Abstract

The goal of this work was to develop a CMOS receiver for a time-of-flight (TOF) laser rangefinder utilizing sub-ns pulses produced by a laser diode operating in gain switching mode (~ 1 nJ transmitter energy). This thesis also discusses the optical detector components and their usability with sub-ns optical pulses in laser rangefinding and the effect of the laser driver electronics on the shape of the sub-ns laser output, and eventually on the timing walk error of the laser rangefinder.

The thesis presents the design of an integrated receiver channel IC intended for use in the pulsed TOF rangefinder. This is realized in a low-cost and consumer electronics-friendly CMOS technology (0.18 μm) and is based on a linear receiver and leading edge time discrimination. The measured walk error of the receiver is ~ 500 ps (4.5 cm in distance) within a 1:21,000 dynamic range. The measured jitter of the leading edge, affecting the single-shot precision of the radar, was ~ 12 ps (1.6 mm in distance) at an SNR > 200. In addition, a pulsed TOF rangefinder using the receiver IC developed here was designed and used for demonstrating the possibility of measuring tiny vibrations in a distant non-cooperative target. The radar was used successfully to observe 10 Hz vibrations in a non-cooperative target with an amplitude of 1.5 mm (sub-mm precision after averaging) at a distance of ~ 2 m.

One important result was the demonstration of a difference in walk error behaviour between MOSFET and avalanche BJT-based laser pulse transmitters. The practicability of an integrated CMOS AP detector in sub-ns laser rangefinding was also studied.

Tiivistelmä

Työn tavoitteena oli kehittää CMOS-vastaanotin valon kulkuaikamittaukseen perustuvaan laseretäisyysmittariin, joka hyödyntää ”gain-switching”-tekniikalla toimivan laserdiodin (~ 1 nJ energia) tuottamia alle nanosekuntiluokan laserpulsseja. Väitöskirja tutkii myös valovastaanotinkomponenttien käyttökelpoisuutta alle nanosekuntiluokan laserpulsseja hyödyntävässä laseretäisyysmittauksessa. Työssä tutkitaan myös laserdiodilähettimen elektroniikan vaikutusta alle nanosekuntiluokan laserpulssien muotoon ja lopulta niiden vaikutusta systemaattiseen ajoitusvirheeseen laseretäisyysmittauksessa.

Väitöskirja esittelee suunnitellun valopulssin kulkuaikamittaukseen perustuvaan laseretäisyysmittariin soveltuvan integroidun vastaanotinkanavan IC-piirin. Se on toteutettu halvalla, kulutuselektroniikkaan soveltuvalla CMOS tekniikalla (0,18 μm) ja se perustuu lineaariseen vastaanottimeen ja nousevan reunan ilmaisuun. Vastaanottimen mitattu systemaattinen ajoitusvirhe on ~ 500 ps (4,5 cm matkassa) 1:21 000 signaalivoimakkuuden vaihtelualueella. Vastaanottimesta mitattu laseretäisyysmittarin kertamittaustarkkuuteen vaikuttava nousevan reunan satunnainen ajoitusepävarmuus oli ~ 12 ps (1.6 mm matkassa) signaalikohinasuhteella > 200. Lisäksi tässä työssä toteutettiin kehitettyä vastaanotin-IC piiriä hyödyntävä valopulssin kulkuaikamittaukseen perustuva etäisyysmittari, jolla kyettiin havainnollistamaan mahdollisuutta mitata pientä tärinää kaukaisessa passiivisessa kohteessa. Tutkalla onnistuttiin havainnoimaan 1,5 mm vaihteluväliltään olevaa 10 Hz tärinä ~ 2 m etäisyydellä olevasta kohteesta.

Väitöskirjan yksi tärkeä tulos oli havainnollistaa systemaattisessa ajoitusvirheessä havaittava ero MOSFET-transistoriin ja vyöry-BJT-transistoriin perustuvan laserpulssilähettimen välillä. Integroidun CMOS AP vastaanotinkomponentin käyttökelpoisuus alle nanosekuntiluokan laseretäisyysmittauksessa tutkittiin myös.

Osajulkaisut / Original papers

Osajulkaisut eivät sisälly väitöskirjan elektroniseen versioon / Original papers are not included in the electronic version of the dissertation.

1. Hintikka, M., & Kostamovaara, J. (2015). Time Domain Characterization of Avalanche Photo Detectors for Sub-ns Optical Pulses. Proceedings of the IEEE International Instrumentation and Measurement Technology Conference (I2MTC’2015), Pisa, Italy, 11–14 May 2015. https://doi.org/10.1109/I2MTC.2015.7151592

2. Hintikka, M., & Kostamovaara, J. (2015). A CMOS laser radar receiver for sub-ns optical pulses. Proceedings of the IEEE Ph.D. Research in Microelectronics and Electronics (PRIME), 29 June–2 July 2015, 176–179. https://doi.org/10.1109/PRIME.2015.7251363

3. Hintikka, M., & Kostamovaara, J. (2017). A 700 MHz Laser Radar Receiver Realized in 0.18 µm HV-CMOS. Analog Integrated Circuits and Signal Processing, 93(2), 245–256. https://doi.org/10.1007/s10470-017-1041-0

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

4. Hintikka, M., & Kostamovaara, J. (2018). Experimental investigation into the laser ranging with sub-ns laser pulses. IEEE Sensors Journal, 18(3), 1047–1053. https://doi.org/10.1109/JSEN.2017.2777501

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

5. Hintikka, M., Hallman, L., & Kostamovaara, J. (2018). Comparison of the leading-edge timing walk in pulsed TOF laser range finding with avalanche bipolar junction transistor (BJT) and metal-oxide semiconductor (MOS) switch based laser diode drivers. Review of Scientific Instruments, 88(12), 123109. https://doi.org/10.1063/1.4999253

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version