LiDAR (Light Detection And Ranging, tunnetaan myös nimellä LiDAR) -järjestelmät yleistyvät yhä enemmän etäisyyden mittaussovelluksissa, kuten etäisyyden mittauksessa auto-, teollisuus- ja muissa sovelluksissa, mikä on erittäin lupaavaa markkinoiden kehityksen kannalta. Tässä artikkelissa esitellään LiDARin tekniset periaatteet ja kehitys.
ToF LiDARin ydinteknologiana
Teollisuussovelluksiin tarkoitetut LiDAR-järjestelmät voivat tukea aloja kuten teollisuusautomaatio, liikenteen valvonta, etäisyysmittarit jne. Nämä järjestelmät perustuvat erilaisiin mittaustekniikoihin, kuten suoraan ja epäsuoraan lentoaikaan (ToF) perustuvaan tekniikkaan, jossa erittäin lyhyt lasersäde lähetetään ja heijastuu kohteesta ennen havaitsemista, ja ympäristön skannauksen sekä lasersäteen etenemisajan mittaamisen avulla voidaan saada 3D-syvyyskartta. Erilaisissa sovelluksissa karttojen luomisen avulla siivousrobotit voivat tallentaa navigointireitit koko asunnossa, ja teollisuusrobotit voivat tunnistaa työntekijät estääkseen vuorovaikutuksessa syntyvät vammat.
LiDAR käyttää ToF-tekniikkaa ydinteknologiana mittaamaan sensorin ja kohteen välisen ajan, joka kuluu signaalin lähettämiseen sensorilta kohteeseen ja takaisin sensoriin, arvioidakseen etäisyyden sensorin ja kohteen välillä. Pulssiperusteinen ToF-menetelmä on yleisin ja suoraviivaisin etäisyyden arviointimenetelmä, ja sen etuna on korkean huippuvalotehon tuottaminen alhaisella keskimääräisellä optisella teholla pitkän matkan mittauksissa optisen turvallisuuden vaatimusten puitteissa. Toinen LiDARin ToF-menetelmä on vaihe-eroon perustuva ToF-menetelmä, jossa etäisyys lasketaan mittaamalla lähetetyn ja vastaanotetun signaalin vaihe-ero; laserdiodi lähettää jatkuvaa aaltosignaalia (CW) etäisyyden laskemiseksi, ja tämä menetelmä soveltuu paremmin lyhyen matkan mittauksiin. Markkinoilla on saatavilla erilaisia LiDAR ToF -sovelluksia, joissa etäisyysmittari toimii yhden ulottuvuuden (1D) tilassa, mutta sitä voidaan laajentaa käyttämään n x m -matriisia fotodetektoreita 3D LiDAR -sovelluksiin.
LiDAR-ratkaisut pulssiperusteisille ToF-järjestelmille
Nopeuttaaksemme asiakkaidemme tuotekehitystä olemme esitelleet LiDAR-ratkaisuja asiakkaiden viitteeksi. LiDAR ToF -ratkaisu on suunnattu etäisyyden mittaukseen ja hyödyntää siksi pulssiperusteista ToF-järjestelmää. LiDAR ToF -järjestelmän signaalinkäsittelyosassa käytetään joko TDC:tä (Time-to-Digital Converter) tai ADC:tä (Analog-to-Digital Converter) etäisyyden arviointiin. TDC-pohjainen menetelmä käyttää tarkkaa kellolaitetta start/stop-tapahtumien laskemiseen ajan erona, kun taas ADC-pohjainen menetelmä mittaa ja digitalisoi paluussignaalit kiintein välein ja arvioi sitten aikaeron.
Etäisyysresoluutio tässä LiDAR ToF -järjestelmässä on kääntäen verrannollinen analogisten komponenttien (laserdiodi, laseriohjain, matalakohinavahvistin ja fotodetektori) yhdistettyyn nousu- ja vasteaikaan, ja vaikka TDC-pohjainen menetelmä ratkaisee resoluutio-ongelman analogisella alueella, ADC-pohjainen menetelmä mahdollistaa monia kehittyneitä järjestelmiä paluussignaalien digitalisointiin ja havaitsemiseen sekä monimutkaisen baseband-järjestelmän ja ohjelmiston, joka sallii eräänlaisen vaimenemisilmiön.
LiDAR ToF -ratkaisut valitsevat TDC-pohjaisen lähestymistavan keskittyäkseen enemmän analogisen laitteiston suunnitteluun saavuttaakseen paremman nousuajan ja vastekäyttäytymisen optimaalisiin etäisyyden tunnistussovelluksiin LiDAR-ratkaisuissa.
Pulssiperusteisessa ToF-järjestelmässä käytetään 905 nm aallonpituutta, koska 905 nm järjestelmät (IR) soveltuvat paremmin pulssitoimintaan, jossa maksimiteho voi olla jopa 75W tai enemmän, kun taas 650 nm laserit (näkyvä punainen) eivät tyypillisesti saavuta energisoitua pulssitoimintaa maksimiteholla noin 100 mW.
Kapea pulssitoiminta laajennetulle toimintamatkalle
LiDAR ToF -ratkaisun laitteistosuunnittelussa käytetään useita vaihtoehtoja parhaan LiDAR-suorituskyvyn saavuttamiseksi analogisella alueella.
