openelab.de
openelab.com
LiDAR-systemer (Light Detection And Ranging, også kendt som LiDAR) anvendes i stigende grad til afstandsmåling, f.eks. i bilindustrien samt i industrielle og andre anvendelser, hvilket giver lovende muligheder for markedsudvikling. Denne artikel introducerer LiDARs tekniske principper og udvikling.
ToF som kerneteknologi til LiDAR
LiDAR-systemer til industrielle anvendelser kan understøtte områder som industriel automatisering, trafikstyring, afstandsmålere osv. Disse systemer vil være baseret på forskellige måleteknikker, såsom anvendelse af direkte og indirekte flyvetidsteknikker (ToF), hvor en meget kort laserpuls udsendes og derefter reflekteres af et objekt, før den registreres, og hvor omgivelserne scannes, mens laserpulsens udbredelsestid måles. Derefter kan der opnås et 3D-dybdekort. I forskellige anvendelser kan fejerobotter ved hjælp af kortlægning gemme navigationsruter gennem en lejlighed, og industrirobotter kan genkende medarbejdere for at forhindre interaktive skader.
LiDAR anvender ToF som en central teknologi til at måle den tid, det tager for signalet at bevæge sig fra sensoren til objektet og blive reflekteret tilbage til sensoren, for at estimere afstanden mellem sensoren og objektet. Den pulserede ToF-metode er den mest almindelige og direkte metode til afstandsestimering og har den fordel, at den kan generere en høj maksimal lasereffekt ved en lav gennemsnitlig optisk effekt til måling over lange afstande under hensyntagen til kravene til optisk sikkerhed. En anden LiDAR ToF-metode er faseforskydnings-ToF, hvor afstanden beregnes ved at måle faseforskellen mellem de transmitterede og modtagne signaler. Laserdioden udsender et kontinuerligt bølgesignal (CW) for at beregne afstanden, og denne metode er mere velegnet til måling over korte afstande. Der findes forskellige LiDAR ToF-anvendelser på markedet, hvor afstandsmåleranvendelsen fungerer ved hjælp af endimensionel (1D) drift, men den kan udvides til at anvende et n x m-array af fotodetektorer til 3D-LiDAR-anvendelser.
LiDAR-løsninger til pulserede ToF-systemer
For at fremskynde vores kunders produktudvikling har vi introduceret LiDAR-løsninger til kundernes reference. LiDAR ToF-løsningen er beregnet til måling af rækkevidde/afstand og anvender derfor et pulseret ToF-system. Signaleringsdelen i LiDAR ToF-systemet anvender enten en TDC-metode (Time-to-Digital Converter) eller en ADC-metode (Analog-to-Digital Converter) til afstandsestimering. ADC-metoden (Analog-to-Digital Converter) til afstandsestimering. Den TDC-baserede metode bruger en højpræcisions-clockenhed til at tælle start-/stop-hændelserne som tidsforskellen, mens den ADC-baserede metode måler og digitaliserer retursignalerne med faste intervaller og derefter estimerer tidsforskellen.
Afstandsopløsningen i dette LiDAR-ToF-system er omvendt proportional med den samlede stige- og responstid for de analoge komponenter (laserdioden, laserd driveren, den støjsvage forstærker og fotodetektoren), og mens den TDC-baserede metode løser opløsningsproblemet i det analoge domæne, giver den ADC-baserede metode mulighed for en række avancerede metoder til digitalisering og detektering af retursignalerne samt et komplekst basebandsystem og software, der muliggør en form for fænomenet fading.
LiDAR-ToF-løsninger vælger en TDC-baseret tilgang for at fokusere mere på det analoge hardwaredesign og opnå bedre stige- og responsforhold til optimal afstandsdetektering i LiDAR-løsninger.
Ved anvendelse af et pulserende ToF-system bruges en bølgelængde på 905 nm, da 905 nm-systemer (IR) er bedre egnet til pulserende drift med en maksimal optisk effekt på op til 75 W eller mere, mens 650 nm-lasere (synligt rødt lys) typisk ikke opnår pulserende drift med høj effekt med en maksimal optisk effekt på omkring 100 mW.
Drift med smalle pulser for udvidet driftsområde
Hardwaredesignet til LiDAR-ToF-løsningen anvender flere muligheder for at opnå den bedste LiDAR-ydeevne i det analoge domæne.
For at forkorte lasertriggerpulsen anvendes en pulserende laserdiode, ROHM RLD90QZW3, i LiDAR-ToF-løsningen. Den understøtter drift med smalle pulser med en pulsbredde på 15 nanosekunder sammenlignet med den almindelige pulsbredde på 30 nanosekunder, der anvendes i konventionelle LiDAR-løsninger. Ved at reducere pulsbredder med 50 % kan der opnås højere optisk effekt under de samme driftsforhold, hvilket dermed udvider driftsområdet.
