Edel Cashman, Chefanwendungsingenieur, ON Semiconductor
LiDAR (Light Detection and Ranging) ist eine Technik, mit der die Entfernung von Objekten von einem Erkennungsgerät gemessen wird. Es basiert auf ähnlichen Prinzipien wie RADAR, jedoch werden bei LiDAR Funkwellen durch Licht, meist Laserlicht, ersetzt. Das LiDAR-System sendet einen Lichtstrahl aus, der auf das Ziel trifft, reflektiert wird und zum Sensor zurückkehrt, der sich in der Nähe der Lichtquelle befindet. Indem man die Zeit misst, die das Licht benötigt, um sich fortzubewegen, und weiß, dass die Lichtgeschwindigkeit konstant ist, kann die Entfernung zum Ziel mit großer Genauigkeit berechnet werden. Durch regelmäßiges Wiederholen dieser Messung kann eine 3D-Karte der Umgebung erstellt werden.
LiDAR hat Anwendungen in der Automobilwelt, insbesondere im fortschrittlichen Fahrassistenzsystem (fortschrittliches Fahrerassistenzsystem, ADAS), wo es zur Hinderniserkennung und Kollisionsvermeidung sowie zur adaptiven Geschwindigkeitsregelung (adaptive Geschwindigkeitsregelung, ACC) und Navigation. Doch obwohl ihr Einsatz in Automobilen inzwischen sehr wichtig geworden ist, stellen sie nur einen kleinen Teil aller LiDAR-Anwendungen dar.
In der speziellen Exploration kann LiDAR verwendet werden, um topografische 3D-Karten der Planetenoberfläche zu erstellen oder die Entfernung zwischen einem Himmelskörper und der Erde zu berechnen. Die Landwirtschaft verwendet LiDAR in Feld- und Pflanzenstudien und ermöglicht es den Landwirten so, den Ertrag zu modellieren, vorherzusagen und das Wachstum zu überwachen.
In der Forstwirtschaft werden sie zur Messung der Waldbedeckung und zur Überwachung der Entwaldung sowie zum proaktiven Brandschutz eingesetzt. Der Umweltschutz kann LiDAR-Systeme auch nutzen, um die Küstenerosion zu bewältigen, Dünen zu überwachen und Daten zur Gletschererosion zu sammeln. Im Falle einer Naturkatastrophe kann LiDAR zur Vorhersage von Tsunamis oder zur schnellen Einschätzung von Erdbebenschäden eingesetzt werden.
Seine industriellen Anwendungen sind sehr zahlreich, darunter die Inspektion von Produktionslinien in Fabriken oder die Planung großer Bauprojekte wie Gebäude oder Straßen. Eine weitere Anwendung ist der Schutz von Gefahrenbereichen, wie beispielsweise Bahnübergängen. LiDAR kann Roboterfahrzeuge sicher in Einrichtungen wie Lagerhäusern, Docks und Flughäfen führen.
Tatsächlich hat LiDAR Hunderte von Anwendungen, die so unterschiedlich sind wie Transport, Architektur, Vermessung, Gestenerkennung, Bergbau, Strafverfolgung, erneuerbare Energien und Geologie.
Verwendung von dToF in LiDAR-Anwendungen
Das grundlegende Prinzip von LiDAR ist die direkte Laufzeit (dToF). In einem typischen LiDAR-System wird ein Laser verwendet, um Lichtimpulse zu erzeugen. Wenn Licht auf ein Objekt trifft, wird das Licht reflektiert, und während ein Großteil des Lichts gestreut wird, wird ein Teil reflektiert und zum Sensor im LiDAR-System zurückgeleitet.
Abbildung 1: Prinzip von dToF, das in einem LiDAR-System verwendet wird.
Das System enthält eine präzise Uhr, die in der Lage ist, die Zeit zu bestimmen, die das Licht benötigt, um das Objekt zu erreichen und zurückzukehren. Da die Lichtgeschwindigkeit konstant ist (c), kann die Entfernung zum Objekt leicht berechnet werden. Wenn die Uhr sehr genau ist, können mit LiDAR-Systemen sehr hohe Genauigkeiten erzielt werden.
Während es nützlich ist, die Entfernung zu einem Punkt zu kennen, kann das Bewegen der Lichtquelle in einem Muster und das Aufzeichnen jedes Entfernungswerts zusammen mit seiner Position im Scan schnell eine 3D-Karte erzeugen. Dies ist die Hauptanwendung von LiDAR und erleichtert viele der neuen Anwendungen, die bereits in diesem Artikel erwähnt wurden.
Der Silizium-Photomultiplier (SiPM), das grundlegende Element der Detektion
Die Fähigkeit, reflektiertes Laserlicht genau zu erfassen und zu messen, ist für die Leistung eines LiDAR-Systems von größter Bedeutung. Einer der leistungsstärksten Sensoren für LiDAR-Systeme ist der Silicon PhotoMultiplier (SiPM), der eine dichte Anordnung kleiner, unabhängiger Single Photon Avalanche Diodes (SPAD)-Sensoren integriert.
Abbildung 2: Ein SiPM besteht aus einem Mikrozellenarray mit einem Summierungsausgang.
