Vielversprechende Lösung für LiDAR-Ranging-Anwendungen
05 Jul 2024
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LiDAR-Systeme (Light Detection And Ranging, auch bekannt als LiDAR) werden immer häufiger in Entfernungsmessungsanwendungen eingesetzt, beispielsweise zur Entfernungsmessung in Automobil-, Industrie- und anderen Anwendungen, was für die Marktentwicklung sehr vielversprechend ist. Dieser Artikel führt Sie in die technischen Prinzipien und die Entwicklung von LiDAR ein.
ToF als Kerntechnologie für LiDAR
LiDAR-Systeme für industrielle Anwendungen können Bereiche wie industrielle Automatisierung, Verkehrskontrolle, Entfernungsmesser usw. unterstützen. Diese Systeme werden auf verschiedenen Messtechniken basieren, wie zum Beispiel der Verwendung direkter und indirekter Flugzeittechniken (ToF), bei denen eine sehr kurze Zeitspanne erreicht wird Ein Laserimpuls wird ausgesendet und dann von einem Objekt reflektiert, bevor er erkannt wird. Durch Scannen der Umgebung und Messen der Ausbreitungszeit des Laserimpulses kann dann eine 3D-Tiefenkarte erstellt werden. In verschiedenen Anwendungen können Kehrroboter mithilfe der Erstellung von Karten Navigationspfade durch eine Wohnung speichern und Industrieroboter können Arbeiter erkennen, um interaktive Verletzungen zu verhindern.
LiDAR nutzt ToF als Kerntechnologie, um die Zeit zu messen, die vom Sensor zum Objekt benötigt und zum Sensor zurückreflektiert wird, um den Abstand zwischen Sensor und Objekt abzuschätzen. Die gepulste ToF-Methode ist die gebräuchlichste und direkteste Methode zur Entfernungsschätzung und hat den Vorteil, dass sie bei Messungen über große Entfernungen unter optischen Sicherheitsanforderungen eine hohe Spitzenlaserleistung bei einer niedrigen durchschnittlichen optischen Leistung erzeugt. Eine andere LiDAR-ToF-Methode ist die Phasenverschiebungs-ToF-Methode. Die Entfernung wird durch Messen der Phasendifferenz zwischen den gesendeten und empfangenen Signalen berechnet. Die Laserdiode sendet ein Dauerstrichsignal (CW) aus, um die Entfernung zu berechnen. Diese Methode ist besser geeignet Kurzstreckenmessung. Auf dem Markt sind verschiedene LiDAR-ToF-Anwendungen verfügbar, bei denen die Entfernungsmesseranwendung im eindimensionalen (1D) Betrieb betrieben wird, sie kann jedoch erweitert werden, um n x m-Arrays von Fotodetektoren für 3D-LiDAR-Anwendungen zu verwenden.
LiDAR-Lösungen für gepulste ToF-Systeme
Um die Produktentwicklung unserer Kunden zu beschleunigen, haben wir LiDAR-Lösungen als Referenz für Kunden eingeführt. Die LiDAR-ToF-Lösung zielt auf die Entfernungsmessung ab und nutzt daher ein gepulstes ToF-System. Der Signalverarbeitungsteil des LiDAR-ToF-Systems verwendet entweder eine TDC- (Time-to-Digital-Converter) oder eine ADC-Methode (Analog-to-Digital-Converter) zur Entfernungsschätzung. ADC-Methode (Analog-zu-Digital-Wandler) zur Entfernungsschätzung. Die TDC-basierte Methode verwendet eine hochpräzise Uhr, um die Start-/Stopp-Ereignisse als Zeitdifferenz zu zählen, während die ADC-basierte Methode die Rücksignale in festen Intervallen misst und digitalisiert und dann die Zeitdifferenz schätzt.
Die Entfernungsauflösung in diesem LiDAR-ToF-System ist umgekehrt proportional zur kombinierten Anstiegs- und Reaktionszeit der analogen Komponenten (Laserdiode, Lasertreiber, rauscharmer Verstärker und Fotodetektor), und während die TDC-basierte Methode das Auflösungsproblem löst Im analogen Bereich ermöglicht die ADC-basierte Methode eine Reihe ausgefeilter Schemata zur Digitalisierung und Erkennung der Rücksignale sowie ein komplexes Basisbandsystem und Software, um bestimmte Fading-Phänomene zu berücksichtigen.
LiDAR-ToF-Lösungen wählen den TDC-basierten Ansatz, um sich stärker auf das analoge Hardwaredesign zu konzentrieren und eine bessere Anstiegszeit und ein besseres Reaktionsverhalten für optimale Entfernungserkennungsanwendungen in LiDAR-Lösungen zu erreichen.
Bei Verwendung eines gepulsten ToF-Systems wird die 905-nm-Wellenlänge verwendet, da 905-nm-Systeme (IR) besser für den gepulsten Betrieb mit einer maximalen optischen Leistung von bis zu 75 W oder mehr geeignet sind, wohingegen 650-nm-Laser (sichtbares Rot) normalerweise keine Energie erreichen gepulster Betrieb mit einer maximalen optischen Leistung von ca. 100mW.
Schmaler Pulsbetrieb für erweiterten Betriebsbereich
Das Hardwaredesign der LiDAR-ToF-Lösung nutzt mehrere Optionen, um die beste LiDAR-Leistung im analogen Bereich zu erreichen.
