دور مولدات الإشارة في اختبار وتحسين نظم الدرك للمركبات المستقلة

وأصبحت نظم كشف البيانات (الكشف عن هوية المركبات وفرزها) حجر الزاوية في المركبات الحديثة المتمتعة بالحكم الذاتي، وتوفر رسماً عالي الاستبانة وثلاثة الأبعاد للبيئة المحيطة، وخلافاً للكاميرات والرادار، تقدم الرابطة قياساً دقيقاً للعمق وكشف الأجسام حتى في ظروف منخفضة الضوء، مما يجعلها لا غنى عنها في التصميم الإلكتروني للمستوى 4 والمستوى 5، غير أن موثوقية هذه النظم لا يمكن أن تُمنح للاختبارات البيئية، والقيود على الأجهزة، والتفاعل مع المولدات، والمولدات، والمكونية، والمعقد.

ما هي المولدات الإشارة في سياق اختبار ليدار؟

وبأوسع معانيه، فإن مولد الإشارة هو جهاز إلكتروني يخلق موجات كهربائية أو بصرية ذات خصائص خاضعة للرقابة الدقيقة، وبالنسبة لفحص الليدرات، تستخدم فئتان أوليتان: مولدات إشارات كهربائية تقود الليزر أو تُدخل في سلسلة أجهزة الاستلام، ومولدات إشارات بصرية تنتج نبضات خفيفة معيرة أو صيغاً متواصلة، وتجمع بعض نظم الاختبار المتقدمة بين كل من إنشاء قنوات لقياس الأشعة الليبرية.

ويمكن أن تستخدم المولدات الكهربائية الوعائية في كثير من الأحيان لإنتاج أنماط نبضية معقدة تتحول إلى أجسام متعددة على مسافات مختلفة وتظهر، ويمكن لمولدات الإشارات التي تستخدمها أجهزة التردد اللاسلكية أن تحاكي العزلة المستخدمة في نظم الموجات المستمرة التي تستخدم الترددات، بينما تتلقى مولدات إشارات مرئية مكرسة - مثل أجهزة الاستشعار بالأشعة الضوئية أو الألياف المتحركة

For a deep technical overview, Keysight Technologies’ LiDAR testing solutions illustrate how signal births integrate into automated test benches for production and RD.

البارامترات الرئيسية التي تسيطر عليها مولدات الإشارة في اختبار ليدار

ولتحقيق اختبار واقعي ومكرر، يجب على مولدات الإشارة أن تتحكم بدقة في مجموعة من المعايير الأساسية التي تؤثر مباشرة على سلوك جهاز الاستشعار الخاص بشركة ليدار.

تواتر نبضات القلب والنبض

وتستخدم معظم نظم الليدارات الآلية قياسات الزوال المخففة للضوء، كما أن عرض نبض الليزر يحدد الحد الأدنى من العزل: فالنبضات الضيق تسمح بتمييز الأجسام الفضائية عن كثب، ولكنها تتطلب استخداما إلكترونيا أسرع، ويمكن للمولدات الألوية أن تنتج نبضات قصيرة كحد أدنى من السحب المضغوطة لإجراء اختبارات عالية الاستبانة.

وفرة القوة البصرية

وتشمل موجات الـ " ليدار " المشتركة ٩٠٥ نانو مترا )مخصوما منها بالأشعة الحمراء( و ١٥٥٠ نانو مترا )بالأشعة تحت الحمراء( - وتسمح المولدات الإشارة التي تتضمن مصادر ليزرية غير قابلة للتداول بالاختبار عبر النطاق لتقييم أداء الرش والحساسية، ويجب أن تخفف الطاقة الضوئية بدقة لتحفيز الأفكار من الأجسام على مسافات مختلفة.

