הבטח דיוק חיישן מרחק LiDAR לרכב עם מגבר ה-TIA הנכון

להצלחת כלי-רכב אוטונומיים, נוסעים חייבים לסמוך על חיישני ותוכנת המכונית שיובילו אותם בביטחון ובדייקנות אל היעד. המפתח לרכישת אמון נמצא בהיתוך של כניסות מסוגים שונים של חיישנים עבור הגדלת דיוק, יתירות ובטיחות,‏ טכניקה המאפשרת מערכות עזר מתקדמות לנהג (ADAS). אחד החיישנים הבסיסיים הוא גילוי אור וחישוב מרחק (LiDAR), ומתכננים חייבים להבטיח שמערכת ה-LiDAR היא בעלת האמינות, הרזולוציה והדיוק הגבוהים ביותר וזמן התגובה המהיר ביותר עבור מכוניות נהיגה-עצמית.

ביצועי LiDAR תלויים באופן משמעותי במגבר הטרנס-אימפדנס (TIA) החזיתי, שמאושש במהירות אות פוטו-דיודת מפולת (‎APD‏) כדי לספק משוב דיגיטלי. על ידי השוואת חותמת הזמן של אות המשוב לחותמת הזמן של האות המשודר, ניתן לחשב את זמן-המעוף (ToF) עבור חישוב מרחק.

מאמר זה ידון בקיצור בנושאים הקשורים עם פיתוח ביצועי מעגלי המשוב עבור גילוי אובייקט מדויק תוך שימוש ב-LiDAR. לאחר מכן יציג מגבר טרנס-אימפדנס, Analog Devices TIA. המאמר יראה כיצד להפיק תועלת מהמהירות הגבוהה, רוחב-הפס הרחב ומעכבת הכניסה הנמוכה של המגבר עבור התאוששות מהירה מאור מוחזר, שיכולה לתת זמן עליה פוטו-דיודה של ננו-שניות (ns). כדי להשיג את הביצועים הכוללים הטובים ביותר, הוא גם יראה כיצד לסלק את זרם החושך ואור הסביבה של פוטו-דיודת המפולת (‎APD‏) באמצעות צימוד AC כדי לאפשר הערכות זמן-מעוף (ToF) מדויקות.

אלמנטים עיקריים של מערכות עזר מתקדמות לנהג (ADAS)‏

בלב ה-ADAS‏ נמצאות מערכות חישה מתוחכמות לניתוח עצמים חיצוניים. הזיהוי והאיתור של עצמים אלה מאפשרים לרכב להודיע על כך לנהג או לנקוט בפעולה המתאימה — או שתיהן — כדי למנוע תקריות. טכנולוגיות החיישן מאחורי ADAS‏ יכולות לכלול מצלמת תמונה, יחידות מדידה אינרציאלית (IMUs), מכ"ם וכמובן LiDAR. מביניהן, LiDAR היא טכנולוגיה אופטית קריטית המבצעת ברכב אוטונומי חישת מזג-אוויר גרוע ומרחק צדי ומחשבת מרחק. היא מהווה חלק אינטגרלי של מערכת ADAS‏ (איור 1).

איור 1: מערכות ראייה (מצלמות ותוכנה נלווית), מכ"ם ו-LiDAR משלימות אחת את השנייה כדי להעביר מידע למערכת ADAS כך שהיא יכולה לנקוט בפעולה המתאימה. (מקור התמונה: Analog Devices)

מערכת ADAS‏ משתמשת במצלמות כדי לגלות ולזהות עצמים חיצוניים במהירות ובמדויק, כגון כלי-רכב, הולכי רגל, מכשולים, שלטי תנועה וקווי נתיב. הניתוח מעורר את התגובה המתאימה כדי למקסם בטיחות. בין היתר, התגובות כוללות אזהרת יציאה מנתיב, בלימת חירום אוטומטית, התרעות נקודה-מתה וניטור והתרעת ערנות נהג. חוזקן של המצלמות הם סיווג אובייקט ורזולוציה רוחבית.

מערכת ה-IMU העצמאית מודדת תנועה זוויתית וליניארית, בדרך כלל עם שלישיה של גירוסקופים, מגנטומטרים ומדי-תאוצה. ה-IMU הוא בעל מיצבי גימבל (gimbal) כדי להפיק באמינות מהירות זוויתית משולבת וערכי תאוצה. גימבל (gimbal) הוא תמיכה צירית המאפשרת סיבוב של אובייקט סביב ציר יחיד. סט של שלושה גימבלים, מורכבים אחד על השני עם צירי סיבוב אורתוגונליים, ‏מאפשר לאובייקט המותקן על הגימבל הפנימי ביותר להשאר במצב בלתי תלוי בסיבוב של התמיכה שלו. ה-IMU משפר את דיוק ה-GNSS ממטרים (מ') לסנטימטרים (ס"מ) עבור מיקום מדויק בנתיב.

