자율 주행 차량을 위한 라이다 시스템 구성 요소

라이다 시스템은 자율 주행 차량이 주변 환경의 변화를 인식하는 데 필수적인 센서 전체에서 중요한 역할을 할 것입니다. 일부 설계자들은 레이더의 복잡성 때문에 레이더에 초점을 맞추는 경향이 있으며, 레이더 시스템을 사용한 5D 이미징에 상당한 연구가 진행되었습니다. 그러나 라이다 및 기타 비전 시스템도 주변 환경의 전체적인 모습을 제공할 수 있으며, 새로운 차량에서 레이더와 함께 사용될 것입니다.

라이다 대 레이더: 새로운 차량에는 어느 것이 최선인가?

이 중 하나가 다른 것보다 낫다고 말하는 것은 차량에 여러 센서가 있는 이유를 놓치는 것입니다. 다양한 센서는 다양한 용도에 이상적일 것입니다. 자동차 레이더는 짧은(24 GHz) 및 긴(76 GHz) 범위에서 목표 탐지 및 속도 측정에 유용합니다. 한편, 라이다 시스템은 적외선 레이저 펄스(현재 905 nm이지만 나중에는 1500 nm로 이동할 수 있음)를 사용하여 주변 환경의 지도를 생성합니다. 연속파 레이저는 속도 측정을 위해 일관된 라이다에서 사용됩니다.

자동차용으로 설계된 레이더 모듈은 이미 라이다 시스템보다 낮은 가격으로 차량에 추가될 수 있습니다. 많은 회사들이 두 기술을 함께 사용하여 목표를 식별하고, 태그가 지정된 환경의 지도를 생성하며, 이러한 인근 목표의 이미지를 구성하는 것을 탐색하고 있습니다. 이 데이터는 다음으로 컴퓨터 비전 알고리즘과 함께 사용되어 다양한 객체를 구별할 수 있습니다.

라이다 시스템의 성능을 평가하는 데 사용되는 다음 지표들이 있습니다:

• 공간 해상도(측면 및 종단)
• 시간 해상도
• 탐지 범위
• 스캐닝 속도

이는 레이저 소스(레이저 자체와 관련 전자 장치 모두)가 성능을 결정하는 가장 중요한 부분임을 의미합니다. 우선, 빔 발산이 낮은 레이저는 더 높은 측면 해상도를 가질 것입니다. 출력 펄스 에너지, 발산, 및 파장은 사용 가능한 탐지 범위를 결정합니다. 레이저 드라이버의 타이밍 지터는 종단 해상도를 결정합니다. 마지막으로, 스캐닝 속도는 정확한 속도 측정에 중요한 시간 해상도를 결정합니다. 이러한 시스템에 사용되는 레이저에 대한 더 큰 논의는 자체 기사로 다루어질 가치가 있습니다. 여기서는 라이다 매핑 시스템을 구동하고 반사된 레이저 펄스를 수신하기 위한 일부 예제 구성 요소를 살펴보겠습니다.

자율 주행 차량의 센서 생태계를 살펴보기

라이다 시스템 구성 요소에 대한 요구 사항

라이다 시스템을 지원하는 데 사용되는 구성 요소는 상당히 높은 수준에서 다음과 같은 기본 요구 사항을 충족해야 합니다:

