Как построить лидарную систему с преобразователем время-цифра

Введение

Во многих случаях невозможно измерить расстояние до цели путем установления физического контакта. Типичными примерами являются измерение наличия предметов на конвейерной ленте в логистических центрах или определение безопасных расстояний вокруг движущихся манипуляторов робота. Возможные варианты бесконтактного измерения расстояния включают использование вихревых токов, ультразвука и света.

В системах обнаружения объектов и определения дальности с помощью света (Light distance and ranging, LIDAR), или лидарах, для измерения расстояния до объекта используется время, затрачиваемое светом на путь туда и обратно. Лидарная система может быть построена с использованием либо высокоскоростного АЦП, либо преобразователя время-цифра (Time-to-Digital Converter, TDC). TDC могут быть внутренним таймером микроконтроллера/ микропроцессора, специализированной логикой на основе программируемой вентильной матрицы (FPGA) или, проще говоря, специализированной интегральной схемой TDC. Эта статья представляет собой введение в проектирование систем на основе TDC и охватывает вопросы оптического и аналогового входного интерфейса, а также базовую обработку сигналов для TDC.

Оптическая конструкция

Чтобы помочь в определении параметров электронной системы, ниже приведен список требований к оптическим элементам, которые могут повлиять на электронную систему:

• Поля зрения передающей и приемной линз должны перекрываться. Это требование определяет минимальное расстояние обнаружения.
• Для максимального увеличения энергии, получаемой фотодиодом, могут потребоваться оптические компоненты. Это достигается за счет фокусировки энергии на активной области фотодиода.
• Для коррекции астигматизма лазерного светодиода может потребоваться оптический компонент. Без коррекции лазерный луч будет расходиться, что уменьшит максимальное расстояние обнаружения. После коррекции световой луч считается коллимированным.

Расхождение лазерного луча в полупроводниковых лазерных светодиодах происходит из-за того, что их механическая структура вынуждает свет дифрагировать при выходе из полупроводниковой подложки. Длина щели в горизонтальном направлении оказывается больше, чем в вертикальном (Рисунок 1).

Рисунок 1.	Горизонтальные и вертикальные углы дифракции полупроводникового лазерного светодиода.

Элементы конструкции большинства лазерных светодиодов расположены вертикально, так что горизонтальная щель создает луч, дифракционный угол которого больше в вертикальном направлении, чем в горизонтальном.

В качестве первого приближения будем считать, что угол дифракции луча составляет от 30 до 40 градусов по перпендикулярной оси и 10 градусов по параллельной оси. Разница в расхождении между вертикальной и горизонтальной осями приводит к требованию учета астигматизма.

На основании приведенного выше описания, уравнение для дальности действия радиолокатора можно адаптировать к лидарной системе с использованием уравнения (1).

(1)

где:

P_RX – мощность, принятая чувствительным элементом лидара;
P_TX – мощность, излученная активным элементом лидара (световой поток);
G_TX – КПД передающего элемента;
G_RX – КПД приемного элемента;
R – полудиаметр оптического приемного элемента (и πR² – площадь поверхности);
2π – телесный угол, под которым свет дифрагирует на цели;
D – расстояние между целью и чувствительным элементом.

Уравнение (1) основано на предположении, что вся переданная энергия достигает цели. Если это не так, то при отсутствии линз, корректирующих расходимость луча при использовании светодиодов, P_RX будет функцией 1/D⁴, а не 1/D².

Фоновый свет, длина волны и максимальный диапазон обнаружения

Для определения максимально возможного количества энергии солнечного света, которое может насытить приемный тракт, рекомендуется использовать стандарт ASTM G-173 [1]. Плотность мощности солнечного света на поверхности Земли составляет 0.62913 Вт/м² на длине волны 905 нм. Если предположить, что диаметр линзы приемника равен 1.5 см, датчик, направленный прямо на солнце, будет получать 1.4 мкВт. Это значение 1.4 мкВт можно рассматривать как наихудший случай (который некоторые могут посчитать нереалистичным) для определения параметров сигнальной цепи.

Хотя для оценки уровня насыщения приемного тракта важно учитывать окружающее освещение, для оценки чувствительности канала приема также следует учитывать отражение от цели и дифракцию. Это, по-видимому, наименее документированный аспект на системном уровне. Помимо стандарта ISO16331, в котором указан диапазон коэффициентов отражения от 20% до 80%, других источников информации практически нет. По данным компании Riegl, асфальт на длине волны 905 нм имеет самый низкий относительный коэффициент отражения – 10%, а снег – один из самых высоких – 90% [2].

Безопасность глаз

Стандарт IEC 60825 [3] является ключевым фактором обеспечения безопасности глаз при проектировании лазерных систем. Ни один проект не следует начинать, не ознакомившись с этим стандартом.

Рассмотрев общие аспекты лидарной системы, теперь перейдем к некоторым ключевым электронным подсистемам.

