LiDAR-Systeme und deren Kühlung

LiDAR (Light Detection and Ranging) ist eine Vermessungstechnologie, die Objekte und Entfernungen in 3D erkennt, indem sie die Zeit misst, die Laserimpulse benötigen, um von Objekten in der Ferne zurückgeworfen zu werden. Das Wärmemanagement ist für die meisten Lasersysteme von entscheidender Bedeutung, wobei LiDAR-Laser keine Ausnahme bilden. Stabile Temperaturen in LiDAR-Systemen sind für eine optimale Leistung unerlässlich, da Temperaturschwankungen zu Änderungen der Laserwellenlänge und somit zu größeren Entfernungsfehlern führen können. Übermäßige Hitze kann die Leistung des Lasers beeinträchtigen, die Zuverlässigkeit verringern und sogar zum Ausfall von Komponenten führen, wenn diese nicht angemessen gehandhabt werden. Je nach Systemdesign, erforderlicher Leistungsaufnahme, Betriebsumgebung und Verwendungszweck benötigen einige LiDAR-Systeme verbesserte aktive Kühllösungen, um eine optimale und präzise Leistung zu gewährleisten.

Lidar-Technologie wird für eine Vielzahl von Anwendungen eingesetzt. *KI-generiertes Bild, erzeugt von Bings Copilot

Komponenten von LiDAR-Systemen

LiDAR-Systeme verwenden Laserdioden als Lichtquelle. Laserdioden erzeugen während des Betriebs eine erhebliche Menge an Wärme, insbesondere wenn sie mit hohen Frequenzen gepulst oder mit hohen Leistungspegeln betrieben werden. Die Leistung von Laserdioden kann sich schnell verschlechtern, wenn die Temperaturen außerhalb des bevorzugten Betriebstemperaturbereichs liegen, der bei LiDAR-Lasersystemen in der Regel zwischen 15 °C und 35 °C (59 °F bis 95 °F) liegt. Temperaturänderungen können die Wellenlänge des Lasers verändern und sich auf die Ausgangsleistung, die Strahlqualität, die spektrale Linienbreite und die Kohärenzlänge auswirken, was zu Entfernungsfehlern, Modus-Hopping und mehr führt.

Zusätzlich zu dieser thermischen Komplexität erzeugen Komponenten wie Datenerfassungseinheiten, Signalverarbeitungsschaltungen und Steuerungssysteme während des Betriebs ebenfalls Wärme. Effiziente Kühllösungen sind unerlässlich, um eine Überhitzung zu verhindern und die zuverlässige Leistung dieser Komponenten sicherzustellen.

LiDAR-Systeme verfügen zudem über empfindliche optische Komponenten wie Linsen, Spiegel und Lichtsensoren. Durch Temperaturschwankungen können sich diese Komponenten ausdehnen oder zusammenziehen, was zu einer Fehlausrichtung führt und die Genauigkeit der Messungen beeinträchtigt. Zur Minimierung dieser Effekte können aktive thermische Stabilitätsverfahren erforderlich sein.

Kühlanforderungen

LiDAR-Systeme werden häufig unter verschiedensten Umweltbedingungen eingesetzt, darunter extreme Temperaturen, Feuchtigkeit und Staub oder Schmutz. Die Kühllösungen müssen robust genug sein, um unter verschiedenen Umgebungsbedingungen optimale Betriebstemperaturen aufrechtzuerhalten, ohne die Leistung oder die Zuverlässigkeit des Systems zu beeinträchtigen. Zu den Anwendungen in rauen Umgebungen gehören:

