LiDAR (Light Detection And Ranging) היא טכנולוגיה שמבוססת על פליטת פולס לייזר אל הסביבה ומדידת הזמן שלוקח לפולס לשוב לאחר החזרה. ממסדי הנתונים של לייזר ופוטודטקטור נוצרת “ענן נקודות” תלת-ממדי של הסביבה. קיימות כמה משפחות עיקריות של חיישני LiDAR, ולקביעה של איזה סוג מתאים לפרויקט מסוים יש משמעות רבה מבחינת ביצועים, עלות, אמינות ועוד.
מכני (Mechanical / Spinning)
אופן פעולה
ב-LiDAR מכני המכשיר כולו, או חלק ממנו – בעיקר מראות, מפרשים או רכיבים אופטיים – מסתובבים כדי לסרוק את הסביבה ב-360° אופקית או בזוויות משתנות. המראה או היחידה האופטית נעה כדי להפנות את פולס הלייזר לכיוונים שונים.
יתרונות
- טווח גדול ויכולת סריקה רחבה — ניתן לכסות שדה ראייה אופקי מלא ב־360° בקלות.
- כיסוי אחיד וסריקה בעומק טוב; מתאים למיפוי שטחים גדולים.
- טכנולוגיה מבוססת, זמינה ומוכרת בשוק עם הרבה היסטוריה של שימוש בפרויקטים גדולים.
חסרונות
- רכיבים נעים עלולים להישחק, להיפגע מרעידות ולדרוש תחזוקה רבה.
- עמידות נמוכה יותר לסביבה קשה (רעידות, אבק, לחות).
- גודל ומשקל גבוה יותר — לא תמיד מתאים לשילוב במרחבים קטנים או רכבים קלים.
- ייתכן עיכובי מינוי (latency) בשל התנועה המכנית בסריקה.
סוליד-סטייט (Solid-State LiDAR)
אופן פעולה
ב־LiDAR סוליד-סטייט אין רכיבים נעים. קרן הלייזר מוסטת באלקטרוניקה או באופטיקה מתקדמת (כגון Optical Phased Array – OPA, MEMS, או Flash LiDAR). השינוי בזווית הקרן נעשה על ידי שינוי פאזה, שינוי זמן או שימוש במבנה אלקטרוני/אופטי המאפשר כיוון הקרן ללא תנועה פיזית.
תתי־סוגים עיקריים
- Flash LiDAR – מוארת פני השטח במכה רחבה, וכל הנקודות נסרקות בפולס אחד.
- OPA / Phased Array – פיזור הקרן באמצעות שינוי פאזה של מקורות הלייזר.
- MEMS-based – שימוש במראות מיקרו־אלקטרומכניות קטנות (שזזות) כחלק מהמערכת, למרות שהן מעט נעות.
- Hybrid / Semi-solid – שילוב של רכיבים נעים קלים יחד עם רכיבים קבועים.
יתרונות
- אמינות גבוהה – ללא רכיבים נעים שמוחזקים משומן או נשחקים.
- עמידות גבוהה לסביבה קשה (רעידות, טמפרטורה משתנה).
- גודל קטן, משקל נמוך – מתאים לשילוב ברכבים, רחפנים ומערכות קטנות.
- עלות תחזוקה נמוכה לאורך זמן.
- השפעה נמוכה של חיכוך או תיקול מכני הפוגע בדיוק.
חסרונות
- טווח סריקה מוגבל יותר לעומת חיישנים מכניים בכמה מקרים.
- שדה ראייה אופקי מוגבל — לא תמיד אפשר לכסות 360°.
- מורכבות אלגוריתמית גבוהה יותר – נדרש עיבוד מתקדם כדי לנתב את קרני הלייזר.
- חיישנים מסוג OPA ו-Flash עדיין מתמודדים עם אתגרים כמו עמידות, טווח, פיזור קרן ודיוק באזורים מרוחקים.
