Işığın uçuş zamanı temelli lidar sistemleri için özgün zaman ölçüm, kalibrasyon ve hata düzeltme yöntemleri

Işık algılama ve uzaklık ölçümü (LiDAR), ışık darbelerinin uçuş süresinin (TOF) hassas bir şekilde ölçülmesine dayanan bir tekniktir. 1 ns TOF ölçüm hatası yaklaşık 15 cm mesafe hatasına neden olurken, 1 cm hassasiyet 66 ps TOF ölçüm çözünürlüğü gerektirmektedir. Öncelikle, 18 ps çözünürlüğe ve 35 ps doğruluğa sahip, çıkış noktalı gecikme hattı (TDL) tabanlı bir alanda programlanabilir kapı dizileri (FPGA) zaman sayısal dönüştürücü (TDC) geliştirilmiştir. Düşük maliyetli FPGA kartı ile 10 ns ile 1 ms arasıdaki geniş menzil en kötü durumda 54 ps doğruluk ile ölçülmüştür. Ayrıca, 18 ps ile literatürdeki en iyi çözünürlüğe sahip olan dinamik faz kaydırma (DPS) tabanlı çevrim içi bir kalibrasyon yöntemi gösterilmiştir. TDL tabanlı FPGA TDC'lerin sıcaklık toleransını ölçmek için -30 °C ile 105 °C gibi geniş bir aralıkta FPGA TDC ölçümleri gerçekleştirilmiştir. Sonrasında, düşük maliyete ve karmaşıklığa sahip 18 ps'den iyi çözünürlüklü yeni bir FPGA tabanlı zaman genlik dönüştürücü (TAC) sensör geliştirilmiştir. 3 °C ile 93 °C arasındaki geniş bir sıcaklık aralığında gerçekleştirilen testlerde, TAC sensörünün ölçümünde yalnızca 32 ps sapma gözlemlenmiştir. FPGA TDC ve FPGA tabanlı TAC sensörü yürüyüş hatasını (walk error) düzeltmek üzere iyileştirilmiştir. İyileştirilen FPGA tabanlı TDC, 47 cm'lik büyük bir yürüyüş hatasını 3 cm'ye indirirken; iyileştirilen TAC, 42 cm'lik yürüyüş hatasını 2 cm'ye düşürmüştür. Ayrıca, 14.9 ps çözünürlük ve 13–16 ps doğruluk ile gelişmiş TDL tabanlı FPGA TDC'lerin performansına ulaşan ve onların FPGA kaynak tüketiminin %10'unu tüketen DPS ve yüksek hızlı sayıcı tabanlı 32 kanallı yeni bir FPGA TDC yöntemi gösterilmiştir. Tek kanallı ve 16 kanallı LiDAR sistemi için gerekli tüm elektronik donanım geliştirilmiştir. Literatürde, yürüyüş hatası genellikle ticari TDC'ler veya ASIC'ler kullanılarak ve tek kanal için gösterilirken, bu tezde yürüyüş hatası düzeltimi FPGA tabanlı TDC'ler kullanılarak, tüm 16 kanal için gerçekleştirilmiştir. Tüm kanallarda yapılan mesafe ölçümlerinde, yürüyüş hatası telafisi uygulandığında en fazla 4.1 cm, uygulanmadığında ise 43.6 cm hata gözlemlenmiş, böylece yöntemin etkinliği doğrulanmıştır.