Veelbelovende oplossing voor LiDAR-toepassingen
05 Jul 2024
0 Opmerkingen
LiDAR-systemen (Light Detection And Ranging, ook bekend als LiDAR) worden steeds vaker gebruikt in uiteenlopende toepassingen, zoals afstandsmeting in de automobiel-, industriële en andere toepassingen, wat veelbelovend is voor de marktontwikkeling. In dit artikel maak je kennis met de technische principes en ontwikkeling van LiDAR.
ToF als de kerntechnologie voor LiDAR
LiDAR-systemen voor industriële toepassingen kunnen gebieden ondersteunen zoals industriële automatisering, verkeerscontrole, afstandsmeters, enz. Deze systemen zullen gebaseerd zijn op verschillende meettechnieken, zoals het gebruik van directe en indirecte time of flight (ToF)-technieken, waarbij een zeer korte een laserpuls wordt uitgezonden en vervolgens gereflecteerd door een object voordat het wordt gedetecteerd, en door de omgeving te scannen en de voortplantingstijd van de laserpuls te meten, kan vervolgens de 3D-dieptekaart worden verkregen. In verschillende toepassingen kunnen veegrobots, met behulp van het maken van kaarten, navigatiepaden door een appartement opslaan, en kunnen industriële robots werknemers herkennen om interactief letsel te voorkomen.
LiDAR gebruikt ToF als kerntechnologie om de tijd te meten die nodig is van de sensor naar het object en teruggekaatst naar de sensor om de afstand tussen de sensor en het object te schatten. De gepulseerde ToF-methode is de meest gebruikelijke en directe methode voor afstandsschatting en heeft het voordeel dat het een hoog pieklaservermogen genereert bij een laag gemiddeld optisch vermogen voor metingen over lange afstanden onder optische veiligheidseisen. Een andere LiDAR ToF-methode maakt gebruik van de faseverschuivings-ToF-methode, de afstand wordt berekend door het faseverschil tussen de verzonden en ontvangen signalen te meten, de laserdiode zal een continu golfsignaal (CW) uitzenden om de afstand te berekenen, deze methode is meer geschikt voor meting op korte afstand. Er zijn verschillende LiDAR ToF-toepassingen op de markt verkrijgbaar, waarbij de afstandsmetertoepassing wordt bediend met behulp van eendimensionale (1D) werking, maar deze kan worden uitgebreid met het gebruik van een n x m-reeks fotodetectoren voor 3D LiDAR-toepassingen.
LiDAR-oplossingen voor gepulseerde ToF-systemen
Om de productontwikkeling van onze klanten te versnellen, hebben we LiDAR-oplossingen geïntroduceerd ter referentie van onze klanten. De LiDAR ToF-oplossing is gericht op bereik-/afstandsmeting en maakt daarom gebruik van een gepulseerd ToF-systeem. Het signaalverwerkingsgedeelte van het LiDAR ToF-systeem maakt gebruik van een TDC-methode (Time-to-Digital Converter) of ADC-methode (Analog-to-Digital Converter) voor afstandsschatting. ADC-methode (Analog-to-Digital Converter) voor afstandsschatting. De op TDC gebaseerde methode maakt gebruik van een zeer nauwkeurig klokapparaat om de start/stop-gebeurtenissen als het tijdsverschil te tellen, terwijl de op ADC gebaseerde methode de retoursignalen met vaste intervallen meet en digitaliseert en vervolgens het tijdsverschil schat.
De afstandsresolutie in dit LiDAR ToF-systeem is omgekeerd evenredig met de gecombineerde stijgtijd- en responstijd van de analoge componenten (laserdiode, laserdriver, geluidsarme versterker en fotodetector), en terwijl de op TDC gebaseerde methode het resolutieprobleem oplost in In het analoge domein maakt de op ADC gebaseerde methode een aantal geavanceerde schema's mogelijk voor het digitaliseren en detecteren van de retoursignalen, evenals een complex basisbandsysteem en software om een soort fading-fenomeen mogelijk te maken.
LiDAR ToF-oplossingen kiezen voor de op TDC gebaseerde aanpak om zich meer te concentreren op het analoge hardware-ontwerp om een betere stijgtijd en responsgedrag te bereiken voor optimale bereikdetectietoepassingen in LiDAR-oplossingen.
Bij gebruik van een gepulseerd ToF-systeem zal de golflengte van 905 nm worden gebruikt, omdat 905 nm-systemen (IR) beter geschikt zijn voor gepulseerde werking met een maximaal optisch vermogen van maximaal 75 W of meer, terwijl lasers van 650 nm (zichtbaar rood) doorgaans geen bekrachtigde werking bereiken. gepulseerde werking met een maximaal optisch vermogen van ongeveer 100 mW.
Smalle pulswerking voor groter werkbereik
Het hardwareontwerp van de LiDAR ToF-oplossing maakt gebruik van verschillende opties om de beste LiDAR-prestaties in het analoge domein te bereiken.