التوقيت للجليس والمرحلة

ويقلل المولدات في نبضات الليزر المحالة أو في ساعة الاستلام مباشرة من دقة المسافة، ويمكِّن المهندسون من حقن أخطاء التوقيت الخاضعة للرقابة وقياس أثرها على دقة جهاز الاستشعار، وهذا الاختبار حاسم لضمان أن يتمكن المولدات اللاصقة من حل الأجسام على مستوى المقياس الفرعي، حسب الاقتضاء، من أجل حفظ الممر الآمن وتجنب الاصطدام.

:: تبسيط البيئات العالمية الحقيقية مع مولدات الإشارة

ومن أكبر مزايا مولدات الإشارات في اختبارات ليدار، قدرتها على إعادة تهيئة الظروف البيئية الصعبة أو الخطيرة أو المكلفة لاسترجاعها في التجارب الميدانية، وبتكديس آثار الطقس، ومقياس الطرق، ونقل الأجسام إلى الإشارات المولدة، يمكن للمهندسين أن يكشفوا أجهزة الاستشعار لآلاف السيناريوهات في المختبر.

فوج، رين، سنو

Atmospheric scattering dramatically reduces LiDAR detection range and can create false returns. Signal Moldovas can model the attenuation and backscatter caused by fog by reducing the pulse amplitude and add a background noise floor with temporal correlation. For rain or snow, the power can introduce multiple closely spaced echoes that simulate reflections from precipitation particles.

Multi-Path and Ghost Reflections

وفي القاع الحضرية أو بالقرب من السطح المظهر مثل المباني الزجاجية، يمكن أن تتلقى الرابطة انعكاسات متعددة من نفس نبض الليزر، مما يسبب كشفا إيجابيا زائفا - مما يسمى " الغوست " ، ويمكن لمولدات الإشارات أن تنتج نبضا أوليا يتبعه نبض مخفف أو أكثر من أجل حفز مسارات مختلفة للكشف عن التكاثر المتعدد التعاطف.

الأجسام المتحركة والمواقف الدينامية

ويجب أن تتعقب المركبات المستقلة المركبات المشاة وراكبي الدراجات والمركبات الأخرى في الوقت الحقيقي، ويمكن برمجة المولدات الإشارة إلى إنتاج سلسلة من النبضات التي تتغير فترة طيرانها باستمرار، مما يخفف من جسم يتحرك نحو الحساس أو بعيدا عنه، وبتعديل التحول الذي يحدثه دوبلر (في نظم القوات المسلحة للمركبات) أو باختلاف معدلات استحقاقات حركة النبض التي تتناسب مع تقنيات الحرق البشري والمركبات.

اختبار مقاييس الأداء الرئيسية لنظم ليدار

وتسمح المولدات الإشارة بإجراء تقييم كمي لأداء جهاز الاستشعار عبر عدة مقاييس حرجة، كثيرا ما يكون مستوى الدقة غير قابل للاستدامة في الاختبارات الخارجية غير المنظمة.

الكشف عن الرابط والحساسية

إن أقصى نطاق يمكن للمستشعر أن يكتشف فيه بصورة موثوقة موضوعاً من مظاهرة معينة هو تحديد أساسي، وباستخدام مولد إشارة له ناتج بصري معار، يمكن للمهندسين أن يقللوا ببطء من طاقة النبض إلى أن يفشل المجس في تسجيل العودة، ويكشف هذا الاختبار عن الحد الأدنى من حساسية جهاز الاستشعار وفعالية تصميمه المزود بأجهزة استنشاق منخفضة.

قرار منقّد وراسم

ويشير القرار إلى أصغر تغيير في الزاوية أو المسافة التي يمكن أن يميزها جهاز الاستشعار، إذ يمكن أن تقوم مولدات الإشارة، من خلال إنشاء مجموعة من الأهداف المحاكاة التي تفصل عن طريق العزات العتيقة المعروفة، بتقييم التباين بين الشعاع وفعالية آلية المسح (الميكانيكية، أو وزارة الإدارة البيئية، أو دولة صلبة) وفيما يتعلق بتسوية النطاق، يمكن أن تحدد النبضات التي تفصل بين الأجسام القريبة من الدراجات.

