Single-photon -ilmaisuun perustuva lasertutka

• Main Author: Huikari, J. (Jaakko)
• Format: Dissertation
• Language: Finnish
• Published: University of Oulu 2016
• Subjects: Electrical Engineering
• Online Access: http://urn.fi/URN:NBN:fi:oulu-201604151493; http://nbn-resolving.de/urn:nbn:fi:oulu-201604151493

Diplomityössä tutkittiin suurella taajuudella pulssitettavaan kapeaan laserpulssiin sekä aikaportitettuun single photon ilmaisimeen perustuvan lasertutkan toteutettavuutta ja suorituskykyä. Tutkimuksessa toteutettiin lasertutkan lähetinvastaanotin, jolle suoritettiin verifiointi- ja suorituskykymittaukset. Lähettimessä hyödynnettiin puolijohdelaserilla tuotettujen energialtaan nJ- sekä puoliarvoleveydeltään 100 ps -luokan laserpulsseja sekä vastaanottimessa digitaalista CMOS SPAD ilmaisinta. Puolijohdelaserin herätteenä käytettiin puoliarvoleveydeltään nanosekunti- ja amplitudiltaan ampeeriluokan virtapulsseja. Virtapulssitinelektroniikassa käytettiin nopeaa MOSFET-transistoria virtapulssitintopologian edellyttämänä kytkimenä. Lasertutkan pulssitustaajuusalue oli 100–1000 kHz. Lähettimelle suoritetuilla mittauksilla tutkittiin toteutetun virtapulssittimen tuottamien virtapulssien ominaisuuksia sekä eräiden bulk- ja yhden kvanttikaivolaserrakenteen optisia vasteita kyseisille virtapulssiherätteille. Laserrakenteen aktiivisen tilavuuden koosta riippuen optisten pulssien maksimi tehot vaihtelivat välillä 2–12 W ja puoliarvoleveydet 80–130 ps. TOF-etäisyysmittausjärjestelmälle 100 kHz pulssitustahdilla suoritetuilla aikavälimittauksilla määritettiin vastaanottimen hyötyfotoni-ilmaisutahti, jota verrattiin tutkayhtälön antamaan teoreettiseen tulokseen. Mittausetäisyyksillä 24,5 m ja 50 m saatujen mittaustulosten ja tutkayhtälön välillä havaittiin selkeä yhdenmukaisuus. Järjestelmän kertamittaustarkkuuden määrittävä mittaus antoi vastaanotetun optisen pulssin puoliarvoleveydeksi 150 ps vastaten 22 mm erottelukykyä. Walk-virhe -mittaustulokset osoittivat SPAD-ilmaisimen etäisyysmittaustuloksiin vaikuttavan systemaattisen virhelähteen mittauskohteiden erilaisten heijastuskertoimien vaikutuksesta olevan 60 mm. Voimakkaassa taustavalaistuksessa suoritettujen aikaportitusmittausten tuloksista nähdään 10 ns etäisyydelle hyötypulssin etureunasta asetetun aikaportin yli 600 kertainen parannus vastaanottimen hyötypulssi-ilmaisutodennäköisyyteen 308 ns etäisyydelle hyötypulssin etureunasta asetettuun aikaporttiin verrattuna. Lasertutkan vastaanottimen toteutuksessa käytetyn CMOS SPAD ilmaisimen toimivuus ja suorituskyky osoittivat CMOS-prosessilla toteutettavan kompaktin TOF-etäisyysmittausjärjestelmän olevan käytännön sovelluksissa mahdollinen. Suorituskykymittaustulokset osoittivat lasertutkan senttimetriluokan mittaustarkkuuden kymmenien ja jopa satojen metrien mittausetäisyydellä.