Sikre nøyaktighet ved å bruke LiDAR-distansesensorer for bilindustrien med den rette TIA-en

For at autonome kjøretøy skal lykkes, må passasjerer være trygge på at bilsensorer og programvare veileder dem sikkert og nøyaktig til destinasjonen. For å kunne opprettholde denne tillitten, har innganger fra forskjellige sensortyper blitt slått sammen for å forbedre nøyaktighet, redundans og sikkerhet, en teknikk som har gjort det mulig å levere avanserte sjåførhjelpesystemer (ADAS – advanced driver assistance systems). En av hovedsensorene er for lysdeteksjon og rekkevidde (LiDAR – Light Detection And Ranging), og utviklere må sørge for at LiDAR-systemet har den høyeste påliteligheten, oppløsningen, presisjonen og responstiden for selvkjørende biler.

LiDAR-ytelse er hovedsakelig avhengig av transimpedansforsterkeren (TIA – Transimpedance Amplifier) i front-end, som raskt gjenoppretter et signal fra skredfotodioden (APD – Avalanche Photo Diode) for å gi digital tilbakekobling. Ved å sammenligne tidsstempelet til tilbakekoblingssignalet med tidsstempel til det sendte signalet, kan flyvetiden (ToF – Time-of-Flight) beregnes for avstandsmåling.

Denne artikkelen vil kort ta for seg problemene knyttet til utviklingen av tilbakekoblingskretsens ytelse for å gi nøyaktig objektdeteksjon ved å bruke LiDAR. Deretter vil artikkelen introdusere en Analog Devices-TIA. Den vil ta for seg hvordan du kan dra nytte av dens høye hastighet, båndbredde og lave inngangsimpedans for å gi rask gjenoppretting fra reflektert lys som kan produsere en fotodiode-stigetid i nanosekund-området (ns). For å oppnå best mulig generell ytelse, vil den også ta for seg hvordan APD-mørkestrømmen og det omgivende lyset avvvises ved hjelp av vekselstrømskobling for å muliggjøre nøyaktige ToF-estimater.

Viktige elementer i ADAS

I hjertet av ADAS finner vi sofistikerte deteksjonssystemer som analyserer eksterne objekter. Identifiseringen og plasseringen av disse objektene gjør det mulig for et kjøretøy å enten varsle føreren eller foreta hensiktsmessige tiltak – eller begge deler – for å unngå uhell. Sensorteknologiene bak ADAS kan omfatte et bildekamera, treghetsmåleapparater (IMU – Inertial Measurement Units), radar og, selvfølgelig, LiDAR. Av disse er LiDAR en svært viktig optisk teknologi som muliggjør deteksjon av dårlig vær og lateral avstand for autonome kjøretøy. Denne teknologien utgjør en vesentlig del av et ADAS-system (figur 1).

Figur 1: Visjon- (kameraer og relatert programvare), radar- og LiDAR-systemer utfyller hverandre for å informere en ADAS slik at den kan foreta hensiktsmessige tiltak. (Bildekilde: Analog Devices)

Et ADAS-system bruker kameraer til å detektere og gjenkjenne eksterne objekter som kjøretøy, fotgjengere, hindringer, trafikkskilt og kjørefeltlinjer på en rask og nøyaktig måte. Analysen utløser den mest hensiktsmessige responsen for å maksimere sikkerhet. Responsene inkluderer blant annet advarsler om utkjøring fra kjørefelt, automatisk nødbremsing, blindsonevarsling og overvåking om føreren er våken og beredt, med mer. Kameraets fordeler er objektklassifisering og lateral oppløsning.

