Säkerställ precision i fordonsavståndsmätning med LiDAR-sensorer med rätt transimpedansförstärkare

För att autonoma fordon ska fungera, måste passagerare kunna lita på att bilsensorerna och programvaran kan transportera dem säkert och precist till destinationen. Nyckeln till att leverera med förtroende ligger i att kombinera ingångar från olika sensortyper för att förbättra noggrannhet, redundans och säkerhet, en teknik som har möjliggjort avancerade förarassistanssystem (ADAS). En av de främsta sensorerna är LiDAR (Light Detection and Ranging) och konstruktörer måste förvissa sig om att LiDAR-systemet har bästa möjliga tillförlitlighet, upplösning, precision och responstid för självkörande bilar.

LiDAR-prestandan bygger till stor del på transimpedansförstärkaren (TIA) i front-enden, som snabbt återställer en lavinfotodiod-signal (APD) för att ge digital återkoppling. Genom att jämföra tidsstämpeln för återkopplingssignalen med den utsända signalens tidsstämpel kan flygtiden (ToF) beräknas för avståndsberäkning.

Denna artikel diskuterar i korthet de problem som är förknippade med att utveckla återkopplingskretsens prestanda för precis objektdetektering med LiDAR. Sedan presenteras en transimpedansförstärkare från Analog Devices. Den visar hur man kan dra nytta av dess höga hastighet och bandbredd samt dess låga ingångsimpedans, för snabb återhämtning från reflekterat ljus som kan producera fotodiodstigtider inom nanosekunder. För bästa totalprestanda visar den också hur man dämpar APD-mörkströmmen och omgivningsljuset genom en AC-koppling för att möjliggöra precisa ToF-uppskattningar.

Nyckelelement i ett ADAS

Kärnan i ett ADAS är sofistikerade avkänningssystem för att analysera externa objekt. Identifieringen och placeringen av dessa objekt gör det möjligt för ett fordon att antingen meddela föraren eller vidta lämpliga åtgärder - eller bådadera - för att undvika incidenter. Sensorteknologin bakom ADAS kan innehålla en bildkamera, tröghetsmätinstrument (IMU), radar och förstås LiDAR. Av dessa är LiDAR en kritisk optisk teknologi som utför lateral avståndsavkänning och -mätning för autonoma fordon i dåligt väder. Den utgör en integrerad del av ett ADAS-system (figur 1).

Figur 1: Maskinsyn (kameror och relaterad programvara), radar och LiDAR-system kompletterar varandra för att informera ett ADAS så att detta kan vidta lämpliga åtgärder. (Bildkälla: Analog Devices)

Ett ADAS-system använder kameror för att snabbt och exakt upptäcka och känna igen externa objekt som fordon, fotgängare, hinder, trafikskyltar och körfältslinjer. Analysen utlöser ett lämpligt svar för att maximera säkerheten. Svaren inkluderar bland annat varning för körfältsglidning, automatisk nödbromsning, varningar om blinda fläckar och övervakning av förarens vakenhet. Kamerans styrkor är objektklassificering och upplösning i sidled.

Det fristående IMU-systemet mäter vinkel- och linjärrörelse, vanligtvis med en trojka av gyroskop, magnetometrar och accelerometrar. Ett IMU är gimbalmonterat för att på ett tillförlitligt sätt mata ut integrerad vinkelhastighet och accelerationsnivå. En gimbal är ett svängbart stöd som möjliggör rotation av ett objekt kring en axel. En uppsättning om tre gimbaler, monterade på varandra med ortogonala svängaxlar, gör att ett objekt som är monterat på den innersta kardanknuten förblir oberoende av rotationen av dess stöd. IMU-systemet förbättrar GNSS-noggrannheten från meter till centimeter för exakt körfältpositionering.

Radartekniska system i fordon mäter många olika variabler, inklusive avstånd och hastighet, samtidigt som de ger en "synlighet" i mörker. Vanligtvis används en signalfrekvens på 24 och 77 GHz för hög upplösning. Radarsensorn fångar upp reflekterade signaler från olika objekt inom sitt synfält. Fordonet analyserar sedan sensorutgången i samband med alla andra sensoringångar för att avgöra om justeringar i styrning och bromsning behövs för att exempelvis förhindra kollisioner.

För att komplettera ADAS-bilden, använder LiDAR optik med ett spektralsvarintervall på mellan 200 och 1150 nanometer. Systemet mäter flygtiden från laserutsändning till mottagning av reflekterade signaler. Sammanställningen av många signaler gör det möjligt att skapa precisa flerdimensionella djupkartor över fordonets omgivning. Tillämpningar för LiDAR inkluderar kollisionsundvikande, detektering i döda vinklar, nödbromsning, adaptiv farthållare, dynamisk fjädringskontroll och parkeringshjälp. LiDAR-system överträffar radar när det gäller sidupplösning och -kapacitet under dåliga väderförhållanden.

