Polarimetric LiDAR for target characterization aiming at autonomous driving implementations

Abstract

LiDAR is an active sensor, used to measure distances. By illuminating obstacles and measuring retro-reflected light, LiDAR is able to measure the distance to a particular obstacle, as well as predict the shape of that obstacle. In autonomous driving, the high precision and accuracy of LIDAR is an enormous asset for decision making and safety. The fact that it is a fundamental technology for autonomous driving means that large companies are allocating resources (monetary and intellectual) to their development. The project in which this dissertation is inserted aims to use the concept of polarization of light in the LIDAR system, in order to allow the classification of targets and help their recognition. In the course of this work, different Mueller Polarimeters were built to consider and evaluate the importance and usefulness of polarization in the classification of materials. Two of the setups were developed, with a 1550 nm wavelength laser, in the facilities of the School of Sciences of the University of Minho, being different by using distinct polarimetric components to generate and analyse states of polarization: quarter wave plates or liquid crystals variable retarder and linear polarizers . The two 1550 nm setups and the obtained polarimetric information are described in this document. The work presented here also involved the construction of a fourth setup: a LIDAR demonstrator, whose objective was not only to measure distances with high precision and accuracy, but also to introduce polarimetric components and to recognize the importance of using polarization in the differentiation of materials. The results obtained in this work allow us to conclude that polarization at 1550 nm of wavelength has very significant importance in the classification and recognition of road scene objects. Moreover, a Polarization 1D LiDAR at a 1550nm is capable of distinguishing between at least some relevant materials of great importance in autonomous vehicle safety. Therefore, it is proposed to continue this path of work on polarization in LIDAR systems, in order to increase the capabilities of recognizing the environment, in the context of autonomous driving.

O LiDAR é um sensor ativo, utilizado para medir distâncias. Iluminando os obstáculos e medindo a luz retro-refletida, o LiDAR é capaz de medir a distância até um determinado obstáculo, bem como de prever a forma desse mesmo obstáculo. Na condução autónoma, a elevada precisão e exatidão do LIDAR constituem uma enorme mais-valia para a tomada de decisões e para a segurança. O facto de ser uma tecnologia fundamental para a condução autónoma faz com que grandes empresas estão a alocar recursos ao seu desenvolvimento. O projeto em que esta dissertação se insere tem como objetivo utilizar o conceito de polarização da luz no sistema LIDAR, a fim de permitir a classificação de alvos e facilitar o reconhecimento dos mesmos. No decorrer deste trabalho, foram construídos três diferentes Polarímetros de Mueller para considerar e avaliar a importância e utilidade da polarização na classificação de materiais. Dois setups foram desenvolvidos, com lasers de 1550 nm, nas instalações da Escola de Ciências da Universidade do Minho, sendo estes diferenciados pela utilização de diferentes componentes polarimétricos na geração e análise de estados de polarização: lâminas de quarto de onda ou cristais líquidos de atraso variável e polarizadores lineares. Os dois setups referidos e a informação polarimétrica obtida são apresentados neste documento. O trabalho aqui apresentado envolveu, também, a construção de um quarto setup demonstrador de LIDAR, cujo objetivo era não só medir distâncias com elevada precisão e exatidão, como também introduzir componentes polarimétricas e reconhecer a importância da utilização de polarização na diferenciação de materiais. Os resultados obtidos neste trabalho permitem concluir que a polarização, a um comprimento de onda de 1550 nm, tem uma importância muito significativa na classificação e reconhecimento de objetos. Conclui-se também que, um LiDAR de polarização a 1550 nm é capaz de distinguir entre pelo menos alguns materiais de elevada importância para a segurança de veículos autónomos. Assim, propõe-se que seja prosseguida a linha de trabalho na polarização em sistemas LIDAR, de forma a aumentar as capacidades de reconhecimento do ambiente, em contexto de condução autónoma.