Mit LiDAR und InGaAs zum vollständig autonomen Fahren

LiDAR (Light Detection and Ranging) ist als optische Abstands- und Geschwindigkeitsmessung inzwischen eine entscheidende Komponente im Fahrzeugbau. Fortschrittliche Fahrerassistenzsysteme (ADAS) nutzen diese Technik, die vom Level 3 bis hin zur vollständigen Autonomie reicht.

LiDAR sendet Infrarot-Lichtimpulse, die ein Laser in einem schwingenden Muster erzeugt. Der Erkennungsschaltkreis berechnet die Zeit, die jeder von den Objekten im LiDAR-Abtastbereich reflektierte Lichtimpuls benötigt, um die Fotodetektoren zu erreichen. Die Software schätzt anhand der Verzögerung die Entfernung zum Objekt und kann weitere Eigenschaften wie Impulsstärke und -form nutzen, um zusätzliche Informationen über jedes erkannte Objekt zu erhalten.

Entfernung, Form und Größe bestimmen

Anhand des Winkels des ursprünglich ausgesendeten Impulses in der horizontalen und vertikalen Ebene und der Entfernung zum Objekt erstellt die Software ein dreidimensionales Modell des Raums im Sweep-/Abtastbereich in Kugelkoordinaten. Die Software kann so die LiDAR-Messwerte nutzen, um die Umgebung im Abtastbereich des Instruments abzubilden.

Durch die Echtzeit-Erkennung von Gefahren für ein Fahrzeug ist LiDAR heute eine Kernkomponente von ADAS auf höherer Ebene. Obwohl oft in Verbindung mit Radar eingesetzt, ist LiDAR dem überlegen aufgrund der Fähigkeit, nicht nur die Entfernung zu potenziellen Hindernissen, sondern auch deren Form und Größe genau zu bestimmen.

Es gibt zwei Wellenlängen des Infrarotlichts, die im Fahrzeugbau als geeignet für ADAS gelten. Eine davon ist 905 nm, die im Infrarotbereich nahe dem sichtbaren Licht liegt. 905-nm-Licht ist jedoch mit mehreren Problemen behaftet. Eines davon ist die Interferenz mit natürlichem Sonnenlicht und anderen Umgebungslichtquellen, da die Wellenlänge nicht weit außerhalb des sichtbaren Spektrums liegt.

Ein weiteres Problem bei 905-nm-Licht ist die Sicherheit der Augen. Da diese Wellenlänge von Wasserdampf und Staub absorbiert wird, ist bei längerer Verwendung eine hohe Laserleistung erforderlich. Diese birgt jedoch die Gefahr, die Augen von Verkehrsteilnehmern und Fußgängern zu schädigen. Daher wird 905 nm jetzt als besser geeignet für LiDAR-Anwendungen mit kurzer Reichweite an den Seiten und Ecken des Fahrzeugs angesehen, wo die Laserleistung niedrig bleiben kann.

Die Wellenlänge 1550 nm dagegen liegt weit genug vom sichtbaren Spektrum entfernt, um den Einsatz von Lasern zu ermöglichen, die wesentlich leistungsfähiger als 905-nm-Laser sind und dennoch als augensicher gemäß Klasse 1 gelten. In Verbindung mit einer besseren Durchdringung von Nebel, Dunst und Staub eignet sich diese Wellenlänge besser für nach vorne gerichtete LiDAR-Systeme, die potenzielle Hindernisse in einem Abstand von mehr als 100 Metern zum Fahrzeug erkennen müssen – eine wichtige Voraussetzung für das automatisierte Fahren bei Autobahngeschwindigkeit.

Die Wellenlänge 1550 nm bringt weitere Vorteile mit sich. Dazu gehören geringere Störungen durch Sonnenlicht im Vergleich zu 905 nm und eine bessere Kompatibilität mit den im Telekommunikationsbereich verwendeten Glasfaserkomponenten. LiDAR-Systeme auf Basis von 1550-nm-Lasern können von der ausgereiften Glasfasertechnik und den für die Telekommunikationstechnik hergestellten Komponenten und Infrastrukturen profitieren, was die Kosten senkt und die Zuverlässigkeit erhöht.

Auch die Erkennungsempfindlichkeit unterscheidet sich im Vergleich zu 905 nm. Sensoren erkennen Licht einfacher, das von Objekten mit hoher Absorption reflektiert wird, etwa von einem auf der Straße liegenden Reifen. Das rechtzeitige Erkennen solcher Objekte über große Entfernungen, damit ein ADAS reagieren kann, erfordert jedoch immer noch eine hohe Empfindlichkeit der Sensoranordnung – selbst bei höheren Laserleistungen.