Jeder Detektionspunkt besteht aus einem Extinktionswiderstand und wird als "Mikrozelle" bezeichnet, da er kaum einige Quadratmikrometer einnimmt. Wenn eine Mikrozelle ein Photon absorbiert, kann dies eine Geigerlawine verursachen, die die Zirkulation eines hohen photoelektrischen Stroms durch die Mikrozelle erzeugt. Dies wiederum löst einen Spannungsabfall über dem Löschwiderstand aus, der die Diodenvorspannung reduziert und den Strom löscht, wodurch verhindert wird, dass weitere Lawinen im Geigermodus auftreten. Die Mikrozelle wird dann zurückgesetzt und ist bereit für die nächste Messung.
Ein SiPM hat typischerweise zwischen 100 und mehreren tausend Mikrozellen pro Quadratmillimeter, von denen jede Photonen identisch und unabhängig detektiert. Die Ströme aus den Mikrozellen werden summiert, um eine quasi-analoge Ausgabe zu erzeugen, die Informationen über die Größe eines momentanen Photonenflusses liefert.
Andere Techniken zum Detektieren und Messen von Photonen sind Avalanche-Photodioden (APDs) und PIN-Dioden. SiPM-Sensoren stellen jedoch dank ihrer Fähigkeit, einzelne Photonen zu erkennen, und ihrer hohen Verstärkung eine Verbesserung gegenüber den beiden anderen dar. Diese verbesserte Leistung ermöglicht die Erkennung von Zielen mit geringem Reflexionsvermögen in großen Entfernungen, wie es für viele LiDAR-Anwendungen erforderlich ist.
SiPM-Sensoren werden als vollständig gekapselte Lösungen geliefert, wie z. B. die RB-Serie von ON Semiconductor, die für den roten und nahen Infrarotbereich des elektromagnetischen Spektrums empfindlich sind. Alle Sensoren dieser Serie zeichnen sich durch Ansprechverhalten, schnelle Signalansprechzeit, niedrige Betriebsspannung und niedrigen Temperaturkoeffizienten der Betriebsspannung aus. Sie werden in einem kleinen, robusten 1,5 mm x 1,8 mm MLP-Gehäuse (Molded Lead Frame Package) geliefert, das für Reflow-Lötprozesse geeignet ist.
Es sind drei Versionen erhältlich, die sich durch die Größe ihrer Mikrozelle unterscheiden (10 µm, 20 µm oder 35 µm), obwohl jedes Gerät einen Erfassungsbereich von 1 mm x 1 mm hat. Versionen mit größeren Mikrozellen bieten eine höhere Detektionseffizienz, während eine kleinere Mikrozelle einen größeren Dynamikbereich bietet. Alle Geräte haben eine schnelle Signalreaktionszeit von etwa 1,0 ns für die Standardausgabe und etwa 500 ps für die schnelle Ausgabe.
LiDAR dToF-Plattform basierend auf SiPM
Obwohl die Prinzipien von dToF relativ einfach sind, kann die Entwicklung einer voll funktionsfähigen Lösung aufgrund der Genauigkeit, mit der SiPM reflektiertes Licht erkennt, kompliziert sein. ON Semiconductor bietet eine Entwicklungsplattform mit einer kompletten LiDAR-Lösung auf Basis des dToF-Prinzips für Ingenieure, die LiDAR-Anwendungen in der Industrie entwickeln möchten.
Abbildung 3: Konzeptschema der Lidar-Plattform.
Diese Plattform, deren Ziel es ist, den Entwicklungsaufwand zu reduzieren, ist praktisch eine integrale Lösung, deren Anpassungen durch Software vorgenommen werden, um sich an mehrere Anwendungen anzupassen. Die Gesamtkosten des Systems werden optimiert und sowohl die Hardware (Stückliste, Schaltpläne, Gerber für PCB) als auch die Software und Quelldateien werden geliefert.
Das System bietet dToF-Fähigkeit für einen einzelnen Punkt zwischen 1 mm und 23 m und enthält plankonvexe Linsen, um den maximalen Messabstand zu erreichen. Für seinen Betrieb benötigt es nur eine Stromversorgung von 3,3 V oder 5 V. Es enthält eine grafische Oberfläche zur Konfiguration der Frequenz und der Breite des Impulses sowie der Reduzierung und Erhöhung der Spannungen.
Zusammenfassung
Die Fähigkeit, die Welt um uns herum zu messen und zu überwachen, wird in einer Vielzahl von Branchen immer wichtiger. Moderne Techniken wie LiDAR bieten nicht nur eine höhere Genauigkeit als manuelle Methoden, sondern ermöglichen es auch, Aufgaben in viel kürzerer Zeit als zuvor zu erledigen.
Obwohl die Prinzipien von LiDAR dToF einfach sind, kann ihre Umsetzung in die Praxis kompliziert sein, insbesondere für Designer ohne Vorkenntnisse. ON Semiconductor® bietet eine Referenzplattform, um die Effektivität von LiDAR unter Verwendung der besten Technologien zu demonstrieren. Diese umfassende Plattform bietet alle Informationen, die Hardware- und Softwareingenieure benötigen, um die Konzeptgültigkeit schnell und zuverlässig zu bestätigen.
