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Figure 2 : Les caméras, le radar et le LiDAR fournissent
ensemble un champ de vision de 360° autour des véhicules
pour garantir la sécurité de ceux qui se trouvent à l’intérieur et à
l’extérieur. (Source de l’image : Analog Devices)
environ 75 000 USD, à des approches plus modernes coûtant
environ 1000 USD chacune. La réduction des coûts est principalement
due aux progrès des lasers et de l’électronique
associée. L’évolution vers des lasers à semi-conducteurs
uniquement (par opposition au type boîte rotatif) et la mise à
l’échelle associée dans les processus à semi-conducteurs sont
les principales raisons de la réduction du coût et de la taille.
Désormais, plusieurs capteurs LiDAR peuvent être placés à
l’avant et à l’arrière du véhicule, ainsi que sur les côtés, pour
une visibilité à 360°, et ce à un faible coût.
Une conception LiDAR typique peut être divisée en trois
sections principales : acquisition de données (DAQ), circuit
d’entrée analogique (AFE) et source laser (Figure 3).
Figure 3 : La décomposition d’un système d’évaluation LiDAR
montre qu’un LiDAR comprend trois sections principales :
acquisition de données, circuit d’entrée analogique et source
laser. (Source de l’image : Analog Devices)
Le système d’acquisition de données contient un convertisseur
analogique-numérique (CAN) haute vitesse et la puissance
et la synchronisation correspondantes pour collecter
les données ToF du laser et du circuit d’entrée analogique. Le
circuit d’entrée analogique contient le capteur de lumière APD
et l’amplificateur d’adaptation d’impédance pour capturer le
signal réfléchi. La chaîne de signaux complète met en forme
le signal de sortie APD, qui alimente le CAN dans la section
DAQ. Le circuit d’entrée analogique inclut également un délai
de temporisation dans sa sortie vers le système d’acquisition
de données. La partie laser contient les lasers et les circuits de
commande associés et transmet le signal de sortie laser initial.
CIRCUIT D’ENTRÉE ANALOGIQUE LIDAR
Comme illustré dans la Figure 4, une chaîne de signaux de récepteur
LiDAR d’exemple commence par une photodiode à avalanche
à faible capacité d’entrée et polarisation inverse haute
tension (-120 V à -300 V), suivie d’un amplificateur d’adaptation
d’impédance, tel que le LTC6561HUF#PBF d’Analog Devices.
Il est important de concevoir pour des capacités parasites de
circuit imprimé et d’entrée APD plus faibles afin de complémenter
le produit gain-bande passante (GBWP) 220 MHz haute
vitesse de l’amplificateur d’adaptation d’impédance. La section
d’entrée de l’amplificateur d’adaptation d’impédance requiert
une attention supplémentaire pour atteindre le niveau souhaité
d’intégrité des signaux et d’isolation des canaux afin d’éviter
d’ajouter du bruit au signal généré par la photodiode à avalanche,
maximisant ainsi le rapport signal/bruit (SNR) et le taux
de détection d’objets du système.
Pour améliorer l’intégrité des signaux, l’amplificateur
d’adaptation d’impédance est doté d’un filtre amplificateur
passe-bas, le LT6016 d›Analog Devices, qui atténue
l’oscillation des signaux haute vitesse. L’amplificateur
d’adaptation d’impédance convertit le courant de sortie de la
photodiode à avalanche (IAPD) en une tension de sortie, VTIA.
La tension VTIA est transmise à l›amplificateur séparateur
différentiel (ADA4950-1YCPZ-R7 d›Analog Devices) qui commande
l’entrée du CAN (non illustré).
Pour calculer la distance à l’aide de la valeur ToF, l’incrément
Figure 4 : Un circuit d’entrée analogique pour cette conception
inclut la photodiode à avalanche, l’amplificateur d’adaptation
d’impédance LTC6561 et l’amplificateur différentiel E/S
haute vitesse ADA4950. Le LT6016 est un filtre amplificateur
qui atténue l’oscillation des signaux haute vitesse. (Source
Analog Devices)
de la fréquence d’échantillonnage du CAN est utilisé pour déterminer
la résolution de l’impulsion lumineuse reçue.
Équation 1 où :
LS = Vitesse de la lumière (3 x 108 m/seconde (m/s))
fS = Fréquence d›échantillonnage du CAN
N = Nombre d’échantillons CAN dans l’intervalle de temps
entre le moment où une impulsion lumineuse est générée et
celui où sa réflexion est reçue. Par exemple, si la fréquence
d’échantillonnage du CAN est de 1 GHz, chaque échantillon
correspond à une distance de 15 cm.
Les incertitudes d’échantillonnage doivent être proches de
zéro, car même quelques échantillons d’incertitude résultent
en des erreurs de mesure considérables. Par conséquent,
les systèmes LiDAR utilisent des CAN et des amplificateurs
d’adaptation d’impédance en parallèle pour tendre vers une
incertitude d’échantillonnage nulle. Cette augmentation du
nombre de canaux accroît la dissipation de puissance et la
taille des circuits imprimés. Ces contraintes de conception critiques
exigent également des CAN à sortie série haute vitesse
avec des interfaces JESD204B pour résoudre les problèmes de
CAN parallèles.
CAPTEURS LIDAR
Comme mentionné, l’élément de détection clé dans un système
LiDAR est la photodiode à avalanche. La polarisation de
tension inverse de ces photodiodes, avec gain interne, s’étend
de quelques dizaines de volts à quelques centaines de volts.
Le rapport signal/bruit d’une photodiode à avalanche est
supérieur à celui d’une photodiode PIN. De plus, la réponse
temporelle rapide des photodiodes à avalanche, leur faible
courant d’obscurité et leur haute sensibilité les distinguent. La
plage de réponse spectrale d’une photodiode à avalanche se
situe entre 200 nm et 1150 nm pour correspondre à la plage
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