Abstract
In this thesis integrated receiver channel techniques and circuit implementations for a pulsed time-of-flight (TOF) laser rangefinder are developed with the aim to achieve centimetre level accuracy within the dynamic range of > 1:10 000 of the input pulse amplitudes. The receiver channel converts the input current pulses produced by the photo detector to voltage pulses and produces a logic-level timing pulse for the time interval measurement. In addition to the minimization of noise, the main design challenge is the minimization of the timing walk error resulting from the varying amplitude of the received optical echo. In automotive perception laser radar application, which was the target application of this work, the input amplitude of the received echo varies in a range of 1:10 000 or even more due to changes in the measured distance and reflectivity and orientation of the target.
Two receiver channel and timing discriminator architectures were developed and realized as integrated circuits in 0.35 μm BiCMOS technology, and finally verified by measurements. One of the receiver channels is based on the detection of the zero-crossing of the timing pulse produced with a unipolar-to-bipolar conversion at the input of the receiver. It achieved a timing walk error of ±8 mm in a dynamic range of 1:3000. Another receiver channel is based on the leading edge timing discrimination, in which the timing walk error is being compensated for in time domain by measuring the width of the timing pulse simultaneously with its leading edge time position. An important feature of this technique, suggested in this thesis, is that it is operative also beyond the linear range of the receiver channel, which is typically limited to < 1:100. The receiver channel with leading edge detection and pulse width compensation achieved a compensated walk error of ± 2–3 mm in a dynamic range of ~ 1:100 000. The bandwidth and input referred current noise of the channel were 230 MHz and <100 nArms, respectively. The single-shot timing precision was 120 ps (20 mm in distance) at the SNR of 10.
The feasibility of the receiver electronics was verified by two laser radar prototypes. An accuracy of < ± 5 mm was measured in a measurement range from 1 to 55 m, which corresponds to the receiver dynamic range of > 1:10 000 taking into consideration the varying reflectivity of the target materials used. / Tiivistelmä
Väitöskirjatyössä on suunniteltu integroituja vastaanotintekniikoita ja –piirejä valopulssin kulkuaikamittaustekniikkaan perustuvaan laseretäisyysmittaukseen. Tavoitteena on ollut saavuttaa senttimetriluokan tarkkuus laajalla tulopulssin amplitudin dynaamisella alueella > 1:10 000. Vastaanotinkanava muuntaa valoilmaisimelta saadun tulovirtapulssin jännitepulssiksi ja muodostaa siitä logiikkatasoisen ajoituspulssin aikavälimittauspiirille. Kohinan minimoimisen lisäksi toinen suuri suunnitteluhaaste on minimoida ajoitusvirhe, jota syntyy vastaanotetun optisen tulosignaalin amplitudin vaihdellessa laajalla alueella. Työssä kehitettyjen vastaanotinkanavien yksi sovelluskohdetavoitteista on ollut autoteollisuudessa käytettävät etäisyysmittarit. Näissä tulosignaalin taso vaihtelee erittäin laajalla dynaamisella alueella, joka voi olla > 1:10 000, johtuen laajasta etäisyysmittausalueesta sekä kohteen heijastavuuden ja orientaation vaihteluista.
Väitöskirjatyössä kehitettiin ja valmistettiin kaksi vastaanotin- ja ajoitusilmaisurakennetta. Piirit valmistettiin 0,35 μm BiCMOS- teknologialla, ja niiden toiminta varmistettiin mittauksilla. Ensimmäinen vastaanotinkanava-arkkitehtuuri perustuu kanavan tulossa tapahtuvaan unipolaari-bipolaari muutokseen ja sen jälkeiseen nollaylityskohdan ilmaisuun. Piirillä saavutettiin ±8 mm ajoitusvirhe 1:3000 dynaamisella alueella. Toinen vastaanotinkanava-arkkitehtuuri perustuu etureunanilmaisuun, jossa ajoitusvirhe korjataan aikatasossa mittaamalla samanaikaisesti ajoituspulssin paikka ja leveys. Ajoitusvirheenkorjausmenetelmän tärkeä ominaisuus on, että se toimii laajemmalla kuin vastaanottimen lineaarisella alueella (< 1:100). Etureunanilmaisuun ja pulssinleveyden korjaukseen perustuvalla vastaanotinkanavalla saavutettiin korjattu ajoitusvirhe ± 2–3 mm 1:100 000 dynaamisella alueella. Kanavan kaistanleveys oli 230 MHz ja tulon redusoitu virtakohina < 100 nArms. Signaalikohinasuhteella 10 laseretäisyysmittauksen kertamittaustarkkuudeksi mitattiin 120 ps (20 mm etäisyydessä).
Väitöskirjatyön yhteydessä valmistettiin lisäksi kaksi prototyyppilasertutkaa, joilla varmistettiin vastaanotinelektroniikan toiminta laajalla > 1:10 000 dynaamisella tulopulssin amplitudin vaihtelualueella. Lasertutkan ajoitusvirheeksi mitattiin < ± 5 mm 1–55 m:n mittausalueella.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:oulo.fi/oai:oulu.fi:isbn978-952-62-0046-0 |
| Date | 08 January 2013 |
| Creators | Kurtti, S. (Sami) |
| Contributors | Kostamovaara, J. (Juha) |
| Publisher | Oulun yliopisto |
| Source Sets | University of Oulu |
| Language | English |
| Detected Language | Finnish |
| Type | info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/publishedVersion |
| Format | application/pdf |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess, © University of Oulu, 2013 |
| Relation | info:eu-repo/semantics/altIdentifier/pissn/0355-3213, info:eu-repo/semantics/altIdentifier/eissn/1796-2226 |
Page generated in 0.0019 seconds