深入解析先進的深度傳感解決方案
當今市場上許多應(yīng)用都要求具有深度傳感的精確測量能力,包括工業(yè)、消費和汽車領(lǐng)域,產(chǎn)品種類包括自動導(dǎo)引車(AGV)、掃地機器人、無人機、自動駕駛汽車等,極具市場發(fā)展?jié)摿?。本文將為您介紹深度傳感技術(shù)的原理,以及由艾睿電子推出的LiDAR(激光雷達)參考設(shè)計,以及該方案中采用的ROHM、安森美(onsemi)、ADI、Murata等關(guān)鍵器件的產(chǎn)品特性。
本文引用地址:http://2s4d.com/article/202302/443765.htm擁有各自優(yōu)缺點的深度傳感技術(shù)
想要進行深度傳感應(yīng)用,當前已經(jīng)有許多不同的深度傳感方法,包括使用標準CMOS圖像傳感器的方法進行立體三角測量、相位檢測像素和結(jié)構(gòu)光等方式。
使用立體三角測量方式來測量距離,是通過對來自兩個不同攝像機的接收光進行三角測量來獲得的,經(jīng)過比較攝像機拍攝的圖像之間物體位置的差異,可以計算出攝像機到物體之間的距離。采用立體三角測量方式具有被動方法、采用標準圖像傳感器的優(yōu)點,但也有需要使用2個攝像機、最大距離取決于攝像機之間的距離,并高度依賴光照條件,以及需要計算的成本等缺點。
相位檢測像素方式是使用單個攝像機來獲取場景中點的距離,圖像傳感器在像素級別下,通過在不同位置具有遮光罩的像素對所接收到的光的相位差,或通過使用同一微透鏡下的多個光電二極管來計算深度,像是iPhone相機的自動對焦,便是采用此技術(shù)。相位檢測像素方式具有采用被動方法與標準圖像傳感器的優(yōu)點,但也有深度分辨率差、高度依賴光照條件、需要計算的成本、短距離等缺點。
結(jié)構(gòu)光則是使用具有傳統(tǒng)CMOS圖像傳感器的攝像機,來分析接收到的紅外光圖案,并用場景中的失真來計算深度,圖案的失真可用于獲取物體的3D形狀。結(jié)構(gòu)光具有適合短距離的優(yōu)點,但也有必須采用主動方法、對環(huán)境光敏感、深度誤差將隨距離增加、不適合長距離等缺點,適合應(yīng)用于人臉識別。
LiDAR擁有較高的深度傳感能力
由于LiDAR擁有高深度和角分辨率,使其具有優(yōu)于替代方法的較高深度傳感能力,并且由于其使用紅外光發(fā)射器和接收器的主動方法,因此能夠在所有光照條件下運行。LiDAR已經(jīng)廣泛部署在許多不同的市場,用于各種應(yīng)用和用例,包括汽車、工業(yè)、機器人以及消費型增強現(xiàn)實和虛擬現(xiàn)實(AR/VR)等應(yīng)用。
通常,LiDAR會采用直接飛行時間(dToF)測量技術(shù),它計算發(fā)射信號與其返回回波之間的時間延遲,另一種方法是間接飛行時間(iToF),這兩種方法都可以使用脈沖或連續(xù)調(diào)制來實行。
用于脈沖ToF系統(tǒng)的LiDAR解決方案
為了加快客戶產(chǎn)品的開發(fā)速度,艾睿電子的Openlab推出脈沖dToF LiDAR解決方案的參考設(shè)計。艾睿電子的LiDAR ToF解決方案針對范圍/距離測量,因此采用脈沖ToF系統(tǒng),LiDAR ToF系統(tǒng)的信號處理部分采用時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器(TDC)或模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)距離估算方法,基于TDC的方法使用高精度時鐘器件將開始/停止事件計數(shù)為時間差,而基于ADC的方法定期測量和數(shù)字化返回信號,然后估計時間差。
此LiDAR ToF系統(tǒng)的距離分辨率與模擬部件(激光二極管、激光驅(qū)動器、低噪聲放大器和光電探測器)的組合上升時間和響應(yīng)時間成反比?;赥DC的方法可以解決模擬域的分辨率問題,而基于ADC的方法可以通過一些復(fù)雜的數(shù)字返回信號檢測方案,以及復(fù)雜的基帶系統(tǒng)和軟件來解決一些問題。
艾睿電子的LiDAR ToF解決方案選擇基于TDC的方法,更多地關(guān)注模擬硬件設(shè)計,以實現(xiàn)更好的上升時間和響應(yīng)行為,從而在艾睿電子的LiDAR解決方案中實現(xiàn)最佳距離檢測應(yīng)用。
