Abstract

The aim of this thesis work was to develop integrated receiver electronics for a wide dynamic range pulsed Time-of-Flight (TOF) laser radar. The receiver electronics were intended to cover a dynamic range of at least 1:10,000 of the input optical pulses with a high level of accuracy and precision without applying timing walk error compensation or gain control methods. The timing discrimination scheme proposed here was based on front-end unipolar-to-bipolar conversion realized immediately at the receiver input and marking the zero-crossing point of the bipolar signal as the timing point. The front-end circuit level implementation included an off-chip LC resonator combined with a nonlinear shunt feedback TIA that convert the photodetector (APD) input pulse to a damped sinusoidal voltage signal.

The relations between the proposed receiver channel characteristics (i.e., bandwidth and noise), the input pulse width, and the desired system-level performance, including high sensitivity, low walk error and high timing precision, were analysed. A receiver chip based on this technique was developed and fabricated in 0.35 μm AMS standard CMOS technology. The chosen laser pulse width was 2–3 ns FWHM and the measured bandwidth and input-referred noise of the receiver were 230 MHz and 70 nA RMS, respectively. The receiver showed ±100 ps walk error for a dynamic range of 1:50,000 and its single-shot precision was 100 ps at SNR=12. The functionality of the receiver over the input pulse and temperature variations was also studied.

Additionally, a laser radar based on this receiver technique was developed to study the usability of the receiver in real LiDAR measurements. A measurement set-up was constructed in which the intensity of the reflected echoes could vary in a 1:300,000 dynamic range by sweeping the Lambertian and retroreflector-type targets over a 3–35 m distance range. The resulting timing accuracy of the laser radar within this dynamic range was ±3.5 cm.

Tiivistelmä

Väitöskirjatyön tavoitteena oli kehittää integroitua vastaanotinelektroniikkaa valopulssin kulkuajan mittaukseen perustuvaan laseretäisyysmittaukseen. Vastaanottimella tavoiteltiin hyvää mittaustarkkuutta laajalla tulopulssin dynaamisella alueella (>1:10 000) ilman erillisiä ajoitusvirheen kompensointi- tai vahvistuksensäätörakenteita. Työssä esitetään ajoitusilmaisurakenne, jossa ajoituspulssi muunnetaan unipolaarisesta bipolaariseksi välittömästi vastaanotinkanavan tulossa, jolloin bipolaarisen signaalin nollaylityskohta ilmaisee ajoitushetken tarkasti laajalla tulopulssin amplitudialueella. Etuasteen piiritoteutus sisältää ulkoisen LC-resonaattorin sekä epälineaarisen transimpedanssiesivahvistinasteen, jotka muuntavat valoilmaisimelta saadun tulopulssin bipolaariseksi jännitesignaaliksi.

Työssä analysoitiin vastaanotinkanavan keskeisten parametrien (kaistanleveys, kohina, tulopulssin leveys) vaikutukset systeemitason suorituskykyvaatimuksiin, joita ovat suuri herkkyys, pieni ajoitusvirhe sekä hyvä mittaustarkkuus. Työssä kehitetty vastaanotinpiiri suunniteltiin ja valmistettiin AMS:n 0.35 µm CMOS-teknologiaan perustuen. Testauksissa käytetyn laserpulssin leveys oli 2–3 ns. Toteutetun vastaanottimen kaistanleveys on 230 MHz sekä tuloon redusoitu virtakohina 70 nArms. Vastaanottimella saavutettiin ±100 ps:n ajoitusvirhe ja 100 ps:n (SNR=12) kertamittaustarkkuus laajalla vastaanotinkaikupulssin dynaamisella alueella (1:50 000). Työssä mitattiin myös piirin toiminnallisuutta eri pulssin leveyksillä sekä eri lämpötiloissa.

Työssä kehitettiin myös lasertutka, jolla mitattiin vastaanotintekniikan toiminnallisuus laseretäisyysmittausympäristössä. Mittauksissa tulokaiun voimakkuutta pystyttiin säätämään 1:300 000 dynaamisella alueella kohteen heijastuskerrointa vaihtelemalla sekä muuntamalla kohteen etäisyyttä 3 metristä 35 metriin. Mittaradalla saavutettiin ±3.5 senttimetrin tarkkuus kyseisellä dynaamisella alueella.

Osajulkaisut / Original papers

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

1. Baharmast, A., & Kostamovaara, J. (2017). A low noise front end transimpedance amplifier channel for a pulsed time-of-flight laser radar. In 2017 13th Conference on Ph.D. Research in Microelectronics and Electronics (pp. 285–288). IEEE. https://doi.org/10.1109/PRIME.2017.7974163

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

2. Baharmast, A., Ruotsalainen, T., & Kostamovaara, J. (2018). A low noise, wide dynamic range TOF laser radar receiver based on pulse shaping techniques. In 2018 IEEE International Symposium on Circuits and Systems (ISCAS) (pp. 1–5). IEEE.

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

3. Baharmast, A., & Kostamovaara, J. (2018). Noise considerations in pulse-shaping based TIA channel designed for a pulsed TOF laser radar receiver. In 2018 IEEE Nordic Circuits and Systems Conference (NORCAS): NORCHIP and International Symposium of System-on-Chip (SoC) (pp. 1–6). IEEE.

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

4. Baharmast, A., Kurtti, S., & Kostamovaara, J. (2020). A wide dynamic range laser radar receiver based on input pulse-shaping techniques. IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Regular Papers, 67(8), 2566–2577.

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

5. Baharmast, A., & Kostamovaara, J. (2020). High-speed wide dynamic range linear mode time-of-flight receiver based on zero-crossing timing detection. Optical Engineering, 59(10), 104102.

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version