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經驗文獻 / _儀表知識

淺析玻璃管液位計在汽車和移動系統的應用

發布時間:2019-12-12  發布作者:

    從安全到制圖再到工業自動化,LiDAR系統正在當今世界中找到新穎的用途。移動市場是人們特別關注和進步的領域之一。除了現有的自適應巡航控制(ACC)系統,防撞系統,交通標志識別,盲點檢測和車道偏離警告系統之外,LiDAR掃描儀是自動駕駛汽車原型系統中的關鍵機制。

    這些基于LiDAR的系統中沒有一個沒有玻璃管液位計和關鍵部件就可以工作。本文重點介紹LiDAR系統原始設備制造商(OEM)的設計工程師如何在不同的玻璃管液位計技術中進行選擇。

    背景
    快速可靠地區分環境是移動光檢測和測距(LiDAR)系統的重要組成部分,以盡可能詳細地顯示附近的環境和前方的道路。遙遙 很好:安裝在快速駕駛汽車中的系統需要“向前”觀察至少150米,并感知低至10厘米高的小物體。這對系統的玻璃管液位計提出了技術挑戰。

    該任務需要協調但獨立的玻璃管液位計系統,并具有故障保險功能安全性和環境資格。單元的額定工作溫度應在-40至125°C(-40至257°F)之間,以兼顧環境加熱和其他系統組件的熱量。

    玻璃管液位計必須具有較好的的信噪比,以通過任何干擾的背景可視化信號。必須配備光學檢測器來管理環境光的波動水平,因此玻璃管液位計應具有較寬的動態范圍。

    除了基本物理原理外,LiDAR系統設計人員還應考慮基本經濟學。汽車中的所有組件都應具有很高的成本效益。出于實用性考慮,較好的成本/性能比超過了較好的技術。

    當前,所有使用遠程LiDAR的汽車出行系統都是掃描設備,可在整個場景中逐漸使激光束通過。使用當前技術的有效范圍約為30至300 m。

    幾乎所有設備都圍繞905納米(nm)激光器構建:這些放射出的不可見光束,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,持續時間為5 ns),從而提供了較好的功率-成本比。這些激光器已被成熟,廉價的硅探測器技術廣泛使用。

    選擇較好的的玻璃管液位計技術
    隨著行業的發展,設計工程師正在為LiDAR移動系統實施許多不同的玻璃管液位計技術,每種技術各有優缺點。

    硅PIN二極管檢測器
    PIN二極管檢測器基于硅,并具有三種半導體類型,它們層疊在一起:P型/本征型/ N型。它們顯示出良好的動態范圍,并且可以處理變化很大的光。例如,即使暴露在直射的陽光下,它們也可以檢測到遠處物體的反射。

    盡管相對便宜,但是它們無法提供大多數現代移動性LiDAR系統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)檢測器
    這些基于硅的固態玻璃管液位計較初是為小型,專門的科學和醫學應用開發的,但較近在更大的LiDAR市場上進行了試驗。這些玻璃管液位計的操作類似于APD(請參閱下文),針對內部放大或增益非常高的情況進行了優化,這意味著它們可以檢測到較少量的光。此外,它們與常用的CMOS技術非常匹配,并且可以與同一芯片上的隨附電子設備配對。

    盡管它們非?,但它們的單光子計數器的靈敏度卻比APD的靈敏度低得多,因此它們依賴于很高的乘法。不幸的是,乘法方法會增加噪聲,從而經常損壞信噪比。

    它們的擴增機制還容易受到高溫激發的錯誤觸發。這些玻璃管液位計較嚴重的缺點是它們的高增益是以飽和問題為代價的。

    較初,玻璃管液位計必須管理前方物體反射的激光。幾種LiDAR系統要求掃描儀具有寬視野,這會在SIPM或SPAD玻璃管液位計上放置大量的附加光。LiDAR機動性系統經常遇到諸如強光直射,遠光燈或其他LiDAR系統之類的現象,即使采用光學濾光片,也可能使玻璃管液位計傾斜到比其能夠承受的光強還要高的水平。

 

玻璃管液位計.jpg

 

    由于克服了這些缺點,人們經?紤]將這些玻璃管液位計用于各種LiDAR應用。但是,上面提到的飽和度問題和其他困難使它們無法成為掃描遠程LiDAR的首選檢測器。

    砷化銦鎵(InGaAs)光電二極管檢測器
    這些玻璃管液位計通常以小尺寸用于電信玻璃纖維,是專用于軍事或航空航天領域的LiDAR的新產品。InGaAs材料被放棄了傳統的基于硅的構造。

    這種設計應該更加靈敏,并具有更高的功率輸出,因為激光系統是專為其更高的光譜(1550 nm與905 nm)而構建的。結果是汽車LiDAR系統的量程比大多數其他玻璃管液位計更長。

    但是,InGaAs檢測器的性能甚至會比正常的環境溫度稍高一些,從而使性能大大降低:即使在溫帶氣候下,玻璃管液位計也可能需要外部冷卻系統。此外,基礎材料比硅襯底的成本高得多,制造LiDAR使用所需的大尺寸InGaAs玻璃管液位計將比硅設計復雜得多。

    迄今為止,它們還沒有被大量生產。較后,由于這項技術是汽車LiDAR領域的新技術,因此OEM廠商需要花費大量時間,精力和金錢來嘗試圍繞任何InGaAs探測器開發新的LiDAR系統。

