Low bandwidth signals for LIDAR

Abstract

During the last few years there has been a significative increase of the study and development of autonomous driving systems, in order to have a lower rate of car accidents in the future. One of the main functions necessary for a good performance of this type of systems is the detection and distance estimation of a potential obstacle. This can be achieved through the use of LIDAR (Light Detection and Ranging) technology, within which the most used application is the pulsed LIDAR, for which a direct measurement of the time-of-flight of pulses, which are transmitted by a laser, reflected at an obstacle and captured by a receiver, is done. However, the cost and complexity of this type of implementation are still too high. Throughout this thesis, another type of LIDAR technique known as AMCW (Amplitude-modulated Continuous Wave) was then explored, for which continuous signals are amplitude-modulated and for which a good precision was obtained for the estimation of distances of an obstacle up to 300 m. This technique introduces the possibility of a reduction in cost and complexity of this type of system. Different ideal and non-ideal cases were simulated for two estimation methods e for different types of waveforms, in order to understand which parameters and working conditions enable the optimization of the system. Another great focus of this thesis was the influence of the presence of interferences, originated from other LIDARs, on the estimation methods. From the obtained results, it was observed that even for scenarios with the presence of various interferences, the system is capable of making estimations with an acceptable absolute error. Lastly, the possibility of implementing a communication system in cooperation with the studied estimation system without losses in estimation quality, was tested. It was concluded that this implementation is possible, guaranteed that some conditions relative to the transmitted signals are respected.

Durante os últimos anos tem existido um aumento significativo no estudo e desenvolvimento de sistemas de condução autónoma, com vista a um futuro com zero acidentes rodoviários. Uma das principais funções necessárias para um bom funcionamento deste tipo de sistemas é a deteção e localização de um potenciais obstáculos. Tal pode ser conseguido através da tecnologia LIDAR (Light Detection and Ranging). O tipo de LIDAR mais utilizado é o pulsado, onde é feita a medição direta do tempo de voo de pulsos emitidos por um laser, refletidos por um obstáculo, e capturados num recetor. No entanto, o custo e a complexidade deste tipo de implementação ainda são proibitivos. Ao longo deste trabalho foi explorada outro tipo de técnica LIDAR, designada por AMCW (Amplitude-modulated Continuous Wave), na qual são utilizados sinais contínuos modulados em amplitude e para a qual foi obtida uma boa precisão para medição de distâncias de um obstáculo até 300 m. Esta técnica abre a possibilidade a uma redução em custo e complexidade. Vários casos ideais e não-ideais foram simulados para dois métodos de estimação e para diferentes formas de onda, de maneira a perceber quais são os parâmetros e condições de funcionamento que permitem a otimização do sistema. Outro foco desta tese foi o estudo do impacto da influência da presença de interferência proveniente de outros LIDARs. A partir dos resultados obtidos, observou-se que mesmo face a situações improváveis com presença de várias fontes de interferência, o sistema é capaz de operar com um erro absoluto aceitável. Por fim, foi também testada a possibilidade de implementação de um sistema de comunicação em cooperação com o sistema de estimação estudado sem perdas na sua qualidade de estimação. Concluiu-se que esta implementação é possível, desde que certas condições relativamente aos sinais transmitidos sejam respeitadas.