深入解析先進(jìn)的深度傳感解決方案

當(dāng)今市場(chǎng)上許多應(yīng)用都要求具有深度傳感的精確測(cè)量能力，包括工業(yè)、消費(fèi)和汽車領(lǐng)域，產(chǎn)品種類包括自動(dòng)導(dǎo)引車（AGV）、掃地機(jī)器人、無(wú)人機(jī)、自動(dòng)駕駛汽車等，極具市場(chǎng)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(jì)，以及該方案中采用的ROHM、安森美（onsemi）、ADI、Murata等關(guān)鍵器件的產(chǎn)品特性。

擁有各自優(yōu)缺點(diǎn)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(cè)量、相位檢測(cè)像素和結(jié)構(gòu)光等方式。

使用立體三角測(cè)量方式來(lái)測(cè)量距離，是通過(guò)對(duì)來(lái)自兩個(gè)不同攝像機(jī)的接收光進(jìn)行三角測(cè)量來(lái)獲得的，經(jīng)過(guò)比較攝像機(jī)拍攝的圖像之間物體位置的差異，可以計(jì)算出攝像機(jī)到物體之間的距離。采用立體三角測(cè)量方式具有被動(dòng)方法、采用標(biāo)準(zhǔn)圖像傳感器的優(yōu)點(diǎn)，但也有需要使用2個(gè)攝像機(jī)、最大距離取決于攝像機(jī)之間的距離，并高度依賴光照條件，以及需要計(jì)算的成本等缺點(diǎn)。

相位檢測(cè)像素方式是使用單個(gè)攝像機(jī)來(lái)獲取場(chǎng)景中點(diǎn)的距離，圖像傳感器在像素級(jí)別下，通過(guò)在不同位置具有遮光罩的像素對(duì)所接收到的光的相位差，或通過(guò)使用同一微透鏡下的多個(gè)光電二極管來(lái)計(jì)算深度，像是iPhone相機(jī)的自動(dòng)對(duì)焦，便是采用此技術(shù)。相位檢測(cè)像素方式具有采用被動(dòng)方法與標(biāo)準(zhǔn)圖像傳感器的優(yōu)點(diǎn)，但也有深度分辨率差、高度依賴光照條件、需要計(jì)算的成本、短距離等缺點(diǎn)。

結(jié)構(gòu)光則是使用具有傳統(tǒng)CMOS圖像傳感器的攝像機(jī)，來(lái)分析接收到的紅外光圖案，并用場(chǎng)景中的失真來(lái)計(jì)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(diǎn)，但也有必須采用主動(dòng)方法、對(duì)環(huán)境光敏感、深度誤差將隨距離增加、不適合長(zhǎng)距離等缺點(diǎn)，適合應(yīng)用于人臉識(shí)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(dòng)方法，因此能夠在所有光照條件下運(yùn)行。LiDAR已經(jīng)廣泛部署在許多不同的市場(chǎng)，用于各種應(yīng)用和用例，包括汽車、工業(yè)、機(jī)器人以及消費(fèi)型增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和虛擬現(xiàn)實(shí)（AR/VR）等應(yīng)用。

通常，LiDAR會(huì)采用直接飛行時(shí)間（dToF）測(cè)量技術(shù)，它計(jì)算發(fā)射信號(hào)與其返回回波之間的時(shí)間延遲，另一種方法是間接飛行時(shí)間（iToF），這兩種方法都可以使用脈沖或連續(xù)調(diào)制來(lái)實(shí)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(kāi)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(jì)。艾睿電子的LiDAR ToF解決方案針對(duì)范圍／距離測(cè)量，因此采用脈沖ToF系統(tǒng)，LiDAR ToF系統(tǒng)的信號(hào)處理部分采用時(shí)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(shí)鐘器件將開(kāi)始／停止事件計(jì)數(shù)為時(shí)間差，而基于ADC的方法定期測(cè)量和數(shù)字化返回信號(hào)，然后估計(jì)時(shí)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(dòng)器、低噪聲放大器和光電探測(cè)器）的組合上升時(shí)間和響應(yīng)時(shí)間成反比?；赥DC的方法可以解決模擬域的分辨率問(wèn)題，而基于ADC的方法可以通過(guò)一些復(fù)雜的數(shù)字返回信號(hào)檢測(cè)方案，以及復(fù)雜的基帶系統(tǒng)和軟件來(lái)解決一些問(wèn)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(jì)，以實(shí)現(xiàn)更好的上升時(shí)間和響應(yīng)行為，從而在艾睿電子的LiDAR解決方案中實(shí)現(xiàn)最佳距離檢測(cè)應(yīng)用。

