Solution prometteuse pour les applications de télémétrie LiDAR
05 Jul 2024
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Les systèmes LiDAR (Light Detection And Ranging, également connu sous le nom de LiDAR) sont de plus en plus largement utilisés dans les applications de télémétrie, telles que la mesure de distance dans les applications automobiles, industrielles et autres, ce qui est très prometteur pour le développement du marché. Cet article vous présentera les principes techniques et le développement du LiDAR.
La ToF comme technologie de base pour le LiDAR
Les systèmes LiDAR pour applications industrielles peuvent prendre en charge des domaines tels que l'automatisation industrielle, le contrôle du trafic, les télémètres, etc. Ces systèmes seront basés sur différentes techniques de mesure, telles que l'utilisation de techniques de temps de vol (ToF) direct et indirect, où un très court L'impulsion laser est émise puis réfléchie par un objet avant d'être détectée, et en scannant l'environnement et en mesurant le temps de propagation de l'impulsion laser, la carte de profondeur 3D peut alors être obtenue. Dans diverses applications, grâce à la création de cartes, les robots de balayage peuvent stocker des itinéraires de navigation dans tout un appartement, et les robots industriels peuvent reconnaître les travailleurs pour éviter de causer des blessures interactives.
LiDAR utilise ToF comme technologie de base pour mesurer le temps écoulé entre le capteur et l'objet et réfléchi vers le capteur afin d'estimer la distance entre le capteur et l'objet. La méthode ToF pulsée est la méthode d'estimation de distance la plus courante et la plus directe et présente l'avantage de générer une puissance laser de crête élevée avec une faible puissance optique moyenne pour les mesures longue distance dans le cadre des exigences de sécurité optique. Une autre méthode LiDAR ToF utilise la méthode ToF par déphasage, la distance est calculée en mesurant la différence de phase entre les signaux transmis et reçus, la diode laser émettra un signal à onde continue (CW) pour calculer la distance, cette méthode est plus adaptée pour mesure de courte distance. Il existe diverses applications LiDAR ToF disponibles sur le marché, où l'application télémétrique fonctionne en utilisant un fonctionnement unidimensionnel (1D), mais elle peut être étendue pour utiliser un réseau n x m de photodétecteurs pour les applications LiDAR 3D.
Solutions LiDAR pour systèmes ToF à impulsion
Afin d'accélérer le développement des produits de nos clients, nous avons introduit des solutions LiDAR pour référence. La solution LiDAR ToF est destinée à la mesure de distance/distance et utilise donc un système ToF pulsé. La partie traitement du signal du système LiDAR ToF utilise une méthode TDC (Convertisseur temps-numérique) ou ADC (Convertisseur analogique-numérique) pour l'estimation de la distance. Méthode ADC (Analog-to-Digital Converter) pour l’estimation de la distance. La méthode basée sur TDC utilise un dispositif d'horloge de haute précision pour compter les événements de démarrage/arrêt comme différence de temps, tandis que la méthode basée sur ADC mesure et numérise les signaux de retour à intervalles fixes, puis estime la différence de temps.
La résolution de distance dans ce système LiDAR ToF est inversement proportionnelle au temps de montée et de réponse combiné des composants analogiques (diode laser, pilote laser, amplificateur à faible bruit et photodétecteur), et tandis que la méthode basée sur TDC résout le problème de résolution en Dans le domaine analogique, la méthode basée sur l'ADC permet un certain nombre de schémas sophistiqués pour numériser et détecter les signaux de retour ainsi qu'un système de bande de base complexe et un logiciel pour permettre une sorte de phénomène d'évanouissement.
Les solutions LiDAR ToF choisissent l'approche basée sur TDC pour se concentrer davantage sur la conception matérielle analogique afin d'obtenir un meilleur temps de montée et un meilleur comportement de réponse pour des applications de détection de portée optimales dans les solutions LiDAR.
Lors de l'utilisation d'un système ToF pulsé, la longueur d'onde de 905 nm sera utilisée, car les systèmes 905 nm (IR) sont mieux adaptés au fonctionnement pulsé avec une puissance optique maximale allant jusqu'à 75 W ou plus, alors que les lasers 650 nm (rouge visible) n'atteignent généralement pas d'énergie. fonctionnement pulsé avec une puissance optique maximale d'environ 100 mW.
Fonctionnement à impulsion étroite pour une plage de fonctionnement étendue
La conception matérielle de la solution LiDAR ToF utilise plusieurs options pour obtenir les meilleures performances LiDAR dans le domaine analogique.