ADAS och autonoma fordon kräver ett flertal av dessa sensorer placerade runt om fordonet för 360˚ detektering och analys (figur 2).

Figur 2: Kameror, radar och LiDAR ger tillsammans ett synfält på 360° runt om fordon, för att säkerställa säkerheten för personer både inuti och utanför. (Bildkälla: Analog Devices)

När dessa sensorer och deras tillhörande programvara förbättras blir förare, passagerare och alla som är nära fordonet säkrare.

LiDAR-optik

LiDAR-konstruktioner har utvecklats långt sedan de tidiga roterande "kaffeburkarna" på biltaken, vilka kunde kosta ca 75 000 dollar, till mer moderna konstruktioner som kostar runt 1 000 dollar styck. Kostnadsminskningen beror främst på framstegen inom lasrar och tillhörande elektronik. Utvecklingen mot rena halvledarlasrar (jämfört med den roterande kaffeburken) och tillhörande uppskalning i halvledarprocesserna, är de främsta anledningarna till att kostnaderna och storleken har minskat. Nu kan flera LiDAR-sensorer placeras baktill, framtill och på sidorna av fordonet för kostnadseffektivt seende runt om.

En typisk LiDAR-konstruktion kan delas upp i tre huvudsektioner: datainsamling (DAQ), analog front-end (AFE) och laserkälla (figur 3).

Figur 3: En uppdelning av ett LiDAR-utvärderingssystem visar att en LiDAR består av tre huvudsektioner: ett DAQ-system, en analog front-end och en laserkälla. (Bildkälla: Analog Devices)

DAQ-systemet innehåller en snabb A/D-omvandlare och motsvarande prestanda och klockfrekvens för att samla in ToF-data från lasern och analog front-end. AFE:n innehåller ljussensorn med lavinfotodioden och transimpedansförstärkaren för att registrera den reflekterade signalen. Hela signalkedjan modulerar APD-utsignalen, som sedan matas in i A/D-omvandlaren i DAQ-sektionen. AFE:n inkluderar också fördröjningen i dess utdata till DAQ. Lasersektionen innehåller lasrarna och de tillhörande drivkretsarna och sänder ut den initiala laserutsignalen.

LiDAR:ns analoga front-end

Som visas i figur 4, startar en typisk LiDAR-mottagarsignalkedja med en hög omvänd förspänning (-120 till -300 volt), låg ingångskapacitans-APD följt av en transimpedansförstärkare, såsom Analog Devices LTC6561HUF#PBF. Det är viktigt att under konstruktion ta hänsyn till en lägre lavinfotodiod-insignal och parasitkapacitanser på kretskortet för att komplettera transimpedansförstärkarens snabba förstärkning*bandbredd-produkt (GBWP) på 220 MHz. Transimpedansförstärkarens ingångssektion kräver ytterligare uppmärksamhet för att uppnå önskad nivå av signalintegritet och kanalisolering, så att inget ytterligare brus adderas till strömsignalen som genereras av lavinfotodioden, vilket maximerar systemets signal/brus-förhållande och objektdetekteringshastighet.

För att förbättra signalintegriteten har transimpedansförstärkaren ett lågpassförstärkningsfilter, Analog Devices LT6016, som dämpar utringningen av höghastighetssignalen. TIA omvandlar APD-utgångsströmmen (I_APD ) till en utgångsspänning, V_TIA. Spänningen V_TIA matas till den differentiella buffertförstärkaren (Analog Devices ADA4950-1YCPZ-R7) som driver ingången till A/D-omvandlaren (visas inte).

Figur 4: En analog front-end för denna konstruktion innefattar lavinfotodioden, transimpedansförstärkaren LTC6561 och den snabba in/ut-differentialförstärkaren ADA4950. LT6016 är ett förstärkningsfilter som dämpar utringningen av höghastighetssignalen. (Bildkälla: Analog Devices)

För att beräkna avståndet med hjälp av ToF används ökningen av A/D-omvandlarsamplingsfrekvensen för att avgöra upplösningen på den mottagna ljuspulsen, ekvation 1:

Ekvation 1

Där:

L_S = Ljusets hastighet (3 x 10⁸ m/s)

f_S = A/D-omvandlarens samplingsfrekvens

N = Antal A/D-samplingar i tidsintervallet mellan när en ljuspuls genereras och när dess reflektion tas emot

Till exempel: om A/D-omvandlarens samplingsfrekvens är 1 GHz, motsvarar varje sampling ett avstånd på 15 cm.

Samplingsosäkerheten måste vara nära noll eftersom även några få osärkra samplingar resulterar i betydande mätfel. Följaktligen använder LiDAR-system parallella transimpedansförstärkare och A/D-omvandlare för att närma sig noll samplingsosäkerhet. Denna ökning av kanaler ökar strömförbrukningen och kretskortsstorleken. Dessa kritiska konstruktionsbegränsningar kräver också snabba A/D-omvandlare med seriell utgång med JESD204B-gränssnitt för att lösa parallella A/D-omvandlarproblem.

