Millimeter-Precision Laser Rangefinder
Zusammenfassung der Dissertation von Andreas Eisele von 12/2013 (etwas gekürzt)
die Arbeit ist auch als PDF abrufbar
http://primo.bibliothek.kit.edu/prim...astar&srt=date
Millimeter-Precision Laser Rangefinder
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit einem Laser-Messgerät zur Entfernungsmessung.
Typische Zielentfernungen liegt im Bereich von wenigen Zentimetern bis zu einigen zehn Metern. Eine für den wirtschaftlichen Erfolg entscheidende Randbedingung sind geringe Kosten, da preissensible Märkte bedient werden sollen. Die vorliegende Arbeit demonstriert erfolgreich ein Laser-Entfernungsmessgerät mit einer Messgenauigkeit im Millimeterbereich.
Das Gerät arbeitet nach dem Lichtlaufzeitverfahren. Dabei erfordert eine Messgenauigkeit von 1 mm eine Zeitauflösung von 6.7 ps. Als Lichtsensor findet ein kostengünstiger Photonenzähler Verwendung. Das Kernstück des Entfernungsmessgeräts ist eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC, application specific integrated circuit). Der ASIC vereint sowohl die Zeitmess-Elektronik als auch die Photodetektoren auf einem einzigen Chip. Als Photodetektoren kommen integrierte Einzelphotonen- Lawinendetektoren (SPAD, single-photon avalanche diode) zum Einsatz, wohingegen konventionelle Laserentfernungsmessgeräte diskrete Lawinen- photodetektoren (APD, avalanche photodiode) verwenden.
Das Ausgangssignal einer SPAD ist ein elektrischer Puls für jedes detektierte Photon. Diese Pulse können ohne zusätzliche Verstärker oder Filter unmittelbar weiterverarbeitet werden. Da SPADs kürzlich in einer CMOS-kompatiblen Halbleiter- Fertigungstechnologie implementiert wurden, kann der ASIC in Großserie mit bereits bestehenden Halbleiter-Fertigungsanlagen zu geringen Stückkosten produziert werden.
Für die Zeitmess-Elektronik wird im Rahmen dieser Arbeit eine neuartige ‘Binning’-Architektur zum Abtasten des empfangenen, vom Zielobjekt rück- reflektierten Signals vorgeschlagen. Diese Binning-Architektur entschärft Probleme, welche bei hochaufgelöster Abtastung einem integrierten System mit SPADs und Zeitmess-Elektronik auf einem Chip innewohnen.
Eine theoretische Performance-Abschätzung simuliert die Leistungsfähigkeit des vorgeschlagenen SPAD-basierten Laser-Entfernungsmessgeräts bei verschiedenen Messbedingungen. Versuche im Labor sowie erfolgreiche Tests mit einem Prototyp eines Laser-Entfernungsmessgeräts runden diese Arbeit ab.
Der Prototyp erreicht die Zielvorgabe: Entfernungsmessung mit Millimeter-Genauigkeit. Das demonstrierte SPAD-basierte Laser-Entfernungsmessgerät übertrifft ein konventionelles APD-basiertes System in Bezug auf Kostengünstigkeit, Handlichkeit der Abmessungen und Fertigungsfreundlichkeit.
