Varmista autojen LiDAR-etäisyysanturien tarkkuus sopivalla TIA-vahvistimella

Jotta autonomisista ajoneuvoista tulisi menestys, matkustajien täytyy luottaa siihen, että auton anturit ja ohjelmisto ohjaavat heidät turvallisesti ja tarkasti määränpäähän. Avain luottamukseen on erilaisista anturityypeistä saatavien tulojen yhdistäminen tarkkuuden, varmennuksen ja turvallisuuden parantamiseksi. Tämä tekniikka on mahdollistanut ADAS-järjestelmät (Advanced Driver Assistance Systems). Yksi tärkeimmistä antureista on LiDAR (light detection and ranging) -valotutka. Itseajavien autojen suunnittelijoiden täytyykin varmistaa, että LiDAR-järjestelmän luotettavuus, resoluutio, tarkkuus ja vasteaika ovat mahdollisimmat hyvät.

LiDAR-tehokkuus perustuu olennaisesti etuasteen transimpedanssivahvistimeen (TIA), joka palautuu nopeasti vyöryvalodiodin (APD) signaalista ja tarjoaa digitaalisen takaisinkytkennän. Kun takaisinkytkentäsignaalin aikaleimaa verrataan lähetetyn signaalin aikaleimaan, voidaan laskea kulkuaika (ToF) etäisyydenmittausta varten.

Tässä artikkelissa käsitellään lyhyesti sitä, miten kehittää tehokas takaisinkytkentäpiiri, jota objektien tarkkaan tunnistukseen LiDAR-valotutkalla tarvitaan, sekä siihen liittyviä ongelmia. Sen jälkeen artikkelissa esitellään Analog Devices -yrityksen TIA-vahvistin. Artikkelissa näytetään, miten sen korkeaa nopeutta, kaistanleveyttä ja alhaista tuloimpedanssia voidaan hyödyntää nopeaan palautumiseen heijastuneesta valosta, joka voi saada valodiodissa aikaan nanosekuntiluokan (ns) nousuajan. Siinä näytetään myös miten saavuttaa paras kokonaistehokkuus ja vaimentaa APD-pimeävirtaa ja ympäristön valoa käyttämällä AC-kytkentää, mikä mahdollistaa tarkan ToF-arvioinnin.

ADAS-järjestelmän pääelementit

ADAS-järjestelmän ytimessä ovat edistyneet tunnistinjärjestelmät ulkoisten objektien analysointiin. Näiden objektien tunnistus ja sijainti mahdollistaa sen, että ajoneuvo voi joko ilmoittaa niistä kuljettajalle tai ryhtyä asianmukaiseen toimenpiteeseen – tai tehdä molemmat – vaaratilanteiden välttämiseksi. ADAS-järjestelmän taustalla oleviin anturiteknologioihin voi sisältyä kamera, inertiamittausyksiköt (IMU), tutka ja tietenkin LiDAR. Näistä neljästä LiDAR on ratkaiseva optinen teknologia, joka suorittaa autonomisessa ajoneuvossa sivuttaisen etäisyyden mittauksen myös huonossa säässä Se on oleellinen osa ADAS-järjestelmää (kuva 1).

Kuva 1: Näkö- (kamerat ja niihin liittyvät ohjelmistot), tutka- ja LiDAR-järjestelmät täydentävät toisiaan ADAS-järjestelmän informoimiseksi, niin että se voi ryhtyä asianmukaiseen toimenpiteeseen. (Kuvan lähde: Analog Devices)

ADAS-järjestelmässä käytetään kameroita ulkoisten objektien, kuten ajoneuvojen, jalankulkijoiden, esteiden, liikennemerkkien ja kaistaviivojen nopeaan ja tarkkaan havaitsemiseen ja tunnistukseen. Analyysi laukaisee asiaankuuluvan vasteen turvallisuuden maksimoimiseksi. Vasteisiin kuuluvat muun muassa kaistalta poistumisen varoitus, automaattinen hätäjarrutus, katvealueiden varoitukset ja kuljettajan valveillaolon ja tarkkaavaisuuden valvonta. Kameran vahvuuksia ovat objektien luokittelu ja sivuttainen resoluutio.