Аналоговый входной интерфейс

Начальные характеристики входного интерфейса будут получены на основе показанных в Таблице 1 уровней мощности, принимаемой фотодатчиком при различных расстояниях, уравнения (1) и следующих допущений:

• G_TX = 1.
  Свет идеально коллимирован и достигает цели на 100%;
• G_RX = 0.5 А/Вт.
  Среднее значение чувствительности фотоэлемента;
• P_TX = 70 Вт.
  Из технического описания лазерного диода, используемого в лидаре;
• R = 1.5 см.
  Радиус линзы приемника.

Таблица 1.	Зависимость мощности, принимаемой фотодатчиком, от расстояния
Расстояние (м) PRX 10 80 мкВт 30 9 мкВт 100 0.8 мкВт

Фотодиод генерирует небольшой ток, пропорциональный принимаемой мощности. На каждый ватт получаемой мощности фотодиод обычно генерирует 0.5 А. Для получения напряжения, которое может использоваться остальной частью сигнальной цепи, используется особая топология усилителя – трансимпедансный усилитель (TransImpedance Amplifier, TIA). Это означает, что для целевого объекта на расстоянии 100 м будет генерироваться ток 0.4 мкА.

Для такого приложения можно использовать, например, усилитель OPA857, обеспечивающий внутреннее усиление 5,000 или 20,000, которое можно выбрать с помощью специального входа этого устройства. При коэффициенте усиления 20,000 и на максимальном расстоянии необходимо обеспечить разрешение размаха выходного напряжения 8 мВ.

Хотя рассмотрение деталей конструкции TIA выходит за рамки данной статьи, нужно отметить, что способность TIA обнаруживать небольшие изменения напряжения, а также напряжения смещения компаратора характерны для конструкций лидаров. При выборе компонентов такой схемы необходимо с максимальным вниманием отнестись к входному напряжению смещения компаратора и выходному напряжению смещения усилителя.

Соображения по поводу точности измерений

Помимо входного шума, внутренних электрических шумов и джиттера, существует специфическая погрешность измерения положения принятого импульса, называемая «ошибка измерения времени» (Рисунок 2) [4]. Ошибку измерения времени проще всего понять, рассмотрев влияние переменных уровней отражательной способности на принимаемый сигнал. Поскольку время нарастания передаваемого сигнала конечно, время нарастания принимаемого сигнала будет таким же. Это означает, что принимаемый сигнал пересекает заданный порог (V_TH на Рисунке 2) в разные моменты времени (t1 и t2, соответственно), в зависимости от его полной амплитуды.

Рисунок 2.	Влияние амплитуды принятого сигнала на оценку времени пролета.

Обработка сигналов для TDC

Помимо сравнения сигнала с порогом перед запуском TDC, также крайне мало литературы по обработке сигналов. Поэтому необходимо рассмотреть несколько вариантов, чтобы обеспечить более эффективную обработку сигналов в системах на основе TDC и еще больше повысить их точность и надежность.

Сигнальная цепочка для установки на основе TDC

Обработка сигналов с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП) преподается на всех курсах электроники и основана на теории дискретизации Гарри Найквиста и более поздних работах Клода Шеннона. Работа Шеннона 1948 года «Математическая теория связи» привела к созданию теоремы дискретизации Найквиста-Шеннона [2].

Чтобы работать с цифровыми выборками, получаемыми от TDC, сначала посмотрим на проблему с другой стороны. В Таблице 2 приведен обзор различий и сходств между способами получения выборок с помощью АЦП и TDC.

Таблица 2.

Сравнение способов получения выборок, основанных на использовании АЦП и TDC

Ключевые аспекты Выборка с помощью АЦП Выборка с помощью TDC Запуск преобразования Тактовый вход (внутренний или внешний) или вход запуска По пересечению уровня Информация об аналоговой амплитуде сигнала Точность до погрешности квантования Точное, но меньшее количество шагов Цифровой выход Цифровое представление входного напряжения Цифровое представление времени в момент пересечения порога Основные шумовые характеристики Шум напряжения Джиттер

Прежде чем рассматривать особенности обработки сигналов, создаваемых в TDC, полезно ознакомиться с малоизвестной публикацией Bell Labs. В 1976 году Б. Ф. Логан (B.F. Logan) опубликовал статью «Информация о переходах через ноль полосовых сигналов», в которой он описал подкласс полосовых сигналов h, пересечения с нулем которых определяют h с точностью до постоянного множителя. Другими словами, если выборка сигнала с ограниченной полосой выполняется в тот момент, когда сигнал пересекает ноль, полученной информации достаточно для восстановления всех параметров сигнала, за исключением амплитуды.

Значит, имеет смысл приступить к созданию системы на основе TDC, в которой фиксируются моменты пересечении нуля нарастающими и спадающими фронтами сигнала. Эта информация – все, что необходимо для цифровой обработки и расчета времени пролета.

