深入解析先進(jìn)的深度傳感解決方案

深入解析先進(jìn)的深度傳感解決方案

當(dāng)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(dá)）參考設(shè)計，以及該方案中采用的ROHM、安森美 (onsemi)、NXP、ADI、Murata等關(guān)鍵器件的產(chǎn)品特性。

擁有各自優(yōu)缺點的深度傳感技術(shù)

想要進(jìn)行深度傳感應(yīng)用，當(dāng)前已經(jīng)有許多不同的深度傳感方法，包括使用標(biāo)準(zhǔn)CMOS圖像傳感器的方法進(jìn)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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(dá)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(kuò)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(kuò)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)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(jìn)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(dāng)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 LT8330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(yuǎn)的距離。此外，具有與標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)。

NXP的LPC546xx Arm Cortes M4 MCU系列則用于LiDAR系統(tǒng)，提供高達(dá)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(dāng)?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(dá)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(dá)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(hù)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(fù)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(fù)載測試中，該產(chǎn)品也通過了比一般產(chǎn)品 (GRM系列) 更嚴(yán)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(kuò)大。由艾睿電子推出的LiDAR ToF解決方案，采用了來自ROHM、安森美、NXP、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。

編輯：黃飛

?