使用脈沖式ToF系統(tǒng)時,會使用905nm的波長,因為905nm系統(tǒng)(紅外線)更適合可達75W的最大光功率。相反地,650nm激光(可見紅光)一般無法實現(xiàn)上電脈沖操作,最大光功率約100mW。
窄脈沖操作可擴大操作范圍
在艾睿電子LiDAR ToF解決方案的硬件設(shè)計中,采用了ROHM的方案來實現(xiàn)模擬域LiDAR性能最優(yōu)的方法。為了縮短激光觸發(fā)脈沖,艾睿電子的LiDAR ToF解決方案中使用了ROHM RLD90QZW3脈沖激光二極管,它可以支持窄脈沖操作,脈沖寬度為15納秒,而傳統(tǒng)LiDAR解決方案中常用的脈沖寬度為30納秒。通過將脈沖寬度減小50%,可以在相同的工作條件下提供更高的光功率,從而擴大了工作范圍。
通過使用這種短脈沖寬度,艾睿電子的LiDAR ToF解決方案支持多脈沖操作,可以提高測量精度,并通過對多次測量進行平均或統(tǒng)計分析,來消除環(huán)境噪聲和干擾。該解決方案還在激光二極管中使用GaN FET以實現(xiàn)更快的切換,從而進一步提高傳輸延遲效率。采用GaN FET晶體管用于替代傳統(tǒng)的MOSFET晶體管,可提供快10倍的開關(guān)行為,從而縮短激光傳輸路徑的上升時間。
該解決方案還加強了PCB布局,以進一步減少激光驅(qū)動器部分的延遲時間。PCB布局在激光傳輸路徑的開關(guān)行為中起著重要作用,尤其是在此類多電源系統(tǒng)中,必須提供25V給激光二極管和GaN FET,提供5V給激光柵極驅(qū)動器,并提供3.3V給MCU系統(tǒng),用于LD觸發(fā)脈沖的生成。此外,GND板的設(shè)計對于通過使用最佳信號返回路徑,進行快速切換和優(yōu)化傳輸延遲也至關(guān)重要。
此外,該方案還采用安森美的硅光電倍增管(SiPM)RD系列替代傳統(tǒng)的雪崩光電二極管(APD),進一步提升Rx響應(yīng)時間。SiPM中的FAST OUT端子可提供小于500皮秒的上升時間響應(yīng),比APD標準輸出端子低50%。
在Tx和Rx路徑檢測器系統(tǒng)中,可以使用更快的比較器進一步改善Rx響應(yīng)時間。比較器電路用于將模擬的Rx和Tx信號,轉(zhuǎn)換成TDC脈沖開始和脈沖停止輸入以進行時序計算,因此比較器的傳播延遲對影響測量精度也相當關(guān)鍵。使用ADI的ADPCM600快速比較器,在30mV輸入信號電平下,延遲時間僅為3納秒,從而在LiDAR接收路徑中提供最佳延遲時間。
行業(yè)領(lǐng)先的器件組成完整的解決方案
艾睿電子整個LiDAR ToF解決方案的關(guān)鍵組件包括作為75W 905nm不可見光脈沖激光二極管的ROHM RLD90QZW3激光二極管、安森美的SiPM MicroRD-10035-MLP RD系列,以及ADI ADCMP600高速比較器是一個極快的TTL/CMOS比較器,傳播延遲為5.5納秒,ADI HMC589AST89E高速放大器則是一個InGaP HBT增益模塊MMIC放大器(DC-4GHz)。
此外,還有ADI LT?8330寬輸入電壓DC/DC升壓轉(zhuǎn)換器,可支持3V至40V輸入電壓,1A和60V開關(guān)升壓轉(zhuǎn)換器,以及ADI LT3082 200mA低噪聲低壓差穩(wěn)壓器(LDO),NXP LPC546XX系列 32位ARM Contex-M4微控制器,以及TI TDC7201 TDC和Murata WMRAG32K76CS1C00R0 32.768 kHz MEMS諧振器,用于需要額外處理能力或機器學(xué)習(xí)的開發(fā)。
ROHM的激光二極管RLD90QZW3,是一款專為LiDAR所設(shè)計的75W紅外高光輸出激光二極管,用于AGV等應(yīng)用3D ToF系統(tǒng)中的距離測量和空間識別服務(wù)。ROHM利用自有的器件開發(fā)技術(shù),在等效光輸出下實現(xiàn)了前所未有的225μm發(fā)射寬度,這比傳統(tǒng)產(chǎn)品窄22%,改善了光束特性。
