Lidar/Radar im Fahrzeug

Die Funktionsweise von Lidar ähnelt der von Radar, allerdings nutzt Lidar Infrarotstrahlen statt Funkwellen. (Bild: temp-64GTX @ AdobeStock)

Viele Menschen sind mit Radar vertraut. Es nutzt Funkwellen, um Objekte in einiger Entfernung zu erkennen. Lidar bietet eine ähnliche Funktion, verwendet jedoch Infrarotlicht (IR) anstelle von Funkwellen und wird häufig als Ergänzung zu Bildsensoren verwendet, um hochauflösende Tiefeninformationen für eine Szene zu liefern, die weitaus genauer sind als die von einem Radar erfassten Daten.

Da Fahrzeuge immer fortschrittlicher werden, erweist sich Lidar als nützliche Technik, um Fahrzeugen zu ermöglichen, ihre Umgebung zu verstehen. Während dies für menschliche Fahrer selbstverständlich ist, verlassen sich autonome Fahrzeuge auf Lidar für die Tiefenerkennung.

Auch andere Bereiche profitieren von Lidar, zumal dessen Fähigkeit, schnell großformatige und genaue 3D-Tiefenkarten zu erstellen, tagelange Arbeit mit herkömmlichen Vermessungsansätzen ersetzt. Landwirte verwenden die Technik häufig, um Ernteerträge zu bewerten und die Wirksamkeit von Pestiziden und/oder Düngemitteln zu bestimmen. Sie verwenden Lidar auch, um den Inhalt von Tanks und/oder Silos zu messen, ohne in Kontakt mit dem gelagerten Material kommen zu müssen.

Viele Menschen sind mit Radar vertraut. Es nutzt Funkwellen, um Objekte in einiger Entfernung zu erkennen. Lidar bietet eine ähnliche Funktion, verwendet jedoch Infrarotlicht (IR) anstelle von Funkwellen und wird häufig als Ergänzung zu Bildsensoren verwendet, um hochauflösende Tiefeninformationen für eine Szene zu liefern, die weitaus genauer sind als die von einem Radar erfassten Daten.

Da Fahrzeuge immer fortschrittlicher werden, erweist sich Lidar als nützliche Technik, um Fahrzeugen zu ermöglichen, ihre Umgebung zu verstehen. Während dies für menschliche Fahrer selbstverständlich ist, verlassen sich autonome Fahrzeuge auf Lidar für die Tiefenerkennung.

Auch andere Bereiche profitieren von Lidar, zumal dessen Fähigkeit, schnell großformatige und genaue 3D-Tiefenkarten zu erstellen, tagelange Arbeit mit herkömmlichen Vermessungsansätzen ersetzt. Landwirte verwenden die Technik häufig, um Ernteerträge zu bewerten und die Wirksamkeit von Pestiziden und/oder Düngemitteln zu bestimmen. Sie verwenden Lidar auch, um den Inhalt von Tanks und/oder Silos zu messen, ohne in Kontakt mit dem gelagerten Material kommen zu müssen.

Mit einem stärkeren Bewusstsein für Umweltfragen hilft Lidar dabei, das Schrumpfen von Gletschern, das Ausmaß der Abholzung oder die Erosion von Küstenlinien zu überwachen. Lidar kann klein und tragbar sein, sodass es sich an Drohnen anbringen lässt, um Vermessungen durchzuführen, ohne dass Personen potenziell gefährliche Bereiche wie bröckelnde Klippen betreten müssen.

