Solución prometedora para aplicaciones de alcance LiDAR
05 Jul 2024
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Los sistemas LiDAR (Light Detección y Rango, también conocido como LiDAR) se utilizan cada vez más en aplicaciones de alcance, como la medición de distancias en aplicaciones automotrices, industriales y de otro tipo, lo cual es muy prometedor para el desarrollo del mercado. Este artículo le presentará los principios técnicos y el desarrollo de LiDAR.
ToF como la tecnología central para LiDAR
Los sistemas LiDAR para aplicaciones industriales pueden dar soporte a campos como la automatización industrial, el control de tráfico, los telémetros, etc. Estos sistemas se basarán en diferentes técnicas de medición, como el uso de técnicas de tiempo de vuelo (ToF) directo e indirecto, donde un tiempo muy corto El pulso láser se emite y luego se refleja en un objeto antes de ser detectado, y al escanear el entorno y medir el tiempo de propagación del pulso láser se puede obtener el mapa de profundidad 3D. En diversas aplicaciones, con la ayuda de la creación de mapas, los robots de barrido pueden almacenar rutas de navegación en un apartamento, y los robots industriales pueden reconocer a los trabajadores para evitar causar lesiones interactivas.
LiDAR utiliza ToF como tecnología central para medir el tiempo que toma desde el sensor hasta el objeto y se refleja de regreso al sensor para estimar la distancia entre el sensor y el objeto. El método ToF pulsado es el método más común y directo de estimación de distancias y tiene la ventaja de generar una potencia láser máxima alta con una potencia óptica promedio baja para mediciones de larga distancia bajo requisitos de seguridad óptica. Otro método LiDAR ToF utiliza el método ToF de cambio de fase, la distancia se calcula midiendo la diferencia de fase entre las señales transmitidas y recibidas, el diodo láser emitirá una señal de onda continua (CW) para calcular la distancia, este método es más adecuado para Medición de distancias cortas. Hay varias aplicaciones LiDAR ToF disponibles en el mercado, donde la aplicación de telémetro se opera mediante una operación unidimensional (1D), pero se puede ampliar para usar una matriz de fotodetectores de n x m para aplicaciones LiDAR 3D.
Soluciones LiDAR para sistemas de ToF pulsados
Para acelerar el desarrollo de productos de nuestros clientes, hemos introducido soluciones LiDAR para referencia de los clientes. La solución LiDAR ToF está destinada a la medición de alcance/distancia y, por lo tanto, utiliza un sistema ToF pulsado. La parte de procesamiento de señales del sistema LiDAR ToF emplea un método TDC (convertidor de tiempo a digital) o ADC (convertidor analógico a digital) para estimar la distancia. Método ADC (Convertidor analógico a digital) para estimación de distancias. El método basado en TDC utiliza un dispositivo de reloj de alta precisión para contar los eventos de inicio/parada como la diferencia horaria, mientras que el método basado en ADC mide y digitaliza las señales de retorno a intervalos fijos y luego estima la diferencia horaria.
La resolución de distancia en este sistema LiDAR ToF es inversamente proporcional al aumento combinado y el tiempo de respuesta de los componentes analógicos (diodo láser, controlador láser, amplificador de bajo ruido y fotodetector), y mientras que el método basado en TDC resuelve el problema de resolución en En el dominio analógico, el método basado en ADC permite una serie de esquemas sofisticados para digitalizar y detectar las señales de retorno, así como un complejo sistema de banda base y software para permitir algún tipo de fenómeno de desvanecimiento.
Las soluciones LiDAR ToF eligen el enfoque basado en TDC para centrarse más en el diseño de hardware analógico para lograr un mejor tiempo de subida y comportamiento de respuesta para aplicaciones de detección de rango óptimo en soluciones LiDAR.
Cuando se utiliza un sistema ToF pulsado, se utilizará la longitud de onda de 905 nm, ya que los sistemas (IR) de 905 nm son más adecuados para el funcionamiento pulsado con una potencia óptica máxima de hasta 75 W o más, mientras que los láseres de 650 nm (rojo visible) normalmente no alcanzan la energía. funcionamiento pulsado con una potencia óptica máxima de aproximadamente 100 mW.
Operación de pulso estrecho para rango de operación extendido
El diseño de hardware de la solución LiDAR ToF emplea varias opciones para lograr el mejor rendimiento LiDAR en el dominio analógico.
