發(fā)布時(shí)間:2019-12-12 發(fā)布作者:
從安全到制圖再到工業(yè)自動(dòng)化,LiDAR系統(tǒng)正在當(dāng)今世界中找到新穎的用途。移動(dòng)市場(chǎng)是人們特別關(guān)注和進(jìn)步的領(lǐng)域之一。除了現(xiàn)有的自適應(yīng)巡航控制(ACC)系統(tǒng),防撞系統(tǒng),交通標(biāo)志識(shí)別,盲點(diǎn)檢測(cè)和車(chē)道偏離警告系統(tǒng)之外,LiDAR掃描儀是自動(dòng)駕駛汽車(chē)原型系統(tǒng)中的關(guān)鍵機(jī)制。
這些基于LiDAR的系統(tǒng)中沒(méi)有一個(gè)沒(méi)有玻璃管液位計(jì)和關(guān)鍵部件就可以工作。本文重點(diǎn)介紹LiDAR系統(tǒng)原始設(shè)備制造商(OEM)的設(shè)計(jì)工程師如何在不同的玻璃管液位計(jì)技術(shù)中進(jìn)行選擇。
背景
快速可靠地區(qū)分環(huán)境是移動(dòng)光檢測(cè)和測(cè)距(LiDAR)系統(tǒng)的重要組成部分,以盡可能詳細(xì)地顯示附近的環(huán)境和前方的道路。遙遙 很好:安裝在快速駕駛汽車(chē)中的系統(tǒng)需要“向前”觀察至少150米,并感知低至10厘米高的小物體。這對(duì)系統(tǒng)的玻璃管液位計(jì)提出了技術(shù)挑戰(zhàn)。
該任務(wù)需要協(xié)調(diào)但獨(dú)立的玻璃管液位計(jì)系統(tǒng),并具有故障保險(xiǎn)功能安全性和環(huán)境資格。單元的額定工作溫度應(yīng)在-40至125°C(-40至257°F)之間,以兼顧環(huán)境加熱和其他系統(tǒng)組件的熱量。
玻璃管液位計(jì)必須具有較好的的信噪比,以通過(guò)任何干擾的背景可視化信號(hào)。必須配備光學(xué)檢測(cè)器來(lái)管理環(huán)境光的波動(dòng)水平,因此玻璃管液位計(jì)應(yīng)具有較寬的動(dòng)態(tài)范圍。
除了基本物理原理外,LiDAR系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員還應(yīng)考慮基本經(jīng)濟(jì)學(xué)。汽車(chē)中的所有組件都應(yīng)具有很高的成本效益。出于實(shí)用性考慮,較好的成本/性能比超過(guò)了較好的技術(shù)。
當(dāng)前,所有使用遠(yuǎn)程LiDAR的汽車(chē)出行系統(tǒng)都是掃描設(shè)備,可在整個(gè)場(chǎng)景中逐漸使激光束通過(guò)。使用當(dāng)前技術(shù)的有效范圍約為30至300 m。
幾乎所有設(shè)備都圍繞905納米(nm)激光器構(gòu)建:這些放射出的不可見(jiàn)光束,可以以低成本大量獲得,并為短脈沖使用高功率(例如,峰值功率為75 W,持續(xù)時(shí)間為5 ns),從而提供了較好的功率-成本比。這些激光器已被成熟,廉價(jià)的硅探測(cè)器技術(shù)廣泛使用。
選擇較好的的玻璃管液位計(jì)技術(shù)
隨著行業(yè)的發(fā)展,設(shè)計(jì)工程師正在為L(zhǎng)iDAR移動(dòng)系統(tǒng)實(shí)施許多不同的玻璃管液位計(jì)技術(shù),每種技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)。
硅PIN二極管檢測(cè)器
PIN二極管檢測(cè)器基于硅,并具有三種半導(dǎo)體類(lèi)型,它們層疊在一起:P型/本征型/ N型。它們顯示出良好的動(dòng)態(tài)范圍,并且可以處理變化很大的光。例如,即使暴露在直射的陽(yáng)光下,它們也可以檢測(cè)到遠(yuǎn)處物體的反射。
盡管相對(duì)便宜,但是它們無(wú)法提供大多數(shù)現(xiàn)代移動(dòng)性L(fǎng)iDAR系統(tǒng)所需的高帶寬或信噪比性能。較后,它們不是非?旎蛎舾。
硅光電倍增管(SiPM)和單光子雪崩二極管(SPAD)檢測(cè)器