使用脈沖式ToF系統(tǒng)時(shí)，會(huì)使用905nm的波長(zhǎng)，因?yàn)?05nm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(jiàn)紅光）一般無(wú)法實(shí)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(jì)中，采用了ROHM的方案來(lái)實(shí)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(guò)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(guò)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(cè)量精度，并通過(guò)對(duì)多次測(cè)量進(jìn)行平均或統(tǒng)計(jì)分析，來(lái)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(shí)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(kāi)關(guān)行為，從而縮短激光傳輸路徑的上升時(shí)間。

該解決方案還加強(qiáng)了PCB布局，以進(jìn)一步減少激光驅(qū)動(dòng)器部分的延遲時(shí)間。PCB布局在激光傳輸路徑的開(kāi)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(dòng)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(jì)對(duì)于通過(guò)使用最佳信號(hào)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(shí)間。SiPM中的FAST OUT端子可提供小于500皮秒的上升時(shí)間響應(yīng)，比APD標(biāo)準(zhǔn)輸出端子低50%。

在Tx和Rx路徑檢測(cè)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(shí)間。比較器電路用于將模擬的Rx和Tx信號(hào)，轉(zhuǎn)換成TDC脈沖開(kāi)始和脈沖停止輸入以進(jìn)行時(shí)序計(jì)算，因此比較器的傳播延遲對(duì)影響測(cè)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(hào)電平下，延遲時(shí)間僅為3納秒，從而在LiDAR接收路徑中提供最佳延遲時(shí)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(gè)LiDAR ToF解決方案的關(guān)鍵組件包括作為75W 905nm不可見(jiàn)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(gè)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(gè)InGaP HBT增益模塊MMIC放大器（DC-4GHz）。

此外，還有ADI LT?8330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(kāi)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(jī)器學(xué)習(xí)的開(kāi)發(fā)。

ROHM的激光二極管RLD90QZW3，是一款專為L(zhǎng)iDAR所設(shè)計(jì)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(cè)量和空間識(shí)別服務(wù)。ROHM利用自有的器件開(kāi)發(fā)技術(shù)，在等效光輸出下實(shí)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(shí)，均勻的發(fā)射強(qiáng)度和激光波長(zhǎng)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(shí)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(jì)，包括能夠高速驅(qū)動(dòng)的下一代器件EcoGANTM、GaN柵極驅(qū)動(dòng)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(dòng)器。

安森美的SiPM是一種高增益、單光子敏感傳感器，用于檢測(cè)可見(jiàn)光到近紅外波長(zhǎng)。安森美推出的RB系列傳感器是R系列中第二個(gè)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(chǎng)領(lǐng)先的RDM工藝的單片1 × 12 SiPM像素陣列。RDM工藝專門(mén)開(kāi)發(fā)用于創(chuàng)建在905/940nm NIR波長(zhǎng)下實(shí)現(xiàn)高PDE（光子檢測(cè)效率）的產(chǎn)品，這些產(chǎn)品通常用于LiDAR和3D dToF測(cè)距應(yīng)用。 

安森美的SiPM陣列采用堅(jiān)固的QFN封裝，可以訪問(wèn)12個(gè)獨(dú)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(gè)TFT LCD控制器和兩個(gè)CAN FD模塊，同時(shí)通過(guò)Cortex-M4在功能集成和功率效率之間取得適當(dāng)?shù)钠胶?，以?shí)現(xiàn)100 μA/MHz的主動(dòng)模式電流。 

對(duì)于需要更高級(jí)計(jì)算或機(jī)器學(xué)習(xí)的開(kāi)發(fā)，NXP還提供了新的MCX N系列，其雙Arm? Cortex?-M33內(nèi)核運(yùn)行頻率高達(dá)150 MHz。這個(gè)高級(jí)系列介紹了NXP設(shè)計(jì)的神經(jīng)處理單元（NPU）的新實(shí)例。與單獨(dú)的CPU內(nèi)核相比，集成的NPU可提供高達(dá)30倍的機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）吞吐量，從而減少清醒時(shí)間并降低整體功耗。低功耗緩存增強(qiáng)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(guò)驅(qū)動(dòng)。它非常適合用于時(shí)間關(guān)鍵型應(yīng)用，例如TOF測(cè)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(gè)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(shí)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(dòng)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(dòng)機(jī)ECU、安全氣囊和ABS的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制。即使在溫度循環(huán)和濕度負(fù)載測(cè)試中，該產(chǎn)品也通過(guò)了比一般產(chǎn)品（GRM系列）更嚴(yán)格的測(cè)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(dòng)機(jī)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(yǔ)

隨著深度傳感的應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣，LiDAR也逐漸降到可接受的價(jià)格范圍，使得相關(guān)產(chǎn)品的市場(chǎng)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(lái)自ROHM、安森美、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(kāi)發(fā)的廠家深入了解與采用。