new technology in boom within LIDAR (Light Detection and Ranging) systems are presented and simulated. These LIDAR systems use the transmission of a laser beam to a target in order to measure the distance to which it is located. So far, more widespread LIDAR systems make use of a light pulse transmission, called LIDAR ToF (Time of Flight). These LIDAR have certain weaknesses such as the power limitation transmitted to comply with current regulations or interference with other LIDAR ToF systems. The time between laser beam transmission and reception has usually been used to calculate the distance to the target knowing the speed of propagation (speed of light). In contrast, in recent years a new LIDAR technology has emerged that does not use propagation time, called LIDAR FMCW (Frequency Modulated Continuous Wave), referring to a continuous wave laser and an FM modulation of which it makes use. This technology solves some of the problems of the LIDAR ToF. One of them is the limitation in power since having a continuous laser, the emitted power can be greater because you do not have the energy concentrated in a short pulse. It also solves the problem of interference thanks to coherent architectures where consistent detection is employed. Thanks to this detection, a certain LIDAR will only detect its own signal by allowing the use of different laser frequencies. Firstly, these LIDAR systems are defined and compared with similar technologies for measuring distances used so far, for example RADAR (Radio Detection and Ranging). The latter makes use of a signal with radio frequencies, unlike LIDAR, which makes use of light frequencies (wavelengths from 400 to 700 nm). The LIDAR FMCW is presented below, its operating principle is explained and compared with the aforementioned LIDAR ToF technology. In addition, a detailed mathematical development is made of the equations that govern each of the three architectures LIDAR FMCW (LIDAR FMCW with direct detection, with heterodyne coherent detection and with homodyne coherent detection). They are then implemented using the Optisystem optical simulation software. In addition, a co-simulation system is implemented between Optisystem and Matlab launching from Matlab a Windows process that runs Optisystem. Windows commands predefined by Optisystem are then used to modify the parameters within it, launch simulations, store and process results. Using this system, simulations of the different architectures are performed, including iterative simulations where certain parameters are tuned and their results are analyzed, obtaining approximate values of measurement range and resolution. Finally, the pros and cons of each architecture are commented of which you can highlight the great resolution of the measurements and the robustness of the coherent architectures under conditions not ideal of reflectivity of the target, losses in the atmosphere, etc. In addition, we have the greatest measurement range of coherent architectures with respect to direct detection for equal conditions.