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I sistemi LiDAR (Light Detection And Ranging, noti anche come LiDAR) sono sempre più utilizzati nelle applicazioni di misurazione della distanza, ad esempio nel settore automobilistico, industriale e in altri ambiti, offrendo prospettive molto promettenti per lo sviluppo del mercato. Questo articolo introduce i principi tecnici e lo sviluppo del LiDAR.
Il ToF come tecnologia fondamentale per il LiDAR
I sistemi LiDAR per applicazioni industriali possono supportare settori quali l’automazione industriale, il controllo del traffico, i telemetri e altri. Questi sistemi si basano su diverse tecniche di misurazione, come l’uso di tecniche ToF dirette e indirette, in cui viene emesso un impulso laser molto breve, successivamente riflesso da un oggetto prima di essere rilevato; attraverso la scansione dell’ambiente e la misurazione del tempo di propagazione dell’impulso laser è quindi possibile ottenere una mappa di profondità 3D. In diverse applicazioni, con l’aiuto della creazione di mappe, i robot spazzini possono memorizzare i percorsi di navigazione in un appartamento e i robot industriali possono riconoscere i lavoratori per evitare di causare lesioni durante le interazioni.
Il LiDAR utilizza il ToF come tecnologia fondamentale per misurare il tempo impiegato dal segnale per raggiungere l’oggetto dal sensore e tornare riflesso al sensore, stimando così la distanza tra il sensore e l’oggetto. Il metodo ToF a impulsi è il metodo più comune e diretto per la stima della distanza e offre il vantaggio di generare un’elevata potenza laser di picco a fronte di una bassa potenza ottica media, per misurazioni a lunga distanza nel rispetto dei requisiti di sicurezza ottica. Un altro metodo LiDAR ToF utilizza lo sfasamento: la distanza viene calcolata misurando la differenza di fase tra i segnali trasmesso e ricevuto; il diodo laser emette un segnale a onda continua (CW) per calcolare la distanza. Questo metodo è più adatto alla misurazione di brevi distanze. Sul mercato sono disponibili varie applicazioni LiDAR ToF: l’applicazione per telemetri funziona con un’operazione monodimensionale (1D), ma può essere estesa utilizzando una matrice n × m di fotodetettori per applicazioni LiDAR 3D.
Soluzioni LiDAR per sistemi ToF a impulsi
Per accelerare lo sviluppo dei prodotti dei nostri clienti, abbiamo introdotto soluzioni LiDAR a loro disposizione come riferimento. La soluzione LiDAR ToF è destinata alla misurazione dell’intervallo/distanza e utilizza quindi un sistema ToF a impulsi. La parte di elaborazione del segnale del sistema LiDAR ToF impiega un metodo basato su TDC (convertitore tempo-digitale) oppure su ADC (convertitore analogico-digitale) per la stima della distanza. Metodo basato su ADC (convertitore analogico-digitale) per la stima della distanza. Il metodo basato su TDC utilizza un dispositivo di temporizzazione ad alta precisione per contare gli eventi di avvio/arresto come differenza temporale, mentre il metodo basato su ADC misura e digitalizza i segnali di ritorno a intervalli fissi e quindi stima la differenza temporale.
La risoluzione della distanza in questo sistema LiDAR ToF è inversamente proporzionale alla somma del tempo di salita e del tempo di risposta dei componenti analogici (diodo laser, driver laser, amplificatore a basso rumore e fotodetector); sebbene il metodo basato su TDC risolva il problema della risoluzione nel dominio analogico, il metodo basato su ADC consente l'impiego di numerosi schemi sofisticati per digitalizzare e rilevare i segnali di ritorno, nonché di un complesso sistema in banda base e di software che permettono di gestire una sorta di fenomeno di fading.
Le soluzioni LiDAR ToF scelgono un approccio basato su TDC per concentrarsi maggiormente sulla progettazione dell'hardware analogico, così da ottenere tempi di salita e una risposta migliori per applicazioni di rilevamento della portata ottimali nelle soluzioni LiDAR.
Quando si utilizza un sistema ToF impulsato, viene impiegata la lunghezza d'onda di 905 nm, poiché i sistemi a 905 nm (IR) sono più adatti al funzionamento impulsato, con una potenza ottica massima fino a 75 W o superiore, mentre i laser a 650 nm (rosso visibile) in genere non raggiungono un funzionamento impulsato ad alta energia, con una potenza ottica massima di circa 100 mW.
Funzionamento a impulsi stretti per estendere la portata operativa
La progettazione hardware della soluzione LiDAR ToF impiega diverse opzioni per ottenere le migliori prestazioni LiDAR nel dominio analogico.