Laserin laukaisupulssin lyhentämiseksi LiDAR ToF -ratkaisussa käytetään ROHM RLD90QZW3 -pulssilaseridiodia, joka tukee kapeapulssitoimintaa 15 nanosekunnin pulssileveydellä verrattuna tavalliseen 30 nanosekunnin pulssileveyteen perinteisissä LiDAR-ratkaisuissa. Pulssileveyden puolittaminen voi tarjota suuremman optisen tehon samoissa käyttöolosuhteissa ja siten pidentää toimintamatkaa.
Tämän lyhyen pulssileveyden ansiosta LiDAR ToF -ratkaisu tukee monipulssitoimintaa, joka voi parantaa mittaustarkkuutta keskiarvoistamalla tai tilastollisesti analysoimalla useita mittauksia samalla kun se poistaa ympäristön kohinaa ja häiriöitä.
Ratkaisu parantaa myös piirilevyn (PCB) asettelua vähentääkseen viiveaikaa laseriohjaimen osassa. Piirilevyn asettelu on tärkeä laserin lähetyspolun kytkentäkäyttäytymisessä, erityisesti tässä monijännitejärjestelmässä, jossa 25V on tarjottava laserdiodille ja GaN FET:ille, 5V laserin porttiohjaimelle, 3,3V MCU-järjestelmälle LD-laukaisupulssia varten. GND-levyn suunnittelu on myös kriittinen nopean kytkennän ja lähetysviiveen optimoinnin kannalta käyttämällä parasta signaalin paluureittiä.
Lisäksi ratkaisu käyttää ON Semiconductorin SiPM RD -sarjaa korvaamaan perinteiset APD:t (avalanche photodiodes) vastaanoton vasteajan parantamiseksi, ja SiPM:n FAST OUT -liitäntä tarjoaa alle 500 pikosekunnin nousuajan vasteen, mikä on 50 % pienempi kuin APD:n standardilähtöliitännän vasteaika.
Tx- ja Rx-polun detektoreissa Rx-vasteaikaa voidaan parantaa käyttämällä nopeampia vertailijoita. Vertailupiirejä käytetään muuntamaan analogiset Rx- ja Tx-signaalit pulssin aloitus- ja lopetussignaaleiksi TDC:lle ajoituksen laskentaa varten, joten vertailijoiden etenemisviiveet ovat myös ratkaisevia mittaustarkkuuden kannalta. Käyttämällä ADI:n ADPCM600 nopeaa vertailijaa saavutetaan vain 3 nanosekunnin viive 30 mV:n tulotasolla, tarjoten parhaan viiveajan LiDARin vastaanottopolussa.
Tämä ratkaisu käyttää myös GaN FET:eitä laserdiodissa nopeamman kytkennän mahdollistamiseksi ja lähetysviiveen tehostamiseksi. EPC GaN FET EPC2212 -transistoreita käytetään perinteisten MOSFET-transistorien sijaan, tarjoten 10-kertaisesti nopeamman kytkentäkäyttäytymisen ja lyhyemmät nousuajat laserin lähetyspolussa.
Alan johtavat komponentit täydelliseen ratkaisuun
Koko LiDAR ToF -ratkaisun keskeisiä komponentteja ovat ROHM RLD90QZW3 -laserdiodi 75W 905nm näkymättömällä pulssilaserdiodilla, EPC EPC2212 GaN FET 100V eGaN -tehotransistori, ON Semiconductor MicroRD-10035-MLP RD -sarjan piisirun fotomultiploija (SiPM), ADI ADCMP600 nopea vertailija, joka on erittäin nopea 5,5 ns etenemisviiveellä TTL/CMOS-vertailija, sekä ADI HMC589AST89E nopea vahvistin, joka on InGaP HBT -vahvistin MMIC-vahvistin (DC - 4GHz).
Mukana on myös ADI LT8330 laajalla tulojännitealueella toimiva DC/DC-boost-muunnin, joka tukee 3~40V tulojännitealuetta, 1A, 60V kytkentäboost-muunnin, sekä ADI LT3082 200mA matalakohinainen, matalajännitehäviöinen regulaattori (LDO), NXP LPC54605J512BD100 32-bittinen ARM Cortex-M4 -mikrokontrolleri, TI LMG1020 porttiohjain ultra-nopeille GaN FET -porttiohjaimille, lisäksi TI TDC7201 aika-digitaalimuunnin (TDC) Muratan WMRAG32K76CS1C00R0 32.768kHz MEMS-resonaattorilla.
Yhteenveto
LiDAR on osoittanut erinomaista suorituskykyä teollisuusautomaation, autojen ympäristöetäisyyksien tunnistuksen ja muiden sovellusten alueilla. Teollisuus 4.0:n ja autojen avustetun ajon nopean kehityksen myötä markkinakysyntä kasvaa voimakkaasti. Tästä syystä olemme lanseeranneet LiDAR ToF -ratkaisun, joka voi nopeuttaa valmistajien kykyä kehittää siihen liittyviä tuotteita ja saada ne markkinoille mahdollisimman nopeasti liiketoimintamahdollisuuksien hyödyntämiseksi.
