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Prototypage et test FMCW LiDAR – Jason Marks

Prototypage et test FMCW LiDAR - Jason Marks


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En matière d'autonomie, il ne s'agit pas de savoir si, mais quand et comment. Généralement considéré comme une technologie permettant d'accélérer le passage à l'autonomie, le LiDAR est toujours confronté à des obstacles considérables pour devenir viable lors d'une production de masse. Les nouvelles conceptions LiDAR promettent une technologie d'imagerie à faible coût, à faible puissance et facilement manufacturable; cependant, ils n'ont pas encore fait leurs preuves et ne sont pas disponibles dans le commerce. Il y a cependant de l’espoir. Le FMCW LiDAR promet de faire du LiDAR une modalité de capteur viable pour les constructeurs automobiles. Mais c'est nouveau, et les défis de développement et de validation sont largement inconnus. La recherche des leçons apprises dans les industries adjacentes pourrait apaiser les inquiétudes concernant le développement de LiDAR.

Le monde des semi-conducteurs a trouvé des moyens de fabriquer des sources laser modulées et de recevoir des chaînes à un volume élevé et à un coût relativement faible. Le monde de l'aérospatiale et de la défense a compris comment créer des prototypes de systèmes à large bande passante et à large bande avec des exigences en constante évolution. Le monde de l'automobile a préparé le terrain pour les tests FMCW LiDAR avec la sortie du test FMCW Radar sur leurs gammes de véhicules existantes.

Plongeons-nous dans quelques stratégies et meilleures pratiques que les développeurs de FMCW LiDAR peuvent exploiter auprès d'autres industries pour aider à réaliser la promesse de cette nouvelle technologie.

Figure 1: Architecture LiMC FMCW

Prototypage

FMCW LiDAR est la bête d'un système à assembler. Utilisant souvent des dizaines de sources laser modulées et un nombre équivalent ou supérieur d'ADC qui doivent tous être parfaitement synchronisés et transmettre des quantités massives de données grâce à des algorithmes complexes, le tout pour donner au système autonome une vue 3D du monde construit en minuscules points codés par couleur avec des indications de vitesse. Oubliez de tester un LiDAR pendant un moment, comment les développeurs construisent-ils la chose?

Une recommandation est de décomposer le système FMCW en différents sous-systèmes pour le prototypage. L'une de ces décisions consiste à séparer le sous-système «domaine électrique» et le sous-système «domaine optique».

Les systèmes du domaine électrique se composent d'un chirp FMCW généré du côté émission et d'un ADC à large bande passante du côté réception. La plus complexe des deux est la chaîne de réception, car l'onde FMCW reçue doit être séparée, par rapport au signal de référence, puis doit cracher le nuage de points résultant.

Pour le côté émission, un générateur de signaux arbitraires multicanaux étroitement synchronisés est souvent utilisé, avec des exigences de canaux allant jusqu'à 32 canaux et plus si vous effectuez un prototypage complet du système de transmission. Les développeurs pourraient avoir besoin de générer uniquement le signal Chirp lui-même, qui est généralement inférieur à 100 MHz, ou ils pourraient avoir besoin de générer la forme d'onde modulée, qui pourrait dépasser 3 GHz. Pour la chaîne de réception, les numériseurs multicanaux à bande passante élevée et étroitement synchronisés sont souvent directement connectés aux FPGA où les concepteurs peuvent prototyper leur traitement du signal rapidement et à plusieurs reprises. Souvent, tous ces FPGA auront à bord de nombreux DSP et FFT et devront communiquer entre eux pour comprendre les informations de synchronisation et de position relative. Les données résultantes sont souvent renvoyées à un PC hôte pour générer le nuage de points 4D.

Ces systèmes de prototypage peuvent devenir extrêmement encombrants. C'est pourquoi un partenariat avec une société comme National Instruments (NI) qui fournit une plate-forme de prototypage modulaire FMCW LiDAR peut être extrêmement bénéfique, car ils peuvent répondre à toutes ces exigences dans un seul système:

Figure 2: NI PXIe FlexRIO pour FMCW LiDAR

Le domaine optique nécessite plusieurs instruments supplémentaires, qui dépendent fortement du type de source laser, de photodétecteur et de la méthodologie de balayage (imagerie) que le fabricant de LiDAR utilisera.

Commun pour presque tous les prototypes optiques FMCW LiDAR est une source laser cohérente, ainsi qu'un moyen de convertir le domaine électrique dans le domaine optique et de le mélanger avec l'optique. Vous verrez souvent un convertisseur électrique à optique (E2O) utilisé pour convertir le chirp électrique en un chirp optique ainsi qu'un convertisseur optique à électrique (O2E) utilisé pour reconvertir à la chaîne de réception électrique. Il y a souvent un certain mélange optique nécessaire pour mélanger une source laser CW sur un chirp généré électriquement.

