LiDAR (Light Detection And Ranging, også kendt som LiDAR) systemer bliver mere og mere udbredt i afstandsmåling, såsom afstandsmåling i bilindustrien, industrien og andre anvendelser, hvilket er meget lovende for markedsudviklingen. Denne artikel vil introducere dig til de tekniske principper og udviklingen af LiDAR.
ToF som kerne-teknologi for LiDAR
LiDAR-systemer til industrielle anvendelser kan understøtte områder som industriel automation, trafikstyring, afstandsmålere osv. Disse systemer vil være baseret på forskellige måleteknikker, såsom brugen af direkte og indirekte time of flight (ToF) teknikker, hvor en meget kort laserpuls udsendes og derefter reflekteres af et objekt, før den detekteres, og ved at scanne miljøet og måle laserpulsens udbredelsestid kan et 3D dybdekort opnås. I forskellige anvendelser, med hjælp af kortlægning, kan fejerobotter gemme navigationsruter gennem en lejlighed, og industrielle robotter kan genkende arbejdere for at forhindre interaktive skader.
LiDAR bruger ToF som kerne-teknologi til at måle den tid, det tager fra sensoren til objektet og tilbage til sensoren for at estimere afstanden mellem sensoren og objektet. Den pulserede ToF-metode er den mest almindelige og direkte metode til afstandsestimering og har fordelen af at generere høj top laser effekt ved lav gennemsnitlig optisk effekt til langdistance målinger under optiske sikkerhedskrav. En anden LiDAR ToF-metode er brugen af faseforskydnings-ToF-metoden, hvor afstanden beregnes ved at måle faseforskellen mellem transmitterede og modtagne signaler; laserdiode udsender et kontinuerligt bølgesignal (CW) for at beregne afstanden, denne metode er mere egnet til kortdistance måling. Der findes forskellige LiDAR ToF-applikationer på markedet, hvor afstandsmåler-applikationen opererer med en-dimensionel (1D) drift, men den kan udvides til at bruge n x m array af fotodetektorer til 3D LiDAR-applikationer.
LiDAR-løsninger til pulserede ToF-systemer
For at fremskynde vores kunders produktudvikling har vi introduceret LiDAR-løsninger til kundernes reference. LiDAR ToF-løsningen er rettet mod rækkevidde-/afstandsmåling og anvender derfor et pulseret ToF-system. Signalbehandlingsdelen af LiDAR ToF-systemet anvender enten en TDC (Time-to-Digital Converter) eller ADC (Analog-to-Digital Converter) metode til afstandsestimering. TDC-baseret metode bruger en højpræcisions ur-enhed til at tælle start/stop begivenheder som tidsforskel, mens ADC-baseret metode måler og digitaliserer retur-signaler ved faste intervaller og derefter estimerer tidsforskellen.
Afstandsopløsningen i dette LiDAR ToF-system er omvendt proportional med den samlede stigning og responstid for de analoge komponenter (laserdiode, laserdriver, lavstøjsforstærker og fotodetektor), og mens TDC-baseret metode løser opløsningsproblemet i det analoge domæne, tillader ADC-baseret metode en række sofistikerede ordninger til digitalisering og detektion af retur-signaler samt et komplekst basebåndssystem og software til at håndtere visse fading-fænomener.
LiDAR ToF-løsninger vælger TDC-baseret tilgang for at fokusere mere på analog hardwaredesign for at opnå bedre stigningstid og responsadfærd for optimale rækkeviddemålinger i LiDAR-løsninger.
Ved brug af et pulseret ToF-system anvendes 905nm bølgelængde, da 905nm systemer (IR) er bedre egnet til pulseret drift med en maksimal optisk effekt på op til 75W eller mere, mens 650nm lasere (synligt rødt) typisk ikke opnår energirig pulseret drift med en maksimal optisk effekt på omkring 100mW.
Smal pulsdrift for udvidet driftsområde
LiDAR ToF-løsningens hardwaredesign anvender flere muligheder for at opnå den bedste LiDAR-ydeevne i det analoge domæne.
For at forkorte lasertriggerpulsen anvendes en pulseret laserdiode fra ROHM RLD90QZW3 i LiDAR ToF-løsningen, som kan understøtte smal pulsdrift med en pulsvarighed på 15 nanosekunder, sammenlignet med den almindelige pulsvarighed på 30 nanosekunder, der anvendes i konventionelle LiDAR-løsninger. Ved at reducere pulsvarigheden med 50% kan den levere højere optisk effekt under samme driftsbetingelser og dermed forlænge driftsområdet.
