Abstract

The goal of the research was to study the characteristics, performance and feasibility of a pulsed time-of-flight 1D laser radar system employing a 2D SPAD detector array in conjunction with a custom-made laser diode producing high energy and high-speed laser pulses. The research included the characterization and comparison of custom-made QW and bulk laser diodes operating in enhanced gain switching mode and producing laser pulses with a total energy of ~1–5 nJ and an FWHM of ~100 ps at pulsing rates >100 kHz. The receiver module was a purpose-built single-chip CMOS IC incorporating a 2D 9x9 SPAD array and a 10-channel TDC circuit enabling parallel SPAD-specific TOF measurements.

The key performance parameters of the laser radar system are intrinsic timing walk error ~5 cm (dynamic range ~1:100 000), linearity ± 0.5 mm, signal detection rate ~28% (target distance 34 m and reflectivity 11%) and precision ~2 cm. The total energy of a probe pulse was 0.6 nJ and the diameter of the circular receiver aperture ~20 mm. The selectable subarray feature of the receiver IC enables laser spot tracking on the detector array while maintaining a small effective field of view, thus reducing background radiation-induced noise detections, and offering prospect of walk error free measurement results. Detection time gating proved an effective means for signal-to-noise ratio improvement under conditions of high-level background radiation. Feasibility studies demonstrated high spatial accuracy of the system in practical settings when performing non-contact human heart rate measurement and when distinguishing individual free-falling snowflakes.

The implementation and performance of the 1D laser radar system demonstrated the viability of the proposed technology as an alternative along with a conventional laser radar operating in the linear detection mode for high performance, compact and cost-effective laser radar applications.

Tiivistelmä

Väitöstyössä tutkittiin kaksiulotteista SPAD-ilmaisinmatriisiteknologiaa sekä suurienergisiä ja lyhyitä laserpulsseja hyödyntävän 1D-lasertutkan ominaisuuksia, suorituskykyä ja toteutettavuutta. Tutkimuksessa karakterisoitiin ja vertailtiin erikoisrakenteisia ”enhanced gain switching”-moodissa toimivia bulk- ja kvanttikaivolaserdiodeja (QW), joilla voidaan tuottaa ~1–5 nJ sekä ~100 ps (puoliarvoleveys) laserpulsseja >100 kHz pulssitustahdilla. Tutkimustyössä kehitetyn ja toteutetun pienikokoisen lasertutkan vastaanottimena käytettiin tarkoitukseen suunniteltua integroitua CMOS-piiriä, joka sisältää 9x9 SPAD ilmaisinmatriisin sekä 10-kanavaisen aika-digitaalimuuntimen (TDC) rinnakkaisia SPAD-kohtaisia laserpulssin kulkuaikamittauksia varten.

Lasertutkan keskeiset suorituskykyparametrit ovat kompensoimaton ajoitusvirhe ~5 cm (dynaaminen alue ~1:100 000), lineaarisuus ± 0,5 mm, signaalin ilmaisutahti ~28 % (kohteen etäisyys 34 m, heijastuskerroin 11 %) ja kertamittaustarkkuus ~2 cm. Laserpulssin kokonaisenergia ja vastaanottimen apertuurin halkaisija ovat 0,6 nJ ja ~20 mm. Aktiivinen 3x3 osailmaisinmatriisi minimoi vastaanottimen efektiivisen näkökentän (FOV) vähentäen taustasäteilystä aiheutuvia ilmaisuja ja osailmaisinmatriisin valintatoiminto mahdollistaa laserspotin seurannan ilmaisinmatriisin pinnalla sekä ajoitusvirheettömät etäisyysmittaustulokset. Ilmaisimen aikaportitustoimintoa voidaan käyttää mittauksen signaali-kohinasuhteen (SNR) parantamiseen taustasäteilyn ollessa voimakasta. Lasertutkan spatiaalisen tarkkuuden sekä mittausnopeuden havainnollistamiseksi suoritetuissa soveltuvuustutkimuksissa mitattiin koehenkilön sydämen syke ilman fyysistä kontaktia usean metrin etäisyydeltä sekä havaittiin yksittäisistä lumihiutaleista aiheutuvia kaikuja lumisateessa.

Tutkimuksen tuloksiin perustuen kehitetty teknologia on toimiva vaihtoehto ns. perinteisen lineaariseen ilmaisuun perustuvan lasertutkan ohella suorituskykyisiin, kompakteihin ja kustannustehokkaisiin lasertutkasovelluksiin.

Osajulkaisut / Original papers

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

1. Hallman, L., Huikari, J., & Kostamovaara, J. (2014, November). A high-speed/power laser transmitter for single photon imaging applications. IEEE SENSORS 2014 Proceedings. 2014 IEEE Sensors. https://doi.org/10.1109/icsens.2014.6985213

2. Huikari, J. M. T., Avrutin, E. A., Ryvkin, B. S., Nissinen, J. J., & Kostamovaara, J. T. (2015). High-Energy Picosecond Pulse Generation by Gain Switching in Asymmetric Waveguide Structure Multiple Quantum Well Lasers. IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, 21(6), 189–194. https://doi.org/10.1109/jstqe.2015.2416342

3. Kostamovaara, J., Huikari, J., Hallman, L., Nissinen, I., Nissinen, J., Rapakko, H., Avrutin, E., & Ryvkin, B. (2015). On Laser Ranging Based on High-Speed/Energy Laser Diode Pulses and Single-Photon Detection Techniques. IEEE Photonics Journal, 7(2), 1–15. https://doi.org/10.1109/jphot.2015.2402129

4. Huikari, J., Avrutin, E., Ryvkin, B., & Kostamovaara, J. (2016). High-energy sub-nanosecond optical pulse generation with a semiconductor laser diode for pulsed TOF laser ranging utilizing the single photon detection approach. Optical Review, 23(3), 522–528. https://doi.org/10.1007/s10043-016-0189-7

5. Huikari, J., Jahromi, S., Jansson, J.-P., & Kostamovaara, J. (2017, May). A laser radar based on a “impulse-like” laser diode transmitter and a 2D SPAD/TDC receiver. 2017 IEEE International Instrumentation and Measurement Technology Conference (I2MTC). 2017 IEEE International Instrumentation and Measurement Technology Conference (I2MTC). https://doi.org/10.1109/i2mtc.2017.7969799

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

6. Huikari, J., Jahromi, S., Jansson, J.-P., & Kostamovaara, J. (2018). Compact laser radar based on a subnanosecond laser diode transmitter and a two-dimensional CMOS single-photon receiver. Optical Engineering, 57(02), 1. https://doi.org/10.1117/1.oe.57.2.024104

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version