Software Defined FMCW LiDAR

Abstract

O interesse e pesuisa na área de LIDAR tem visto significativo aumento, impulsionado maioritariamente pelas necessidades específicas da indústria dos carros autónomos. Como resposta a estas necessidades, os LIDARs FMCW têm mostrado ser capazes de dar resposta aos estritos critérios que envolvem a segurança rodoviária. Infelizmente, o custo das soluções presentes atualmente tornam-nas incomportáveis para a escala necessária desta área.O objetivo desta tese consiste na exploração de um novo método para obter a elevada largura de banda requerida por um sistema LIDAR FMCW para realizar medidas precisas de distância e velocidade, mantendo o custo baixo através do uso de componentes mais baratos e simples. Este método envolve o usos de um fenómeno denominado chirp que ocorre quando lasers de semicondutores são modulados diretamente, e que causa as grandes variações em frequência que são necessárias para o nosso objetivo.Através de simulações e testes práticos, estes dois conceitos de chirp e FMCW foram estudados, avaliados e fundidos, dando origem a uma plataforma funcional. Estes métodos inlcluiram um modelo laser teórico simulado com base nas equações diferenciais de taxa, um prototipo de LIDAR com base em modulação FMCW de amplitude testado em fibra e com alcance de 4 kilómetros, e um sistema final que realiza medidas de distância com uma resolução inferior a 10 centímetros com afastamento de 3 metros. O sistema foi validado em ambiente de laboratório, e mostra grande promessa como prova de conceito. No entanto, trabalhos futuros têm que ser realizados de forma a melhorar a estabilidade e performance do sistema, assim como a capacidade do sistema de medir velocidades instantâneas.

LIDAR technology has seen a big growth in development, driven mainly by the specific needs of the self-driving industry, especially autonomous cars. To answer these needs, FMCW LIDARs have shown to possess the necessary features and performance to meet the strict criteria required for the public road. Unfortunately, current systems that fit these criteria are prohibitively expensive, making these solutions not ideal for widespread adoption.The aim of this study was to explore a new method to achieve the high bandwidth required to operate an effective FMCW LIDAR that could accurately measure distance and velocity, using simpler and less expensive components. This method revolves around the use of the laser chirping phenomenon that causes non-linear frequency excursions when direct modulation is applied, leading to our goal.Through simulated and practical means, these two concepts of chirp and FMCW were tested, measured and finally merged, creating a platform that has ranging capabilities. These methods include a simulated laser model, achieved through differential rate equations, an amplitude modulated FMCW LIDAR prototype that was fiber-tested at 4 kilometers, and a final platform with a spatial resolution of under 10 centimeters at 3 meters.The system was validated in a lab setting only, and showed great promise as a proof-of-concept. Nevertheless, future work is required in order to improve performance and stability, and the ability to measure velocities must also be tested.