同時,均勻的發(fā)射強度和激光波長的低溫度依賴性,確保了性能的穩(wěn)定性,將有助于在各種LiDAR應(yīng)用中實現(xiàn)更高的精度和更遠的距離。此外,具有與標準產(chǎn)品(24A正向電流和75W輸出)相同的21%的功率轉(zhuǎn)換效率(與較窄的發(fā)射寬度進行權(quán)衡),可以在不增加功耗的情況下使用。
ROHM也推出可用于激光二極管控制的參考設(shè)計,包括能夠高速驅(qū)動的下一代器件EcoGANTM、GaN柵極驅(qū)動器BD2311NVX-C,以及有助于改善LiDAR傳感器特性(距離和分辨率)的GaN HEMT高速柵極驅(qū)動器。
安森美的SiPM是一種高增益、單光子敏感傳感器,用于檢測可見光到近紅外波長。安森美推出的RB系列傳感器是R系列中第二個版本的SiPM。這些傳感器在電磁波譜的紅色和近紅外(NIR)區(qū)域進一步提高了靈敏度。
安森美目前還推出了新的SiPM陣列系列,ArrayRDM?0112A20?QFN是基于市場領(lǐng)先的RDM工藝的單片1 × 12 SiPM像素陣列。RDM工藝專門開發(fā)用于創(chuàng)建在905/940nm NIR波長下實現(xiàn)高PDE(光子檢測效率)的產(chǎn)品,這些產(chǎn)品通常用于LiDAR和3D dToF測距應(yīng)用。
安森美的SiPM陣列采用堅固的QFN封裝,可以訪問12個獨立像素。為了滿足汽車LiDAR應(yīng)用的要求,該產(chǎn)品符合AEC-Q102標準。
NXP的LPC546xx Arm Cortes M4 MCU系列則用于LiDAR系統(tǒng),提供高達220 MHz的性能,支持以太網(wǎng)、一個TFT LCD控制器和兩個CAN FD模塊,同時通過Cortex-M4在功能集成和功率效率之間取得適當?shù)钠胶?,以實現(xiàn)100 μA/MHz的主動模式電流。
對于需要更高級計算或機器學(xué)習(xí)的開發(fā),NXP還提供了新的MCX N系列,其雙Arm? Cortex?-M33內(nèi)核運行頻率高達150 MHz。這個高級系列介紹了NXP設(shè)計的神經(jīng)處理單元(NPU)的新實例。與單獨的CPU內(nèi)核相比,集成的NPU可提供高達30倍的機器學(xué)習(xí)(ML)吞吐量,從而減少清醒時間并降低整體功耗。低功耗緩存增強了系統(tǒng)性能,雙組閃存和完整的ECC RAM可支持系統(tǒng)安全,提供了額外的保護和保證層。
速度非??斓腁DCMP600、ADCMP601和ADCMP602則是采用ADI專有工藝XFCB2制造的比較器。該器件在3 mA典型電源電流下提供5 ns傳播延遲和10 mV過驅(qū)動。它非常適合用于時間關(guān)鍵型應(yīng)用,例如TOF測量和LiDAR應(yīng)用。
ADI的LT8330是一款電流模式DC/DC轉(zhuǎn)換器,能夠使用單個反饋引腳產(chǎn)生正或負輸出電壓。它可以配置為升壓、SEPIC或反相轉(zhuǎn)換器,靜態(tài)電流消耗低至6μA。低紋波突發(fā)模式操作可在極低輸出電流的情況下保持高效率,同時在典型應(yīng)用中,將輸出紋波保持在15mV以下。
由Murata推出的車載片狀多層陶瓷電容器,是汽車動力系統(tǒng)和安全裝置的理想選擇。該產(chǎn)品可用于安全裝置,例如發(fā)動機ECU、安全氣囊和ABS的驅(qū)動系統(tǒng)控制。即使在溫度循環(huán)和濕度負載測試中,該產(chǎn)品也通過了比一般產(chǎn)品(GRM系列)更嚴格的測試條件。該陶瓷電容器可在125℃和150℃溫度下使用,并還提供可用于發(fā)動機室的150℃產(chǎn)品系列,此外,該陶瓷電容器還采用了外電極鍍錫,具有優(yōu)良的可焊性。
結(jié)語
隨著深度傳感的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣,LiDAR也逐漸降到可接受的價格范圍,使得相關(guān)產(chǎn)品的市場發(fā)展空間逐漸擴大。由艾睿電子推出的LiDAR ToF解決方案,采用了來自ROHM、安森美、ADI、Murata等行業(yè)領(lǐng)先的器件,使其擁有絕佳的性能表現(xiàn),值得有興趣投入相關(guān)產(chǎn)品開發(fā)的廠家深入了解與采用。
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