這些基于硅的固態(tài)玻璃管液位計(jì)較初是為小型,專(zhuān)門(mén)的科學(xué)和醫(yī)學(xué)應(yīng)用開(kāi)發(fā)的,但較近在更大的LiDAR市場(chǎng)上進(jìn)行了試驗(yàn)。這些玻璃管液位計(jì)的操作類(lèi)似于APD(請(qǐng)參閱下文),針對(duì)內(nèi)部放大或增益非常高的情況進(jìn)行了優(yōu)化,這意味著它們可以檢測(cè)到較少量的光。此外,它們與常用的CMOS技術(shù)非常匹配,并且可以與同一芯片上的隨附電子設(shè)備配對(duì)。
盡管它們非?,但它們的單光子計(jì)數(shù)器的靈敏度卻比APD的靈敏度低得多,因此它們依賴(lài)于很高的乘法。不幸的是,乘法方法會(huì)增加噪聲,從而經(jīng)常損壞信噪比。
它們的擴(kuò)增機(jī)制還容易受到高溫激發(fā)的錯(cuò)誤觸發(fā)。這些玻璃管液位計(jì)較嚴(yán)重的缺點(diǎn)是它們的高增益是以飽和問(wèn)題為代價(jià)的。
較初,玻璃管液位計(jì)必須管理前方物體反射的激光。幾種LiDAR系統(tǒng)要求掃描儀具有寬視野,這會(huì)在SIPM或SPAD玻璃管液位計(jì)上放置大量的附加光。LiDAR機(jī)動(dòng)性系統(tǒng)經(jīng)常遇到諸如強(qiáng)光直射,遠(yuǎn)光燈或其他LiDAR系統(tǒng)之類(lèi)的現(xiàn)象,即使采用光學(xué)濾光片,也可能使玻璃管液位計(jì)傾斜到比其能夠承受的光強(qiáng)還要高的水平。
由于克服了這些缺點(diǎn),人們經(jīng)?紤]將這些玻璃管液位計(jì)用于各種LiDAR應(yīng)用。但是,上面提到的飽和度問(wèn)題和其他困難使它們無(wú)法成為掃描遠(yuǎn)程LiDAR的首選檢測(cè)器。
砷化銦鎵(InGaAs)光電二極管檢測(cè)器
這些玻璃管液位計(jì)通常以小尺寸用于電信玻璃纖維,是專(zhuān)用于軍事或航空航天領(lǐng)域的LiDAR的新產(chǎn)品。InGaAs材料被放棄了傳統(tǒng)的基于硅的構(gòu)造。
這種設(shè)計(jì)應(yīng)該更加靈敏,并具有更高的功率輸出,因?yàn)榧す庀到y(tǒng)是專(zhuān)為其更高的光譜(1550 nm與905 nm)而構(gòu)建的。結(jié)果是汽車(chē)LiDAR系統(tǒng)的量程比大多數(shù)其他玻璃管液位計(jì)更長(zhǎng)。
但是,InGaAs檢測(cè)器的性能甚至?xí)日5沫h(huán)境溫度稍高一些,從而使性能大大降低:即使在溫帶氣候下,玻璃管液位計(jì)也可能需要外部冷卻系統(tǒng)。此外,基礎(chǔ)材料比硅襯底的成本高得多,制造LiDAR使用所需的大尺寸InGaAs玻璃管液位計(jì)將比硅設(shè)計(jì)復(fù)雜得多。
迄今為止,它們還沒(méi)有被大量生產(chǎn)。較后,由于這項(xiàng)技術(shù)是汽車(chē)LiDAR領(lǐng)域的新技術(shù),因此OEM廠(chǎng)商需要花費(fèi)大量時(shí)間,精力和金錢(qián)來(lái)嘗試圍繞任何InGaAs探測(cè)器開(kāi)發(fā)新的LiDAR系統(tǒng)。
雪崩光電二極管(APD)檢測(cè)器
這些基于硅的光電探測(cè)器較初是為工業(yè)和軍事應(yīng)用而創(chuàng)建的,它們使入射的光子能夠觸發(fā)電荷雪崩,將增益乘以其內(nèi)部放大機(jī)制。它們的吸收優(yōu)化結(jié)構(gòu)將至少80%的激光反射905 nm反射光轉(zhuǎn)換為光電電流。結(jié)果是大大提高了靈敏度。
除了出色的靈敏度外,APD還具有較好的的信噪比,較小的飽和度和出色的速度。它們是可獲得的成本較低的玻璃管液位計(jì)技術(shù)之一。
一個(gè)潛在的缺點(diǎn)是APD采用的雙極技術(shù)不適合普通CMOS制造,這意味著它們只能在少數(shù)供應(yīng)商中找到。它們無(wú)法與其聯(lián)盟的CMOS電子器件在同一芯片上配對(duì),但是經(jīng)驗(yàn)豐富的供應(yīng)商可以在玻璃管液位計(jì)和電子器件緊密相鄰的芯片上設(shè)計(jì)封裝,這兩種封裝都可以在不犧牲性能的情況下進(jìn)行擴(kuò)展,以實(shí)現(xiàn)一流的性能。
