La compréhension du fonctionnement d'un LiDAR montre l'importance d'une sélection rigoureuse des amplificateurs d'adaptation d'impédance et des comparateurs

Le LiDAR (télédétection par laser) est aujourd'hui plus largement associé au domaine de la conception automobile, où des rêveurs pensent qu'il peut contribuer à la réalisation d'un avenir « mains libres ». Plus précisément, des signaux optiques contrôlés numériquement sont émis par un instrument de balayage 3D qui détecte les signaux réfléchis pour analyser l'environnement et contribuer au développement de systèmes d'aide à la conduite (ADAS) de plus en plus avancés. Ces rêveurs ont eu une bonne idée, même si les implémentations sont aujourd'hui très différentes de l'approche originale (Figure 1).

Figure 1 : Les capteurs LiDAR automobiles sont des composants essentiels pour les systèmes d'aide à la conduite, bien qu'ils aient considérablement évolué depuis l'approche initiale. (Source de l'image : Research Gate)

Les premiers développeurs ont pensé qu'une image à 360 degrés était la voie à suivre, mais cette solution était un peu coûteuse, ce qui l'a empêchée d'être pleinement commercialisée. Il semble désormais que les applications automobiles ne requièrent que la capacité de cartographier vers l'avant, vers l'arrière à la demande, et occasionnellement vers la droite et la gauche, ce qui ouvre la voie à des conceptions plus économiques.

Mais je m'égare. Se concentrer uniquement sur les systèmes automobiles ne rend pas justice au potentiel du LiDAR. Nous allons donc adopter une perspective globale du LiDAR, en commençant par comprendre son fonctionnement.

Les amplificateurs d'adaptation d'impédance dominent le cœur du LiDAR

La clé du LiDAR est de mesurer le temps de vol (ToF) d'un signal optique entre le moment où le signal est émis et celui où il revient sous forme de réflexion sur un objet. La technologie fonctionne très bien avec une chaîne de signaux numériques envoyés d'un circuit d'attaque laser à une diode laser. Le système LiDAR recherche les fronts des signaux plutôt que la fréquence des signaux (Figure 2). Cette méthode de détection repose sur un amplificateur d'adaptation d'impédance (TIA) approprié.

Figure 2 : La diode laser émet une impulsion lumineuse numérique, et un amplificateur d'adaptation d'impédance capture l'impulsion de retour. (Source de l'image : Analog Devices Inc./Maxim Integrated)

Dans la Figure 2, le circuit de récepteur de signaux LiDAR comprend un amplificateur d'adaptation d'impédance à large bande passante MAX40660 d'Analog Devices/Maxim Integrated et un comparateur (COMP) haute vitesse de 280 picosecondes (ps) à dispersion ultrafaible MAX40025 d'Analog Devices Inc./Maxim Integrated.

Le MAX40660 constitue le maillon récepteur de la chaîne de mesure de distance optique. Il a été conçu pour le LiDAR automobile et, en plus d'un faible bruit, d'un gain élevé et d'un faible temps de propagation de groupe, il offre une fonction de récupération de sortie rapide après une surcharge, un limiteur de courant d'entrée et une densité de bruit rapportée à l'entrée de 2,1 picoampères (pA). Il a une transimpédance de 25 kilohms (kΩ) et 50 kΩ sélectionnable par broche, et une large bande passante de 490 mégahertz (MHz) (typique) avec une capacité d'entrée de 0,5 picofarad (pF).

Le frontal de ce système de détection optique est essentiellement un photodétecteur qui s'appuie sur des choix de conception réfléchis et la mise en œuvre de meilleures pratiques pour capturer efficacement le signal optique. Cela se traduit par un amplificateur d'adaptation d'impédance avec des spécifications de largeur de bande et de bruit uniques permettant la détection d'objets fixes ou mobiles. La large bande passante de l'amplificateur d'adaptation d'impédance MAX40660 permet de capturer les différents détails de conditions physiques, et son faible bruit réduit le niveau de distorsion.

Le comparateur haute vitesse MAX40025 fonctionne comme un convertisseur analogique-numérique (CAN) à un bit. La dispersion de dépassement est extrêmement faible à 25 ps, ce qui rend ce comparateur idéal pour les applications de mesure de distance ToF. Avec le MAX40025, le signal optique TIA est converti en un « 0 » ou un « 1 » propre avec le délai de propagation typique de 280 ps du comparateur.

Selon la distance parcourue, la lumière incidente sur D₁ peut être vive ou atténuée. De plus, il peut y avoir des contaminants dans l'atmosphère et, pour rendre le système encore plus confus, il peut y avoir des lumières fantômes qui interfèrent.

Pour compenser ces effets, l'utilisation efficace des systèmes LiDAR dans le monde réel relève de plusieurs disciplines. Les applications automobiles nécessitent la fusion de systèmes de capteurs LiDAR, radar et caméra. La cartographie à l'aide de drones et de GPS fournit aux chercheurs et aux ingénieurs des images 3D détaillées qui leur permettent de jeter les bases de projets de construction. La cartographie bathymétrique ou LiDAR sous-marine définit l'emplacement des structures sous-marines. Ces applications, ainsi que de nombreuses autres, ont leurs propres exigences en matière de construction LiDAR.

LiDAR et spectre électromagnétique

À l'entrée du système optique dans la Figure 2, la photodiode D₂ détecte la lumière sortante pour la temporisation du signal, tandis que D₁ détecte la lumière de retour. Ce signal optique électromagnétique peut aller de l'ultraviolet à l'infrarouge (Figure 3).

Figure 3 : Le spectre électromagnétique est la gamme de rayonnement électromagnétique, dont seule une infime partie se trouve dans le domaine visible. (Source de l'image : Cosmos)

La plupart des systèmes LiDAR utilisent des lasers infrarouges à silicium InGaAs à avalanche pour D₁ et D₂, qui ont une longueur d'onde optique de 1310 nanomètres (nm) à 1550 nm. Il existe cependant des systèmes LiDAR qui utilisent des signaux optiques visibles.

Conclusion

Parmi ses nombreuses applications, le LiDAR est un élément essentiel dans le développement de systèmes d'aide à la conduite de plus en plus intuitifs et, à terme, de capacités automobiles mains libres complètes. À mesure que ces technologies s'améliorent, les exigences relatives aux composants de support LiDAR deviennent de plus en plus strictes. Comme nous l'avons vu dans cet article, les circuits de récepteur de signaux LiDAR basés sur l'amplificateur d'adaptation d'impédance à large bande passante MAX40660 et le comparateur haute vitesse de 280 ps MAX40025 peuvent constituer la base d'un frontal LiDAR automobile solide.