LiDAR-sensorer

Som nämnts är det viktigaste avkänningselementet i ett LiDAR-system lavinfotodioden. Den omvänd förspänningen för dessa fotodioder, med intern förstärkning, sträcker sig från tiotals till hundratals volt. Lavinfotodiodens signal/brus-förhållande (SNR) är högre än en PIN-fotodiods. Lavinfotodiodens snabba tidsrespons, låga mörkström och höga känslighet skiljer dem också från varandra. Lavinfotodiodens spektralsvarsområde ligger inom 200 till 1150 nm för att matcha det typiska spektralområdet för LiDAR-tekniken.

Ett bra exempel på en lavinfotodiod är Marktech Optoelectronics MTAPD-07-010 med ett spektralsvar som sträcker sig från 400 till 1100 nm och toppar på 905 nm (figur 5). Enhetens aktiva yta mäter 0,04 mm². Den avleder 1 mW, har en framström på 1 mA och en driftspänning på 0,95 x dess genombrottsspänning (Vbr) på 200 volt (max). Dess stigtid är 0,6 ns.

Figur 5: MTPAPD-07-0101 lavinfotodiod har ett toppsvar på 905 nm, en aktiv yta på 0,04 mm² och en stigtid på 6 ns. (Bildkälla: Marktech Optoelectronics)

Den typiska halvledarbaserade lavinfotodioden arbetar med en relativt hög backspänning på tiotals eller t.o.m. hundratals volt, ibland strax under genombrottsnivån (br) (för MTAPD-07-010 vid 0,95 Vbr). I denna konfiguration exciterar de absorberade fotonerna elektroner och hål i det starka inre elektriska fältet för att generera sekundära bärare. Över ett fåtal mikrometer förstärker lavinprocessen fotoströmmen effektivt.

Som ett resultat av deras funktionsegenskaper kräver lavinfotodioder mindre elektronisk signalförstärkning och är mindre mottagliga för elektroniskt brus, vilket gör dem användbara i extremt känsliga detektorer. Kisellavinfotodioders multiplikations- eller förstärkningsfaktor, varierar beroende på komponenten och den pålagda backspänningen. MTAPD-07-010 har en förstärkningsfaktor på 100.

Lösningar med transimpedansförstärkare

I drift avger LiDAR:n en digital optisk signalskur vars reflektioner fångas upp av lavinfotodioden MTAPD-07-010. Detta kräver en transimpedansförstärkare med snabb återhämtningstid för mättnadsöverlast och snabb utgångsmultiplexering. Den lågbrusiga fyrkanaliga transimpedansförstärkaren LTC6561 med en bandbredd på 220 MHz uppfyller dessa krav (figur 6).

Figur 6: Den 4-kanaliga transimpedansförstärkaren LTC6561 och ett multiplexat utgångssteg utformat för LiDAR som använder lavinfotodioder. (Bildkälla: Analog Devices)

I figur 6 fångas de reflekterade lasersignalerna (per figur 3) upp av lavinfotodiodmatrisen och de fyra lågbrusiga transimpedansförstärkarna på 200 MHz. Transimpedansförstärkarna överför snabbt de uppfångade signalerna till ToF-detektorn (uppe till höger). Kondensatorerna på 1 nF på ingången till de fyra transimpedansförstärkarna filtrerar och eliminerar effektivt lavinfotodiodernas mörkström och de omgivande ljusförhållandena, vilket bevarar transimpedansförstärkarnas dynamiska omfång. Värdet på kondensatorerna påverkar emellertid omkopplingstiderna, så konstruktörer måste ta hänsyn till detta i konstruktionsarbetet.

Under intensiv optisk belysning kan lavinfotodioder leda stora strömmar, ofta över än 1 ampere. LTC6561:an klarar av och återhämtar sig snabbt från stora överlastströmmar av denna storlek. Snabb återhämtning av överlaster är avgörande för LiDAR-applikationer. Snabb återhämtning av 1 mA: stabiliseringen tar 10 ns (figur 7).

Figur 7: LTC6561 klarar av och återhämtar sig snabbt, på 10 ns, från stora överlastströmmar på 1 mA. (Bildkälla: Analog Devices)

I figur 7, när nivån på ingångsströmmen överstiger det linjära området, vidgas utgångspulsbredden. Återhämtningstiden förblir ändå 10-talet nanosekunder. LTC6561:an återhämtar sig från 1 mA mättnadshändelser på mindre än 12 ns utan fasvändning, vilket minimerar dataförlusten.

Slutsats

Vägen till framgångsrika autonoma fordon börjar med integrering och samverkan av kameror, instrument för tröghetsmätning, radar och LiDAR. I synnerhet LiDAR är lovande när utmaningarna förknippade med att lyckas med noggrann objektdetektering med hjälp av denna optiska teknik förstås och hanteras på rätt sätt.