Itsenäinen IMU-järjestelmä mittaa kulma- ja lineaariliikkeen käyttäen yleensä gyroskooppien, magnetometrien ja kiihtyvyysmittarien yhdistelmää. IMU on kardaanisesti ripustettu, jotta se voi tuottaa luotettavasti integroidut kulmanopeus- ja kiihtyvyysarvot. Gimbaali on käännettävä kannatin, joka sallii objektin kiertämisen yksittäisen akselin ympäri. Kolmen gimbaalin sarja, jotka on asennettu ortogonaalisilla kiertoakseleilla toisiinsa, mahdollistaa sen, että sisimpään gimbaaliin asennettu objekti pysyy riippumattomana kannattimensa pyörintäliikkeestä. IMU parantaa GNSS-tarkkuutta metreistä (m) senttimetreihin (cm) ja mahdollistaa tarkan asemoinnin ajokaistalla.

Autokäyttöön mukautetulla tutkateknologialla mitataan monia erilaisia muuttujia, kuten etäisyyttä ja nopeutta, ja ne tarjoavat myös ”näkyvyyttä” pimeydessä. Korkeaan resoluutioon käytetään normaalisti 24 ja 77 gigahertsin (GHz) signaalinopeuksia. Tutka-anturi mittaa signaalit, jotka heijastuvat eri objekteista sen näkökenttään. Sen jälkeen ajoneuvo analysoi anturin lähdön ottaen huomioon kaikkien muiden anturien lähdöt ja määrittää, täytyykö ohjausta tai jarrutusta säätää esimerkiksi törmäysten välttämistä varten.

LiDAR täydentää ADAS-kuvaa käyttämällä optiikkaa 200–1150 nanometrin (nm) spektrisellä vastealueella. Järjestelmä mittaa laserin lähetyksen ja heijastuneiden signaalien vastaanoton välisen ToF-ajan. Useiden signaalien yhdistäminen mahdollistaa tarkkojen moniulotteisten syvyyskarttojen luonnin ajoneuvon ympäristöstä. LiDAR-sovelluksiin kuuluvat törmäyksien ehkäisy, katvealueen tunnistus, hätäjarrutus, mukautuva vakionopeudensäädin, dynaaminen jousituksen säätö ja pysäköintiavustin. LiDAR-järjestelmät ovat parempia kuin tutka sivusuuntaisessa resoluutiossa ja ne toimivat paremmin huonoissa sääolosuhteissa.

ADAS ja autonomiset ajoneuvot edellyttävät, että ajoneuvon ympärille asennetaan useita antureita 360 asteen mittausta ja analyysia varten (kuva 2).

Kuva 2: Kamerat, tutka ja LiDAR tarjoavat yhdessä 360 asteen näkökentän ajoneuvojen ympärille. Tällä taataan henkilöiden turvallisuus sekä autojen sisällä että niiden ulkopuolella. (Kuvan lähde: Analog Devices)

Kun nämä anturit ja niihin liittyvät ohjelmistot kehittyvät, kuljettajien, matkustajien ja kaikkien ajoneuvon lähellä olevien henkilöiden turvallisuus paranee.

LiDAR-optiikka

LiDAR-rakenteet ovat kehittyneet noin 75 000 dollaria maksaneista auton katolla pyörivistä ”kahvipurkkiantureista” moderneiksi ratkaisuiksi, jotka maksavat noin 1 000 dollaria kappale. Kustannusten lasku on ensi sijassa lasereiden ja niihin liittyvän elektroniikan kehittymisen ansiota. Siirtyminen pelkkiin puolijohdelasereihin (pyörivään kahvipurkkiin verrattuna) ja siihen liittyvä skaalautuminen puolijohdeprosesseissa ovat pääsyitä hinnan laskuun ja koon pienenemiseen. Nykyään ajoneuvon etu- ja takapuolelle sekä sivuille voidaan sijoittaa useita LiDAR-antureita, jotka tarjoavat edullisen 360 asteen näkyvyyden.

Tyypillinen LiDAR-rakenne voidaan jakaa kolmeen pääosaan: tiedonhankinta (DAQ), analoginen etuaste (AFE) ja laserlähde (kuva 3).

Kuva 3: LiDAR-arviointijärjestelmän erittely näyttää, että LiDAR koostuu kolmesta pääosasta: DAQ, AFE ja laserlähde. (Kuvan lähde: Analog Devices)

DAQ sisältää erittäin nopean analogi-digitaalimuuntimen (ADC) ja tarjoaa tarvittavan tehon ja kellotuksen ToF-datan keräämiseksi laserista ja AFE-asteesta. AFE sisältää APD-valoanturin ja TIA-vahvistimen heijastuneen signaalin mittausta varten. Koko signaaliketju käsittelee APD-lähtösignaalin, joka syötetään DAQ-osassa AD-muuntimeen. AFE-asteen DAQ-lähtö sisältää tiedon viiveajasta. Laserosa sisältää laserit ja niihin liittyvän ohjainpiirin ja lähettää alkuperäisen laserlähtösignaalin.