Ved at anvende denne korte pulsbredde understøtter LiDAR-ToF-løsningen drift med flere pulser, hvilket kan forbedre målenøjagtigheden ved at beregne gennemsnittet af eller statistisk analysere flere målinger, samtidig med at omgivende støj og interferens elimineres.
Løsningen forbedrer også printkortlayoutet for yderligere at reducere forsinkelsestiden i laserdriversektionen. Printkortlayoutet spiller en vigtig rolle for switchadfærden i lasertransmissionsvejen, især i dette system med flere forsyningsspændinger, da der skal leveres 25 V til laserdioden og GaN-FET'erne, 5 V til laser-gatedriveren og 3,3 V til MCU-systemet til LD-triggerpulsen. Udformningen af printkortets jordforbindelse er også afgørende for hurtig switching og optimering af transmissionsforsinkelsen ved at anvende den bedste signalreturvej.
Derudover anvender løsningen ON Semiconductors SiPM RD-serie i stedet for traditionelle APD'er (lavinefotodioder) for yderligere at forbedre Rx-responstiden. FAST OUT-terminalen på SiPM'en giver en responstid for stigetiden på <500 picosekunder, hvilket er 50 % lavere end standardudgangsterminalen på en APD.
I detektorsystemer i Tx- og Rx-vejene kan Rx-responstiden forbedres yderligere ved at anvende hurtigere komparatorer. Komparatorkredsløb bruges til at konvertere de analoge Rx- og Tx-signaler til start- og stopimpulser til TDC'en for tidsberegninger, så komparatorernes udbredelsesforsinkelser også er afgørende for målenøjagtigheden. Ved at anvende ADI's hurtige ADPCM600-komparator kan der opnås en forsinkelsestid på kun 3 nanosekunder ved et indgangssignalniveau på 30 mV, hvilket giver den bedste forsinkelsestid i LiDAR-modtagevejen.
Denne løsning anvender også GaN-FET'er i laserdioden for at muliggøre hurtigere switching og dermed yderligere forbedre transmissionsforsinkelsen. EPC GaN-FET-transistorerne EPC2212 anvendes i stedet for konventionelle MOSFET-transistorer for at opnå 10 gange hurtigere switching, hvilket resulterer i kortere stigetider i lasertransmissionsvejen.
Brancheførende komponenter til en komplet løsning
Nøglekomponenterne i den komplette LiDAR ToF-løsning omfatter ROHM RLD90QZW3-laserdioden, en 75 W, 905 nm ikke-synlig pulserende laserdiodе, EPC EPC2212 GaN-FET'en, en 100 V eGaN-effekttransistor, ON Semiconductor MicroRD-10035-MLP RD-serien som en siliciumfotomultiplikator (SiPM), ADI ADCMP600-højhastighedskomparatoren, en ekstremt hurtig TTL/CMOS-komparator med en udbredelsesforsinkelse på 5,5 ns, samt ADI HMC589AST89E-højhastighedsforstærkeren, en InGaP HBT-gainblok-MMIC-forstærker (DC-4 GHz).
Løsningen omfatter også ADI LT8330 DC/DC-boostkonverteren med bredt indgangsspændingsområde, der understøtter en indgangsspænding på 3~40 V, samt en 1 A, 60 V boostkonverter med switch, ADI LT3082 200 mA støjsvag low-dropout-spændingsregulator (LDO), 32-bit ARM Cortex-M4-mikrocontrolleren NXP LPC54605J512BD100, TI LMG1020-gatedriveren til ultrahurtig styring af GaN-FET'er samt TI TDC7201 tids-til-digital-konverteren (TDC) med Murata WMRAG32K76CS1C00R0 32,768 kHz MEMS-resonator.
Konklusion
LiDAR har vist fremragende ydeevne inden for industriel automatisering, detektering af afstande omkring køretøjer og andre anvendelser. Med den hastige udvikling af Industri 4.0 og førerstøttesystemer til biler vokser markedsefterspørgslen kraftigt. På denne baggrund har vi lanceret LiDAR ToF-løsningen, som kan fremskynde producenternes udvikling af relaterede produkter, så de hurtigst muligt kan bringes på markedet og udnytte forretningsmulighederne.
1 kommentar
Facultad de Ciencias Económicas
Merci pour votre article extrêmement précis et pertinent.
Facultad de Ciencias Económicas