Systémy LiDAR (Light Detection And Ranging, také známé jako LiDAR) se stále častěji používají v aplikacích měření vzdálenosti, jako je měření vzdálenosti v automobilovém průmyslu, průmyslu a dalších oblastech, což je velmi slibné pro rozvoj trhu. Tento článek vás seznámí s technickými principy a vývojem LiDARu.
ToF jako základní technologie pro LiDAR
Systémy LiDAR pro průmyslové aplikace mohou podporovat oblasti jako průmyslová automatizace, řízení dopravy, dálkoměry atd. Tyto systémy budou založeny na různých měřicích technikách, jako je použití přímých a nepřímých technik doby letu (ToF), kdy je vyslán velmi krátký laserový pulz, který je poté odražen objektem, než je detekován, a skenováním prostředí a měřením doby šíření laserového pulzu lze poté získat 3D hloubkovou mapu. V různých aplikacích mohou s pomocí vytváření map ukládat vysavače navigační cesty po celém bytě a průmysloví roboti mohou rozpoznávat pracovníky, aby zabránili způsobení interaktivních zranění.
LiDAR používá ToF jako základní technologii k měření doby, kterou světlo potřebuje k průchodu ze senzoru k objektu a zpět k senzoru, aby odhadl vzdálenost mezi senzorem a objektem. Pulzní metoda ToF je nejběžnější a nejpřímější metodou odhadu vzdálenosti a má výhodu v generování vysokého špičkového výkonu laseru při nízkém průměrném optickém výkonu pro měření na dlouhé vzdálenosti za dodržení optických bezpečnostních požadavků. Další metodou ToF u LiDARu je metoda fázového posunu ToF, vzdálenost se vypočítává měřením fázového rozdílu mezi vysílanými a přijímanými signály, laserová dioda bude vysílat signál v kontinuálním vlnění (CW) pro výpočet vzdálenosti, tato metoda je vhodnější pro měření na krátké vzdálenosti. Na trhu je k dispozici řada aplikací LiDAR ToF, kde aplikace dálkoměru funguje pomocí jednorozměrného (1D) provozu, ale může být rozšířena o použití n x m pole fotodetektorů pro 3D LiDAR aplikace.
Řešení LiDAR pro pulzní ToF systémy
Abychom urychlili vývoj produktů našich zákazníků, zavedli jsme LiDAR řešení pro referenci zákazníků. LiDAR ToF řešení je zaměřeno na měření rozsahu/vzdálenosti, a proto využívá pulzní ToF systém. Část zpracování signálu LiDAR ToF systému používá buď metodu TDC (Time-to-Digital Converter) nebo ADC (Analog-to-Digital Converter) pro odhad vzdálenosti. Metoda založená na TDC používá vysoce přesné hodinové zařízení k počítání start/stop událostí jako časového rozdílu, zatímco metoda založená na ADC měří a digitalizuje návratové signály v pevných intervalech a poté odhaduje časový rozdíl.
Rozlišení vzdálenosti v tomto LiDAR ToF systému je nepřímo úměrné kombinované době náběhu a odezvy analogových komponent (laserová dioda, řadič laseru, nízkošumový zesilovač a fotodetektor), a zatímco metoda založená na TDC řeší problém rozlišení v analogové oblasti, metoda založená na ADC umožňuje řadu sofistikovaných schémat pro digitalizaci a detekci zpětných signálů, stejně jako komplexní základní systém a software umožňující určitý druh útlumu signálu.
Řešení LiDAR ToF volí přístup založený na TDC, aby se více zaměřila na návrh analogového hardwaru a dosáhla lepší doby náběhu a odezvy pro optimální detekci vzdálenosti v LiDAR řešeních.
Při použití pulzního ToF systému bude použita vlnová délka 905 nm, protože systémy 905 nm (IR) jsou lépe přizpůsobeny pro pulzní provoz s maximálním optickým výkonem až 75 W nebo více, zatímco lasery 650 nm (viditelná červená) obvykle nedosahují pulzního provozu s maximálním optickým výkonem kolem 100 mW.
Úzkopásmový provoz pro rozšířený provozní rozsah
Hardwarový návrh řešení LiDAR ToF využívá několik možností k dosažení nejlepšího výkonu LiDAR v analogové oblasti.
