University of Oulu

Integrated receiver channel and timing discrimination circuits for a pulsed time-of-flight laser rangefinder

Saved in:
Author: Kurtti, Sami
Organizations: University of Oulu Graduate School
University of Oulu, Faculty of Technology, Department of Electrical Engineering
University of Oulu, Infotech Oulu
Format: eBook
Online Access: PDF Full Text (PDF, 2.1 MB)
Persistent link: http://urn.fi/urn:isbn:9789526200460
Language: English
Published: Oulu : University of Oulu, 2012
Publish Date: 2013-01-08
Thesis type: Doctoral Dissertation
Defence Note: Academic dissertation to be presented with the assent of the Doctoral Training Committee of Technology and Natural Sciences of the University of Oulu for public defence in OP-Pohjola-sali (Auditorium L6), Linnanmaa, on 18 January 2013, at 12 noon
Tutor: Professor Juha Kostamovaara
Reviewer: Professor Trond Ytterdal
Docent Markku Åberg
Description:

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.


Series: Acta Universitatis Ouluensis. C, Technica
ISSN: 0355-3213
ISSN-E: 1796-2226
ISSN-L: 0355-3213
ISBN: 978-952-62-0046-0
ISBN Print: 978-952-62-0045-3
Issue: 439
Subjects:
Copyright information: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for your own personal use. Commercial use is prohibited.