Przegląd zaawansowanych rozwiązań wykrywania głębi obrazu

© Arrow

Wiele aplikacji na dzisiejszym rynku wymaga dokładnych pomiarów wykrywania głębi obrazu: automatycznie kierowane pojazdy (AGV), roboty zamiatające, bezzałogowe statki powietrzne i autonomiczne samochody samojezdne, a wszystkie te aplikacje mają ogromny potencjał rozwoju rynku. W tym artykule przedstawimy zasadę działania technologii wykrywania głębi, referencyjny projekt LiDAR wprowadzony przez Arrow Electronics oraz charakterystykę kluczowych rozwiązań firm ROHM, onsemi, ADI i Murata.

Wady i zalety technologii wykrywania głębi obrazu

Istnieje wiele różnych metod stosowania wykrywania głębi, które obejmują podwójną triangulację przy użyciu standardowego czujnika obrazu CMOS, detekcję fazową i światło.

• Odległość można zmierzyć za pomocą podwójnej triangulacji (ang.stereo triangulation) poprzez analizę światła odbieranego z dwóch różnych kamer. Porównując różnice położenia obiektów między obrazami wykonanymi przez obie kamery, można obliczyć odległość między kamerami a obiektami. Dualna triangulacja ma zalety charakterystyczne dla metody pasywnej, stosuje się też w niej standardowe przetworniki obrazu. Jednak, ma też pewne wady, takie jak konieczność użycia dwóch kamer, maksymalna odległość zależna jest od odległości między kamerami, duża zależność od warunków oświetleniowych oraz wymaga znacznych zdolności obliczeniowych.
• Metoda pikseli z detekcją fazową do obliczenia odległości punktów obrazu wykorzystuje pojedynczą kamerę. Na poziomie pikseli, czujnik obrazu oblicza głębokość na podstawie różnicy faz odbieranego światła z par pikseli z osłonami świetlnymi w różnych pozycjach lub za pomocą wielu fotodiod pod tą samą mikrosoczewką (takie rozwiązanie ma autofokus aparatu iPhone'a). Metoda pikselowa z detekcją fazową również ma zalety metody pasywnej i również znajdują w niej zastosowanie standardowe czujniki obrazu, ale ma również pewne wady, takie jak słaba rozdzielczość głębi, duża zależność od warunków oświetleniowych, znaczne zapotrzebowanie na moc obliczeniową i ograniczona odległość pomiarów.
• Metoda structured light wykorzystuje kamerę z tradycyjnym czujnikiem obrazu CMOS do analizy wzoru odbieranego światła podczerwonego i obliczania głębi z zniekształceniami w scenie. Zniekształcenie wzoru można wykorzystać do uzyskania trójwymiarowego kształtu obiektu. Światło strukturalne ma tę zaletę, że nadaje się na krótkie odległości, ale ma również wady metody aktywnej i jest wrażliwe na światło otoczenia, a błąd głębokości wzrasta wraz z odległością. W efekcie, chociaż nie nadaje się na duże odległości, można ją z powodzeniem wykorzystać do rozpoznawania twarzy.

LiDAR ma dużą zdolność wykrywania głębokości sceny. Ze względu na dużą głębokość i rozdzielczość kątową LiDAR ma większe możliwości wykrywania głębi niż alternatywne metody, a dzięki aktywnej metodzie wykorzystania nadajnika i odbiornika podczerwieni może działać w każdych warunkach oświetleniowych. LiDAR został szeroko wdrożony na wielu różnych rynkach, w różnych zastosowaniach w motoryzacji, przemyśle, robotyce oraz zastosowaniach konsumenckich - rzeczywistości rozszerzonej i rzeczywistości wirtualnej (AR/VR).

Ogólnie rzecz biorąc, LiDAR opiera się na albo technice bezpośredniego pomiaru czasu przelotu (direct time-of-flight, dToF), która oblicza opóźnienie czasowe między przesyłanym sygnałem a jego echem powrotnym, albo na metodzie pośredniego czasu przelotu (indirect time-of-flight, iToF), z których oba mogą być realizowane przez modulację impulsową lub ciągłą.

Rozwiązanie LiDAR dla pulsacyjnego systemu ToF

Aby przyspieszyć rozwój produktów u klientów, Openlab (część Arrow Electronics) opracował referencyjny projekt pulsacyjnego rozwiązania dToF LiDAR. Część przetwarzająca sygnał systemu LiDAR ToF wykorzystuje metodę szacowania odległości za pomocą konwertera czasu na cyfrę (time-to-digital converter, TDC) lub przetwornika analogowo-cyfrowego (analog-to-digital converter, ADC). Metoda oparta na TDC wykorzystuje bardzo precyzyjne urządzenia zegarowe do zliczania różnic czasowych zdarzeń start/stop, podczas gdy metoda oparta na ADC w regularnych odstępach czasu mierzy i przetwarza sygnały zwrotne na postać cyfrową, a następnie szacuje różnice czasowe.