אדפטציות טכנולוגיית מכ"ם ברכב מודדות משתנים שונים רבים, כולל מרחק ומהירות, בעוד שמספקות גם “ראות” בחשכה. בדרך כלל, עבור רזולוציה גבוהה משתמשים בקצבי אותות של 24 ו-77 ג'יגה-הרץ (GHz). חיישן המכ"ם לוכד אותות מוחזרים מעצמים שונים בשדה הראיה שלו. אחר כך, כלי הרכב מנתח את יציאת החיישן בהקשר של כל כניסות החיישן האחרות כדי לקבוע אם דרושים תיקונים בהגוי ובלימה כדי, למשל, למנוע התנגשויות.

כדי להשלים את תמונת ה-ADAS, ה-LiDAR משתמשת באופטיקה עם תחום הענות ספקטרלית בין 200 ו-1150 ננו-מטר (nm). המערכת מודדת את זמן המעוף (ToF) משידור לייזר עד קליטה של אותות מוחזרים. האוסף של אותות רבים מאפשר את היצירה של מפות עומק רב-ממדיות מדויקות של סביבת כלי-הרכב. יישומים עבור LiDAR כוללים מניעת התנגשות, ניטור שטחים מתים, בלימת חירום, בקרת שיוט אדפטיבית, בקרת מתלים דינמית וסיוע בחניה. מערכות LiDAR עולות על מכ"ם במונחים של רזולוציה צידית ויכולות תחת תנאי מזג-אוויר גרועים.

ADAS וכלי-רכב אוטונומיים דורשים חיישנים מרובים כאלה, ממוקמים סביב כלי-הרכב עבור גילוי וניתוח של ˚360 (איור 2).

איור 2: מצלמות, מכ"ם ו-LiDAR ביחד מעניקים שדה ראיה של 360° סביב כלי-רכב, כדי להבטיח את הבטיחות של אלה בתוך ומחוץ לרכב. (מקור תמונה: Analog Devices)

עם השיפור של חיישנים אלה והתוכנה הנלווית אליהם, נהגים, נוסעים וכל אחד קרוב לרכב יהיו בטוחים יותר.

אופטיקה של LiDAR

תכני LiDAR התקדמו מחיישני “קופסת קפה” המסתובבים על גג הרכב ובעלי ערך של USD $75,000 בערך, לגישות מודרניות יותר העולות סביב ה-$1,000 כל אחת. הפחתת העלות מיוחסת בעיקר להתקדמות בתחום הלייזר והאלקטרוניקה הנלווית. המעבר ללייזר עשוי מוליכים-למחצה בלבד (לעומת קופסת קפה מסתובבת) והעליה הנלווית בייצור מוליכים-למחצה הן הסיבות העיקריות לירידה בעלות ובגודל. עכשיו, ניתן למקם חיישני LiDAR רבים לרוחב החזית וצידו האחורי של הרכב, כמו גם בצדדיו, עבור ראות של ˚360 בעלות נמוכה.

תכן‏ LiDAR אופייני ניתן לחלק לשלושה חלקים עיקריים: איסוף נתונים (DAQ), אנלוגי חזיתי (AFE‏) ומקור לייזר(איור 3).

איור‏ 3:‏ חלוקה של מערכת הערכה של LiDAR מציגה LiDAR המורכבת משלושה חלקים עיקריים: DAQ, ‏AFE, ומקור לייזר. (מקור תמונה: Analog Devices)

ה-DAQ כולל ממיר אנלוגי-לדיגיטלי (ADC)‏ מהירות-גבוהה ואספקת-כוח ותזמון מתאימים כדי לאסוף את נתוני ה-ToF מהלייזר וה-AFE. ה-AFE כולל את חיישן האור ‎APD‏ ו-TIA כדי ללכוד את האות המוחזר. שרשרת האותות השלמה קובעת את אות היציאה של ה-APD, שמוזן לכניסת ה-ADC בחלק ה-DAQ. יציאת ה-AFE אל ה-DAQ כוללת גם את תזמון השיהוי. חלק הלייזר כולל את הלייזרים ומעגלי דחיפה נלווים ומשדר את אות הלייזר יציאה הראשוני.

