Cảm biến LiDAR khác gì so với cảm biến Radar?

Cảm biến LiDAR sử dụng sóng ánh sáng laser có bước sóng ngắn trong dải hồng ngoại, mang lại độ phân giải không gian cao và khả năng tái tạo chi tiết hình học 3D của vật thể. Ngược lại, cảm biến Radar sử dụng sóng vô tuyến điện từ có bước sóng dài hơn, khả năng phân giải hình học thấp hơn nhưng chịu đựng tốt hơn trước điều kiện thời tiết xấu như mưa lớn hoặc sương mù dày đặc.

Tại sao bước sóng 1550 nm an toàn cho mắt người hơn bước sóng 905 nm?

Bức xạ laser ở bước sóng 1550 nm bị hấp thụ phần lớn bởi giác mạc và dịch lỏng ở tiền phòng của mắt trước khi kịp tiếp cận võng mạc, trong khi bước sóng 905 nm đi xuyên qua môi trường mắt và hội tụ thẳng lên võng mạc. Do đó, theo tiêu chuẩn an toàn laser IEC 60825-1, hệ thống phát ở bước sóng 1550 nm được phép hoạt động với mật độ công suất cao hơn đáng kể mà vẫn bảo đảm cấp an toàn Loại 1 (Class 1).

Cảm biến LiDAR thể rắn có ưu điểm gì so với LiDAR cơ học?

LiDAR thể rắn loại bỏ hoàn toàn các cụm chuyển động cơ học quay truyền thống, thay thế bằng công nghệ vi gương MEMS hoặc mảng pha quang học (OPA) tích hợp trên chip silicon. Cấu trúc này giúp thiết bị nhỏ gọn, giảm chi phí sản xuất hàng loạt và cải thiện khả năng chống chịu va đập cơ học trong môi trường vận hành khắc nghiệt.

Công nghệ LiDAR được ứng dụng trong những lĩnh vực nào tại Việt Nam?

Tại Việt Nam, công nghệ quét LiDAR được ứng dụng chủ yếu trong bay chụp đo vẽ địa hình thành lập mô hình số độ cao (DEM) theo Thông tư 39/2014/TT-BTNMT và quét mặt đất trạm cố định theo Thông tư 17/2019/TT-BTNMT của Bộ Tài nguyên và Môi trường. Ngoài ra, cảm biến LiDAR còn phục vụ quản lý rừng, quan trắc sạt lở đê điều và phát triển phương tiện giao thông tự hành.

Cảm biến LiDAR (LiDAR sensor) là gì?

Cảm biến LiDAR là thiết bị quang điện tử thực hiện phát xạ các chùm ánh sáng laser có kiểm soát và tiếp nhận tín hiệu tán xạ ngược từ vật thể nhằm xác định cự ly, hình học và đặc tính bề mặt của môi trường xung quanh dưới dạng đám mây điểm ba chiều. Thuật ngữ LiDAR là từ viết tắt của cụm từ tiếng Anh Light Detection and Ranging (phát hiện ánh sáng và đo cự ly). Bài viết này trình bày chi tiết về cơ chế truyền dẫn tín hiệu quang học, phân loại các kiến trúc quét chùm tia, phân tích kỹ thuật bước sóng hoạt động, mô hình toán học đo cự ly, các ứng dụng chuyên ngành tại Việt Nam và các giới hạn vật lý của cảm biến LiDAR.

Nguyên lý đo cự ly và mô hình toán học

Cảm biến LiDAR hoạt động dựa trên sự tương tác giữa chùm sóng điện từ trong dải quang học và các bề mặt phản xạ trong không gian. Hai phương pháp thu nhận tín hiệu chủ đạo trong kỹ thuật LiDAR là đo thời gian bay trực tiếp và đo sóng liên tục điều tần.