Per ridurre la durata dell'impulso di trigger laser, nella soluzione LiDAR ToF viene utilizzato il diodo laser impulsato ROHM RLD90QZW3, che supporta il funzionamento a impulsi stretti con una durata di 15 nanosecondi, rispetto alla durata comune di 30 nanosecondi utilizzata nelle soluzioni LiDAR convenzionali. Riducendo la durata dell'impulso del 50%, è possibile fornire una potenza ottica maggiore nelle stesse condizioni operative, estendendo così la portata operativa.
Grazie a questa ridotta larghezza dell'impulso, la soluzione LiDAR ToF supporta il funzionamento a impulsi multipli, che può migliorare la precisione delle misurazioni mediante la media o l'analisi statistica di 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 svolge un ruolo importante nel comportamento di commutazione del percorso di trasmissione laser, soprattutto in questo sistema multi-alimentazione, poiché sono necessari 25 V per il diodo laser e i FET GaN, 5 V per il driver del gate laser e 3,3 V per il sistema MCU per l'impulso di trigger dell'LD. Anche la progettazione del piano di massa è fondamentale per ottenere una commutazione rapida e ottimizzare il ritardo di trasmissione utilizzando il miglior percorso di ritorno del segnale.
Inoltre, la soluzione utilizza la serie SiPM RD di ON Semiconductor al posto dei tradizionali APD (fotodiodi a valanga) per migliorare ulteriormente il tempo di risposta Rx; il terminale FAST OUT del SiPM offre un tempo di salita inferiore a 500 picosecondi, ovvero il 50% in meno rispetto al terminale di uscita standard di un APD.
Nei sistemi di rilevamento dei percorsi Tx e Rx, il tempo di risposta Rx può essere ulteriormente migliorato utilizzando comparatori più rapidi. I circuiti comparatori vengono utilizzati per convertire i segnali analogici Rx e Tx negli ingressi di avvio e arresto degli impulsi del TDC per i calcoli temporali; pertanto, anche i ritardi di propagazione dei comparatori sono fondamentali per influire sulla precisione della misurazione. Utilizzando il comparatore rapido ADI ADPCM600, è possibile ottenere un tempo di ritardo di soli 3 nanosecondi con un livello di segnale d’ingresso di 30 mV, fornendo il miglior tempo di ritardo nel percorso di ricezione LiDAR.
Questa soluzione utilizza inoltre FET GaN nel diodo laser per consentire una commutazione più rapida e migliorare ulteriormente l’efficacia del ritardo di trasmissione. I transistor FET GaN EPC EPC2212 vengono utilizzati al posto dei tradizionali transistor MOSFET per fornire una commutazione 10 volte più rapida, 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, un diodo laser pulsato non visibile da 75 W e 905 nm; il FET GaN EPC EPC2212, un transistor di potenza eGaN da 100 V; la serie RD MicroRD-10035-MLP di ON Semiconductor, un moltiplicatore di fotoni al silicio (SiPM); il comparatore ad alta velocità ADI ADCMP600, un comparatore TTL/CMOS estremamente rapido con un ritardo di propagazione di 5,5 ns; e l’amplificatore ad alta velocità ADI HMC589AST89E, un amplificatore MMIC a blocco di guadagno InGaP HBT (DC - 4GHz).
Sono inoltre presenti il convertitore boost DC/DC ad ampia tensione d’ingresso ADI LT8330, compatibile con una tensione d’ingresso da 3 a 40 V, un convertitore boost switching da 1 A e 60 V, il regolatore di tensione a basso rumore e bassa caduta (LDO) ADI LT3082 da 200 mA, il microcontrollore ARM contex-M4 a 32 bit NXP LPC54605J512BD100, il driver di gate TI LMG1020 per driver di gate ultrarapidi per FET GaN, nonché il convertitore tempo-digitale (TDC) TI TDC7201 con risonatore MEMS Murata WMRAG32K76CS1C00R0 da 32,768 kHz.
Conclusione
Il LiDAR ha dimostrato prestazioni eccellenti nell’automazione industriale, nel rilevamento della distanza per le applicazioni automobilistiche e in altri ambiti. Con il rapido sviluppo dell’Industria 4.0 e dei sistemi di assistenza alla guida automobilistica, la domanda del mercato è in forte crescita. Con il rapido sviluppo dell’Industria 4.0 e dei sistemi di assistenza alla guida automobilistica, la domanda del mercato è in forte crescita. A tal fine, abbiamo lanciato la soluzione LiDAR ToF, che può accelerare lo sviluppo dei prodotti correlati da parte dei produttori e consentirne l’immissione sul mercato nel più breve tempo possibile, così da cogliere le opportunità commerciali.
1 commento
Facultad de Ciencias Económicas
Merci pour votre article extrêmement précis et pertinent.
Facultad de Ciencias Económicas