ה-LiDAR AFE

כפי שמוצג באיור 4, שרשרת אותות מקלט LiDAR דוגמה מתחילה עם מקדם (bias) מתח גבוה אחורני (120- עד 300- וולט), APD קיבוליות כניסה נמוכה ולאחריה מגבר TIA כגון LTC6561HUF#PBF של Analog Devices. חשוב לתכנן עבור כניסת APD וקיבוליויות פרזיטיות לוח מעגל מודפס נמוכות יותר כדי להשלים את מכפלת הגבר-רוחב-פס (GBWP)‏ ‎220 MHz מהירות-גבוהה של מגבר ה-TIA. חלק הכניסה של ה-TIA דורש תשומת לב נוספת כדי להשיג את הרמה הרצויה של שלמות אות (Signal Integrity) ובידוד ערוץ, כך שאינו מתווסף רעש נוסף לאות הזרם המיוצר על ידי ה-APD, ובכך משיגים יחס אות-לרעש (SNR) ושעור גילוי עצמים מקסימלי של המערכת.

כדי לשפר את שלמות האות (Signal Integrity), למגבר ה-TIA יש מסנן מעביר-נמוכים, LT6016 של Analog Devices, המשכך צלצול (ringing) של אותות מהירות-גבוהה. ה-TIA ממיר את זרם היציאה של ה-APD ‏(I_APD) למתח יציאה, V_TIA. מתח ה-V_TIA משודר למגבר החוצץ ההפרשי (ADA4950-1YCPZ-R7 של Analog Devices) שדוחף את הכניסה של ממיר ה-ADC (לא מוצג).

איור 4: עבור תכן זה, AFE כולל את ה-APD, ה-LTC6561 TIA והמגבר ההפרשי כניסה/יציאה מהירות-גבוהה ADA4950. ה-LT6016 הוא מסנן מגבר המשכך צלצול (ringing) של אותות מהירות גבוהה. (מקור תמונה: Analog Devices)

כדי לחשב מרחק תוך שימוש ב-ToF, משתמשים באינקרמנט של קצב הדגימה של ממיר ה-ADC כדי לקבוע את הרזולוציה של הפולס שהתקבל, משוואה 1:

משוואה 1

כאשר:

L_S = מהירות האור (3‎ x 10⁸ m/s)

f_S = קצב דגימה ADC

N= מספר דגימות ADC בפרק הזמן בין יצירת פולס אור וקליטת ההחזר שלו

לדוגמה, אם קצב הדגימה של ה-ADC הוא ‎1 GHz‏, כל דגימה מתאימה למרחק של 15 ס"מ.

חייבות להיות אי-וודאויות דגימה קרובות לאפס מאחר ואפילו מספר קטן של אי-וודאויות דגימה גורמות‏ לשגיאות מדידה משמעותיות. כתוצאה מכך, מערכות LiDAR משתמשות במגברי TIA וממירי ADC מקבילים כדי להתקרב לאפס אי-ודאויות ‏דגימה. גידול זה בערוצים מגדיל פיזור הספק וגודל לוח מעגל מודפס. מגבלות תכנון אלו דורשות גם ממירי ADC יציאה טורית מהירות-גבוהה עם ממשקי JESD204B כדי לפתור בעיות של ממירי ADC מקבילים.

חיישני LiDAR

כפי שהוזכר, אלמנט החישה העיקרי במערכת LiDAR הוא ה-APD. מקדם (Bias) המתח האחורני של פוטו-דיודות אלו, עם הגבר פנימי, הוא מעשרות וולט עד מאות וולט. יחס האות-לרעש (SNR) של ה-APD הוא גבוה יותר משל פוטו-דיודה PIN. נוסף לכך, זמן הענות מהיר, זרם חושך נמוך ורגישות גבוהה של ה-APD מבדילים ביניהן. תחום ההענות הספקטרלית של ה-APD הוא 200 עד ‎1150 nm‏ כדי להתאים לתחום הספקטרלי האופייני עבור LiDAR.

דוגמה טובה של APD היא MTAPD-07-010 של Marktech Optoelectronics עם הענות ספקטרלית בתחום מ-400 עד ‎1100 nm, שיא ב-905‎ nm (איור 5). השטח האקטיבי של ההתקן הוא 0.04 מילימטר בריבוע (mm²). היא מפזרת 1 מילי-וואט (mW‏), יש לה‏ זרם קדומני של 1 מילי-אמפר (mA‏) ומתח עבודה של 0.95 x‏ מתח הפריצה שלה (Vbr) של 200 וולט (מקס'). זמן עליה שלה הוא ‎0.6 ns‏.