Um den Lasertriggerimpuls zu verkürzen, wird in der LiDAR-ToF-Lösung eine gepulste Laserdiode von ROHM RLD90QZW3 verwendet, die einen Schmalimpulsbetrieb mit einer Impulsbreite von 15 Nanosekunden unterstützen kann, verglichen mit der üblichen Impulsbreite von 30 Nanosekunden, die bei herkömmlichen LiDAR verwendet wird Lösungen. Durch die Reduzierung der Pulsbreite um 50 % kann bei gleichen Betriebsbedingungen eine höhere optische Leistung bereitgestellt und so der Betriebsbereich erweitert werden.
Durch die Verwendung dieser kurzen Impulsbreite unterstützt die LiDAR-ToF-Lösung den Mehrimpulsbetrieb, der die Messgenauigkeit durch Mittelung oder statistische Analyse mehrerer Messungen verbessern und gleichzeitig Umgebungsgeräusche und Interferenzen eliminieren kann.
Die Lösung verbessert außerdem das PCB-Layout, um die Verzögerungszeit im Lasertreiberbereich weiter zu reduzieren. Das PCB-Layout spielt insbesondere in diesem Multi-Supply-System eine wichtige Rolle für das Schaltverhalten in der Laserübertragungsstrecke, da 25 V für die Laserdiode und GaN-FETs, 5 V für den Laser-Gate-Treiber und 3,3 V für die MCU bereitgestellt werden müssen System für den LD-Triggerimpuls Das Design der GND-Platine ist auch entscheidend für schnelles Schalten und die Optimierung der Übertragungsverzögerung durch Verwendung des besten Signalrückwegs.
Darüber hinaus nutzt die Lösung die SiPM RD-Serie von ON Semiconductor, um herkömmliche APDs (Avalanche-Fotodioden) zu ersetzen und so die Rx-Reaktionszeit weiter zu verbessern. Der FAST OUT-Anschluss im SiPM bietet eine Anstiegszeitreaktion von <500 Pikosekunden, was 50 % niedriger ist als die Standard-Ausgangsterminal eines APD.
In Tx- und Rx-Pfaddetektorsystemen kann die Rx-Reaktionszeit durch den Einsatz schnellerer Komparatoren weiter verbessert werden. Komparatorschaltungen werden verwendet, um die analogen Rx- und Tx-Signale für Zeitberechnungen in Impulsstart- und Impulsstoppeingänge vom TDC umzuwandeln. Daher sind die Ausbreitungsverzögerungen der Komparatoren ebenfalls entscheidend für die Messgenauigkeit. Mit dem schnellen Komparator ADPCM600 von ADI kann eine Verzögerungszeit von nur 3 Nanosekunden bei einem Eingangssignalpegel von 30 mV erreicht werden, was die beste Verzögerungszeit im LiDAR-Empfangspfad bietet.
Diese Lösung nutzt außerdem GaN-FETs in der Laserdiode, um ein schnelleres Schalten zu ermöglichen und so die Wirksamkeit der Übertragungsverzögerung weiter zu verbessern. EPC-GaN-FET-EPC2212-Transistoren werden anstelle herkömmlicher MOSFET-Transistoren verwendet, um ein zehnmal schnelleres Schaltverhalten zu ermöglichen, was zu kürzeren Anstiegszeiten im Laserübertragungspfad führt.
Branchenführende Komponenten für eine Komplettlösung
Zu den Schlüsselkomponenten der gesamten LiDAR-ToF-Lösung gehören die ROHM RLD90QZW3-Laserdiode als nicht sichtbare gepulste 75-W-905-nm-Laserdiode, der EPC EPC2212 GaN-FET als 100-V-eGaN-Leistungstransistor und die ON Semiconductor MicroRD-10035-MLP RD-Serie als Silizium Photomultiplier (SiPM), der Hochgeschwindigkeitskomparator ADI ADCMP600 ist ein extrem schneller TTL/CMOS-Komparator mit einer Ausbreitungsverzögerung von 5,5 ns, und der Hochgeschwindigkeitsverstärker ADI HMC589AST89E ist ein InGaP-HBT-Verstärkungsblock-MMIC-Verstärker (DC – 4 GHz).
Es gibt auch den ADI LT8330 DC/DC-Aufwärtswandler mit breiter Eingangsspannung, der eine Eingangsspannung von 3 bis 40 V, 1 A und 60 V Schaltaufwärtswandler unterstützt, und den rauscharmen 200-mA-Low-Dropout-Spannungsregler (LDO) ADI LT3082, den NXP LPC54605J512BD100 32-Bit-ARM-Contex-M4-Mikrocontroller, der TI LMG1020-Gate-Treiber für ultraschnelle Gate-Treiber für GaN-FETs sowie der TI TDC7201 Time-to-Digital-Converter (TDC) mit Murata WMRAG32K76CS1C00R0 32,768 kHz MEMS-Resonator.
Abschluss
LiDAR hat hervorragende Leistungen in der Industrieautomation, der peripheren Abstandserkennung im Automobilbereich und anderen Anwendungen bewiesen. Mit der rasanten Entwicklung von Industrie 4.0 und automobilunterstütztem Fahren steigt die Marktnachfrage. Mit der rasanten Entwicklung von Industrie 4.0 und Fahrassistenzsystemen für Kraftfahrzeuge steigt die Marktnachfrage stark an. Vor diesem Hintergrund haben wir die LiDAR-ToF-Lösung auf den Markt gebracht, die die Geschwindigkeit der Hersteller bei der Entwicklung verwandter Produkte beschleunigen und diese so schnell wie möglich auf den Markt bringen kann, um die Geschäftsmöglichkeiten zu nutzen.