ميدان التوحيد الفيوي والمسحوقي

وضمان أن يكون ميدان رؤية ليدار مغطى بصورة موحدة بدون مناطق ميتة أمر أساسي للسلامة، ويمكن لمولدات الإشارة أن تحقن نبضات الاختبار في مختلف الزامية وزوايا الارتفاع )سواء عن طريق التناوب المادي للمستشعر أو عن طريق وضع اتجاهات مختلفة لتحديد النقاط(، ويمكن برمجة نطاق الإشارات المتولدة بحيث يتفاوت عبر العالم السفلي لتصوير النمط الحقيقي.

تحسين برنامج ليدار هاردواري وألغوريثم من خلال تغذية مولدات الإشارة

وبالإضافة إلى اختبارات المرور/الاختفاء، توفر مولدات الإشارة البيانات اللازمة لصقل كل من معدات التناظر وأغلافير تجهيز الإشارات الرقمية.

السمسرة والحد

ويمكن أن تضيف أجهزة الاستشعار التي تستخدم الأشعة الليدائية إلى الضوضاء من الضوء المحيطي (الضوء، الأضواء الأمامية) ومن جهاز التصوير الضوئي نفسه (الضوضاء الصاروخية)، ويمكن لمولدات الإشارة أن تضيف كميات خاضعة للرقابة من الضوضاء البيضاء، أو التدخل في التفجير، أو الاضطرابات التبعية إلى المسار البصري أو الكهربائي، وبقيام نسبة الضوضاء الضوئية (SNR) التي تتبائل الارتدادية في ظل هذه الظروف.

الحد من الثغرة الإيجابية ومكافحة الماثل

وتستخدم وحدات الادخار الليدرالية الحديثة عتبات كشف متغيرة لتجنب التشبع من العودة القوية إلى الحقول القريبة مع الحفاظ على الحساسية بالنسبة للأجسام البعيدة، ويمكن لمولدات الإشارات أن تنتج سلسلة من العائدات مع سرعة التغير السريع في الامدادات - على سبيل المثال، مجسّم مشرق قريب يتبعه هدف بعيد المدى لاختبار سرعة واستقرار قيادة المركبات، ويمكن للمصانع أن تلتهم حلقات المراقبة لمنع وقوع حوادث الاكتشاف أو عدم الكشف عنها.

Validation of Sensor Fusion Algorithms

وكثيرا ما تُثبّت أكوام القيادة المستقلة بيانات ليدار باستخدام أجهزة التصوير والرادار، وباستخدام مولدات الإشارة، يمكن للمهندسين أن يتزامنوا بين توليد عمليات العودة التي يقوم بها المعهد مع أطر الكاميرا المحاكاة (مثلا عن طريق حقن البيوت) لاختبار التوقيت وتطابق دقة نماذج صمامات أجهزة الاستشعار، وهذا النهج المتكامل يقلل الحاجة إلى أجهزة اختبار الارتداد المعقدة ذات الحساسات المتعددة.

التحديات في استخدام مولدات الإشارة لاختبارات ليدار

ورغم قوتهم، فإن المولدات الكهربائية للإشارة تواجه تحديات عملية يتعين على المهندسين التصدي لها للحصول على بيانات ذات مغزى.

النموذج المركب

وتختلف مهام توزيع العوالم الحقيقية بزاوية أو موجة أو منصات سطحية، وقد لا تلتقط نماذج النبضات البسيطة آثار الانتشار أو الاستنباط من طريق رطب أو غطاء سيارات مسدود، كما أن مولدات الإشارات المتقدمة تتضمن جداول بحث أو نماذج متعلمة آليا لتقارب هذه الآثار، ولكن التحقق من صحة ما هو أساسي.