Det integrerte IMU-systemet måler vinkel- og lineærbevegelse, vanligvis med en triade av gyroskoper, magnetometre og akselerometre. En IMU er gimbalmontert for å tilveiebringe integrert vinkelhastighet og akselerasjonsverdier på en pålitelig måte. En gimbal er en svingbar støtte som gjør det mulig å rotere et objekt rundt én enkelt akse. Et sett med tre gimbaler, der den ene er montert på den andre med ortogonale svingakser, gjør at et objekt som er montert på den innerste gimbalen kan bevege seg uavhengig i forhold til rotasjonen til støtten. IMU-en forbedrer GNSS-nøyaktigheten fra meter (m) til centimeter (cm) for å gi nøyaktig kjørebaneposisjonering.

Ulike tilpasninger av bilradarteknologi måler mange forskjellige variabler, deriblant avstand og hastighet, samtidig som de gir «synlighet» i mørket. Signalfrekvenser på 24 og 77 gigahertz (GHz) brukes for høy oppløsning. Radarsensoren fanger opp reflekterte signaler fra forskjellige objekter innenfor synsfeltet til sensoren. Kjøretøyet analyserer deretter sensorutgangen, og sammenligner denne verdien med alle de andre sensorinngangene for å fastlegge om det er nødvendig å justere styring og bremsing, for eksempel for å forhindre kollisjoner.

For å fullføre ADAS-bildet bruker LiDAR optikk med et spektralresponsområde på mellom 200 og 1150 nanometer (nm). Systemet måler ToF fra lasersending til mottak av de reflekterte signalene. Sammensetningen av mange signaler muliggjør oppretting av nøyaktige flerdimensjonale dybdekart over omgivelsene til kjøretøyet. Bruksområder for LiDAR omfatter unngåelse av kollisjon, deteksjon av blindsone, nødbremsing, adaptiv cruise-kontroll, dynamisk fjæringskontroll og parkeringsassistent. LiDAR-systemer overgår radar når det kommer til lateral oppløsning og yteevne under dårlige værforhold.

ADAS og autonome kjøretøyer krever et flertall av disse sensorene rundt kjøretøyet for å oppnå 360-graders deteksjon og analyse (figur 2).

Figur 2: Kombinasjonen av kameraer, radar og LiDAR gir et samlet synsfelt på 360 grader rundt kjøretøyer for å opprettholde sikkerheten til de som befinner seg på både innsiden og utsiden av kjøretøyet. (Bildekilde: Analog Devices)

Når disse sensorene og den tilhørende programvaren forbedres, vil sjåfører, passasjerer og alle andre som befinner seg i nærheten av kjøretøyet være tryggere.

LiDAR-optikk

LiDAR-installasjoner har utviklet seg fra «kaffeboks»-sensorer som roterer på biltaket, og som er verdsatt til omtrent 75 000 amerikanske dollar, til mer moderne versjoner som koster rundt 1000 dollar hver. Kostnadsreduksjonen skyldes hovedsakelig fremskritt innen lasere og den tilhørende elektronikken. Overgangen til lasere som kun bruker halvledere (sammenlignet med roterende kaffekanne) og den tilknyttede skaleringen av halvlederprosesser, er hovedårsakene til at kostnader og størrelse har blitt redusert. Nå kan flere LiDAR-sensorer plasseres foran og bak på kjøretøyet, samt på sidene, for å oppnå en visibilitet på 360 grader til en billig penge.

En typisk LiDAR-installasjon kan deles inn i tre hoveddeler: datainnsamling (DAQ – Data Acquisition), analog front-end (AFE) og laserkilde (figur 3).

Figur 3: En oversikt over et LiDAR-evalueringssystem som viser at en LiDAR består av tre hoveddeler: en DAQ, en AFE og en laserkilde. (Bildekilde: Analog Devices)

DAQ-en omfatter en høyhastighets analog-til-digital-omformer (ADC – Analog-Digital-Converter) og den tilsvarende effekt- og taktstyringen for å samle ToF-data fra laseren og AFE-en. AFE-en inneholder APD-lyssensoren og TIA-en for å fange opp det reflekterte signalet. Hele signalkjeden former APD-utgangssignalet, som mates inn i ADC-en i DAQ-delen. AFE-en inkluderer også den tidsbestemte forsinkelsesstyringen i sin utgangsverdi til DAQ-en. Laserdelen inneholder lasere og tilhørende drivkrets, og overfører det første laserutgangssignalet.