LiDAR AFE

Kuten kuvasta 4 näkyy, esimerkkinä käytettävän LiDAR-vastaanottimen signaaliketju alkaa korkeaa estosuunnan esijännitettä (-120 ... -300 V) käyttävästä APD:stä alhaisella tulokapasitanssilla. Tätä seuraa TIA-vahvistin, esimerkkinä Analog Devices LTC6561HUF#PBF. Suunnitelmassa on tärkeää huomioida alhainen APD-tulo ja piirilevyn loiskapasitanssit, jotka täydentävät TIA-vahvistimen nopeaa 220 MHz:n vahvistus-kaistaleveystuloa (GBWP). TIA-tuloalue edellyttää ylimääräistä huomiota halutun signaalin eheystason ja kanavien välisen erotuksen saavuttamiseksi, niin ettei APD:n generoimaan virtasignaaliin summaannu ylimääräistä kohinaa. Näin maksimoidaan järjestelmän signaalikohinasuhde (SNR) ja objektien tunnistusnopeus.

TIA käyttää signaalieheyttä parantavaa alipäästövahvistinsuodatinta Analog Devices LT6016, joka vaimentaa nopeiden signaalien värähtelyä. TIA muuntaa APD-lähtövirran (I_APD) lähtöjännitteeksi V_TIA. Jännite V_TIA lähetetään puskurierovahvistimeen (Analog Devices ADA4950-1YCPZ-R7), joka ohjaa AD-muuntimen tuloa (ei kuvassa).

Kuva 4: Tässä suunnitelmassa AFE-asteen muodostavat APD, LTC6561 TIA ja korkeanopeuksisen ADA4950-vahvistin differentiaalisella tulolla ja lähdöllä. LT6016 on vahvistinsuodatin, joka vaimentaa nopeiden signaalien värähtelyä. (Kuvan lähde: Analog Devices)

Etäisyys voidaan laskea ToF-arvosta käyttämällä ADC-näytteenottotaajuutta vastaanotetun valopulssin resoluution määrittämiseksi, yhtälö 1:

 Yhtälö 1

Yhtälössä:

L_S = valonnopeus (3 x 10⁸ m/sekunnissa (m/s))

f_S = ADC-näytteenottotaajuus

N = montako ADC-näytettä otetaan vastaan valopulssin luonnin ja sen heijastuman vastaanoton välisenä aikana

Jos ADC:n näytteenottonopeus on esimerkiksi 1 GHz, kukin näyte vastaa 15 cm:n etäisyyttä.

Näytteenoton epätarkkuuksien täytyy olla lähellä nollaa, sillä jo muutama epätarkkoja tuloksia sisältävä näyte aiheuttaa huomattavia mittausvirheitä. Tämän vuoksi LiDAR-järjestelmissä käytetään rinnakkaisia TIA-vahvistimia ja ADC-muuntimia näytteenoton epätarkkuuksien eliminoimiseksi. Tämä kanavien määrän lisäys kasvattaa tehohäviötä ja piirilevyn kokoa. Nämä kriittiset suunnittelurajoitteet edellyttävät myös nopeita sarjalähdöillä varustettuja ADC-muuntimia, joissa on JESD204B-liitännät rinnakkaisten ADC-muuntimien ongelmien ratkaisemiseksi.

LiDAR-anturit

Kuten edellä on mainittu, LiDAR-järjestelmän tärkein anturielementti on APD. Näiden valodiodien estosuunnan esijännitteet ovat sisäisellä vahvistuksella kymmenistä volteista satoihin voltteihin. APD-signaalikohinasuhde (SNR) on korkeampi kuin PIN-valodiodissa. Lisäksi APD:n nopea aikavaste, alhainen pimeävirta ja korkea herkkyys ovat omaa luokkaansa. APD:n spektrinen vastealue on 200–1150 nm, mikä vastaa tyypillistä LiDAR-spektrialuetta.

Hyvä esimerkki APD:stä on Marktech Optoelectronics’ MTAPD-07-010, jonka spektrinen vastealue on 400–1100 nm ja huippuvaste 905 nm:ssä (kuva 5). Laitteen aktiivinen alue on mitoiltaan 0,04 neliömillimetriä (mm²). Laitteen tehohäviö on 1 milliwatti (mW), sen myötäsuuntainen virta on 1 milliampeeri (mA) ja käyttöjännite 0,95 x sen 200 V:n (maks.) läpilyöntijännite (Vbr). Sen nousuaika on 0,6 ns.