Absorption und Reflexionen von schrägen Oberflächen sowie atmosphärische Bedingungen erschweren die Erkennung des zurückkehrenden Lichts, vor allem in Umgebungen mit vielen Störungen. Daher kommt der Leistungsfähigkeit der Sensorelemente eine große Bedeutung zu.

Während Silizium-Fotodioden meist für Anwendungen mit einer Wellenlänge von 905 nm zum Einsatz kommen, bieten Verbindungshalbleiter wie Indium-Gallium-Arsenid (InGaAs) eine höhere Empfindlichkeit bei der längeren Wellenlänge von 1550 nm. Die Lawinen-Fotodiode (avalanche photodiode, APD) auf der Basis von InGaAs bietet dabei den Vorteil, die in LiDAR-Anwendungen erwarteten, schwachen Lichtsignale zu verstärken.

Treffen Photonen auf die Absorptionsschicht einer APD, erzeugen sie Paare von Elektronen und Löchern, wobei die Elektronen durch die freigesetzte Energie in das Leitungsband übergehen. Eine vertikal an die APD angelegte Sperrvorspannung beschleunigt die Elektronen des Leitungsbands in Richtung der positiv geladenen Anode. Dringen die Elektronen in die Avalanche-Schicht ein und stoßen mit den darin befindlichen Atomen zusammen, erzeugt die dabei freigesetzte kinetische Energie zahlreiche weitere Elektronen-Loch-Paare. Der Avalanche-Effekt führt zu einem höheren Fotostrom, als er allein durch die anfängliche Photonenwechselwirkung möglich wäre. Der höhere Ausgangsstrom, der sich aus dem Avalanche-Effekt ergibt, verbessert die Fähigkeit der Ausleseschaltung, das Signal zu registrieren.

LiDAR-Systeme verwenden auch einen Transimpedanzverstärker (transimpedance amplifier, TIA), um die von einer APD erzeugten Stromimpulse in Spannungsimpulse umzuwandeln. Diese Signale lassen sich leichter von einem Zeit-Digital-Wandler verarbeiten, der die für den Erkennungsalgorithmus erforderlichen Informationen liefert. Eine höhere Verstärkung der APD liefert stärkere Ausgangspegel für jeden Impuls, aber das Hintergrundrauschen wird zu einem Problem. Dieses Rauschen entsteht aufgrund des statistischen Charakters des Avalanche-Prozesses, da die Anzahl der von jedem einfallenden Photon ausgelösten Zusammenstöße stark schwanken kann. Ist eine Diode für eine zu hohe Verstärkung ausgelegt, führt dies zu übermäßigem Hintergrundrauschen im TIA-Ausgang, was kleinere Impulse von weit entfernten Objekten mit geringem Reflexionsvermögen überdecken kann.

Der Überschussrauschfaktor hängt stark vom Verhältnis der Stoßionisationskoeffizienten von Löchern und Elektronen ab, das idealerweise unter 1 liegen sollte. Nähert sich dieses Verhältnis dem Wert 1, begrenzt der resultierende Überschussrauschfaktor die nutzbare Verstärkung in herkömmlichen InGaAs-Dioden auf unter 40, obwohl dieser Rauschfaktor besser ist als bei Germanium-basierenden Bausteinen. Das deutlich niedrigere Ionisationsverhältnis von Silizium ermöglicht es, die in 905-nm-LiDAR-Schaltungen verwendeten APDs mit einer Verstärkung von mehreren Hundert oder mehr zu betreiben.

Forscher der University of Sheffield (GB) zeigten auf, dass die Zugabe einer Antimonlegierung zum InGaAs-Herstellungsprozess den übermäßigen Rauschfaktor herkömmlicher Bauelemente unterdrückt. Phlux Technology hat in achtjähriger Forschungs- und Entwicklungsarbeit auf der Grundlage dieser Erkenntnisse eine Reihe von APDs optimiert, die mit Verstärkungen von 120 oder mehr arbeiten können, bevor das Rauschen problematisch wird. Im Vergleich zu herkömmlichen InGaAs-Bauelementen zeichnen sich diese Bauelemente auch durch eine schnellere Erholung nach Überlastung aus. Dadurch lassen sich schwächere Sekundärpulse, die einem großen Puls dicht folgen, zuverlässig erkennen. Ein weiterer Vorteil ist eine Temperaturdrift, die zehnmal geringer ist als bei Bauteilen ohne Antimonlegierung, sowie eine stabilere Leistung bei hohen Temperaturen.