Soluzione promettente per applicazioni di portata LiDAR
05 Jul 2024
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I sistemi LiDAR (Light Detection And Ranging, noto anche come LiDAR) stanno diventando sempre più ampiamente utilizzati in applicazioni di misurazione della distanza, come la misurazione della distanza in applicazioni automobilistiche, industriali e di altro tipo, il che è molto promettente per lo sviluppo del mercato. Questo articolo ti introdurrà ai principi tecnici e allo sviluppo di LiDAR.
ToF come tecnologia principale per LiDAR
I sistemi LiDAR per applicazioni industriali possono supportare campi come l'automazione industriale, il controllo del traffico, i telemetri, ecc. Questi sistemi saranno basati su diverse tecniche di misurazione, come l'uso di tecniche del tempo di volo (ToF) diretto e indiretto, dove un tempo di volo molto breve l'impulso laser viene emesso e poi riflesso da un oggetto prima che venga rilevato, e scansionando l'ambiente e misurando il tempo di propagazione dell'impulso laser è quindi possibile ottenere la mappa di profondità 3D. In varie applicazioni, con l’aiuto della creazione di mappe, i robot spazzatori possono memorizzare percorsi di navigazione in un appartamento e i robot industriali possono riconoscere i lavoratori per evitare di causare lesioni interattive.
LiDAR utilizza ToF come tecnologia principale per misurare il tempo impiegato dal sensore all'oggetto e riflesso al sensore per stimare la distanza tra il sensore e l'oggetto. Il metodo ToF pulsato è il metodo più comune e diretto per la stima della distanza e presenta il vantaggio di generare una potenza laser di picco elevata con una potenza ottica media bassa per misurazioni a lunga distanza con requisiti di sicurezza ottica. Un altro metodo LiDAR ToF utilizza il metodo ToF a sfasamento, la distanza viene calcolata misurando la differenza di fase tra i segnali trasmessi e ricevuti, il diodo laser emetterà un segnale ad onda continua (CW) per calcolare la distanza, questo metodo è più adatto per misurazione a breve distanza. Sul mercato sono disponibili varie applicazioni LiDAR ToF, in cui l'applicazione del telemetro viene utilizzata utilizzando il funzionamento unidimensionale (1D), ma può essere estesa per utilizzare una serie di fotorilevatori n x m per applicazioni LiDAR 3D.
Soluzioni LiDAR per sistemi ToF a impulsi
Per accelerare lo sviluppo dei prodotti dei nostri clienti, abbiamo introdotto soluzioni LiDAR come riferimento per i clienti. La soluzione LiDAR ToF è finalizzata alla misurazione della portata/distanza e pertanto utilizza un sistema ToF pulsato. La parte di elaborazione del segnale del sistema LiDAR ToF utilizza un metodo TDC (Time-to-Digital Converter) o ADC (Analog-to-Digital Converter) per la stima della distanza. Metodo ADC (Convertitore Analogico-Digitale) per la stima della distanza. Il metodo basato su TDC utilizza un dispositivo orologio ad alta precisione per contare gli eventi di avvio/arresto come differenza oraria, mentre il metodo basato su ADC misura e digitalizza i segnali di ritorno a intervalli fissi e quindi stima la differenza oraria.
La risoluzione della distanza in questo sistema LiDAR ToF è inversamente proporzionale al tempo combinato di salita e risposta dei componenti analogici (diodo laser, driver laser, amplificatore a basso rumore e fotorilevatore) e mentre il metodo basato su TDC risolve il problema della risoluzione in Nel dominio analogico, il metodo basato su ADC consente una serie di schemi sofisticati per la digitalizzazione e il rilevamento dei segnali di ritorno, nonché un complesso sistema in banda base e un software per consentire qualche tipo di fenomeno di sbiadimento.
Le soluzioni LiDAR ToF scelgono l'approccio basato su TDC per concentrarsi maggiormente sulla progettazione dell'hardware analogico per ottenere tempi di salita e comportamenti di risposta migliori per applicazioni di rilevamento della portata ottimali nelle soluzioni LiDAR.
Quando si utilizza un sistema ToF a impulsi, verrà utilizzata la lunghezza d'onda di 905 nm, poiché i sistemi a 905 nm (IR) sono più adatti per il funzionamento a impulsi con una potenza ottica massima fino a 75 W o più, mentre i laser a 650 nm (rosso visibile) in genere non raggiungono l'energia funzionamento pulsato con una potenza ottica massima di circa 100mW.
Funzionamento a impulsi stretti per un raggio operativo esteso
La progettazione hardware della soluzione LiDAR ToF utilizza diverse opzioni per ottenere le migliori prestazioni LiDAR nel dominio analogico.