Ce qui est génial avec la plate-forme PXI, c'est qu'il existe une pléthore d'entreprises qui fabriquent des systèmes de prototypage et de test optiques qui complètent les systèmes électriques décrits ci-dessus. L'une de ces sociétés est «Coherent Solutions» qui fait tout ce qui précède dans le facteur de forme PXI, que de nombreux clients associent, souvent dans le même système synchronisé, avec l'équipement du domaine électrique, pour créer une plateforme de prototypage complète:

Figure 3: Système PXI opto-électrique représentatif

Il y a aussi souvent des exigences d'alimentation, des contrôles et des mesures analogiques et numériques et des exigences de diffusion de données qui doivent être prises en compte pour compléter le prototype FLCW LiDAR. Des sociétés comme NI, qui fournissent à nouveau des instruments modulaires dans un petit format, sont également en mesure d'adresser ces composants, le tout à partir d'un seul système.

Tester

Dans la phase de développement, plusieurs procédures de vérification et de validation doivent être mises en œuvre pour garantir que le FMCW LiDAR remplit ses promesses. En décomposant les exigences du test LiDAR en test au niveau de la puce, du module et du système, certaines méthodologies de test peuvent être explorées.

Comme le système de prototypage, les ingénieurs testent souvent le domaine électrique et optique séparément au début. Les puces et les ASIC intégrés pour chacun des composants doivent être validés. Voici une liste de méthodologies pour valider chacun des composants au niveau de la puce:

Listes de tests au niveau de la puce

L'un des défis majeurs des tests de puces optiques consiste à aligner l'optique sur l'équipement de mesure. Il existe plusieurs sociétés spécialisées dans cette capacité, comme PI-USA et leur technologie d'alignement optique:

Figure 4: PI-USA faisant un alignement optique parallèle

Lorsque les puces se réunissent dans un module, les ingénieurs regroupent plusieurs tests au niveau des composants. Tous les tests ci-dessus sont valables pour les tests au niveau du module, ils ne sont tout simplement pas souvent décomposés en KPI pour le composant individuel, mais plutôt en KPI pour le module entier.

Lors du déplacement des tests au niveau des appareils et des modules du banc à la production, il est préférable de réutiliser le matériel et les logiciels de test créés à partir des efforts de validation. La plupart des processus de test décrits ci-dessus seront utilisés dans un environnement de production, soit au niveau de la plaquette, soit au niveau du module de production dans une maison d'assemblage et de test off-shore (OSAT) ou sous-traitant (CM). Les ingénieurs de production optimisent pour le coût de test unitaire, ce qui signifie que le coût du testeur, le temps de test et l'espace au sol sont minimisés. C'est là encore que le partenariat avec une entreprise comme NI qui peut reconditionner l'équipement de test de banc dans un testeur de production et optimiser le temps de test via PXI est idéal:

Figure 5: Plateforme commune de la caractérisation à la production

Ensuite, l'ensemble du matériel et des logiciels LiDAR se rassemble et «des tests au niveau du système sont effectués. Le «Saint-Graal» des tests au niveau du système serait une méthodologie pour placer un LiDAR FMCW complet dans une petite chambre, puis simuler optiquement un environnement à longue portée du monde réel qui incite le LiDAR à construire un nuage de points émulant ce monde réel environnement. Au moment d'écrire ces lignes, il n'y a pas de méthodologie à faible coût et disponible dans le commerce pour l'émulation de nuage de points FMCW complet.

Cependant, il existe des méthodologies pour simuler optiquement des objets et des cibles, ce qui est extrêmement bénéfique pour valider l'optique et les algorithmes, effectuer l'étalonnage et pour les tests de production. Les sociétés partenaires NI comme Konrad Solutions ont une émulation d'objets ToD LiDAR:

Figure 6: Simulateur de cible Konrad LiDAR

Il existe également des méthodologies pour injecter "numériquement" des signaux derrière l'optique (BTO) pour faire croire au système LiDAR qu'il voit un nuage de points complet.

Parce qu'il n'y a pas de «Saint Graal» pour la validation au niveau du système, la plupart des ingénieurs effectuent des tests sur le terrain. Les objets connus et leurs caractéristiques sont placés, à l'intérieur ou à l'extérieur, à divers endroits et un système LiDAR image ces objets. Les performances du LiDAR sont validées par rapport à la vérité terrain et sont réussies / échouées. De nombreuses entreprises utilisent actuellement cette méthodologie pour le test de production «de fin de ligne» de leurs systèmes LiDAR, mais il est connu que c'est une méthodologie difficile à mettre à l'échelle.

Figure 7: Gamme de tests sur le terrain LiDAR

Conclusion

Le paysage technologique du LiDAR est en constante évolution. Il y a tellement de travail à faire pour faire des voitures autonomes une réalité, et le FMCW LiDAR va être un contributeur majeur. Si vous souhaitez discuter de vos défis spécifiques liés au test du FMCW LiDAR, veuillez vous connecter avec l’auteur de cet article, Jason Marks, sur LinkedIn.

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