• Fahrzeuge
  LiDAR-Systeme, die in autonomen Fahrzeugen oder fortschrittlichen Fahrerassistenzsystemen (ADAS) zum Einsatz kommen, sind oft an Fahrzeugen angebracht, die unterschiedlichen Umweltbedingungen ausgesetzt sind. Die von den Lasern und der zugehörigen Elektronik erzeugte Wärme kann in Kombination mit externen Faktoren wie Sonnenlicht zu Temperaturschwankungen führen, die sich auf die Genauigkeit und Zuverlässigkeit des Systems auswirken.
• Industrie
  LiDAR-Komponenten, die in rauen Anwendungen in der Fertigungs-, Bergbau- oder Forstwirtschaft eingesetzt werden, erzeugen viel Wärme, sodass es entscheidend ist, eine optimale Leistung aufrechtzuerhalten und Schäden zu vermeiden.
• Luft-/Raumfahrt und Verteidigung
  Unbemannte Luftfahrzeuge (UAVs), Satelliten und militärische Aufklärungsgeräte sind aufgrund des Betriebs in großen Höhen, schneller Temperaturänderungen und der potenziellen Exposition gegenüber intensiver Strahlung thermischen Herausforderungen ausgesetzt.
• Atmosphäre
  LiDAR-Systeme, die für die Atmosphärenforschung, Meteorologie oder Umweltüberwachung eingesetzt werden, kommen in verschiedenen Klimazonen und Höhenlagen zum Einsatz, in denen Temperaturunterschiede die Genauigkeit der Messungen beeinträchtigen können. Ein Wärmemanagement ist für die präzise Datenerfassung und die Stabilität der Instrumente unerlässlich.
• Große Entfernungen
  LiDAR-Systeme, die für das Scannen über große Entfernungen ausgelegt sind, wie sie beispielsweise bei topografischen Kartierungen, in der Stadtplanung oder bei geologischen Untersuchungen zum Einsatz kommen, können Hochleistungslaser und hochentwickelte Optik erfordern. Die Handhabung der von diesen Komponenten erzeugten Wärme ist entscheidend für die Aufrechterhaltung der Strahlqualität und die Vermeidung von thermischen Verzerrungen.

Kühllösungens

Viele Entwickler von LiDAR-Systemen wählen thermoelektrische Kühler (TECs) für die punktuelle Kühlung von wärmeempfindlichen Komponenten. In einem LiDAR-System können TECs in direktem Kontakt mit einer Laserdiode montiert werden. Dies ermöglicht eine effiziente Wärmeübertragung zwischen der Laserdiode und dem TEC. Die TECs nehmen die Wärme der Laserdiode auf und leiten diese ab, wodurch eine stabile Betriebstemperatur aufrechterhalten wird. Falls erforderlich, werden TECs auch in der Nähe von Linsen, Spiegeln und Lichtdetektoren zur Wärmeableitung platziert.

Thermoelektrische Kühler, auch als Peltier-Kühler bekannt, sind robuste Halbleiterkühler, die die Temperatur kritischer Komponenten trotz unterschiedlicher Umgebungsbedingungen regulieren. Thermoelektrische Kühler bieten eine kompakte, leichte und energieeffiziente Kühllösung, die den zuverlässigen Betrieb des LiDAR-Systems ermöglicht, ohne dass sperrige externe Kühler erforderlich sind.

Tools wie der Thermal Wizard von Laird Thermal Systems sind inzwischen verfügbar und helfen Entwicklern dabei, schnell die optimale thermoelektrische Kühlerlösung auszuwählen. Wenn die erforderliche Kühlleistung (Qc) nicht bekannt ist, ist der Kühlerrechner für Laserdioden ein guter Ausgangspunkt.

Wenn Sie bereits wissen, wonach Sie suchen, können Sie aus einer Vielzahl von Standard-TEC-Lösungen auswählen.
https://lairdthermal.com/de/products/thermoelectric-cooler-modules

Für kundenspezifische Anforderungen besuchen Sie unsere Prototyping-Lösungen
https://lairdthermal.com/de/thermal-design-services/prototyping/prototyping-thermoelectric-coolers

Schlussfolgerung

Die Entwicklung von LiDAR-Systemen mit effizienten Wärmeableitungseigenschaften kann dazu beitragen, thermische Probleme zu mindern und die Gesamtleistung und die Zuverlässigkeit zu verbessern. Thermoelektrische Kühler können in einer Vielzahl von LiDAR-Anwendungen von Vorteil sein, bei denen eine präzise Temperaturregelung und kompakte, energieeffiziente Kühllösungen erforderlich sind. TECs haben einen geringen Strombedarf, sind in kleinen und Mikro-Formfaktoren erhältlich und halten die Temperaturstabilität kritischer Komponenten wie Laserquellen oder optischer Baugruppen aufrecht, selbst in rauesten Umgebungen, in denen herkömmliche Kühlmethoden unpraktisch oder unzuverlässig sind.