Automotive Photonics: Laser-diode-based scanner paves the way for autonomous vehicles

Most drivers in the U.S. are aware that this country's transportation infrastructure is in need of substantial repair and improvement. In fact, the American Society of Civil Engineers recently rated our roads with a grade of "D."

Rapid developments in autonomous-vehicle technology have highlighted the need for road improvements, particularly the requirement for consistent, easily visible pavement markings—without these, it's difficult for autonomous vehicles to know exactly where they are on the road. In one notorious example, at a failed demonstration of self-driving car technology at the 2015 Los Angeles Auto Show, Volvo's North American CEO, Lex Kerssemakers, exclaimed, "It can't find the lane markings! You need to paint the bloody roads here!"

Nighttime visibility of pavement markings, in particular, is enhanced by embedding small glass retroreflecting "cat's-eye" spheres in the paint or thermoplastic material used to create markings. However, there are a number of process variables, including sphere diameter, sphere-placement density, and the depth to which the beads are embedded, which affect the precise level of marking retroreflectivity.

The color of the reflected light can also differ between locales depending upon the particular pigments used, and how well the paint bonds to the beads. In the worst case, it's possible that drivers will not be able to easily distinguish yellow lines from white lines at night. This has become increasing problematic since the elimination of lead chromate in paint, which delivered a highly saturated yellow color.

As a result, both federal and state governments have developed, or are developing, standards for pavement-marking retroreflectivity. In fact, the U.S. Congress mandated that there should be standards for the minimum retroreflectivity for all road markings about 25 years ago. But, they have still yet to set the actual values for those standards.

One reason that specifications for pavement marking visibility have been so long in coming is that there was no practical way to measure it properly. The traditional measurement technique involved manually placing a xenon or tungsten-based lamp instrument on the pavement and taking a handful of readings at prescribed intervals (typically 10 to 20 readings per mile) along a roadway. This method involves lane closures and traffic control, making it both hazardous to personnel and expensive.

More-sophisticated vehicle mounted measurement systems based on tungsten and xenon sources have also been recently introduced. These suffer from significant limitations, including an inability to correct for ambient lighting conditions (such as sunlight or oncoming headlights) and the inability to measure the color of returned light.	Автомобильная фотоника: сканер на основе лазерного диода прокладывает путь для автономных транспортных средств

Большинство водителей в США знают, что транспортная инфраструктура этой страны нуждается в значительном исправлении и улучшении. На самом деле, Американское Сообщество Гражданских Инженеров недавно оценило наши дороги на «двойку».
Быстрое развитие технологии автономных транспортных средств выдвинуло на первый план необходимость улучшения дорог, в частности, потребность в последовательной, легко видимой разметке дорожного покрытия – без них автономным транспортным средствам сложно знать, где они находятся на дороге. В одном печально известном примере, при неудачной демонстрации технологии самоуправляемого автомобиля в 2015 году на Автомобильной Выставке в Лос-Анджелесе, генеральный директор компании North American Volvo, Лекс Керсмейкерс, воскликнул: «Она не может найти разметку полос! Вы должны покрасить здесь кровавые дороги!»
Ночная видимость дорожной разметки, в частности, повышается за счет включения маленьких стеклянных отражающих сфер «кошачий глаз» в краску или термопластичный материал, используемый для нанесения разметки. Тем не менее, существует ряд технологических параметров, в том числе диаметр сферы, плотность для размещения сфер и глубина, на которую погружены шарики, которые влияют на точный уровень световозвращающих свойств разметки.
Цвет отраженного света также может различаться в зависимости от конкретных используемых пигментов и от того, как хорошо краска прилегает к шарикам. В худшем случае вполне возможно, что водители не смогут легко отличить желтые линии от белых линий в ночное время. Это стало нарстающей проблемой с тех пор, как начали избавляться от хромата свинца в краске, излучающего весьма насыщенный желтый цвет.
В результате, как федеральное правительство, так и правительства штатов разработали (или разрабатывают) стандарты для световозвращающей разметки дорожного покрытия. На самом деле, Конгресс США постановил, что должны были существовать стандарты минимального световозвращения для всей дорожной разметки около 25 лет назад. Но до сих пор еще предстоит установить фактические значения для этих стандартов.
Одной из причин того, что спецификации для видимости разметки дорожных покрытий так долго разрабатывались, является то, что не существовало никакого практического способа правильно ее измерить. Традиционная методика измерений подразумевает размещение прибора с ксеноновой лампой или лампой накаливания с вольфрамовой нитью на асфальте и съем нескольких показаний через заданные интервалы времени (обычно от 10 до 20 показаний за милю) вдоль проезжей части. Этот метод включает в себя перекрытие полос движения и управление трафиком, что делает его как опасным для персонала, так и дорогим.
Также недавно были представлены более изысканные транспортные средства с установленными измерительными системами на основе вольфрама и ксеноновых источников. Они испытывают существенные ограничения, включая неспособность скорректировать условия окружающего освещения (например, солнечный свет или свет приближающихся фар) и невозможность измерить цвет возвращенного света.	