Auch in Innenräumen kann Lidar nützlich sein. In intelligenten Fabriken, in denen auch Roboter arbeiten, kann ein Lidar-basiertes System sicherzustellen, dass sie mit Rücksicht auf menschliche Mitarbeiter sicher arbeiten. Lidar wird auch verwendet, um fahrerlose Transportfahrzeuge (FTS) bei der Navigation in Fabriken und Lagerhallen zu unterstützen, damit diese ihr Ladung effizient und sicher an den gewünschten Ort bringen.

dToF-Berechnungen
Bild 1: dToF-Berechnungen verwenden die Lichtgeschwindigkeit und Zeit, um die Entfernung zu berechnen. (Bild: ON Semi)

Diese Lidar-Ansätze gibt es

dToF-Lidar (direct Time-of-Flight) ist der einfachste Ansatz, der einen IR-Laserlichtpuls, einen Empfänger und einen Timer erfordert. Dabei sendet das Lidar-System einen Puls aus mit dem auch ein Timer startet. Sobald das Echo empfangen wird, stoppt der Timer, um die Flugzeit (ToF) zu ermitteln. Da die Lichtgeschwindigkeit bekannt ist, lässt sich über einfache Berechnungen die Entfernung zum Objekt genau ermitteln.

Eine nützliche Funktion von dToF ist die Fähigkeit, mehrere Echos zu erfassen und damit mehrere Objekte zu erkennen. Die Technik ist hochflexibel und über Distanzen von Zentimetern bis zu mehreren hundert Metern genau.

Bei einer anderen Technik, die als indirektes ToF-Lidar (iToF) bekannt ist, sendet der Laser eine kontinuierliche Lichtwelle aus. Die Phase des gesendeten Strahls wird mit dem Echostrahl verglichen, um die Entfernung zu bestimmen. Obwohl iToF häufig verwendet wird, ist es auf kurze Entfernungen von bis zu zehn Metern beschränkt und kann nicht mehrere Objekte erkennen, da nur das stärkste Echo erfasst wird.

FMCW-Lidar (Frequency Modulated Continuous Wave) verwendet ebenfalls eine kontinuierliche Laserlichtwelle. Diese wird mit dem Echo gemischt, und über die resultierende Schwebungsfrequenz lässt sich die Entfernung des Objekts bestimmen. FMCW wird für den Nah- und Fernbereich verwendet. Die größte Einschränkung sind jedoch die Kosten für den erforderlichen abstimmbaren Laser.

Neben der Wahl der Lidar-Technik müssen Entwickler auch eine Entscheidung über die Wellenlänge des IR-Lichts treffen, auf der das System basieren soll. Sie haben die Wahl zwischen dem Nahinfrarot-/NIR-Spektrum mit den üblichen Wellenlängen 850, 905 und 940 nm sowie dem Kurzwellen-Infrarot-/SWIR-Spektrum mit 1550 nm als gängiger Wellenlänge. Entwickler müssen bei ihrer Wahl die Leistungsfähigkeit des Systems, die Verfügbarkeit von Bauelementen und die Systemkosten berücksichtigen.

Meist ist NIR die bevorzugte Wellenlänge. Obwohl SWIR-Detektoren verfügbar sind, basieren sie auf teuren III/V-Halbleitern wie InGaAs-Legierungen, während NIR-Detektoren kostengünstige CMOS-basierte Siliziumdetektoren verwenden können. Hinzu kommt, dass die Laser von kantenemittierenden Lasern (EEL; Edge Emitting Laser) auf oberflächenemittierende Laser mit vertikaler Kavität (VCSEL; Vertical Cavity Surface Emitting Lasers) übergegen. Damit übersteigt das VCSEL-Angebot von NIR-Lieferanten bei weitem das Angebot für SWIR-Wellenlängen.

Bei gutem Wetter kann SWIR aufgrund seiner Fähigkeit, eine für die Augen sicherere Laserleistung auszugeben, NIR übertreffen. SWIR-Licht wird allerdings von Feuchtigkeit absorbiert, was zu Leistungseinbußen bei SWIR-Lidar unter widrigen Wetterbedingungen wie Regen oder Nebel führt, die größer ausfallen als bei NIR-Lidar.

Was den Preis betrifft, so kostet NIR laut einer unabhängigen Studie von IHS Markit derzeit etwa 4 bis 20 US-$ pro Kanal für die Detektor- und Beleuchtungskomponenten, während die Kosten für SWIR etwa 275 US-$ pro Kanal betragen (Amsrud, 2019). Da SWIR gegenüber NIR nur wenige echte Vorteile bietet, ist dies einer der zwingendsten Gründe, sich für NIR in Lidar-Designs zu entscheiden.