السلامة البيئية والامتثال التنظيمي

ويجب أن تمتثل مولدات الإشارات الضوئية المستخدمة في اختبارات ليدار لمعايير السلامة الليزرية (IEC 60825) لحماية المشغلين، إذ تستخدم العديد من التجهيزات الاختبارية مصادر مجهزة بالألياف مع تواطؤ السمعيات والموجهات المخففة لإبقاء الطاقة المبثوثة تحت الحدود القصوى للفئة الأولى، وينبغي للمهندسين أن يتأكدوا دائما من أن ناتج نظام الاختبارات يقع ضمن حدود آمنة، ولا سيما عندما تستخدم مصادر عالية القوة أو محضة في نطاق قريب.

معايرة وقابلية التعقب

وللثقة بالنتائج، يجب أن يتم تحديد مولدات الإشارات بدقة، كما أن أجهزة الطاقة الضوئية، وأجهزة التصوير الضوئي، والمحللات الزمنية تحتاج إلى معايرة يمكن تتبعها للمعايير الوطنية أو الدولية (مثلا، NIST).

الاتجاهات المستقبلية في جيل الإشارات إلى ليدار

ومع تطور تكنولوجيا ليدار، يجب أيضا على المولدات التي تستخدمها لاختبارها، وعد العديد من الاتجاهات الناشئة بأن تجعل الاختبار أكثر واقعية، وأسرع، وأكثر شمولا.

التوليد الفعلي للإشارة

وسيتضمن المولدات الجيل القادم للإشارة التغذية الرقمية من السجل الليدي للبحوث الزراعية الدولية قيد الاختبار من أجل التكيف الدينامي للبيئة المحاكاة، مثلا، إذا غير جهاز الاستشعار نمطه المسحي أو تواتر نبضه استجابة للأجسام المكتشفة، يمكن للمولد أن يتبادل المعلومات عن طريق تغيير توقيت وعدد العائدات المحاكاة، وهذا النهج المغلقة يتيح اختبار الخوارزميات الحساسية التكييفية في سيناريوهات التحاورية المعقدة دون اشتراط حدوث ذلك.

أجهزة اختبار مصورة متكاملة

وتطرح سجلات البيانات المتعلقة بالأشعة المتحركة والبصرية تحديات اختبارية فريدة لأنها توجه شعاع الليزر إلكترونيا دون قطع متحركة، ويجري إدماج مولدات الإشارات في دوائر متكاملة مصورة يمكن أن تُقلل مباشرة من المرحلة وكمية كل عنصر من عناصرها، ويمكن أن تُنتج هذه الاختبارات التي تستند إلى التصنيف الصناعي الدولي الموحد أنماطاً عشوائية من الشعاع وتُسرع في تطويرها.

FMCW LiDAR Testing

ويحتاج نظام ليدار الذي يقاس المسافة والسرعة على السواء من خلال الكشف المتسق، إلى مولدات إشارات قادرة على إنتاج أجهزة التردد المتوازية ذات الترددات المتدنية ذات الترددات المتميزة والضوضاء المتدنية، كما أن التقدم في التوليف الديناميكي المباشر وأجهزة الشاشة التي تخضع لمراقبة الفولطية، كلها عوامل تمكن من تشغيل المولدات ذات الترددات العالية التي تساعد على تغيير مسارات الترددات

For insights into the current state of FMCW LiDAR and testing requirements, see this overview from Photonics Media].

خاتمة

وقد تحقّقت المولدات الإشارة من المولدات الكهربائية البسيطة في مختبرات الإلكترونيات الأساسية إلى الأدوات التي لا غنى عنها لتثبيت نظام ليدار في المركبات المستقلة، حيث إن التحكم في خصائص النبضات، وتحفيز العاهات البيئية، وتمكين قياس دقيق لمقاييس أجهزة الاستشعار، سيمكّن المهندسين من دفع حدود الأداء مع الحفاظ على السلامة والموثوقية، حيث أن " ليدار " ما زال يتطور نحو هياكل ثابتة، و " مواكبة سرعة المقاييس " ، وتطوي " .