LiDAR AFE

I henhold til eksempelet i figur 4, starter en LiDAR-mottakersignalkjede med en høyspent omvendt forspenning (–120 til –300 volt), APD med lav inngangskapasitans etterfulgt av en TIA, for eksempel Analog Devices sin LTC6561HUF#PBF. Det er viktig å kalkulere for lavere APD-inngangsverdier og parasittære kapasitanser på kretskort for å komplettere TIA-ens høyhastighets forsterkningsbåndbredde-produktet (GBWP) på 220 MHz. TIA-inngangsdelen krever ekstra oppmerksomhet for å oppnå ønsket nivå av signalintegritet og kanalisolasjon, slik at det ikke oppstår ytterligere støy på det aktuelle signalet som genereres av APD-en, og dermed maksimerer SNR-en og objektdeteksjonshastigheten til systemet.

For å forbedre signalintegriteten har TIA-en et lavpass-forsterkningsfilter, Analog Devices sin LT6016, som demper signalsvingninger med høy hastighet. TIA-en konverterer APD-utgangsstrømmen (I_APD) til en utgangsspenning, V_TIA. Spenningen V_TIA sender til differensialbufferforsterkeren (Analog Devices ADA4950-1YCPZ-R7) som driver inngangen til ADC-en (ikke vist).

Figur 4: En AFE for denne konstruksjonen omfatter APD-en, LTC6561 TIA, og den differensielle inn/ut-høyhastighetsforsterkeren, ADA4950. LT6016 er et forsterkningsfilter som demper signalsvingninger med høy hastighet. (Bildekilde: Analog Devices)

For å kalkulere avstand ved hjelp av ToF, brukes økningen av ADC-samplingsfrekvensen til å fastsette oppløsningen til den mottatte lyspulsen, ligning 1:

 Ligning 1

der:

L_S = lysets hastighet (3 x 10⁸ m/sekund (m/s))

f_S = ADC-samplingshastighet

N = antall ADC-samplinger i tidsintervallet mellom når en lyspuls genereres og når refleksjonen mottas

For eksempel, hvis samplingsfrekvensen til ADC-en er 1 GHz, tilsvarer hver sampling en avstand på 15 cm.

Usikkerhet rundt samplingen må holdes på et svært lavt nivå, da selv noen få usikkerhetssamplinger resulterer i betydelige målefeil. LiDAR-systemer bruker derfor parallelle TIA-er og ADC-er for å holde samplingsusikkerhet så nær ikke-eksisterende som mulig. Denne økningen i antall kanaler øker effekttap og kretskortstørrelse. Disse kritiske konstruksjonsbegrensningene krever også høyhastighets ADC-er med serieutgang og JESD204B-grensesnitt for å løse parallelle ADC-problemer.

LiDAR-sensorer

Som vi nevnte ovenfor, er det viktigste sensorelementet i et LiDAR-system, APD-en. Revers-forspenningen (reverse voltage bias) til disse fotodiodene, med intern forsterkning, varierer fra noen titalls volt til hundrevis av volt. APD-ens signal-til-støy-forhold (SNR – Signal to Noise Ratio) er høyere enn en PIN-fotodiode. I tillegg skiller APD-ens hurtige tidsrespons, lave mørkestrøm og høye følsomhet dem fra hverandre. APD-spektralresponsområdet ligger i området 200 til 1150 nm for å samsvare med det typiske spektralområdet for LiDAR.

Et godt eksempel på en APD er Marktech Optoelectronics sin MTAPD-07-010, som har en spektralrespons som ligger i området 400 til 1100 nm, med en øvre verdi på 905 nm (figur 5). Enhetens aktive område måler 0,04 kvadratmillimeter (mm²). Den avleder 1 milliwatt (mW), har en foroverstrøm på 1 milliampere (mA) og en driftsspenning på 0,95 x gjennombruddsspenningen (Vbr) på 200 volt (maks.). Stigetiden er 0,6 ns.