Om de lasertriggerpuls te verkorten, wordt in de LiDAR ToF-oplossing een gepulseerde laserdiode van ROHM RLD90QZW3 gebruikt, die een werking met smalle puls kan ondersteunen met een pulsbreedte van 15 nanoseconden, vergeleken met de gebruikelijke pulsbreedte van 30 nanoseconden die wordt gebruikt in conventionele LiDAR oplossingen. Door de pulsbreedte met 50% te verminderen, kan het onder dezelfde bedrijfsomstandigheden een hoger optisch vermogen leveren, waardoor het werkingsbereik wordt vergroot.
Door gebruik te maken van deze korte pulsbreedte ondersteunt de LiDAR ToF-oplossing multipulswerking, wat de meetnauwkeurigheid kan verbeteren door meerdere metingen te middelen of statistisch te analyseren, terwijl omgevingsgeluid en interferentie worden geëlimineerd.
De oplossing verbetert ook de PCB-indeling om de vertragingstijd in het laserdrivergedeelte verder te verminderen. De PCB-indeling speelt een belangrijke rol in het schakelgedrag in het lasertransmissiepad, vooral bij dit systeem met meerdere voedingen, omdat er 25 V moet worden voorzien voor de laserdiode en GaN FET's, 5 V voor de lasergate-driver, 3,3 V voor de MCU systeem voor de LD-triggerpuls Het ontwerp van de GND-kaart is ook van cruciaal belang voor snel schakelen en het optimaliseren van de transmissievertraging door gebruik te maken van het beste signaalretourpad.
Bovendien maakt de oplossing gebruik van de SiPM RD-serie van ON Semiconductor ter vervanging van traditionele APD's (lawinefotodiodes) om de Rx-responstijd verder te verbeteren, waarbij de FAST OUT-terminal in de SiPM <500 picoseconden aan stijgtijdrespons levert, wat 50% lager is dan de standaard uitgangsterminal van een APD.
In Tx- en Rx-paddetectorsystemen kan de Rx-responstijd verder worden verbeterd door snellere comparatoren te gebruiken. Comparatorcircuits worden gebruikt om de analoge Rx- en Tx-signalen om te zetten in pulsstart- en pulsstopingangen van de TDC voor timingberekeningen, dus de voortplantingsvertragingen van de comparatoren zijn ook van cruciaal belang voor het beïnvloeden van de meetnauwkeurigheid. Met behulp van ADI's snelle comparator ADPCM600 kan een vertragingstijd van slechts 3 nanoseconden worden bereikt bij een ingangssignaalniveau van 30 mV, wat de beste vertragingstijd in het LiDAR-ontvangstpad oplevert.
Deze oplossing maakt ook gebruik van GaN FET's in de laserdiode om sneller schakelen mogelijk te maken en de effectiviteit van de transmissievertraging verder te verbeteren. EPC GaN FET EPC2212-transistors worden gebruikt in plaats van conventionele MOSFET-transistors om een 10x sneller schakelgedrag te bieden, wat resulteert in kortere stijgtijden in het lasertransmissiepad.
Toonaangevende componenten voor een complete oplossing
Belangrijke componenten van de gehele LiDAR ToF-oplossing zijn onder meer de ROHM RLD90QZW3-laserdiode als een 75W 905nm niet-zichtbare gepulseerde laserdiode, de EPC EPC2212 GaN FET als een 100V eGaN-vermogenstransistor, de ON Semiconductor MicroRD-10035-MLP RD-serie als een silicium fotomultiplier (SiPM), de ADI ADCMP600 hogesnelheidscomparator is een extreem snelle TTL/CMOS-comparator met een voortplantingsvertraging van 5,5 ns, en de ADI HMC589AST89E hogesnelheidsversterker is een InGaP HBT-versterkingsblok MMIC-versterker (DC - 4GHz).
Er is ook de ADI LT8330 DC/DC boost-converter met brede ingangsspanning, die 3 ~ 40V ingangsspanning, 1A, 60V schakelende boost-converter ondersteunt, en de ADI LT3082 200mA spanningsregelaar met laag geluidsniveau en lage uitval (LDO), de NXP LPC54605J512BD100 van de 32-bits ARM contex-M4-microcontroller, de TI LMG1020-poortdriver voor ultrasnelle poortdrivers voor GaN FET's, naast de TI TDC7201 time-to-digital converter (TDC) met Murata WMRAG32K76CS1C00R0 32,768 kHz MEMS-resonator.
Conclusie
LiDAR heeft uitstekende prestaties laten zien op het gebied van industriële automatisering, detectie van perifere afstanden in de auto-industrie en andere toepassingen. Met de snelle ontwikkeling van Industrie 4.0 en auto-ondersteund rijden stijgt de marktvraag. Met de snelle ontwikkeling van Industrie 4.0 en autorijhulp stijgt de marktvraag. Met het oog hierop hebben we de LiDAR ToF-oplossing gelanceerd, die de snelheid van fabrikanten om gerelateerde producten te ontwikkelen kan versnellen en deze zo snel mogelijk op de markt kan brengen om de zakelijke kansen te benutten.