Ved at bruge denne korte pulsvarighed understøtter LiDAR ToF-løsningen multi-puls drift, som kan forbedre målenøjagtigheden ved at gennemsnitliggøre eller statistisk analysere flere målinger samtidig med eliminering af omgivende støj og interferens.
Løsningen forbedrer også PCB-layoutet for yderligere at reducere forsinkelsestiden i laserdriversektionen. PCB-layoutet spiller en vigtig rolle i switchadfærden i lasertransmissionsvejen, især i dette multi-forsyningssystem, da 25V skal leveres til laserdiode og GaN FETs, 5V til laser gate driver, 3,3V til MCU-systemet for LD triggerpuls. Designet af GND-banen er også kritisk for hurtig switching og optimering af transmissionsforsinkelsen ved at bruge den bedste signalreturvej.
Derudover bruger løsningen ON Semiconductors SiPM RD-serie til at erstatte traditionelle APD'er (avalanche fotodioder) for yderligere at forbedre Rx-responstiden, hvor FAST OUT-terminalen i SiPM leverer <500 pikosekunders stigningstid, hvilket er 50% lavere end standardudgangsterminalen på en APD.
I Tx- og Rx-detektorsystemer kan Rx-responstiden yderligere forbedres ved brug af hurtigere komparatorer. Komparator kredsløb bruges til at konvertere de analoge Rx- og Tx-signaler til puls start og puls stop input til TDC for tidsberegninger, så komparatorernes udbredelsesforsinkelser er også kritiske for målenøjagtigheden. Ved brug af ADI's ADPCM600 hurtige komparator kan en forsinkelsestid på kun 3 nanosekunder opnås ved et 30mV inputsignalniveau, hvilket giver den bedste forsinkelsestid i LiDAR modtagerstien.
Denne løsning bruger også GaN FETs i laserdiode for at muliggøre hurtigere switching og yderligere forbedre transmissionsforsinkelseseffektiviteten. EPC GaN FET EPC2212 transistorer anvendes i stedet for konventionelle MOSFET-transistorer for at give 10x hurtigere switching-adfærd, hvilket resulterer i kortere stigningstider i lasertransmissionsvejen.
Industri-ledende komponenter til en komplet løsning
Nøglekomponenter i hele LiDAR ToF-løsningen inkluderer ROHM RLD90QZW3 laserdiode som en 75W 905nm ikke-synlig pulseret laserdiode, EPC EPC2212 GaN FET som en 100V eGaN effekttransistor, ON Semiconductor MicroRD-10035-MLP RD-serien som en silicium fotomultiplikator (SiPM), ADI ADCMP600 højhastighedskomparator som en ekstremt hurtig, 5,5 ns udbredelsesforsinkelse TTL/CMOS komparator, og ADI HMC589AST89E højhastighedsforstærker som en InGaP HBT gain block MMIC forstærker (DC - 4GHz).
Der er også ADI LT8330 bred indgangsspænding DC/DC boost konverter, der understøtter 3~40V indgangsspænding, 1A, 60V switching boost konverter, og ADI LT3082 200mA lav støj, lav dropout spændingsregulator (LDO), NXP LPC54605J512BD100 32-bit ARM Cortex-M4 mikrocontroller, TI LMG1020 gate driver til ultrahurtige gate drivere til GaN FETs, samt TI TDC7201 time-to-digital konverter (TDC) med Murata WMRAG32K76CS1C00R0 32.768kHz MEMS resonator.
Konklusion
LiDAR har vist fremragende ydeevne inden for industriel automation, perifær afstandsdetektion i bilindustrien og andre anvendelser. Med den hurtige udvikling af Industri 4.0 og bilassisteret kørsel stiger markedsefterspørgslen kraftigt. Med den hurtige udvikling af Industri 4.0 og bilassisteret kørsel stiger markedsefterspørgslen kraftigt. I lyset af dette har vi lanceret LiDAR ToF-løsningen, som kan accelerere producenternes udviklingshastighed af relaterede produkter og få dem på markedet så hurtigt som muligt for at gribe forretningsmulighederne.