Корреляция во временной области

Рисунок 3.	Произвольный шаблон передачи 11001111.

Поскольку публикаций о том, как использовать информацию, полученную при пересечении нуля, немного, можно дать очень общее определение технологии обработки сигнала, полученного из нарастающих и спадающих фронтов TDC. Такая обработка называется корреляцией во времени. Временнáя корреляция схожа с классической корреляцией в том, что она позволяет вычислить время пролета даже при наличии шума. Однако она также отличается тем, что временнáя корреляция не включает информацию об амплитуде, поэтому ее необходимо добавлять искусственно. Предположим, что сигнал равен 0 до нарастающего фронта и 1 после него, и, соответственно, 1 до спадающего фронта и 0 после него. С учетом теоремы Логана была построена простая схема реконструкции сигнала, подходящая для двоичной логики микроконтроллеров и цифровой логики. Эта концепция иллюстрируется Рисунком 3 для типичного сигнала с произвольными единицами времени. На Рисунке 4*⁾ показан ожидаемый выходной сигнал компаратора при отсутствии каких-либо помех.

Рисунок 4.	Выходной сигнал компаратора в отсутствие шума*).

После того, как микроконтроллер считывает значения TDC, в памяти сохраняются значения [10,+], [14,–], [17,+] и т. д. Число – это отметка времени, а символ указывает, является ли фронт нарастающим или спадающим. Простая подпрограмма может расширить этот подход до массива, что отражено на Рисунке 4*⁾. Если теперь предположить, что сигнальная цепь зашумлена, возможный выходной сигнал компаратора показан на Рисунке 5. Порог переключения компаратора обычно должен быть в три или более раза выше среднеквадратичного уровня шума, в зависимости от принятого компромисса между ложноположительными и ложноотрицательными результатами. Теперь порог можно значительно снизить, уменьшив количество ложноотрицательных результатов.

Рисунок 5.	Выходной сигнал компаратора, подаваемый на TDC, при наличии шума.

При классическом подходе подпрограмма микроконтроллера может учитывать время пролета, равное пяти произвольным единицам времени. На Рисунке 6 показана простая взаимная корреляция между передаваемым сигналом без помех и принятым зашумленным сигналом. Обратите внимание, что правильное время пролета, равное 10 единицам, явно является максимумом корреляции, что и является ожидаемым результатом.

Сравнивая Рисунок 6б с Рисунком 5, можно увидеть, что на Рисунке 6б представлена гораздо более точная оценка времени пролета. Это связано с тем, что временем пролета считается положение первого нарастающего фронта на Рисунке 5 (или второго, или третьего, в зависимости от реализации), которое может быть легко искажено шумом.

Рисунок 6.	Корреляция между передаваемыми и принимаемыми сигналами.

Систему для корреляции во временнóй области можно легко спроектировать, используя две одноканальные микросхемы TDC (TDC7200) или одну двухканальную (TDC7201), при этом каждый канал можно настроить либо на нарастающий, либо на спадающий фронт.

Заключение

Разработка систем измерения расстояния, основанных на времени прохождения света, может быть сложной, но и полезной задачей. Чтобы помочь разработчикам в процессе принятия решений, в этой статье были рассмотрены основные аспекты оптического проектирования, необходимые для определения характеристик аналогового входного интерфейса. Также были рассмотрены общие аспекты построения аналогового входного каскада и некоторые новые способы применения TDC для создания лидарных систем, использующих корреляцию во временной области для повышения помехоустойчивости.

Ссылки

1. “Reference Solar Spectral Irradiance: ASTM G-173,” Renewable Resource Data Center (RReDC)
2. Martin Pfennigbauer and Andreas Ullrich, “Multi-Wavelength Airborne Laser Scanning,” ILMF 2001, February 7-9, 2011
3. “Safety of laser products - Part 1: Equipment classification and requirements,” International Electrotechnical Commission, IEC 60825-1:2014
4. Sami Kurtti, “Integrated receiver channel and timing discrimination circuits for a pulsed time-of-flight laser range finder,” University of Oulu, January 18, 2013
5. C. E. Shannon, “A Mathematical Theory of Communication,” The Bell System Technical Journal, Vol 27, pp 379–423, 623–656, July, October, 1948
6. B. F. Logan, Jr., “Information in the Zero Crossings of Bandpass Signals,” The Bell System Technical Journal, Vol 56, pp 487-510, April 1977
7. M. Amann, T. Bosch, R. Myllyla, M. Lescure and M. Rioux, “Laser ranging: a critical review of usual techniques for distance measurement,” SPIE Digital Library, Opt. Eng. 40(1), 10-19, Jan 01, 2001

---

*⁾ Рисунок 4 аналогичен Рисунку 3, за исключением того, что он задержан на пять единиц времени.

Материалы по теме

1. Datasheet Texas Instruments TDC7200
2. Datasheet Texas Instruments TDC7201