Per abbreviare l'impulso di innesco del laser, nella soluzione LiDAR ToF viene utilizzato un diodo laser pulsato di ROHM RLD90QZW3, che può supportare il funzionamento a impulsi stretti con una larghezza di impulso di 15 nanosecondi, rispetto alla larghezza di impulso comune di 30 nanosecondi utilizzata nel LiDAR convenzionale soluzioni.Riducendo l'ampiezza dell'impulso del 50%, può fornire una maggiore potenza ottica nelle stesse condizioni operative, estendendo così il raggio d'azione.
Utilizzando questa breve larghezza di impulso, la soluzione LiDAR ToF supporta il funzionamento a più impulsi, che può migliorare la precisione della misurazione calcolando la media o analizzando statisticamente più misurazioni eliminando al contempo il rumore ambientale e le interferenze.
La soluzione migliora inoltre il layout del PCB per ridurre ulteriormente il tempo di ritardo nella sezione del driver laser. Il layout del PCB gioca un ruolo importante nel comportamento di commutazione nel percorso di trasmissione del laser, soprattutto in questo sistema ad alimentazione multipla, poiché devono essere forniti 25 V per il diodo laser e i FET GaN, 5 V per il driver del gate laser, 3,3 V per l'MCU sistema per l'impulso di trigger LD Anche il design della scheda GND è fondamentale per una commutazione rapida e l'ottimizzazione del ritardo di trasmissione utilizzando il miglior percorso di ritorno del segnale.
Inoltre, la soluzione utilizza la serie SiPM RD di ON Semiconductor per sostituire i tradizionali APD (fotodiodi a valanga) per migliorare ulteriormente il tempo di risposta Rx, con il terminale FAST OUT nel SiPM che fornisce <500 picosecondi di risposta del tempo di salita, che è inferiore del 50% rispetto al terminale di uscita standard di un APD.
Nei sistemi di rilevamento del percorso Tx e Rx, il tempo di risposta Rx può essere ulteriormente migliorato utilizzando comparatori più veloci. I circuiti comparatori vengono utilizzati per convertire i segnali analogici Rx e Tx in ingressi di avvio e arresto dell'impulso dal TDC per i calcoli temporali, quindi anche i ritardi di propagazione dei comparatori sono fondamentali per influenzare la precisione della misurazione. Utilizzando il comparatore veloce ADPCM600 di ADI, è possibile ottenere un tempo di ritardo di soli 3 nanosecondi con un livello di segnale in ingresso di 30 mV, fornendo il miglior tempo di ritardo nel percorso di ricezione LiDAR.
Questa soluzione utilizza anche FET GaN nel diodo laser per consentire una commutazione più rapida e migliorare ulteriormente l'efficacia del ritardo di trasmissione. I transistor EPC GaN FET EPC2212 vengono utilizzati al posto dei transistor MOSFET convenzionali per fornire un comportamento di commutazione 10 volte più veloce, con conseguenti tempi di salita più brevi nel percorso di trasmissione del laser.
Componenti leader del settore per una soluzione completa
I componenti chiave dell'intera soluzione LiDAR ToF includono il diodo laser ROHM RLD90QZW3 come diodo laser pulsato non visibile da 75 W 905 nm, il FET GaN EPC EPC2212 come transistor di potenza eGaN da 100 V, la serie ON Semiconductor MicroRD-10035-MLP RD come transistor al silicio fotomoltiplicatore (SiPM), il comparatore ad alta velocità ADI ADCMP600 è un comparatore TTL/CMOS estremamente veloce con ritardo di propagazione di 5,5 ns, mentre l'amplificatore ad alta velocità ADI HMC589AST89E è un amplificatore MMIC con blocco di guadagno InGaP HBT (CC - 4GHz).
È inoltre disponibile il convertitore boost CC/CC con ampia tensione di ingresso ADI LT8330, che supporta una tensione di ingresso di 3~40 V, convertitore boost con commutazione da 1 A, 60 V e il regolatore di tensione (LDO) a basso rumore e bassa caduta di tensione ADI LT3082 da 200 mA, l'NXP LPC54605J512BD100 della Microcontroller ARM contex-M4 a 32 bit, il gate driver TI LMG1020 per gate driver ultraveloci per FET GaN, oltre al convertitore time-to-digital (TDC) TI TDC7201 con risonatore MEMS Murata WMRAG32K76CS1C00R0 a 32,768 kHz.
Conclusione
LiDAR ha dimostrato prestazioni eccellenti nell'automazione industriale, nel rilevamento della distanza periferica nel settore automobilistico e in altre applicazioni. Con il rapido sviluppo dell’Industria 4.0 e della guida assistita automobilistica, la domanda del mercato è in aumento. Con il rapido sviluppo dell’Industria 4.0 e dell’assistenza alla guida automobilistica, la domanda del mercato è in aumento. In considerazione di ciò, abbiamo lanciato la soluzione LiDAR ToF, che può accelerare la velocità dei produttori nello sviluppo di prodotti correlati e immetterli sul mercato il prima possibile per cogliere le opportunità di business.