• 실시간 감지. 시스템을 운영하는 전자 장치는 ADAS 시스템에서 사용되는 레이더와 유사하게 거의 실시간으로 데이터를 처리해야 합니다.
• 높은 펄스 반복률. 이것은 레이저와 드라이버의 기능입니다. 스캐닝 속도는 360도 스캐닝을 고각도 해상도로 제공하기 위해 ~MHz 범위가 되어야 합니다.
• 낮은 전력 소비. 레이저 드라이버는 원하는 출력 전력으로 빠른 스위칭을 가능하게 하면서 가능한 가장 낮은 전력 소비를 제공할 수 있어야 합니다.
• 높은 검출기 감도. 원하는 파장에서 더 높은 감도는 시스템이 더 낮은 강도의 펄스를 사용할 수 있게 합니다. 이는 레이저 안전 기준을 준수하면서 더 긴 사용 가능 범위(~300m 범위가 원하는 바)를 제공할 수 있도록 도와줍니다.
• 채널 수. 새로운 라이다 시스템은 산사태 광전자 다이오드 배열, PIN 다이오드 배열 또는 다중 픽셀 광자 카운터에서 64개의 소스-검출기 채널을 사용합니다. 시스템은 반사된 펄스를 수집하기 위해 이러한 채널과 인터페이스해야 합니다.

라이다 시스템을 구축하기 위해 필요한 몇 가지 기본 구성 요소를 살펴보겠습니다:

Texas Instruments LM1020

LM1020은 GaN 트랜지스터로, 최대 60 MHz 반복률과 2.5에서 4.5 ns 전파 지연으로 ~1 ns 레이저 펄스를 제공합니다. GaN 고전자 이동성 트랜지스터의 사용은 라이다 시스템에서 실리콘 FET보다 훨씬 더 나은 성능을 제공합니다. 이 GaN FET의 드레인-소스 저항은 동등한 실리콘 장치의 절반 정도이므로, 전도 손실은 약 50% 낮습니다.

라이다 시스템에서 레이저 다이오드를 구동하기 위한 간략한 블록 다이어그램. LM1020 데이터시트에서 발췌.

Analog Devices LTC6561

LTC6561 저잡음 트랜스임피던스 증폭기는 산사태 광전자 다이오드 배열에서 4개 채널을 멀티플렉싱하기에 이상적입니다. 주목할 점은 광전자 다이오드 배열이 일반적으로 64개 채널로 작동한다는 것이며, 여러 LTC6561 모듈을 결합하여 더 많은 채널과 인터페이스할 수 있습니다. 이 IC는 열 관리와 낮은 인덕턴스를 위한 노출 패드가 있는 4 mm x 4 mm QFN 패키지로 제공됩니다. 이 트랜스임피던스 증폭기는 저잡음과 낮은 전력 소비를 가집니다:

증폭기는 74kΩ의 트랜스임피던스 이득과 30µA의 선형 입력 전류 범위를 특징으로 합니다. 총 용량이 2pF인 APD 입력 회로를 사용할 때, 입력 전류 잡음 밀도는 200MHz에서 4.5pA/√Hz입니다. 용량이 낮을수록 잡음과 대역폭이 더욱 개선됩니다. 단지 5V 단일 전원이 필요하며, 장치는 단지 200mW만 소비합니다. [LTC6561 데이터시트에서 발췌]

4개의 APD 채널을 사용한 전형적인 응용. LTC6561 데이터시트에서 발췌.

Texas Instruments TDC7201ZAXT

라이다 시스템이 비행 시간 측정을 사용하여 주변 환경의 3D 맵을 생성하기 때문에, TDC7201ZAXT 시간-디지털 변환기는 외부 프로세서에서 구현할 필요 없이 4cm에서 수km까지의 거리 측정에 사용될 수 있습니다. 이는 피코초 정확도로 시간-디지털 변환을 제공합니다. 이 구성요소는 4mm x 4mm 크기의 25 볼 nFBGA 패키지로 제공됩니다.

라이다 시스템에서 시간-디지털 변환을 위한 간소화된 블록 다이어그램. TDC7201 데이터시트에서 발췌.

여기에 소개된 구성요소들은 고급 라이다 시스템을 위해 필요한 모든 것의 일부에 불과합니다. Octopart는 자동차 시스템을 위한 다양한 라이다 시스템 구성요소에 대한 접근을 제공합니다. 다음 제품을 위한 최적의 옵션을 결정하기 위해 우리의 부품 선택 가이드를 사용해 보세요.

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