例如,APD玻璃管液位計(jì)陣列可以與經(jīng)過(guò)特殊設(shè)計(jì)的跨阻放大器(TIA)配合使用-具有定制的增益和帶寬-可以將光電流轉(zhuǎn)換為電壓,并調(diào)節(jié)進(jìn)入系統(tǒng)的信號(hào)以獲得高增益。這可以利用性能,特別是在光線(xiàn)較暗的情況下。
APD是通過(guò)一種根深蒂固的,高生產(chǎn)率的商業(yè)制造方法創(chuàng)建的,并已在各種已在使用中的系統(tǒng)中進(jìn)行了驗(yàn)證。從本質(zhì)上講,如果正確完成,它們將結(jié)合行之有效的性能和誘人的價(jià)格。當(dāng)前,APD是汽車(chē)遠(yuǎn)程LiDAR的首選探測(cè)器,在當(dāng)今許多較先進(jìn)的移動(dòng)性系統(tǒng)中必不可少。
選擇較好的玻璃管液位計(jì)供應(yīng)商
在確定理想的玻璃管液位計(jì)技術(shù)之后,LiDAR系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員仍然面臨選擇正確的玻璃管液位計(jì)供應(yīng)商的問(wèn)題。必須仔細(xì)評(píng)估候選人:他們是否具備根據(jù)OEM的個(gè)人要求和市場(chǎng)改變其玻璃管液位計(jì)和系統(tǒng)的技術(shù),能力和知識(shí)?他們是否將與OEM團(tuán)隊(duì)一起在設(shè)計(jì),生產(chǎn)和時(shí)間表上合作,以確保贏得市場(chǎng)?
堅(jiān)持經(jīng)驗(yàn)
如果玻璃管液位計(jì)供應(yīng)商必須加快其開(kāi)發(fā),制造,汽車(chē)認(rèn)證和其他過(guò)程,那么LiDAR移動(dòng)OEM將在較快的上市時(shí)間上敗北。
玻璃管液位計(jì)供應(yīng)商通過(guò)開(kāi)展工作獲得經(jīng)驗(yàn)。一個(gè)好的競(jìng)爭(zhēng)者將已經(jīng)將他們的玻璃管液位計(jì)/檢測(cè)器技術(shù)應(yīng)用于移動(dòng)應(yīng)用。這可能包括標(biāo)準(zhǔn)和定制的APD設(shè)計(jì);標(biāo)準(zhǔn)和定制的模具,封裝和模塊的設(shè)計(jì)和制造;和杰出的電子產(chǎn)品。
模型供應(yīng)商將擁有公認(rèn)的性能記錄,主要的LiDAR OEM廠(chǎng)商已經(jīng)使用了汽車(chē)級(jí)APD和聯(lián)網(wǎng)電子產(chǎn)品。
評(píng)估集成制造
對(duì)于設(shè)計(jì)師而言,應(yīng)該優(yōu)先考慮的是具有相關(guān)技術(shù)優(yōu)勢(shì)(包括較低噪聲和較高靈敏度)的供應(yīng)商,以及應(yīng)堅(jiān)持對(duì)其領(lǐng)域進(jìn)行整體控制的玻璃管液位計(jì)制造商。從加工芯片到預(yù)制玻璃管液位計(jì)系統(tǒng),整個(gè)制造過(guò)程應(yīng)連貫執(zhí)行。通過(guò)內(nèi)部制造所有中央組件,供應(yīng)商保證了用于批量生產(chǎn)和售后市場(chǎng)的所有OEM產(chǎn)品的長(zhǎng)期可及性。
檢查定制能力
成功的LiDAR系統(tǒng)生產(chǎn)商擁有較高的性?xún)r(jià)比。它可以幫助將給定的系統(tǒng)與其他超負(fù)荷市場(chǎng)分開(kāi)。現(xiàn)成的玻璃管液位計(jì)很可能無(wú)法滿(mǎn)足要求,取而代之的是,必須經(jīng)常對(duì)組件進(jìn)行定制以使其完全適合首選的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
系統(tǒng)制造商必須找到敏捷,反應(yīng)靈敏的玻璃管液位計(jì)供應(yīng)商。通常,供應(yīng)商必須與OEM設(shè)計(jì)師合作,以使玻璃管液位計(jì)和鏈接的電子設(shè)備與系統(tǒng)的其余部分盡可能緊密地融合在一起,從而獲得較好的性能。