Rozdzielczość zakresu tego systemu LiDAR ToF jest odwrotnie proporcjonalna do łącznego czasu narastania i czasu odpowiedzi analogowej części projektu (tj. diody laserowej, sterownika lasera, wzmacniacza o niskim poziomie szumów i fotodetektora). Metoda oparta na TDC może rozwiązać problem rozdzielczości występujący w domenie analogowej, podczas gdy metoda oparta na ADC może rozwiązać niektóre problemy poprzez złożone schematy wykrywania cyfrowego sygnału zwrotnego, systemy pasma podstawowego i odpowiednie oprogramowanie. Rozwiązanie LiDAR ToF Arrow Electronics wybiera metodę opartą na TDC i zwraca większą uwagę na analogową część projektu, aby uzyskać lepszy czas narastania i reakcji.

Podczas korzystania z pulsacyjnego systemu ToF, stosuje się falę o długości 905nm, ponieważ podczerwień jest bardziej odpowiednim wyborem dla optyki o mocy do 75W. Z drugiej strony, laser 650nm (widzialne światło czerwone) generalnie nie może generować impulsu włączania, a maksymalna moc optyczna wynosi około 100mW.

Praca z wąskim impulsem może rozszerzyć zakres działania

Chcąc uzyskać optymalnej wydajności LiDAR w domenie analogowej zastosowano komponenty firmy ROHM. W celu skrócenia impulsu wyzwalającego lasera uzyto pulsacyjną diodę laserową ROHM RLD90QZW3, która może obsługiwać pracę wąskoimpulsową o szerokości impulsu 15 nanosekund, podczas gdy szerokość impulsu powszechnie stosowana w tradycyjnym rozwiązaniu LiDAR wynosi 30 nanosekund. Zmniejszając szerokość impulsu o 50%, można zapewnić wyższą moc optyczną w tych samych warunkach pracy, zwiększając tym samym zakres działania.

Wykorzystując ograniczoną szerokość impulsu, opisywane rozwiązanie LiDAR ToF obsługuje działanie wieloimpulsowe, co może poprawić dokładność pomiaru a także wyeliminować szum otoczenia i zakłócenia poprzez uśrednianie lub analizę statystyczną wielu pomiarów. Aby osiągnąć szybsze przełączanie i jeszcze bardziej poprawić wydajność opóźnienia transmisji, rozwiązanie to wykorzystuje również diodę laserową GaN FET. Tranzystor GaN FET zastępuje tradycyjny tranzystor MOSFET, zapewniając 10-krotnie szybsze przełączanie i  skracając w ten sposób czas narastania ścieżki transmisji lasera.

Rozwiązanie optymalizuje również layout PCB, skracając czas opóźnienia sekcji sterownika lasera. Układ płytki odgrywa ważną rolę w przełączaniu toru transmisji lasera, zwłaszcza w układach z wieloma źródłami zasilania. Aby wygenerować impuls wyzwalający LD, konieczne jest zapewnienie napięcia 25V dla diody laserowej i GaN FET, 5V dla sterownika bramki laserowej i 3,3V dla układu MCU. Konstrukcja płytki jest również bardzo ważna dla szybkiego przełączania i optymalizacji opóźnienia transmisji poprzez wykorzystanie najlepszej ścieżki powrotnej sygnału.

Ponadto układ wykorzystuje krzemowy fotopowielacz (SiPM) firmy onsemi z serii RD, który zastępuje tradycyjną fotodiodę lawinową (APD) i jeszcze bardziej poprawia czas reakcji Rx. Złącze FAST OUT w SiPM może zapewnić czas narastania poniżej 500 pikosekund, czyli o 50% mniej niż standardowe złącze wyjściowe APD.

W systemach detektorów ścieżki Tx i Rx można zastosować szybsze komparatory w celu dalszej poprawy czasu odpowiedzi Rx. Obwód komparatora jest używany do przekształcania analogowych sygnałów Rx i Tx na sygnały wejściowe impulsu TDC start i stop w celu obliczenia taktowania, więc opóźnienie propagacji komparatora jest również bardzo istotne dla dokładności pomiaru. Korzystając z szybkiego komparatora ADPCM600 firmy ADI, czas opóźnienia wynosi tylko 3 nanosekundy przy poziomie sygnału wejściowego 30 mV, zapewniając w ten sposób najlepszy czas opóźnienia w ścieżce odbiorczej LiDAR.

Kluczowe komponenty całego rozwiązania LiDAR ToF firmy Arrow Electronics obejmują ROHM RLD90QZW3, impulsową diodę laserową światła niewidzialnego o mocy 75 W 905 nm, serię onsemi SiPM MicroRD-10035-MLP RD oraz ADI ADCMP600, niezwykle szybki komparator TTL/CMOS z opóźnieniem propagacji 5,5 nanosekundy. ADI HMC589AST89E to szybki wzmacniacz z modułem wzmocnienia InGaP HBT MMIC (DC-4GHz).

