Control Algorithm and Evaluation Strategies for Single-Photon Avalanche Diode-Based Direct Time of Flight Systems
Single-Photon Avalanche Diode-based Direct Time of Flight systems are currently attracting much attention due to the need for optical systems with high temporal and spatial resolution, high frame rates, range, and high ambient light rejection for autonomous driving applications. Within the scope of this thesis, methods aiming to detect targets under high ambient light power are evaluated. Different pixel structures are considered, and the Signal-to-Noise Ratio derived as a measure of their performance.
On this basis, a novel comparison between commercially available Avalanche Photodiode and Single-Photon Avalanche Diodes is conducted. It shows the latter’s advantages when only small return signals are present. The theoretical predictions are then investigated with numerical simulation and verified using available research prototype systems.
With high frame rate and long range come small signal photon budgets. A rank-order filter-based signal processing chain for detecting faint return signal is investigated and compared to proven correlation-based approaches. It is shown that while the rank-order filters show excellent background light rejection, the signal is attenuated aggressively, limiting their usefulness in long-range ranging applications.
Strong return signals distort the recorded pulse distribution and limit accuracy. An approach for computationally correcting this accuracy deterioration from the measurement result for a given temporal laser pulse form is designed with a view to hardware integration. It can be corrected for signal peak event rates of up to 0.2 GHz.
The investigations result in a developed sensor control algorithm based on analysis of the recorded signal strength which yields high frame rates in low ambient light scenarios and high range in high ambient light scenarios. A range increase of up to 20% over systems without an active control algorithm can be shown, increasing to up to 700% for systems without active ambient light suppression.
Single-Photon Avalanche Diode-basierte Direct Time of Flight-Systeme genießen derzeit große Aufmerksamkeit, da für Anwendungen im Bereich des autonomen Fahrens optische Systeme mit hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung, hohen Bildraten, Reichweite und Fremdlichtunterdrückung benötigt werden. Im Rahmen dieser Arbeit werden Methoden zur Objekterfassung bei hoher eingestrahlter optischer Fremdlichtleistung evaluiert. Es werden verschiedene Pixelstrukturen betrachtet und der Signal-Rauschabstand als Maß für ihre Leistungsfähigkeit berechnet.
Auf dieser Grundlage wird ein neuartiger Vergleich zwischen kommerziell erhältlichen Avalanche Photodioden und Single-Photon Avalanche Dioden durchgeführt. Letztere sind vorteilhaft, wenn nur eine geringe rückgestrahlte optische Leistung zur Verfügung steht. Die theoretischen Vorhersagen werden anschließend mit numerischen Simulationen untersucht und mit verfügbaren Forschungsprototypen verifiziert.
Durch die hohen Anforderungen an Reichweite und Bildrate stehen den Systemen oftmals nur eine niedrige Zahl an Signalphotonen zur Verfügung. Eine auf Rangordnungsfiltern basierende Signalverarbeitungskette wird untersucht und mit bewährten korrelationsbasierten Ansätzen verglichen. Es zeigt sich, dass die Rangordnungsfilter zwar zu einer hervorragenden Unterdrückung des Hintergrundlichts führen, das Signal jedoch stark abgeschwächt wird, was ihre Nützlichkeit für Anwendungen im Fernbereich einschränkt.
Eine hohe Signalstärke verzerrt das aufgezeichnete Messergebnis und verringert
die Messgenauigkeit. Ein Ansatz zur rechnerischen Korrektur dieses Genauigkeitsfehlers aus dem Messergebnis für eine gegebene Laserpulsform wird im Hinblick auf ihre Hardware-Integrierbarkeit untersucht und entwickelt. Mit ihr kann die Messwertverschiebung für Ereignisraten von bis zu 0.2 GHz korrigiert werden.
Die Untersuchungen münden in einem entwickelten Algorithmus, der auf der Analyse der aufgenommenen Signalstärke basiert. Er ermöglicht hohe Bildraten bei schwachem Umgebungslicht und eine hohe Reichweite bei starkem Umgebungslicht. Es kann eine Reichweitensteigerung von bis zu 20% gegenüber Systemen ohne aktiven Kontrollalgorithmus gezeigt werden, die sich bei Systemen ohne Fremdlichtunterdrückung auf bis zu 700% erhöht.
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