Laser Ranging and Velocimetry with SPADs using Correlation

Abstract

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.

Modern Light Detection and Ranging (LiDAR) systems, depending on their measurement principle, can be classified into two main types, time-of-flight (ToF) and coherent frequency-modulated continuous-wave (FMCW) systems. ToF systems use amplitude modulation of the transmitted light to measure the time-of-flight that the transmitted light needs to pass the distance to be measured. The time-of-flight is measured either directly (time measurement; direct ToF (dToF)) or indirectly (phase measurement; indirect ToF (iToF)). CMOS-based multi-pixel ToF sensors allow camera-like depth imaging using highly sensitive single-photon avalanche diodes (SPADs). However, for conventional ToF sensors, there is a trade-off between pixel pitch and achievable depth precision. In this work, a new correlation-based iToF method is investigated, which promises to combine good depth precision with simple phase-measurement circuitry, well suited for in-pixel integration with a small pixel pitch. A detailed analytical model is developed and validated with measurements. It allows an accurate prediction of the depth precision over the dynamic range of the SPAD. To perform these measurements, an application-specific integrated circuit (ASIC) with integrated SPAD and correlator circuits was developed. The achieved depth precision of 70 μm and an integral nonlinearity of < 200 μm at a modulation frequency of 1 GHz demonstrate the feasibility of this new method. Additionally, the new approach enables the use of coded modulations, increasing the unambiguous range and the robustness against interference. In addition to the ToF principle, there is also the coherent FMCW measurement principle. An advantage of this coherent measurement principle is the "optical gain", which eliminates the necessity of highly sensitive detectors by mixing the received light with local oscillator (LO) light. This is the reason why SPADs are usually not used for coherent detectors. In recent years, there has been significant progress in the development of coherent multi-pixel sensors. However, the maximum number of simultaneously active pixels is limited, and only a small subset of pixels can be active at a time. This can be a problem for dynamic scenes. The digital nature of the SPAD’s photon pulses enables the use of simple correlator circuits as proposed in this work. These can be integrated into a coherent pixel, enabling in-pixel signal processing. Additionally, due to the SPAD’s high sensitivity, only a very small LO power is necessary to guarantee a quantum-limited detection. These two advantages can enable a fully parallel measurement with coherent multi-pixel sensors by using SPADs with the proposed correlator circuits. In this work, a complete analytical model for this correlation-based approach using SPADs is developed that allows an accurate parameter-based prediction of SNR and depth precision. This model is verified with measurements and shows a very good accuracy over the dynamic range of the SPAD. To perform these measurements, an ASIC with integrated SPAD, capable of a parallel spectral measurement at 50 on-chip-generated frequencies, was developed. For FMCW measurements, a linearly frequency-tunable light source is necessary. As no such light source, but a frequency-tunable laser with a very nonlinear behavior was available, a new approach to perform a highly linear laser frequency tuning – even with very nonlinear tunable lasers – is developed. This new approach greatly increases the range of lasers usable for precise FMCW measurements.