Figur 5: MTPAPD-07-0101 APD-en har en øvre respons på 905 nm, et aktivt område på 0,04 mm² og en stigetid på 6 ns. (Bildekilde: Marktech Optoelectronics)

Den typiske halvlederbaserte APD-en opererer med en relativt høy reversspenning på noen titalls eller hundrevis av volt, noen ganger like under gjennombruddsspenningen (i henhold til MTAPD-07-010 ved 0,95 Vbr). I denne konfigurasjonen anslås (excite) absorberte fotoner elektroner og hull i det sterke indre elektriske feltet for å generere sekundære bærere. Skredprosessen forsterker fotostrømmen effektivt over noen få mikrometer.

Som et resultat av driftsegenskapene til disse, krever APD-er mindre elektronisk signalforsterkning, og de er mindre utsatt for elektronisk støy, noe som gjør dem gunstige for bruk med ekstremt følsomme detektorer. Multiplikasjonen, eller forsterkningsfaktoren, til Silicon APD-en varierer avhengig av enheten og reversspenningen. MTAPD-07-010 har en forsterkning på 100.

TIA-løsninger

Under drift avgir LiDAR-en en digital, optisk signalbunt, der refleksjonene fra denne fanges opp av MTAPD-07-010 APD-en. Dette krever en TIA med rask gjenopprettingstid ved metningsoverbelastning samt rask utgangsmultipleksing. LTC6561 er en støysvak, firekanals TIA med en båndbredde på 220 megahertz (MHz) som oppfyller disse kravene (figur 6).

Figur 6: LTC6561 quad TIA med uavhengige forsterkere og et enkelt multiplekset utgangstrinn ble konstruert for LiDAR ved å bruke APD-er. (Bildekilde: Analog Devices)

I figur 6 blir reflekterte lasersignaler (se figur 3) fanget opp av APD-matrisen og de fire lavstøy-TIA-ene på 200 MHz. TIA-ene overfører raskt de oppfangede signalene til ToF-detektoren (øverst til høyre). Kondensatorene på 1 nanofarad (nF) på inngangen til de fire TIA-ene filtrerer og eliminerer APD-ens mørkestrøm og omgivende lys, noe som bevarer TIA-ens dynamiske område. Verdien til kondensatorene påvirker imidlertid brytetider, så teknikere må ta dette i betraktning for konstruksjonen.

Under intens optisk belysning, kan APD-er lede høy strøm, som ofte er mer enn 1 ampere (A). LTC6561 overlever og gjenopprettes raskt etter høy overbelastningsstrøm i dette størrelsesområdet. Rask gjenoppretting etter overbelastning er avgjørende for LiDAR-installasjoner. Rask gjenoppretting etter overbelastning på 1 mA tar 10 ns å fullføre (figur 7).

Figur 7: LTC6561 overlever og gjenopprettes raskt, i løpet av 10 ns, etter høy overbelastningsstrøm på 1 mA. (Bildekilde: Analog Devices)

I figur 7, når inngangsstrømmen overskrider det lineære området, utvides pulsbredden til utgangen. Gjenopprettingstiden forblir imidlertid i det tosifrede nanosekund-området (ns). LTC6561 gjenopprettes fra metningshendelser på 1 mA på mindre enn 12 ns uten faseomvending, og minimerer dermed tap av data.

Konklusjon

Veien til vellykkede autonome kjøretøyer starter med integreringen og sammenslåingen av kameraer, IMU-er, radar og LiDAR. LiDAR virker særlig lovende når problemene som er knyttet til å oppnå nøyaktig objektdeteksjon ved hjelp av denne optiske teknologien blir forstått og adressert på en tilfredsstillende måte.