איור 5: ה-MTPAPD-07-0101 APD היא בעלת הענות שיא ב-‎905 nm, שטח פעיל של 0.04‎ mm²‏ וזמן עליה של 6‎ ns. (מקור תמונה: Marktech Optoelectronics‏)

ה-APD האופיינית המבוססת על מוליכים-למחצה עובדת עם מתח אחורני גבוה יחסית של עשרות ואפילו מאות וולט, לפעמים קרוב מתחת למתח הפריצה (עבור ה-MTAPD-07-010 ב-0.95‎ Vbr). בתצורה זו, פוטונים שנקלטו מעוררים אלקטרונים וחורים בשדה החשמלי הפנימי החזק ליצור נשאים שניוניים. לרוחב מספר מיקרו-מטרים, תהליך המפולת למעשה מגביר את הפוטו-זרם.

כתוצאה ממאפייני העבודה שלהן, דיודות ה-APD דורשות פחות הגברה של אותות אלקטרוניים והן פחות רגישות לרעש אלקטרוני, מה שעושה אותן שימושיות עם גלאים רגישים ביותר. הכפלה, או גורם הגבר של דיודת APD סיליקון משתנה ותלוי בהתקן ובמתח האחורני המיושם. ל-MTAPD-07-010 יש הגבר של 100.

פתרונות מגבר TIA

בעבודה, מערכת ה-LiDAR פולטת פרץ (Burst) של אותות אופטיים דיגיטליים, וההחזרות שלו נקלטות על ידי ה-MTAPD-07-010 APD. זה דורש מגבר TIA עם זמן התאוששות עומס-יתר רוויה מהיר וריבוב יציאה מהיר. מגבר TIA ארבעה ערוצים LTC6561 רעש-נמוך, עם רוחב-פס של 220 מגה-הרץ (MHz‏), עומד בדרישות אלו (איור 6).

איור 6: ה-LTC6561, מגבר TIA ארבעה ערוצים עם מגברים עצמאיים ודרגת יציאה ‏יחידה מרובבת, תוכנן עבור LiDAR המשתמש בדיודות APD. (מקור תמונה: Analog Devices)

באיור 6, אותות לייזר מוחזרים (לפי איור 3) נקלטים על ידי מערך ה-‎APD וארבעת מגברי ה-‎200 MHz TIA, רעש-נמוך. מגברי ה-TIA משדרים במהירות את האותות הנקלטים לגלאי ה-ToF (ימני עליון). קבלי ה-1 ננו-פאראד (nF) בכניסה של ארבעת מגברי ה-TIA למעשה מסננים ומונעים את זרם החשכה ותנאי אור הסביבה APD, משמרים את התחום הדינמי של מגברי ה-TIA. אולם, ערך הקבלים משפיע על זמני מיתוג, כך שמתכננים צריכים לקחת בחשבון גורם זה בתכנון שלהם.

תחת הארה אופטית חזקה, דיודות ה-APD יכולות להוליך זרמים גדולים, לעיתים קרובות יותר מ-1 אמפר (A‏). ה-LTC6561 שורד ומתאושש במהירות מזרמי עומס-יתר גבוהים מסדר גודל זה. התאוששות עומס-יתר מהירה היא קריטית עבור יישומי LiDAR. התאוששות מהירה מעומס-יתר של ‎1 mA לוקחת ‎10 ns להתיצב (איור 7).

איור 7: ה-LTC6561 שורד ומתאושש במהירות, ב-‎10 ns, מזרמי עומס-יתר גבוהים של ‎1 mA. (מקור תמונה: Analog Devices)

באיור 7, עם עליית זרם הכניסה מעל התחום הליניארי, רוחב פולס היציאה מתרחב. אולם, זמן ההתאוששות נשאר מסדר גודל של עשרות ננו-שניה (ns)‏. ה-LTC6561 מתאושש מאירועי רווייה של ‎1 mA‏ בפחות מ-12‎ ns‏ ללא היפוך פאזה, על ידי כך מקטין למינימום איבוד נתונים.

מסקנה

הדרך לכלי-רכב אוטונומיים מצליחים מתחילה עם האינטגרציה וההיתוך של מצלמות, יחידות מדידה אינרציאלית (IMUs), מכ"ם ו-LiDAR. מערכת LiDAR, במיוחד, נראית מבטיחה כשהנושאים הקשורים עם השגת גילוי עצמים מדויק תוך שימוש בטכנולוגיה אופטית זו מובנים ומטופלים במידה מספקת.