LiDAR (Light Detection And Ranging, även känt som LiDAR) system blir alltmer använda i avståndsmätningsapplikationer, såsom distansmätning inom fordons-, industri- och andra tillämpningar, vilket är mycket lovande för marknadsutvecklingen. Denna artikel kommer att introducera dig till de tekniska principerna och utvecklingen av LiDAR.
ToF som kärnteknologi för LiDAR
LiDAR-system för industriella tillämpningar kan stödja områden som industriell automation, trafikstyrning, avståndsmätare med mera. Dessa system baseras på olika mättekniker, såsom användning av direkt och indirekt time of flight (ToF) teknik, där en mycket kort laserpuls sänds ut och sedan reflekteras av ett objekt innan den detekteras, och genom att skanna miljön och mäta laserpulsens utbredningstid kan en 3D-djupkarta erhållas. I olika tillämpningar, med hjälp av kartläggning, kan svepande robotar lagra navigationsvägar genom en lägenhet, och industrirobotar kan känna igen arbetare för att förhindra interaktiva skador.
LiDAR använder ToF som kärnteknologi för att mäta tiden från sensorn till objektet och tillbaka till sensorn för att uppskatta avståndet mellan sensorn och objektet. Den pulserade ToF-metoden är den vanligaste och mest direkta metoden för avståndsbedömning och har fördelen att generera hög topp laserstyrka vid låg genomsnittlig optisk effekt för långdistansmätningar under optiska säkerhetskrav. En annan LiDAR ToF-metod är att använda fasförskjutnings-ToF-metoden, där avståndet beräknas genom att mäta fasdifferensen mellan sända och mottagna signaler, laserdioden sänder en kontinuerlig våg (CW) signal för att beräkna avståndet, denna metod är mer lämplig för kortdistansmätning. Det finns olika LiDAR ToF-applikationer på marknaden, där avståndsmätarapplikationen drivs med endimensionell (1D) drift, men den kan utökas till att använda n x m matris av fotodetektorer för 3D LiDAR-applikationer.
LiDAR-lösningar för pulserade ToF-system
För att påskynda våra kunders produktutveckling har vi introducerat LiDAR-lösningar för kundernas referens. LiDAR ToF-lösningen är inriktad på avståndsmätning och använder därför ett pulserat ToF-system. Signalbehandlingsdelen av LiDAR ToF-systemet använder antingen en TDC (Time-to-Digital Converter) eller ADC (Analog-to-Digital Converter) metod för avståndsbedömning. ADC-metoden för avståndsbedömning. TDC-baserad metod använder en högprecisionsklocka för att räkna start-/stopphändelser som tidsdifferens, medan ADC-baserad metod mäter och digitaliserar retur-signaler vid fasta intervall och sedan uppskattar tidsdifferensen.
Avståndsupplösningen i detta LiDAR ToF-system är omvänt proportionell mot den kombinerade stigtiden och responstiden för de analoga komponenterna (laserdiod, laserdrivrutin, lågbrusförstärkare och fotodetektor), och medan TDC-baserad metod löser upplösningsproblemet i den analoga domänen, tillåter ADC-baserad metod flera avancerade scheman för digitalisering och detektion av retursignaler samt ett komplext basbandsystem och mjukvara för att hantera någon form av fading-fenomen.
LiDAR ToF-lösningar väljer TDC-baserad metod för att fokusera mer på analog hårdvarudesign för att uppnå bättre stigtid och responsbeteende för optimal räckviddsdetektering i LiDAR-lösningar.
Vid användning av pulserat ToF-system används våglängden 905nm, eftersom 905nm-system (IR) är bättre lämpade för pulserad drift med en maximal optisk effekt på upp till 75W eller mer, medan 650nm-lasrar (synligt rött) vanligtvis inte uppnår energirik pulserad drift med en maximal optisk effekt på cirka 100mW.
Narrow Pulse Operation för utökad räckvidd
LiDAR ToF-lösningens hårdvarudesign använder flera alternativ för att uppnå bästa LiDAR-prestanda i den analoga domänen.
För att förkorta lasertriggerspulsen används en pulserad laserdiod från ROHM RLD90QZW3 i LiDAR ToF-lösningen, som kan stödja narrow-pulse drift med en pulslängd på 15 nanosekunder, jämfört med den vanliga pulslängden på 30 nanosekunder som används i konventionella LiDAR-lösningar. Genom att minska pulslängden med 50 % kan den ge högre optisk effekt under samma driftförhållanden och därmed förlänga räckvidden.