היברידיים (Hybrid / Hybrid Solid-State)
אופן פעולה
בשיטה היברידית משלבים אלמנטים של LiDAR מכני עם רכיבים סוליד־סטייט. לדוגמה, יחידת קרן קבועה יחד עם מראה זזה או רכיבי MEMS קטנים. המטרה היא ליהנות מיושר האופטיקה של רכיבים נעים יחד עם האמינות והעמידות של רכיבים קבועים.
יתרונות
- איזון בין טווח וכיסוי לבין אמינות וגמישות.
- אפשר להפוך את המערכת ליעילה יותר מבחינת עלות לעומת חיישן מכני מלא.
- מתמודד טוב עם הצרכים של רכבים אוטונומיים – שדורשים גם שדה ראייה רחב וגם אמינות גבוהה.
חסרונות
- עדיין נשארים רכיבים נעים – ישנם אלמנטים תנועתיים שדורשים תחזוקה.
- לעיתים אין את היכולת לכסות סריקה מלאה כמו במכשיר מכני גדול.
- מורכבות תכנון גבוהה – יש ליישב בין שני העולמות מבחינת דיוק, סינכרון וקליברציה.
השוואה עיקרית בין הסוגים
פרמטר | LiDAR מכני (Spinning) | LiDAR סוליד-סטייט | LiDAR היברידי |
---|---|---|---|
שדה ראייה אופקי (FoV) | 360° אופקי מלא | מוגבל (למשל 120° או פחות) | משתנה — תלוי במבנה ההיברידי |
טווח ותפוקה | גבוה מאוד, סריקה רחבה | טווח בינוני, תלוי במערכת | יכול להגיע לטווח ביניים–גבוה |
אמינות ותחזוקה | נטייה לבלאי של רכיבים נעים | גבוהה מאוד – אין חלקים נעים | בינונית — רכיבים נעים מועטים |
משקל וגודל | גדול וכבד | קומפקטי וקל | משתנה — תלוי במבנה ועיצוב |
עלות (ייצור ותחזוקה) | גבוהה יותר | לדי הרבה מתחרותית – עלות נמוכה יותר בטווח הארוך | בין שני הקצוות |
עיבוד נתונים/אלגוריתמים | יחסית פשוט — תנועה קבועה | דורש אלגוריתמים מורכבים יותר | מורכב – יש ליישב תיאום בין רכיבי המערכת |
שיקולים בבחירה
- יישום ומטרה: לפרויקטים שבהם דרוש כיסוי סביבתי מלא (לדוגמה, סריקות סביבתיות או רכבים אוטונומיים ברחובות), LiDAR מכני עדיין לתת מענה חזק.
- גודל, משקל ותקציב: במקרים שבהם הציוד צריך להיות מתקדם, קל ונייד (רחפנים, רובוטים קטנים), LiDAR סוליד־סטייט או היברידי מתאים יותר.
- סביבת עבודה קיצונית: באזורים עם תנאים קשוחים (רעידות, אבק, לחות), חיישני סוליד־סטייט יעניקו אמינות גבוהה יותר.
- טווח נדרש: אם יש צורך בקפיצה לטווחים רחוקים מאוד, מכני או היברידי חזק יותר במקרים רבים.
- יכולת עיבוד נתונים: שימוש ב-LiDAR סוליד־סטייט עשוי לדרוש אלגוריתמים מתקדמים יותר, יכולות עיבוד גבוהות וזיכרון חזק.
מגמות עתידיות וטכנולוגיות מתפתחות
- שילוב מבני מטה־משטחים (metasurfaces) להגברת שדה ראייה ללא תנועה פיזית.
- פיתוחי Swept Source LiDAR שמשלבים קירוי תדר (FMCW) עם כיוון קרן אלקטרוני.
- שיפור טכנולוגיות OPA, פאזות אופטיות ורכיבים ננומטריים שיאפשרו דיוק גבוה יותר בטווחים רחוקים והפחתת פיזור קרן.
- שדרוג יכולות עיבוד ב־Edge כדי לבצע חישובים מקומיים במצלמה עצמה ולשלוח רק נתונים נדרשים.