Đo khoảng cách theo thời gian bay trực tiếp

Phương pháp thời gian bay trực tiếp (direct Time-of-Flight, dToF) đo đạc khoảng thời gian trôi qua từ thời điểm phát một xung laser có độ rộng cực ngắn tới thời điểm bộ thu quang nhận được tín hiệu phản xạ. Cự ly từ cảm biến tới mục tiêu được xác định theo mô hình toán học:

d = \frac{c \cdot \Delta t}{2}

Trong công thức trên, đại lượng $d$ là cự ly hình học từ cảm biến tới bề mặt phản xạ của vật thể, đại lượng $c$ là vận tốc truyền lan của ánh sáng trong môi trường khí quyển (xấp xỉ 300000 km/s), và đại lượng $\Delta t$ là tổng thời gian truyền khứ hồi của xung ánh sáng. Hệ số chia hai phản ánh quá trình truyền lan hai lượt của chùm tia laser từ bộ phát tới vật cản và quay ngược trở lại bộ thu.

Theo phân tích của Royo và Ballesta-Garcia (2019), phương pháp dToF có ưu điểm về cấu trúc mạch điện tử đơn giản, khả năng xử lý dữ liệu với tốc độ cao và phù hợp cho các hệ thống yêu cầu tốc độ cập nhật nhanh. Tuy nhiên, độ phân giải cự ly của hệ thống dToF bị ràng buộc trực tiếp bởi độ rộng xung phát xạ laser và độ bất định thời gian của bộ tách sóng quang tử.

Đo khoảng cách và vận tốc bằng sóng liên tục điều tần

Phương pháp sóng liên tục điều tần (Frequency-Modulated Continuous-Wave, FMCW) sử dụng chùm tia laser liên tục có tần số quang học được điều chế tuyến tính theo thời gian. Tín hiệu phản xạ trở về từ mục tiêu được kết hợp giao thoa với một phần tín hiệu laser phát xạ gốc (đóng vai trò chùm tham chiếu cục bộ) trên bề mặt của bộ tách sóng quang tử kết hợp (coherent photodetector).

Quá trình trộn tín hiệu tạo ra một tần số phách (beat frequency). Mối quan hệ giữa khoảng cách mục tiêu và tần số phách được mô tả qua biểu thức:

f_b = \frac{2 \cdot B \cdot d}{c \cdot T}

Trong đó, đại lượng $f_b$ là tần số phách đo được ở đầu ra của bộ trộn quang học, đại lượng $B$ là độ rộng dải tần số điều chế của xung quét laser, đại lượng $d$ là cự ly từ cảm biến tới mục tiêu, đại lượng $c$ là vận tốc ánh sáng trong môi trường truyền dẫn, và đại lượng $T$ là chu kỳ thời gian của một bước quét điều tần.

Nghiên cứu của Li và Ibanez-Guzman (2020) chỉ ra rằng kiến trúc FMCW mang lại lợi thế vượt trội nhờ khả năng thu nhận đồng thời khoảng cách và vận tốc xuyên tâm tức thời của mục tiêu thông qua hiệu ứng dịch tần Doppler, thay vì phải thực hiện phép vi phân sai phân giữa các khung hình liên tiếp như trong các hệ thống dToF thông thường. Bên cạnh đó, phép thu kết hợp giúp hệ thống FMCW miễn nhiễm hiệu quả trước ánh sáng mặt trời tự nhiên và các nguồn xung laser lân cận.

Phương trình công suất thu nhận quang học

Cường độ tín hiệu quang học quay trở về cảm biến LiDAR phụ thuộc vào nhiều tham số quang học, khoảng cách và tiết diện tán xạ của mục tiêu. Đối với mục tiêu điểm chưa phân giải (unresolved point target) có diện tích phản xạ nhỏ hơn tiết diện vết chùm tia laser tại khoảng cách đo, công suất quang học thu nhận được mô tả qua phương trình cự ly LiDAR:

