Компоненты системы лидар для автономных транспортных средств

Системы лидар будут играть ключевую роль во всем комплексе датчиков, которые позволяют автономным автомобилям отслеживать изменения в окружающей среде. Некоторые разработчики склонны сосредотачиваться на радарах из-за их очевидной сложности, и значительные исследования были направлены на 5D-изображение с использованием радарных систем. Однако лидар и другие системы визуализации также могут предоставлять полный обзор окружающей среды и будут использоваться вместе с радаром в новых автомобилях.

Лидар против радара: что лучше для новых автомобилей?

Говорить, что одно из этих устройств лучше другого, значит упускать суть использования нескольких датчиков в автомобиле. Разные датчики будут идеальны для разных приложений. Автомобильный радар полезен для обнаружения целей и измерения скорости на коротких (24 ГГц) и длинных (76 ГГц) дистанциях. Между тем, системы лидар используют импульсы инфракрасного лазера (в настоящее время 905 нм, но впоследствии могут перейти на 1500 нм) для создания карты окружающей среды. Непрерывные лазеры используются в когерентном лидаре для измерения скорости.

Радарные модули, разработанные для автомобильных приложений, уже могут быть добавлены в автомобиль по более низкой цене, чем системы лидар. Многие компании исследуют использование обеих технологий вместе для идентификации целей, создания карты окружающей среды с мечеными целями и построения изображений этих близлежащих целей. Эти данные затем могут быть использованы с алгоритмами компьютерного зрения для различения разных объектов.

Для оценки производительности системы лидар используются следующие метрики:

• Пространственное разрешение (поперечное и продольное)
• Временное разрешение
• Дальность обнаружения
• Скорость сканирования

Это делает источник лазера (как сам лазер, так и связанную с ним электронику) наиболее критической частью, определяющей производительность. Во-первых, лазер с меньшим угловым расхождением луча будет иметь более высокое поперечное разрешение. Энергия выходного импульса, расхождение и длина волны определяют доступную дальность обнаружения. Временной дрейф в драйвере лазера будет определять продольное разрешение. Наконец, скорость сканирования определяет временное разрешение, что важно для точных измерений скорости. Более подробное обсуждение лазеров, используемых в этих системах, заслуживает отдельной статьи. Здесь мы рассмотрим некоторые примеры компонентов для управления вашей системой картографирования лидар и приема отраженных лазерных импульсов.

Взгляд на экосистему датчиков в автономных транспортных средствах

Требования к компонентам системы лидар

Компоненты, используемые для поддержки системы лидар, на достаточно высоком уровне, должны соответствовать следующим основным требованиям:

• Обнаружение в реальном времени. Электроника, управляющая вашей системой, должна обрабатывать данные практически в реальном времени, аналогично радарам, используемым в системах ADAS.
• Высокая частота повторения импульсов. Это функция вашего лазера и драйвера. Скорость сканирования должна быть в диапазоне ~МГц, чтобы обеспечить 360-градусное сканирование с высоким угловым разрешением.
• Низкое энергопотребление. Ваш драйвер лазера должен обеспечивать быстрое переключение с желаемой мощностью на выходе при минимально возможном потреблении энергии.
• Высокая чувствительность детектора. Более высокая чувствительность на желаемой длине волны позволяет вашей системе использовать импульсы меньшей интенсивности. Это помогает обеспечить соответствие вашей системы стандартам безопасности лазера, обеспечивая при этом большую рабочую дальность (~желаемая дальность 300 м).
• Количество каналов. Новые системы лидара используют 64 канала источника-детектора в массиве лавинных фотодиодов, массиве PIN-диодов или многопиксельном фотонном счетчике. Ваша система должна будет взаимодействовать с этими каналами для сбора отраженных импульсов.

Давайте рассмотрим некоторые основные компоненты, которые вам понадобятся для создания системы лидара:

Texas Instruments LM1020

LM1020 - это GaN транзистор, который обеспечивает лазерные импульсы ~1 нс с частотой повторения до 60 МГц и задержкой распространения 2,5 до 4,5 нс. Использование GaN транзистора с высокой подвижностью электронов обеспечивает гораздо лучшую производительность, чем кремниевый FET в системах лидара. Сопротивление стока-истока этого GaN FET примерно вдвое меньше, чем у эквивалентного кремниевого устройства, что означает, что потери на проводимость примерно на 50% ниже.

Упрощенная блок-схема для управления лазерным диодом в системе лидара. Из даташита LM1020.

Analog Devices LTC6561

LTC6561 - это трансимпедансный усилитель с низким уровнем шума, идеально подходящий для мультиплексирования 4 каналов из массива лавинных фотодиодов. Следует отметить, что массивы фотодиодов обычно работают с 64 каналами; несколько модулей LTC6561 могут быть объединены для взаимодействия с большим количеством каналов. Этот ИС упакован в корпус QFN размером 4 мм x 4 мм с открытой площадкой для термического управления и низкой индуктивностью. Этот трансимпедансный усилитель имеет низкий уровень шума и низкое энергопотребление:

Усилитель обеспечивает усиление трансимпеданса 74kΩ и линейный диапазон входного тока 30µA. Используя входную цепь APD с общей емкостью 2pF, плотность шума входного тока составляет 4.5pA/√Hz на частоте 200МГц. При меньшей емкости шум и полоса пропускания улучшаются еще больше. Для работы устройства требуется только однополярное питание 5В, и оно потребляет всего 200мВт. [Из даташита LTC6561]

Типичное применение с 4 каналами АФП. Из даташита LTC6561.

Texas Instruments TDC7201ZAXT

Поскольку система лидар использует измерения времени полета для создания 3D-карты окружающей среды, преобразователь времени в цифровой сигнал TDC7201ZAXT может использоваться для измерения расстояний от 4 см до нескольких км без необходимости реализации во внешнем процессоре. Это обеспечивает преобразование времени в цифровой сигнал с точностью до пикосекунд. Этот компонент поставляется в корпусе 4 мм x 4 мм 25 шариков nFBGA.

Упрощенная блок-схема для преобразования времени в цифровой сигнал в системе лидар. Из даташита TDC7201.

Компоненты, представленные здесь, являются лишь частью всего, что вам понадобится для продвинутой системы лидар. Octopart здесь, чтобы предоставить вам доступ к огромному ассортименту компонентов системы лидар для автомобильных систем. Попробуйте использовать наш руководство по выбору компонентов, чтобы определить лучший вариант для вашего следующего продукта.

Если вам понравилась эта статья, обязательно оставайтесь на связи с нашими последними статьями, подписавшись на нашу рассылку.