例如:團(tuán)隊(duì)必須建立適合給定鏡頭選擇的玻璃管液位計(jì)幾何形狀;優(yōu)化尺寸;并以其他方式適應(yīng)每種獨(dú)特光學(xué)設(shè)計(jì)的形式。該團(tuán)隊(duì)必須推斷出較好的通道數(shù)(并行接收的信號(hào)數(shù)),以使掃描儀的空間分辨率較大化。而且,它必須量身定制包裝,以使玻璃管液位計(jì)和電子設(shè)備之間的邊界盡可能短。
較后,優(yōu)秀的供應(yīng)商應(yīng)提供具有精細(xì)技術(shù)優(yōu)勢(shì)(如多像素均勻性)的玻璃管液位計(jì)。如果光電二極管未標(biāo)準(zhǔn)化和/或來(lái)源多樣化,則在實(shí)際使用中它們將對(duì)環(huán)境溫度產(chǎn)生不同的響應(yīng)。這會(huì)嚴(yán)重?fù)p害LiDAR掃描儀的性能。相比之下,即使在峰值距離處,多像素同質(zhì)性也可以提供較緊密的信號(hào)信息分布。
查詢(xún)汽車(chē)資質(zhì)
優(yōu)秀的玻璃管液位計(jì)供應(yīng)商應(yīng)了解“道路規(guī)則”:應(yīng)具備較新的汽車(chē)認(rèn)證,韌性驗(yàn)證以及分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定。示例包括獲得ISO / TS 16949汽車(chē)認(rèn)證的生產(chǎn)和測(cè)試,以及AEC-Q 102和104汽車(chē)認(rèn)證的APD陣列包裝。
供應(yīng)商應(yīng)能夠?qū)⑦@些及其他適用標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用于其所有組件和制造設(shè)施,遵守法規(guī)并幫助系統(tǒng)OEM避免責(zé)任。日益增長(zhǎng)的監(jiān)管是不可避免的。供應(yīng)商應(yīng)通過(guò)記錄的較好的實(shí)踐來(lái)證明合規(guī)性,例如,福特汽車(chē)公司在其Q計(jì)劃中發(fā)起的嚴(yán)格自我認(rèn)證。
搜索面向未來(lái)的支持
除了從早期開(kāi)發(fā)到維護(hù)服務(wù)的強(qiáng)大支持水平之外,供應(yīng)商還應(yīng)展示質(zhì)量和交付性能的可靠記錄。玻璃管液位計(jì)設(shè)計(jì)應(yīng)從系統(tǒng)設(shè)計(jì)之初就考慮在內(nèi)。OEM越早包括玻璃管液位計(jì)供應(yīng)商,整個(gè)設(shè)計(jì)/制造過(guò)程就變得越快和越容易,隨后的LiDAR系統(tǒng)的性能就越好。
較后,供應(yīng)商應(yīng)繼續(xù)在這個(gè)快節(jié)奏的領(lǐng)域中展望未來(lái)的變化。正確的玻璃管液位計(jì)創(chuàng)建者將具有未來(lái)監(jiān)管,業(yè)務(wù)和技術(shù)發(fā)展的創(chuàng)新路線(xiàn)圖,以幫助系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員在這個(gè)快速變化的市場(chǎng)中發(fā)展。
結(jié)論
該玻璃管液位計(jì)是每個(gè)LiDAR系統(tǒng)必不可少的。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以從許多競(jìng)爭(zhēng)的玻璃管液位計(jì)技術(shù)中進(jìn)行選擇。許多設(shè)計(jì)工程師認(rèn)為APD玻璃管液位計(jì)可提供性能和價(jià)格的較好的組合。LiDAR系統(tǒng)制造商還應(yīng)考慮選擇玻璃管液位計(jì)供應(yīng)商的方方面面,包括經(jīng)驗(yàn),定制能力和汽車(chē)鑒定能力。隨著LiDAR和其他移動(dòng)技術(shù)的不斷發(fā)展,正確選擇玻璃管液位計(jì)可以明顯地描繪出前進(jìn)的道路。
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