Optischer Empfänger

Der optische Empfänger ist eine kritische Unterkomponente eines LiDAR-Sensorsystems (Light Detection and Ranging). Seine Hauptfunktion besteht darin, die schwachen Laserimpulse zu erfassen, die von einem Zielobjekt reflektiert werden, nachdem sie vom LiDAR-Sender ausgesendet wurden. Er wandelt diese optischen Signale in entsprechende elektrische Signale um, die dann von der Elektronik des Sensors verstärkt und verarbeitet werden, um Entfernung, Geschwindigkeit und 3D-Punktwolkendaten zu berechnen. Der Empfänger umfasst typischerweise einen Fotodetektor (z. B. eine Lawinenphotodiode oder PIN-Photodiode), einen Transimpedanzverstärker (TIA) sowie zugehörige Optik und Gehäuse. Er arbeitet in einem Wellenlängenbereich von 850–1550 nm, mit einer Bandbreite von 100–1000 MHz und einer Empfindlichkeit von 0,5–0,9 A/W bei 850 nm für Silizium-APDs. Die Empfindlichkeit reicht von -30 bis -20 dBm, die Anstiegszeit von 0,5 bis 2 ns. Das Gerät benötigt eine Versorgungsspannung von 3,3–5 V DC und verbraucht 0,1–0,5 W. Es ist für eine Betriebstemperatur von -40 bis 85 °C und eine Lagertemperatur von -40 bis 105 °C ausgelegt. Schutzarten von IP54–IP67 (gemäß IEC 60529) sind für Außenmodule typisch. Die Gehäusegrößen reichen von 3,2 bis 5,0 mm, das Gewicht von 0,5 bis 2,0 g. Häufig verwendete Materialien sind Halbleitermaterialien (Silizium, InGaAs), Keramik- oder Aluminiumgehäuse sowie optisches Glas oder Linsen. Diese Spezifikationen sind typische Bereiche für LiDAR-Anwendungen und müssen mit dem Hersteller für spezifische Modelle verifiziert werden. Der optische Empfänger ist eine Komponente, kein eigenständiges System, und seine Leistung wirkt sich direkt auf die Genauigkeit und Zuverlässigkeit des LiDAR-Sensors aus. Bei der Auswahl eines optischen Empfängers müssen Ingenieure die Wellenlänge, Bandbreite, Empfindlichkeit und Umgebungsanforderungen der Anwendung berücksichtigen. Die Verifizierung von Parametern und die Einhaltung von Normen sollten mit dem Lieferanten bestätigt werden.

Der optische Empfänger arbeitet auf der Grundlage der Fotodetektion. Wenn Photonen des reflektierten Laserimpulses auf die aktive Fläche des Fotodetektors (z. B. eine Lawinenphotodiode oder PIN-Photodiode) treffen, erzeugen sie Elektron-Loch-Paare und erzeugen so einen Fotostrom. Dieser schwache Strom ist proportional zur Intensität des empfangenen Lichts. Nachfolgende Transimpedanzverstärker (TIAs) wandeln diesen Strom in ein messbares Spannungssignal für die weitere Signalverarbeitung und Laufzeitberechnung um.