Pro zkrácení spouštěcího pulzu laseru je v řešení LiDAR ToF použita pulzní laserová dioda ROHM RLD90QZW3, která podporuje provoz s úzkým pulzem o šířce 15 nanosekund, ve srovnání s běžnou šířkou pulzu 30 nanosekund používanou v konvenčních řešeních LiDAR. Snížením šířky pulzu o 50 % může poskytnout vyšší optický výkon za stejných provozních podmínek, čímž se prodlužuje dosah provozu.
Použitím této krátké šířky pulzu podporuje LiDAR ToF řešení vícepulzní provoz, který může zlepšit přesnost měření průměrováním nebo statistickou analýzou více měření a zároveň eliminovat okolní šum a rušení.
Řešení také vylepšuje rozvržení PCB, aby dále snížilo dobu prodlení v sekci laserového ovladače. Rozvržení PCB hraje důležitou roli v přepínacím chování v cestě přenosu laseru, zejména v tomto systému s více napájecími zdroji, protože pro laserovou diodu a GaN FETy musí být zajištěno 25 V, pro ovladač laserové brány 5 V, pro MCU systém pro spouštěcí impuls LD 3,3 V. Návrh desky GND je také kritický pro rychlé přepínání a optimalizaci prodlení přenosu použitím nejlepší cesty návratu signálu.
Kromě toho řešení využívá sérii SiPM RD od ON Semiconductor k nahrazení tradičních APD (lavinových fotodiod) za účelem dalšího zlepšení doby odezvy přijímače, přičemž výstupní terminál FAST OUT v SiPM poskytuje dobu náběhu odezvy <500 pikosekund, což je o 50 % méně než standardní výstupní terminál APD.
V detekčních systémech Tx a Rx může být doba odezvy Rx dále zlepšena použitím rychlejších komparátorů. Komparátorové obvody se používají k převodu analogových signálů Rx a Tx na vstupy spuštění a zastavení pulzu z TDC pro časové výpočty, takže doby šíření komparátorů jsou také kritické pro ovlivnění přesnosti měření. Použitím rychlého komparátoru ADI ADPCM600 lze dosáhnout doby zpoždění pouze 3 nanosekundy při vstupní úrovni signálu 30 mV, což poskytuje nejlepší dobu zpoždění v přijímací cestě LiDARu.
Toto řešení také používá GaN FETy v laserové diodě pro umožnění rychlejšího přepínání a další zlepšení účinnosti přenosového zpoždění. Tranzistory EPC GaN FET EPC2212 jsou použity místo konvenčních MOSFET tranzistorů, aby poskytly 10x rychlejší přepínací chování, což vede k kratším náběhovým časům v přenosové cestě laseru.
Průmyslově vedoucí komponenty pro kompletní řešení
Klíčové komponenty celého řešení LiDAR ToF zahrnují laserovou diodu ROHM RLD90QZW3 jako 75W 905nm neviditelnou pulzní laserovou diodu, EPC EPC2212 GaN FET jako 100V eGaN výkonový tranzistor, ON Semiconductor MicroRD-10035-MLP RD sérii jako křemíkový fotonásobič (SiPM), ADI ADCMP600 vysokorychlostní komparátor je extrémně rychlý, 5,5 ns zpoždění šíření TTL/CMOS komparátor, a ADI HMC589AST89E vysokorychlostní zesilovač je InGaP HBT zesilovací blok MMIC zesilovač (DC - 4GHz).
Existuje také ADI LT8330 širokopásmový vstupní napěťový DC/DC boost konvertor, podporující vstupní napětí 3~40V, 1A, 60V spínaný boost konvertor, a ADI LT3082 200mA nízkošumový, nízkonapěťový regulátor (LDO), NXP LPC54605J512BD100 32bitový ARM Cortex-M4 mikrokontrolér, TI LMG1020 řadič hradla pro ultrarychlé řadiče hradel pro GaN FETy, kromě TI TDC7201 časově-digitálního převodníku (TDC) s Murata WMRAG32K76CS1C00R0 32,768kHz MEMS rezonátorem.
Závěr
LiDAR prokázal vynikající výkon v průmyslové automatizaci, detekci vzdálenosti v automobilovém okolí a dalších aplikacích. S rychlým rozvojem Průmyslu 4.0 a asistované jízdy v automobilovém průmyslu poptávka na trhu prudce roste. Vzhledem k tomu jsme uvedli řešení LiDAR ToF, které může urychlit rychlost výrobců při vývoji souvisejících produktů a co nejdříve je uvést na trh, aby mohli využít obchodní příležitosti.