Road measurement via laser scanning

A new laser-diode-based scanning technology has been developed that performs highly accurate measurements of pavement markings at a 400 Hz sampling rate. For example, at a speed of 60 mph, this technique delivers a measurement every 2.6 in. The system can be mounted on a car using vacuum cups and simply driven along the road.

Developed by Gamma Scientific (San Diego, CA), the system, called the RoadVista Laserlux G7 (LLG7), incorporates between one and three laser diodes in various combinations of red, green, blue, or infrared output wavelengths. Within the instrument, the output of these lasers is combined to be essentially collinear and then directed to a galvanometer scanner, creating a scan line that is then projected out on to the roadway.

The lasers themselves are pulsed in synchronization with the scanning mirror so that they are only on when it sweeps in one direction, but not for the return. However, the detection system measures returned light from both the "on" and "off" scan phases, and then uses the "off" phase to establish an ambient light baseline. Together with narrowband filters, this enables elimination of stray light and permits measurements at any time of day or night.

The angle at which the scanned beam hits the road surface is critical, as retroreflection is very sensitive to incoming illumination angle. To eliminate the need for precision alignment by the operator, the system uses onboard sensors that automatically adjust height and tilt to dynamically maintain the necessary measurement geometry.

The system acquires reflectance data, along with GPS coordinates, and stores this on a flash drive. The use of red, green, and blue lasers enables marking color measurement in CIE color coordinates. Alternatively, the utilization of an infrared laser enables measurements of the road the way most self-driving cars will see it. In addition, the system can count and measure retroreflective pavement markers (the small trapezoidal reflectors embedded on many roadways) and identify missing or broken ones.	Измерение дорожного покрытия с помощью лазерного сканирования

Была разработана новая технология сканирования на основе лазерного диода, которая выполняет очень точные измерения дорожной разметки с частотой дискретизации 400 Гц. Например, при скорости 60 миль в час этот метод обеспечивает измерение каждые 2,6 дюйма. Система может быть установлена ​​на машине с помощью вакуумных присосок и просто проведена вдоль дороги.
Разработанная компанией Gamma Scientific (Сан-Диего, Калифорния) система под названием RoadVista Laserlux G7 (LLG7) включает в себя от одного до трех лазерных диодов в различных комбинациях красного, зеленого, синего или инфракрасных выходных длин волн. Внутри прибора выход этих лазеров комбинируется так, чтобы они были коллинеарными, а затем направляется на сканер гальванометра, создавая строку развертки, которая затем проецируется на мостовую.
Сами лазеры пульсируют синхронно со сканирующим зеркалом таким образом, что они пульсируют только тогда, когда оно охватывает одно направление, но не тогда, когда оно возвращается. Тем не менее, система обнаружения измеряет возвращенный свет как при фазе сканирования «включено», так и при фазе «выключено», а затем использует фазу «выключено» для установления исходных условий внешней освещенности. Вместе с узкополосными фильтрами, это дает возможность устранить рассеянный свет и позволяет производить измерения в любое время дня или ночи.
Угол, при котором отсканированный луч попадает на поверхность дороги, имеет решающее значение, так как обратное отражение очень чувствительно к входящему углу освещения. Для того чтобы устранить необходимость выравнивания точности оператором, система использует бортовые датчики, которые автоматически регулируют высоту и наклон для динамического поддержания необходимой геометрии измерения.
Система получает данные об отражении, наряду с координатами GPS, и сохраняет их на флэш-накопителе. Использование красного, зеленого и синего лазеров позволяет маркировать измерение цвета по цветовой модели CIE. С другой стороны, использование инфракрасного лазера позволяет проводить измерение дороги так, как большинство самоуправляемых автомобилей будут видеть ее. Кроме того, система может рассчитывать и измерять световозвращающую разметку дорожного покрытия (небольшие трапециевидные отражатели, встроенные на многих дорогах) и определить отсутствующие или неработающие отражатели.