Pour raccourcir l'impulsion de déclenchement du laser, une diode laser pulsée de ROHM RLD90QZW3 est utilisée dans la solution LiDAR ToF, qui peut prendre en charge un fonctionnement à impulsion étroite avec une largeur d'impulsion de 15 nanosecondes, par rapport à la largeur d'impulsion commune de 30 nanosecondes utilisée dans le LiDAR conventionnel. solutions. En réduisant la largeur d'impulsion de 50 %, il peut fournir une puissance optique plus élevée dans les mêmes conditions de fonctionnement, étendant ainsi la plage de fonctionnement.
En utilisant cette courte largeur d'impulsion, la solution LiDAR ToF prend en charge le fonctionnement multi-impulsions, ce qui peut améliorer la précision des mesures en faisant la moyenne ou en analysant statistiquement plusieurs mesures tout en éliminant le bruit ambiant et les interférences.
La solution améliore également la disposition du PCB pour réduire davantage le temps de retard dans la section pilote laser. La disposition du PCB joue un rôle important dans le comportement de commutation dans le chemin de transmission laser, en particulier dans ce système multi-alimentation, car 25 V doivent être fournis pour la diode laser et les FET GaN, 5 V pour le pilote de grille laser, 3,3 V pour le MCU. système pour l'impulsion de déclenchement LD La conception de la carte GND est également essentielle pour une commutation rapide et l'optimisation du délai de transmission en utilisant le meilleur chemin de retour du signal.
De plus, la solution utilise la série SiPM RD d'ON Semiconductor pour remplacer les APD (photodiodes à avalanche) traditionnelles afin d'améliorer encore le temps de réponse Rx, le terminal FAST OUT du SiPM fournissant <500 picosecondes de temps de réponse de montée, soit 50 % de moins que le borne de sortie standard d’un APD.
Dans les systèmes de détection de chemin Tx et Rx, le temps de réponse Rx peut être encore amélioré en utilisant des comparateurs plus rapides. Les circuits comparateurs sont utilisés pour convertir les signaux analogiques Rx et Tx en entrées de démarrage et d'arrêt d'impulsion du TDC pour les calculs de synchronisation, de sorte que les retards de propagation des comparateurs sont également critiques pour affecter la précision des mesures. Grâce au comparateur rapide ADPCM600 d'ADI, un temps de retard de seulement 3 nanosecondes peut être obtenu à un niveau de signal d'entrée de 30 mV, offrant ainsi le meilleur temps de retard sur le chemin de réception LiDAR.
Cette solution utilise également des GaN FET dans la diode laser pour permettre une commutation plus rapide afin d'améliorer encore l'efficacité du retard de transmission. Les transistors EPC GaN FET EPC2212 sont utilisés à la place des transistors MOSFET conventionnels pour fournir un comportement de commutation 10 fois plus rapide, ce qui entraîne des temps de montée plus courts dans le trajet de transmission laser.
Composants de pointe pour une solution complète
Les composants clés de l'ensemble de la solution LiDAR ToF incluent la diode laser ROHM RLD90QZW3 en tant que diode laser pulsée non visible de 75 W à 905 nm, le FET GaN EPC EPC2212 en tant que transistor de puissance eGaN 100 V, la série ON Semiconductor MicroRD-10035-MLP RD en tant que silicium photomultiplicateur (SiPM), le comparateur haute vitesse ADI ADCMP600 est un comparateur TTL/CMOS à retard de propagation extrêmement rapide de 5,5 ns, et l'amplificateur haute vitesse ADI HMC589AST89E est un amplificateur MMIC à bloc de gain InGaP HBT (DC - 4 GHz).
Il existe également le convertisseur élévateur CC/CC à large tension d'entrée ADI LT8330, prenant en charge une tension d'entrée de 3 à 40 V, un convertisseur élévateur de commutation de 1 A, 60 V, et le régulateur de tension (LDO) à faible bruit et à faible chute de tension ADI LT3082 200 mA, le NXP LPC54605J512BD100 du Microcontrôleur ARM contex-M4 32 bits, le pilote de grille TI LMG1020 pour les pilotes de grille ultra-rapides pour les GaN FET, en plus du convertisseur temps-numérique (TDC) TI TDC7201 avec résonateur MEMS Murata WMRAG32K76CS1C00R0 32,768 kHz.
Conclusion
Le LiDAR a démontré d'excellentes performances dans l'automatisation industrielle, la détection de distance périphérique automobile et d'autres applications. Avec le développement rapide de l’Industrie 4.0 et de la conduite assistée par l’automobile, la demande du marché augmente. Avec le développement rapide de l’Industrie 4.0 et de l’assistance à la conduite automobile, la demande du marché augmente. Dans cette optique, nous avons lancé la solution LiDAR ToF, qui peut accélérer la vitesse de développement des produits connexes par les fabricants et les mettre sur le marché dès que possible afin de saisir les opportunités commerciales.