    雪崩光電二極管(APD)檢測器
    這些基于硅的光電探測器較初是為工業和軍事應用而創建的,它們使入射的光子能夠觸發電荷雪崩,將增益乘以其內部放大機制。它們的吸收優化結構將至少80%的激光反射905 nm反射光轉換為光電電流。結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技術之一。

    一個潛在的缺點是APD采用的雙極技術不適合普通CMOS制造,這意味著它們只能在少數供應商中找到。它們無法與其聯盟的CMOS電子器件在同一芯片上配對,但是經驗豐富的供應商可以在玻璃管液位計和電子器件緊密相鄰的芯片上設計封裝,這兩種封裝都可以在不犧牲性能的情況下進行擴展,以實現一流的性能。

    例如,APD玻璃管液位計陣列可以與經過特殊設計的跨阻放大器(TIA)配合使用-具有定制的增益和帶寬-可以將光電流轉換為電壓,并調節進入系統的信號以獲得高增益。這可以利用性能,特別是在光線較暗的情況下。

    APD是通過一種根深蒂固的,高生產率的商業制造方法創建的,并已在各種已在使用中的系統中進行了驗證。從本質上講,如果正確完成,它們將結合行之有效的性能和誘人的價格。當前,APD是汽車遠程LiDAR的首選探測器,在當今許多較先進的移動性系統中必不可少。

    選擇較好的玻璃管液位計供應商
    在確定理想的玻璃管液位計技術之后,LiDAR系統設計人員仍然面臨選擇正確的玻璃管液位計供應商的問題。必須仔細評估候選人:他們是否具備根據OEM的個人要求和市場改變其玻璃管液位計和系統的技術,能力和知識?他們是否將與OEM團隊一起在設計,生產和時間表上合作,以確保贏得市場?

    堅持經驗
    如果玻璃管液位計供應商必須加快其開發,制造,汽車認證和其他過程,那么LiDAR移動OEM將在較快的上市時間上敗北。

    玻璃管液位計供應商通過開展工作獲得經驗。一個好的競爭者將已經將他們的玻璃管液位計/檢測器技術應用于移動應用。這可能包括標準和定制的APD設計;標準和定制的模具,封裝和模塊的設計和制造;和杰出的電子產品。

    模型供應商將擁有公認的性能記錄,主要的LiDAR OEM廠商已經使用了汽車級APD和聯網電子產品。

    評估集成制造
    對于設計師而言,應該優先考慮的是具有相關技術優勢(包括較低噪聲和較高靈敏度)的供應商,以及應堅持對其領域進行整體控制的玻璃管液位計制造商。從加工芯片到預制玻璃管液位計系統,整個制造過程應連貫執行。通過內部制造所有中央組件,供應商保證了用于批量生產和售后市場的所有OEM產品的長期可及性。

    檢查定制能力
    成功的LiDAR系統生產商擁有較高的性價比。它可以幫助將給定的系統與其他超負荷市場分開,F成的玻璃管液位計很可能無法滿足要求,取而代之的是,必須經常對組件進行定制以使其完全適合首選的系統設計。

    系統制造商必須找到敏捷,反應靈敏的玻璃管液位計供應商。通常,供應商必須與OEM設計師合作,以使玻璃管液位計和鏈接的電子設備與系統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:團隊必須建立適合給定鏡頭選擇的玻璃管液位計幾何形狀;優化尺寸;并以其他方式適應每種獨特光學設計的形式。該團隊必須推斷出較好的通道數(并行接收的信號數),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,以使玻璃管液位計和電子設備之間的邊界盡可能短。

    較后,優秀的供應商應提供具有精細技術優勢(如多像素均勻性)的玻璃管液位計。如果光電二極管未標準化和/或來源多樣化,則在實際使用中它們將對環境溫度產生不同的響應。這會嚴重損害LiDAR掃描儀的性能。相比之下,即使在峰值距離處,多像素同質性也可以提供較緊密的信號信息分布。

    查詢汽車資質
    優秀的玻璃管液位計供應商應了解“道路規則”:應具備較新的汽車認證,韌性驗證以及分類標準和規定。示例包括獲得ISO / TS 16949汽車認證的生產和測試,以及AEC-Q 102和104汽車認證的APD陣列包裝。

    供應商應能夠將這些及其他適用標準應用于其所有組件和制造設施,遵守法規并幫助系統OEM避免責任。日益增長的監管是不可避免的。供應商應通過記錄的較好的實踐來證明合規性,例如,福特汽車公司在其Q計劃中發起的嚴格自我認證。

    搜索面向未來的支持
    除了從早期開發到維護服務的強大支持水平之外,供應商還應展示質量和交付性能的可靠記錄。玻璃管液位計設計應從系統設計之初就考慮在內。OEM越早包括玻璃管液位計供應商,整個設計/制造過程就變得越快和越容易,隨后的LiDAR系統的性能就越好。


    較后,供應商應繼續在這個快節奏的領域中展望未來的變化。正確的玻璃管液位計創建者將具有未來監管,業務和技術發展的創新路線圖,以幫助系統開發人員在這個快速變化的市場中發展。

    結論
    該玻璃管液位計是每個LiDAR系統必不可少的。系統設計人員可以從許多競爭的玻璃管液位計技術中進行選擇。許多設計工程師認為APD玻璃管液位計可提供性能和價格的較好的組合。LiDAR系統制造商還應考慮選擇玻璃管液位計供應商的方方面面,包括經驗,定制能力和汽車鑒定能力。隨著LiDAR和其他移動技術的不斷發展,正確選擇玻璃管液位計可以明顯地描繪出前進的道路。

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