P_r = \frac{P_t \cdot D_r^2 \cdot \eta_{\text{sys}} \cdot \eta_{\text{atm}} \cdot \sigma}{4 \cdot \pi \cdot R^4 \cdot \beta_t^2}

Trong phương trình cự ly trên, đại lượng $P_r$ là công suất quang học thu nhận tại bộ tách sóng, đại lượng $P_t$ là công suất đỉnh của xung laser phát xạ, đại lượng $D_r$ là đường kính khẩu độ của thấu kính thu tín hiệu quang học, đại lượng $\eta_{\text{sys}}$ là hệ số hiệu suất truyền dẫn quang học nội tại của hệ thống cảm biến, đại lượng $\eta_{\text{atm}}$ là hệ số truyền qua hai chiều của môi trường khí quyển, đại lượng $\sigma$ là diện tích phản xạ hiệu dụng của mục tiêu khảo sát, đại lượng $R$ là cự ly giữa cảm biến và mục tiêu, và đại lượng $\beta_t$ là góc phân kỳ của chùm tia laser phát xạ. Phương trình này chứng minh rằng đối với mục tiêu điểm, công suất phản xạ suy giảm rất nhanh theo lũy thừa bốn của khoảng cách.

Ngược lại, đối với bề mặt tán xạ Lambert mở rộng (extended Lambertian target, có diện tích bề mặt lớn hơn toàn bộ diện tích vết chùm tia), toàn bộ năng lượng chùm sáng chiếu đều nằm trọn trên bề mặt vật thể. Khi đó, công suất quang học thu nhận không phụ thuộc vào góc phân kỳ chùm tia mà suy giảm theo tỷ lệ nghịch đảo bình phương khoảng cách, tỷ lệ thuận với hệ số phản xạ khuếch tán của vật liệu.

Phân loại kiến trúc điều hướng chùm tia

Theo khảo sát toàn diện của Roriz, Cabral và Gomes (2022), các hệ thống cảm biến LiDAR được phân loại chủ yếu dựa trên cơ chế định hướng chùm tia laser trong không gian thành bốn nhóm kiến trúc chính:

LiDAR cơ học quay truyền thống: Hệ thống sử dụng một cụm phát thu quang học hoặc lăng kính phản xạ được gắn trên bệ quay cơ học quanh trục thẳng đứng. Ưu điểm nổi bật của kiến trúc này là cung cấp góc mở quét toàn cảnh xung quanh phương tiện. Tuy nhiên, kích thước cồng kềnh, chi phí chế tạo cao và độ bền suy giảm dưới tác động của rung chấn là rào cản lớn trong ứng dụng thương mại đại trà.
LiDAR bán thể rắn dựa trên vi gương MEMS: Hệ thống sử dụng các vi gương siêu nhỏ được chế tạo bằng công nghệ hệ thống vi cơ điện tử (Micro-Electro-Mechanical Systems, MEMS). Gương MEMS dao động trên một hoặc hai trục để quét chùm tia laser qua môi trường. Cấu trúc này giảm thiểu đáng kể khối lượng chuyển động cơ học, thu nhỏ kích thước thiết bị và giảm giá thành sản xuất.
LiDAR thể rắn hoàn toàn với mảng pha quang học: Mảng pha quang học (Optical Phased Array, OPA) điều hướng chùm tia laser hoàn toàn bằng phương pháp can thiệp pha điện quang trên các ống dẫn sóng nano. Nghiên cứu của Li và cộng sự (2022) nhấn mạnh rằng công nghệ OPA tích hợp trên chip quang tử silicon loại bỏ hoàn toàn các cấu kiện chuyển động cơ học, mang lại khả năng chống sốc và chống rung động cơ học tuyệt đối.
LiDAR chiếu sáng vùng Flash: Hệ thống phát xạ đồng thời một xung laser góc rộng bao trùm toàn bộ trường nhìn và tiếp nhận tín hiệu phản xạ bằng một mảng cảm biến ma trận hai chiều, tương tự nguyên lý hoạt động của máy ảnh kỹ thuật số. Cấu trúc Flash đạt tốc độ khung hình rất cao nhưng bị giới hạn về cự ly tối đa do năng lượng quang học bị phân tán trên diện tích phát xạ rộng.

