Laser Ranging and Velocimetry with SPADs using Correlation

Moderne Light Detection and Ranging (LiDAR)-Systeme lassen sich je nach Messprinzip in zwei Haupttypen einteilen: Time-of-Flight (ToF) und kohärente frequenzmodulierte Dauerstrichsysteme (FMCW). ToF-Systeme verwenden eine Amplitudenmodulation des ausgesendeten Lichts, um die Laufzeit zu messen, die das Licht benötigt, um die zu messende Strecke zu durchlaufen. Die Laufzeit wird entweder direkt (Zeitmessung; direktes ToF (dToF)) oder indirekt (Phasenmessung; indirektes ToF (iToF)) bestimmt. CMOS-basierte Mehrpixel-ToF-Sensoren ermöglichen kameraähnliche Tiefenabbildung mithilfe hochsensitiver Einzelphotonen-Lawinendioden (engl.: single-photon avalanche diodes (SPADs)). Bei konventionellen ToF-Sensoren besteht jedoch ein Zielkonflikt zwischen Pixelabstand und erreichbarer Tiefenpräzision. In dieser Arbeit wird eine neue, korrelationsbasierte iToF-Methode untersucht, die eine gute Tiefenpräzision mit einer einfachen Phasenmessschaltung verspricht und sich gut für die In-Pixel-Integration bei kleinem Pixelabstand eignet. Ein detailliertes analytisches Modell wird entwickelt und mit Messungen validiert. Es erlaubt eine präzise Vorhersage der Tiefenpräzision über den Dynamikbereich der SPAD. Für diese Messungen wurde eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC) mit integrierter SPAD und Korrelatorschaltungen entwickelt. Die erreichte Tiefenpräzision von 70 μm und integrale Nichtlinearität von < 200 μm bei 1 GHz Modulationsfrequenz zeigen die technische Umsetzbarkeit dieser neuen Methode. Zusätzlich ermöglicht der neue Ansatz den Einsatz kodierter Modulationen, was den Eindeutigkeitsbereich erhöht und die Robustheit gegenüber Störungen verbessert. Neben dem ToF-Prinzip existiert auch das kohärente FMCW-Messprinzip. Ein Vorteil dieses kohärenten Messprinzips ist die „optische Verstärkung“, welche durch das Mischen des empfangenen Lichts mit einem Lokaloszillator-Licht (LO) die Notwendigkeit hochsensitiver Detektoren eliminiert. Daher werden SPADs üblicherweise nicht für kohärente Detektoren eingesetzt. In den letzten Jahren gab es erhebliche Fortschritte bei der Entwicklung kohärenter Mehrpixel-Sensoren. Allerdings ist die maximale Anzahl gleichzeitig aktiver Pixel begrenzt, sodass jeweils nur eine kleine Teilmenge der Pixel aktiv sein kann. Dies kann bei dynamischen Szenen problematisch sein. Die digitale Natur der Photonenimpulse von SPADs ermöglicht den Einsatz einfacher Korrelatorschaltungen, wie in dieser Arbeit vorgeschlagen. Diese können in ein kohärentes Pixel integriert werden und damit eine In-Pixel-Signalverarbeitung erlauben. Zudem ist aufgrund der hohen Empfindlichkeit von SPADs nur eine sehr geringe LO-Leistung erforderlich, um eine quantenlimitierte Detektion sicherzustellen. Diese beiden Vorteile können durch die Verwendung von SPADs mit den vorgeschlagenen Korrelatorschaltungen eine vollständig parallele Messung mit kohärenten Mehrpixel-Sensoren ermöglichen. In dieser Arbeit wird ein vollständiges analytisches Modell für den korrelationsbasierten Ansatz mit SPADs entwickelt, welches eine genaue, parameterbasierte Vorhersage von SNR und Tiefenpräzision erlaubt. Dieses Modell wird durch Messungen verifiziert und zeigt über den Dynamikbereich des SPAD eine sehr gute Genauigkeit. Für die Messungen wurde ein ASIC mit integrierter SPAD entwickelt, welches eine parallele Spektralmessung bei 50 intern erzeugten Frequenzen ermöglicht. Für FMCW-Messungen ist eine linear frequenzabstimmbare Lichtquelle erforderlich. Da keine solche Lichtquelle verfügbar war, jedoch ein frequenzverstimmbarer Laser mit stark nichtlinearem Verhalten, wurde ein neuer Ansatz entwickelt, um eine hochlineare Laserfrequenzabstimmung zu realisieren – selbst mit stark nichtlinearen verstimmbaren Lasern. Dieser neue Ansatz erweitert die Bandbreite der für präzise FMCW-Messungen einsetzbaren Laser erheblich.