Systemy LiDAR (Light Detection And Ranging, znane również jako LiDAR) są coraz szerzej stosowane w aplikacjach pomiaru odległości, takich jak pomiar dystansu w motoryzacji, przemyśle i innych zastosowaniach, co jest bardzo obiecujące dla rozwoju rynku. Ten artykuł przedstawi Ci zasady techniczne i rozwój LiDAR.
ToF jako podstawowa technologia dla LiDAR
Systemy LiDAR do zastosowań przemysłowych mogą wspierać dziedziny takie jak automatyka przemysłowa, kontrola ruchu, dalmierze itp. Systemy te będą oparte na różnych technikach pomiarowych, takich jak wykorzystanie bezpośrednich i pośrednich technik czasu przelotu (ToF), gdzie emitowany jest bardzo krótki impuls laserowy, który następnie odbija się od obiektu, zanim zostanie wykryty, oraz poprzez skanowanie otoczenia i pomiar czasu propagacji impulsu laserowego. W ten sposób można uzyskać trójwymiarową mapę głębokości. W różnych zastosowaniach, dzięki tworzeniu map, roboty sprzątające mogą przechowywać ścieżki nawigacyjne w całym mieszkaniu, a roboty przemysłowe mogą rozpoznawać pracowników, aby zapobiegać powodowaniu urazów interaktywnych.
LiDAR wykorzystuje ToF jako podstawową technologię do pomiaru czasu, jaki upływa od sensora do obiektu i z powrotem do sensora, aby oszacować odległość między sensorem a obiektem. Metoda impulsowa ToF jest najczęstszą i bezpośrednią metodą szacowania odległości i ma zaletę generowania wysokiej mocy szczytowej lasera przy niskiej średniej mocy optycznej, co umożliwia pomiary na dużą odległość zgodnie z wymogami bezpieczeństwa optycznego. Inną metodą ToF w LiDAR jest metoda przesunięcia fazowego, odległość jest obliczana przez pomiar różnicy faz między sygnałami nadawanymi i odbieranymi, dioda laserowa emituje ciągły sygnał falowy (CW) do obliczenia odległości, ta metoda jest bardziej odpowiednia do pomiarów na krótkie odległości. Na rynku dostępne są różne zastosowania LiDAR ToF, gdzie aplikacja dalmierza działa w trybie jednowymiarowym (1D), ale może być rozszerzona do użycia tablicy fotodetektorów n x m dla zastosowań 3D LiDAR.
Rozwiązania LiDAR dla systemów impulsowych ToF
Aby przyspieszyć rozwój produktów naszych klientów, wprowadziliśmy rozwiązania LiDAR do ich referencji. Rozwiązanie LiDAR ToF jest przeznaczone do pomiaru zasięgu/odległości, dlatego wykorzystuje impulsowy system ToF. Część przetwarzania sygnału systemu LiDAR ToF stosuje metodę TDC (konwerter czasu na cyfrowy) lub ADC (konwerter analogowo-cyfrowy) do szacowania odległości. Metoda oparta na TDC używa wysokoprecyzyjnego urządzenia zegarowego do zliczania zdarzeń start/stop jako różnicy czasu, podczas gdy metoda ADC mierzy i cyfryzuje sygnały powrotne w stałych odstępach, a następnie szacuje różnicę czasu.
Rozdzielczość odległości w tym systemie LiDAR ToF jest odwrotnie proporcjonalna do łącznego czasu narastania i odpowiedzi komponentów analogowych (dioda laserowa, sterownik lasera, wzmacniacz niskoszumowy i fotodetektor), a podczas gdy metoda oparta na TDC rozwiązuje problem rozdzielczości w domenie analogowej, metoda oparta na ADC umożliwia zastosowanie wielu zaawansowanych schematów cyfryzacji i detekcji sygnałów powrotnych oraz złożonego systemu bazowego i oprogramowania pozwalającego na pewien rodzaj zjawiska zanikania.
Rozwiązania LiDAR ToF wybierają podejście oparte na TDC, aby skupić się bardziej na projektowaniu sprzętu analogowego w celu osiągnięcia lepszego czasu narastania i zachowania odpowiedzi dla optymalnych zastosowań wykrywania zasięgu w rozwiązaniach LiDAR.
Podczas korzystania z impulsowego systemu ToF będzie używana długość fali 905 nm, ponieważ systemy 905 nm (IR) są lepiej przystosowane do pracy impulsowej z maksymalną mocą optyczną do 75 W lub więcej, podczas gdy lasery 650 nm (czerwone widzialne) zazwyczaj nie osiągają pracy impulsowej z maksymalną mocą optyczną około 100 mW.
Wąska praca impulsowa dla rozszerzonego zakresu pracy
Projekt sprzętowy rozwiązania LiDAR ToF wykorzystuje kilka opcji, aby osiągnąć najlepszą wydajność LiDAR w domenie analogowej.