Genom att använda denna korta pulslängd stödjer LiDAR ToF-lösningen multipulserad drift, vilket kan förbättra mätprecisionen genom att medelvärdesbilda eller statistiskt analysera flera mätningar samtidigt som omgivande brus och störningar elimineras.
Lösningen förbättrar också PCB-layouten för att ytterligare minska fördröjningstiden i laserdrivarsektionen. PCB-layouten spelar en viktig roll i switchbeteendet i laseröverföringsvägen, särskilt i detta multisupply-system, eftersom 25V måste tillhandahållas för laserdioden och GaN FETs, 5V för lasergrinddrivaren, 3,3V för MCU-systemet för LD-triggerpulsen. Designen av GND-kortet är också kritisk för snabb switchning och optimering av överföringsfördröjningen genom att använda den bästa signalreturvägen.
Dessutom använder lösningen ON Semiconductors SiPM RD-serie för att ersätta traditionella APD:er (avalanche photodiodes) för att ytterligare förbättra Rx-responstiden, med FAST OUT-terminalen i SiPM som ger <500 pikosekunders stigtidsrespons, vilket är 50 % lägre än standardutgångsterminalen på en APD.
I Tx- och Rx-vägsdetektorsystem kan Rx-responstiden förbättras ytterligare genom att använda snabbare komparatorer. Komparatorer används för att konvertera analoga Rx- och Tx-signaler till pulsstart- och pulsstoppindata till TDC för tidsberäkningar, så komparatorernas fördröjningar är också avgörande för mätprecisionen. Med ADI:s ADPCM600 snabba komparator kan en fördröjningstid på endast 3 nanosekunder uppnås vid 30mV insignalsnivå, vilket ger bästa fördröjningstid i LiDAR-mottagningsvägen.
Denna lösning använder också GaN FETs i laserdioden för att möjliggöra snabbare switchning och ytterligare förbättra överföringsfördröjningens effektivitet. EPC GaN FET EPC2212-transistorer används istället för konventionella MOSFET-transistorer för att ge 10 gånger snabbare switchbeteende, vilket resulterar i kortare stigtider i laseröverföringsvägen.
Branschledande komponenter för en komplett lösning
Nyckelkomponenter i hela LiDAR ToF-lösningen inkluderar ROHM RLD90QZW3 laserdiod som en 75W 905nm icke-synlig pulserad laserdiod, EPC EPC2212 GaN FET som en 100V eGaN-effekttransistor, ON Semiconductor MicroRD-10035-MLP RD-serien som en kiselfotomultiplikator (SiPM), ADI ADCMP600 högfrekvent komparator som är en extremt snabb, 5,5 ns fördröjning TTL/CMOS-komparator, och ADI HMC589AST89E högfrekvent förstärkare som är en InGaP HBT gain block MMIC-förstärkare (DC - 4GHz).
Det finns också ADI LT8330 bredingångsspännings DC/DC boost-omvandlare, som stödjer 3~40V ingångsspänning, 1A, 60V switchande boost-omvandlare, och ADI LT3082 200mA lågbrus, låg dropout spänningsregulator (LDO), NXP LPC54605J512BD100 32-bitars ARM Cortex-M4 mikrokontroller, TI LMG1020 grinddrivrutin för ultrarapida grinddrivrutiner för GaN FETs, samt TI TDC7201 time-to-digital converter (TDC) med Murata WMRAG32K76CS1C00R0 32.768kHz MEMS-resonator.
Slutsats
LiDAR har visat utmärkt prestanda inom industriell automation, fordonsnära avståndsdetektion och andra tillämpningar. Med den snabba utvecklingen av Industri 4.0 och fordonsassistans ökar marknadsefterfrågan kraftigt. Med den snabba utvecklingen av Industri 4.0 och fordonsassistans ökar marknadsefterfrågan kraftigt. Med detta i åtanke har vi lanserat LiDAR ToF-lösningen, som kan påskynda tillverkarnas utveckling av relaterade produkter och få ut dem på marknaden så snart som möjligt för att ta tillvara affärsmöjligheterna.