Bảng tổng hợp đặc tính kỹ thuật giữa các kiến trúc điều hướng chùm tia của cảm biến LiDAR:

Kiến trúc điều hướng	Cơ cấu quét chùm tia	Độ bền cơ học	Ưu điểm nổi bật	Thách thức kỹ thuật chính
LiDAR cơ học	Mô tơ quay quang cơ quanh trục	Hạn chế dưới rung động liên tục	Góc quét rộng toàn cảnh xung quanh	Kích thước lớn, hao mòn cụm chuyển động
LiDAR bán thể rắn MEMS	Vi gương dao động điện từ hoặc tĩnh điện	Trung bình khá, hạn chế mỏi vật liệu	Kích thước nhỏ gọn, chi phí hợp lý	Góc mở trường nhìn quang học hữu hạn
LiDAR thể rắn OPA	Điều khiển lệch pha quang học phi cơ	Rất cao, không có linh kiện chuyển động	Độ tin cậy cao, tích hợp trên một vi mạch	Mất mát công suất quang trong ống dẫn sóng
LiDAR Flash	Chiếu sáng xung rộng không quét tia	Rất cao, kết cấu tĩnh hoàn toàn	Tốc độ cập nhật khung hình cao, không biến dạng	Cự ly đo ngắn do phân tán mật độ photon

Lựa chọn bước sóng quang học và an toàn mắt người

Bước sóng làm việc của nguồn laser phát xạ là một trong những quyết định kỹ thuật then chốt đối với cảm biến LiDAR. Hai dải bước sóng được ứng dụng phổ biến nhất trong công nghiệp và nghiên cứu là 905 nm và 1550 nm.

Theo đánh giá của Royo và Ballesta-Garcia (2019), sự khác biệt căn bản giữa hai bước sóng này bắt nguồn từ đặc tính sinh học của mắt người và khả năng đáp ứng của vật liệu bán dẫn:

Dải bước sóng 905 nm: Nằm trong dải bức xạ hồng ngoại gần. Ở bước sóng 905 nm, môi trường quang học của mắt người (bao gồm giác mạc, thủy dịch, thể thủy tinh và dịch kính) có độ trong suốt tương đối cao đối với bức xạ laser. Tia sáng laser có thể xuyên qua các lớp môi trường này và hội tụ trực tiếp lên bề mặt võng mạc. Do nguy cơ tổn thương nhiệt đối với tế bào thị giác võng mạc, tiêu chuẩn an toàn laser quốc tế IEC 60825-1 (phiên bản năm 2014) đặt ra ngưỡng giới hạn phơi nhiễm tối đa cho phép rất nghiêm ngặt đối với cấp an toàn Loại 1 (Class 1). Do đó, cảm biến hoạt động ở 905 nm buộc phải giới hạn công suất phát xạ, làm suy giảm cự ly đo đối với các vật thể có hệ số phản xạ kém. Tuy nhiên, ưu điểm cốt lõi của bước sóng 905 nm là khả năng tương thích với công nghệ bán dẫn silicon giá thành thấp, cho phép tích hợp các bộ tách sóng quang tuyết lở (Avalanche Photodiode, APD) và mảng diode tuyết lở đơn photon (Single-Photon Avalanche Diode, SPAD).
Dải bước sóng 1550 nm: Nằm trong dải hồng ngoại sóng ngắn. Bức xạ ở bước sóng 1550 nm bị hấp thụ mạnh bởi các phân tử nước trong giác mạc và tiền phòng của mắt trước khi năng lượng kịp truyền tới võng mạc. Do võng mạc được bảo vệ tự nhiên bởi hiện tượng hấp thụ bề mặt này, tiêu chuẩn IEC 60825-1 cho phép ngưỡng mật độ công suất phát xạ an toàn của laser ở bước sóng 1550 nm cao hơn đáng kể so với 905 nm mà vẫn bảo đảm cấp an toàn Class 1 cho mắt người. Nhờ phát xạ công suất cao hơn, cảm biến LiDAR 1550 nm đạt cự ly phát hiện xa hơn và xuyên thấu khí quyển tốt hơn. Mặc dù vậy, hệ thống đòi hỏi các bộ tách sóng quang chuyên dụng chế tạo từ vật liệu bán dẫn Indium Gallium Arsenide (InGaAs), khiến giá thành sản xuất cao hơn đáng kể.