Überblick Lidar-Techniken
Bild 2: Die drei wesentlichen Lidar-Techniken bieten unterschiedliche Vorteile. (Bild: ON Semi)

Lidar-Komponenten

Die beiden wichtigsten Bestandteile eines Lidar-Systems sind der Laser und das Sensorelement. Jeder spielt eine Rolle bei der Leistungsfähigkeit des Systems, insbesondere bei der Entfernung, über die Lidar erfolgreich arbeiten kann. Da die Laserleistung durch IEC60825 begrenzt ist, um einen sicheren Betrieb zu gewährleisten, spielt somit der Sensor für die Leistungsfähigkeit des Systems eine entscheidende Rolle.

Silizium-Photomultiplier (SiPMs) haben aufgrund ihrer Leistungsfähigkeit frühere Sensoren ersetzt, die als Photodetektoren für Lidar verwendet werden, wie Avalanche-Photodioden und PIN-Photodioden. Diese hochverstärkenden Sensoren weisen eine stabile Leistungsfähigkeit über der Temperatur auf, können einzelne Lichtphotonen erkennen und bieten das höchste Signal-Rausch-Verhältnis. SiPMs werden in CMOS-Prozessen in Serie gefertigt, was sich in niedrigsten Detektorkosten widerspiegelt.

Ein solcher CMOS-Prozess ist der RDM-SiPM-Prozess von ON Semiconductor. Dieser bietet eine hervorragende Empfindlichkeit gegenüber NIR-Licht. Das Verfahren erreicht eine führende Photonendetektionseffizienz (PDE) von 18,5 % bei Wellenlängen von 905 nm mit einer Empfindlichkeit von mehr als 100 kA/W. Das ArrayRDM-0112A20-QFN – ein monolithisches 1×12-Array mit 0,47 mm × 1,12 mm SiPM-Pixeln – ist das branchenweit erste Produkt in Automotive-Qualität und basiert auf diesem Prozess für Lidar-Anwendungen.

Das Array stellt sicher, dass Lidar-Systeme auch bei Objekten mit geringem Reflexionsvermögen über große Entfernungen arbeiten können, da es auf 12 Kanälen gleichzeitig einzelne Lichtphotonen erkennen kann, die vom Ziel reflektiert werden. Das Array wurde gemäß IATF 19649 entwickelt und verfügt als erstes seiner Art über die AEC-Q102-Zulassung, was den Einsatz in allen Arten von Automotive-Lidar-Systemen ermöglicht.

Es wird in einem praktischen, robusten 10 mm × 5,2 mm QFN-Gehäuse ausgeliefert, das den Zugriff auf die zwölf einzelnen Pixel ermöglicht.

Fazit

Da Lidar die Tiefe einzelner Objekte oder großer Flächen schnell und genau bestimmen kann, ist es in einer Reihe von Anwendungen äußerst nützlich – von der Automobilindustrie bis zur Landwirtschaft.

Lidar arbeitet ähnlich wie Radar, ersetzt aber die Funkwellen durch IR-Licht. Entwickler haben die Wahl, welche Wellenlänge sie verwenden – aber basierend auf der Leistungsfähigkeit, Verfügbarkeit von Bauelementen und kommerziellen Erwägungen ist NIR die bevorzugte Wellenlänge.

Für Lidar ist die Laserlichtquelle eine entscheidende Komponente, die letztlich kurze Laserpulse mit vorgesehener Leistung (Augenschutz) abgeben muss. Daher hat die Wahl des Detektors einen noch bedeutsameren Einfluss auf die Leistungsfähigkeit des Systems. Das aktuelle SiPM-Array von ON Semiconductor ist der erste Detektor dieser Art mit AEC-Q102-Zulassung für Automotive-Anwendungen und bietet eine hervorragende Erkennung für eine Vielzahl anspruchsvoller Anwendungen.

Autor

Joseph Notaro

Vice President und Worldwide Automotive Strategy und Business Development bei ON Semiconductor

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