Ponadto dostępna jest przetwornica podwyższająca napięcie DC/DC ADI LT8330 o szerokim napięciu wejściowym, która może obsługiwać napięcie wejściowe od 3 V do 40 V, przełączane przetwornice podwyższające napięcie 1 A i 60 V, regulator ADI LT3082 200 mA o niskim poziomie szumów i niskim spadku napięcia (LDO), NXP LPC54605J512BD100 32-bit Mikrokontroler ARM Contex-M4 oraz rezonator MEMS TI TDC7201 TDC i Murata WMRAG32K76CS1C00R0 32,768 kHz.

Firma ROHM opracowała nową diodę laserową o wysokiej mocy optycznej RLD90QZW3, o wysokiej mocy optycznej 75W na podczerwień, zaprojektowaną specjalnie dla aplikacji LiDAR, używaną do pomiaru odległości i rozpoznawania przestrzennego w systemach 3D ToF. ROHM wykorzystuje własną technologię opracowywania urządzeń, aby osiągnąć bezprecedensową szerokość emisji 225 μm przy równoważnym wyjściu optycznym, która jest o 22% węższa niż konwencjonalne produkty i ma ulepszoną charakterystykę wiązki. Jednocześnie jednorodna intensywność emisji i niska zależność długości fali lasera od temperatury zapewniają stabilność działania, pomagając  osiągnąć wyższą dokładność i większą odległość w różnych zastosowaniach LiDAR. Ponadto dioda ma taką samą sprawność konwersji energii co produkty standardowe (prąd przewodzenia 24 A i moc wyjściowa 75 W), wynoszącą 21%, (stanowi to kompromis z wąską szerokością emisji) i może być używana bez zwiększania zużycia energii.

ROHM wprowadził również projekty referencyjne, które można wykorzystać do projektowania sterowania diodami laserowymi, w tym urządzenie nowej generacji EcoGANTM, sterownik bramki BD2311NVX-C oraz sterownik bramki GaN HEMT o dużej prędkości, który może pomóc poprawić charakterystykę (odległość i rozdzielczość) czujnika LiDAR.

SiPM to wykrywający nawet pojedynczy foton czujnik o dużym wzmocnieniu, który służy do wykrywania światła widzialnego lub bliskiej podczerwieni. Czujnik serii RB wprowadzony przez onsemi jest drugim model SiPM w serii R. Czujniki te dodatkowo poprawiają czułość w zakresie czerwieni i bliskiej podczerwieni (NIR) widma elektromagnetycznego.

Firma onsemi wprowadziła również macierz SiPM, ArrayRDM-0112A20-QFN, która jest monolityczną macierzą 1 × 12 pikseli SiPM, opartą na wiodącym na rynku procesie RDM. Proces RDM został opracowany specjalnie do tworzenia produktów o wysokiej wydajności PDE (Photon Detection Efficiency, wydajności wykrywania fotonów) przy długości fali NIR 905/940 nm, które są zwykle używane w aplikacjach LiDAR i 3D dToF.

Macierz SiPM firmy onsemi jest umieszczona w solidnej obudowie QFN i aby spełnić wymagania przemysłu samochodowego, jest zgodna ze standardem AEC-Q102. Dla tego produktu opracowano również płytkę ewaluacyjną (ArrayRDM-0112A20-GEVB).

ADCMP600, ADCMP601 i ADCMP602 to bardzo szybkie komparatory wytwarzane w unikalnym dla ADI procesie XFCB2. Urządzenie zapewnia opóźnienie propagacji 5ns i przesterowanie 10mV przy typowym prądzie zasilania 3mA. Sa to komponenty dedykowane do zastosowań, w których czas ma krytyczne znaczenie, takich jak pomiary TOF i aplikacje LiDAR.

LT8330 firmy ADI to konwerter DC/DC pracujący w trybie prądowym, który może generować dodatnie lub ujemne napięcie wyjściowe za pomocą pojedynczego styku sprzężenia zwrotnego. Może być skonfigurowany jako booster, SEPIC lub konwerter odwracający, a pobór prądu spoczynkowego wynosi zaledwie 6A. Praca w trybie impulsowym z niskimi tętnieniami może utrzymać wysoką wydajność przy bardzo niskich prądach wyjściowych, jednocześnie utrzymując tętnienia wyjściowe poniżej 15 mV w typowych zastosowaniach.

Wprowadzony przez firmę Murata wielowarstwowy kondensator ceramiczny do układu samochodowego jest idealnym wyborem dla samochodowego układu zasilania i urządzenia zabezpieczającego. Ten produkt może być używany do sterowania układem napędowym urządzeń bezpieczeństwa, takich jak ECU silnika, poduszka powietrzna i ABS. Nawet w testach cyklu temperaturowego i podwyższonej wilgotności produkt przeszedł bardziej rygorystyczne warunki testowe niż odpowiednik ogólnego zastosowania (seria GRM). Kondensator ceramiczny może być używany w temperaturze 125°C i 150°C, oferowana jest także odmiana produktów pracujących w temperaturze 150°C, które mogą być używane w komorze silnika.

Artykuł opublikowano dzięki uprzejmości firmy Arrow