Bảng đối chiếu thông số quang học và an toàn bức xạ giữa hai bước sóng phổ biến:

Thông số quang điện	Bước sóng 905 nm	Bước sóng 1550 nm
Vùng phổ điện từ	Hồng ngoại gần (Near-Infrared)	Hồng ngoại sóng ngắn (Short-Wave Infrared)
Tác động sinh học lên mắt	Xuyên qua thể thủy tinh, tập trung vào võng mạc	Bị hấp thụ phần lớn tại giác mạc và dịch mắt
Giới hạn công suất Class 1 theo IEC 60825-1	Thấp, kiểm soát chặt chẽ công suất đỉnh xung	Cao hơn nhiều lần, cho phép xung phát công suất lớn
Vật liệu bộ tách sóng quang	Chất bán dẫn Silicon (Si, APD, SPAD)	Hợp chất bán dẫn Indium Gallium Arsenide (InGaAs)
Chi phí phần cứng hệ thống	Thấp đến trung bình, sản xuất quy mô lớn	Cao, quy trình chế tạo quang điện tử phức tạp

Yêu cầu kỹ thuật trong xe tự hành và ứng dụng tại Việt Nam

Trong lĩnh vực giao thông thông minh và phương tiện tự hành, cảm biến LiDAR giữ vai trò trụ cột trong việc thiết lập bản đồ độ phân giải cao và phát hiện chướng ngại vật thời gian thực.

Theo báo cáo kỹ thuật của Li và Ibanez-Guzman (2020), các tiêu chuẩn vận hành an toàn của phương tiện tự hành trên đường cao tốc đặt ra các chỉ tiêu kỹ thuật khắt khe đối với cụm cảm biến LiDAR:

Cự ly nhận diện: Cảm biến LiDAR cần bảo đảm cự ly phát hiện đạt từ 200 m đến 250 m đối với các chướng ngại vật có độ phản xạ thấp nhằm cung cấp đủ thời gian cho hệ thống điều khiển đưa ra quyết định phanh khẩn cấp ở vận tốc cao.
Tần số cập nhật dữ liệu: Tần số làm việc của cảm biến thường dao động trong khoảng từ 10 Hz đến 25 Hz để theo dõi liên tục chuyển động của các đối tượng xung quanh mà không gây ra độ trễ nhận thức lớn.
Độ phân giải góc: Độ phân giải góc của chùm tia cần đạt ngưỡng từ 0.1 độ đến 0.2 độ theo cả phương nằm ngang và phương thẳng đứng nhằm phân biệt rõ ràng người đi bộ, phương tiện nhỏ và các mảnh vỡ tĩnh trên mặt đường.