Para acortar el pulso de disparo del láser, se utiliza un diodo láser pulsado de ROHM RLD90QZW3 en la solución LiDAR ToF, que puede admitir una operación de pulso estrecho con un ancho de pulso de 15 nanosegundos, en comparación con el ancho de pulso común de 30 nanosegundos utilizado en LiDAR convencional. Soluciones. Al reducir el ancho del pulso en un 50%, puede proporcionar una mayor potencia óptica en las mismas condiciones de funcionamiento, ampliando así el rango de funcionamiento.
Al utilizar este ancho de pulso corto, la solución LiDAR ToF admite la operación de pulsos múltiples, lo que puede mejorar la precisión de las mediciones al promediar o analizar estadísticamente múltiples mediciones y al mismo tiempo eliminar el ruido ambiental y las interferencias.
La solución también mejora el diseño de la PCB para reducir aún más el tiempo de retardo en la sección del controlador láser. El diseño de la PCB juega un papel importante en el comportamiento de conmutación en la ruta de transmisión del láser, especialmente en este sistema de suministro múltiple, ya que se deben proporcionar 25 V para el diodo láser y los FET de GaN, 5 V para el controlador de puerta láser y 3,3 V para la MCU. sistema para el pulso de disparo LD El diseño de la placa GND también es fundamental para una conmutación rápida y optimizar el retardo de transmisión mediante el uso de la mejor ruta de retorno de señal.
Además, la solución utiliza la serie SiPM RD de ON Semiconductor para reemplazar los APD (fotodiodos de avalancha) tradicionales para mejorar aún más el tiempo de respuesta de Rx, con el terminal FAST OUT en el SiPM que proporciona <500 picosegundos de respuesta de tiempo de subida, que es un 50% menor que el Terminal de salida estándar de un APD.
En los sistemas detectores de trayectoria de Tx y Rx, el tiempo de respuesta de Rx se puede mejorar aún más mediante el uso de comparadores más rápidos. Los circuitos comparadores se utilizan para convertir las señales analógicas Rx y Tx en entradas de inicio y parada de pulso desde el TDC para cálculos de temporización, por lo que los retrasos de propagación de los comparadores también son críticos para afectar la precisión de la medición. Utilizando el comparador rápido ADPCM600 de ADI, se puede lograr un tiempo de retardo de solo 3 nanosegundos con un nivel de señal de entrada de 30 mV, lo que proporciona el mejor tiempo de retardo en la ruta de recepción LiDAR.
Esta solución también utiliza FET de GaN en el diodo láser para permitir una conmutación más rápida y mejorar aún más la efectividad del retardo de transmisión. Los transistores EPC GaN FET EPC2212 se utilizan en lugar de los transistores MOSFET convencionales para proporcionar un comportamiento de conmutación 10 veces más rápido, lo que resulta en tiempos de subida más cortos en la ruta de transmisión del láser.
Componentes líderes en la industria para una solución completa
Los componentes clave de toda la solución LiDAR ToF incluyen el diodo láser ROHM RLD90QZW3 como diodo láser pulsado no visible de 75 W y 905 nm, el EPC EPC2212 GaN FET como transistor de potencia eGaN de 100 V, la serie ON Semiconductor MicroRD-10035-MLP RD como silicio fotomultiplicador (SiPM), el comparador de alta velocidad ADI ADCMP600 es un comparador TTL/CMOS con retardo de propagación de 5,5 ns extremadamente rápido, y el amplificador de alta velocidad ADI HMC589AST89E es un amplificador MMIC de bloque de ganancia InGaP HBT (DC - 4GHz).
También está el convertidor elevador CC/CC de voltaje de entrada amplio ADI LT8330, que admite voltaje de entrada de 3 ~ 40 V, convertidor elevador de conmutación de 1 A y 60 V, y el regulador de voltaje (LDO) de baja caída y bajo ruido de 200 mA ADI LT3082, el NXP LPC54605J512BD100 del El microcontrolador ARM contexto-M4 de 32 bits, el controlador de puerta TI LMG1020 para controladores de puerta ultrarrápidos para FET de GaN, además del convertidor de tiempo a digital (TDC) TI TDC7201 con resonador MEMS Murata WMRAG32K76CS1C00R0 de 32,768 kHz.
Conclusión
LiDAR ha demostrado un rendimiento excelente en automatización industrial, detección de distancia periférica de automóviles y otras aplicaciones. Con el rápido desarrollo de la Industria 4.0 y la conducción asistida por automóviles, la demanda del mercado está aumentando. Con el rápido desarrollo de la Industria 4.0 y la asistencia a la conducción de automóviles, la demanda del mercado está aumentando. En vista de esto, hemos lanzado la solución LiDAR ToF, que puede acelerar la velocidad de los fabricantes para desarrollar productos relacionados y lanzarlos al mercado lo antes posible para aprovechar las oportunidades comerciales.