Aby skrócić impuls wyzwalający laser, w rozwiązaniu LiDAR ToF używana jest impulsowa dioda laserowa ROHM RLD90QZW3, która może obsługiwać pracę z wąskim impulsem o szerokości 15 nanosekund, w porównaniu do powszechnej szerokości impulsu 30 nanosekund stosowanej w konwencjonalnych rozwiązaniach LiDAR. Poprzez zmniejszenie szerokości impulsu o 50%, może zapewnić wyższą moc optyczną przy tych samych warunkach pracy, co pozwala na wydłużenie zasięgu działania.
Dzięki zastosowaniu tej krótkiej szerokości impulsu, rozwiązanie LiDAR ToF obsługuje pracę wielopulsową, co może poprawić dokładność pomiaru poprzez uśrednianie lub statystyczną analizę wielu pomiarów, jednocześnie eliminując szumy otoczenia i zakłócenia.
Rozwiązanie to również ulepsza układ PCB, aby dodatkowo zmniejszyć czas opóźnienia w sekcji sterownika lasera. Układ PCB odgrywa ważną rolę w zachowaniu przełączania w ścieżce transmisji lasera, szczególnie w tym systemie z wieloma zasilaczami, ponieważ 25V musi być dostarczone do diody laserowej i tranzystorów GaN FET, 5V do sterownika bramki lasera, 3,3V do systemu MCU dla impulsu wyzwalającego LD. Projekt płytki GND jest również kluczowy dla szybkiego przełączania i optymalizacji opóźnienia transmisji poprzez wykorzystanie najlepszej ścieżki powrotu sygnału.
Ponadto rozwiązanie wykorzystuje serię SiPM RD firmy ON Semiconductor do zastąpienia tradycyjnych APD (fotodiod lawinowych), aby dodatkowo poprawić czas reakcji odbiornika, przy czym terminal FAST OUT w SiPM zapewnia czas narastania odpowiedzi poniżej 500 pikosekund, co jest o 50% krótsze niż standardowy terminal wyjściowy APD.
W systemach detektorów ścieżek Tx i Rx czas reakcji Rx można dodatkowo poprawić, stosując szybsze komparatory. Obwody komparatorów są używane do konwersji analogowych sygnałów Rx i Tx na impulsy startu i stopu z TDC do obliczeń czasowych, dlatego opóźnienia propagacji komparatorów są również kluczowe dla dokładności pomiaru. Używając szybkiego komparatora ADI ADPCM600, można osiągnąć czas opóźnienia wynoszący zaledwie 3 nanosekundy przy poziomie sygnału wejściowego 30 mV, co zapewnia najlepszy czas opóźnienia w ścieżce odbiorczej LiDAR.
To rozwiązanie wykorzystuje również tranzystory GaN FET w diodzie laserowej, aby umożliwić szybsze przełączanie i dodatkowo zwiększyć skuteczność opóźnienia transmisji. Tranzystory EPC GaN FET EPC2212 są używane zamiast konwencjonalnych tranzystorów MOSFET, aby zapewnić 10-krotnie szybsze przełączanie, co skutkuje krótszymi czasami narastania w ścieżce transmisji laserowej.
Wiodące w branży komponenty dla kompletnego rozwiązania
Kluczowe komponenty całego rozwiązania LiDAR ToF obejmują diodę laserową ROHM RLD90QZW3 jako 75W 905nm niewidzialną impulsową diodę laserową, tranzystor EPC EPC2212 GaN FET jako 100V eGaN tranzystor mocy, serię ON Semiconductor MicroRD-10035-MLP RD jako krzemowy fotopowielacz (SiPM), szybki komparator ADI ADCMP600 jako niezwykle szybki, 5,5 ns opóźnienia propagacji komparator TTL/CMOS oraz szybki wzmacniacz ADI HMC589AST89E jako wzmacniacz MMIC typu InGaP HBT (DC - 4GHz).
Istnieje również przetwornik podwyższający napięcie DC/DC ADI LT8330 o szerokim zakresie napięcia wejściowego, obsługujący napięcie wejściowe 3~40V, 1A, 60V przełączający przetwornik podwyższający, oraz regulator napięcia o niskim szumie i niskim napięciu upadku (LDO) ADI LT3082 200mA, mikrokontroler 32-bitowy ARM Cortex-M4 NXP LPC54605J512BD100, sterownik bramki TI LMG1020 dla ultraszybkich sterowników bramek dla tranzystorów GaN FET, a także przetwornik czasu na cyfrowy (TDC) TI TDC7201 z rezonatorem MEMS Murata WMRAG32K76CS1C00R0 32,768kHz.
Wniosek
LiDAR wykazał doskonałą wydajność w automatyce przemysłowej, wykrywaniu odległości w pojazdach oraz innych zastosowaniach. Wraz z szybkim rozwojem Przemysłu 4.0 i wspomagania jazdy w motoryzacji, popyt na rynku gwałtownie rośnie. W związku z tym wprowadziliśmy rozwiązanie LiDAR ToF, które może przyspieszyć tempo rozwoju powiązanych produktów przez producentów i umożliwić ich jak najszybsze wprowadzenie na rynek, aby wykorzystać nadarzające się okazje biznesowe.