Kuva 5: MTPAPD-07-0101 APD:n huippuvaste on 905 nm:ssä, aktiivinen alue on 0,04 mm² ja sen nousuaika on 6 ns. (Kuvan lähde: Marktech Optoelectronics)

Tyypillinen puolijohdepohjainen APD toimii suhteellisen korkealla, kymmenien tai jopa satojen volttien estojännitteellä, joskus vain hieman läpilyöntijännitteen alapuolella (esim. MTAPD-07-010 jännitteellä 0,95 Vbr). Tässä kokoonpanossa absorboidut fotonit virittävät elektroneja ja reikiä voimakkaassa sisäisessä sähkökentässä sekundääristen varauksenkuljettajien synnyttämiseksi. Vyörypurkaus vahvistaa valosähkövirtaa tehokkaasti muutaman mikrometrin alueella.

Toimintaperiaatteensa ansiosta APD-asteet tarvitsevat vähemmän elektronista signaalinvahvistusta eivätkä ne ole herkkiä elektroniselle kohinalle. Tämän ansiosta ne ovat hyödyllisiä erittäin herkissä tunnistimissa. Piistä valmistetun APD:n vahvistuskerroin vaihtelee laitteen ja käytettävän estojännitteen mukaan. MTAPD-07-010-piirin vahvistus on 100.

TIA-ratkaisut

LiDAR lähettää käytön aikana digitaalista, optista purskesignaalia, jonka heijastumat mitataan MTAPD-07-010 APD -piirillä. Tähän tarvitaan TIA, joka palautuu nopeassa ajassa saturoitumisylikuormituksesta ja jonka lähdön multipleksointi on nopeaa. Pienikohinainen ja nelikanavainen TIA LTC6561, jonka kaistanleveys on 220 megahertsiä (MHz), täyttää nämä vaatimukset (kuva 6).

Kuva 6: LTC6561 on nelikanavainen TIA itsenäisillä vahvistimilla ja yksittäisellä multipleksoidulla lähtövaiheella, ja se on suunniteltu APD-piirejä käyttävää LiDAR-valotutkaa varten. (Kuvan lähde: Analog Devices)

Kuvassa 6 APD-ryhmä ja neljä pienikohinaista 200 MHz:n TIA-vahvistinta mittaavat heijastuneet lasersignaalit (kuvan 3 mukaan). TIA:t lähettävät mitatut signaalit nopeasti ToF-tunnistimeen (yläoikealla). Neljän TIA-vahvistimen tuloissa käytettävät 1 nanofaradin (nF) kondensaattorit suodattavat ja eliminoivat tehokkaasti APD-pimeävirran ja ympäristövalo-olosuhteet säilyttäen TIA-vahvistimen dynaamisen alueen. Kondensaattorien arvo vaikuttaa kuitenkin kytkentäaikoihin, joten suunnittelijoiden täytyy huomioida se suunnitelmissaan.

Voimakkaassa optisessa valaistuksessa APD-asteet voivat johtaa suuria virtoja, usein yli 1 ampeeria (A). LTC6561 kestää tämän suuruusluokan ylikuormitusvirrat ja palautuu niistä nopeasti. Nopea palautuminen ylikuormituksesta on ratkaisevaa LiDAR-sovelluksille. Nopea 1 mA:n ylikuormituksesta palautuminen kestää 10 ns (kuva 7).

Kuva 7: LTC6561 kestää 1 mA:n suuruiset ylikuormitusvirrat ja palautuu niistä nopeasti. (Kuvan lähde: Analog Devices)

Kuvassa 7 lähdön pulssileveys levenee tulovirran tason ylittäessä lineaarisen alueen. Palautumisaika pysyy kuitenkin 10 ns:n alueella. LTC6561 palautuu 1 mA:n saturoitumistapahtumista alle 12 ns:ssa ilman vaiheenkääntöä, mikä minimoi datahäviön.

Yhteenveto

Matka autonomisien ajoneuvojen menestykseen alkaa kameroiden, IMU-piirien, tutkan ja LiDAR-valotutkan integroinnista ja fuusiosta. Erityisesti LiDAR on lupaava, kun objektien tarkkaan tunnistukseen tällä optisella teknologialla liittyvät ongelmat ymmärretään ja ratkaistaan asiaankuuluvalla tavalla.