Tại Việt Nam, công nghệ quét LiDAR đã được triển khai rộng rãi trong các lĩnh vực quản lý nhà nước, đo đạc trắc địa, lâm nghiệp và giám sát hạ tầng giao thông. Khung pháp lý và quy chuẩn kỹ thuật cho công nghệ này đã được ban hành cụ thể:

Quy định về quét LiDAR hàng không: Năm 2014, Bộ Tài nguyên và Môi trường đã ban hành Thông tư số 39/2014/TT-BTNMT quy định kỹ thuật thành lập mô hình số độ cao bằng công nghệ bay quét LiDAR. Văn bản này chuẩn hóa quy trình bay chụp từ thiết bị bay, kiểm định hệ thống định vị vệ tinh kết hợp đo quán tính, và xử lý dữ liệu đám mây điểm để tạo lập mô hình số bề mặt (DSM) phục vụ quy hoạch lãnh thổ.
Quy định về quét LiDAR mặt đất: Năm 2019, Bộ Tài nguyên và Môi trường tiếp tục ban hành Thông tư số 17/2019/TT-BTNMT quy định kỹ thuật thành lập mô hình số độ cao bằng công nghệ quét LiDAR mặt đất trên trạm cố định. Thông tư quy định chi tiết về mật độ điểm đo, sai số vị trí điểm và phương pháp lọc tách điểm mặt đất để phục vụ khảo sát địa hình chi tiết, quan trắc biến dạng công trình thủy điện và đánh giá nguy cơ sạt lở đồi núi tại các tỉnh miền núi phía Bắc và Tây Nguyên.

Hạn chế kỹ thuật và thách thức vật lý

Mặc dù mang lại độ chính xác không gian ba chiều vượt trội, cảm biến LiDAR vẫn đối mặt với những rào cản vật lý và môi trường quan trọng:

Suy hao tín hiệu trong điều kiện thời tiết khắc nghiệt: Các giọt nước mưa, sương mù dày đặc và các hạt bụi lơ lửng trong không khí gây ra hiện tượng tán xạ Mie và tán xạ Rayleigh mạnh mẽ đối với bức xạ laser. Quá trình này không chỉ làm suy giảm biên độ tín hiệu phản xạ hữu ích mà còn tạo ra các điểm phản xạ giả từ hạt sương hoặc giọt mưa, làm nhiễu loạn đám mây điểm.
Đặc tính phản xạ bề mặt mục tiêu: Độ chính xác của phép đo cự ly phụ thuộc chặt chẽ vào hệ số phản xạ của vật liệu. Các bề mặt có độ hấp thụ quang học cao (chẳng hạn như lốp xe cao su đen hoặc lớp sơn tối màu) chỉ phản xạ lại một tỷ lệ photon cực nhỏ, dẫn đến hiện tượng mất điểm đo ở cự ly xa. Ngược lại, các bề mặt gương hoặc kim loại nhẵn bóng gây ra hiện tượng phản xạ định hướng khiến chùm tia bị phản xạ lệch hướng hoàn toàn khỏi khẩu độ thu.
Nhiễu giao thoa quang học: Khi mật độ phương tiện trang bị cảm biến LiDAR tăng cao trong đô thị, nguy cơ các cảm biến thu nhận xung laser phát xạ từ các phương tiện xung quanh trở nên nghiêm trọng, đòi hỏi các kỹ thuật mã hóa xung hoặc chuyển dịch sang công nghệ điều chế kết hợp FMCW.

Xu hướng phát triển và triển vọng công nghệ

Hướng phát triển trọng tâm của cảm biến LiDAR hiện đại tập trung vào việc thu nhỏ kích thước, tích hợp hệ thống trên vi mạch quang tử (Photonic Integrated Circuit, PIC) và giảm thiểu chi phí chế tạo hàng loạt. Nghiên cứu của Li và cộng sự (2022) chứng minh tiềm năng to lớn của các mảng diode tuyết lở đơn photon kết hợp mảng pha quang học chế tạo trên dây chuyền bán dẫn tiêu chuẩn.

Theo khảo sát của Li và cộng sự (2022), các kiến trúc cảm biến LiDAR thể rắn kết hợp công nghệ vi mạch quang tử tích hợp đang tiếp tục được chuẩn hoá và mở rộng thử nghiệm trong xe tự hành cấp độ cao, hứa hẹn đưa chi phí phần cứng về mức thương mại hóa đại trà cho nhiều dòng phương tiện phổ thông.