Novel time-of-flight (Tof) measurement, calibration, and errorcorrection methods for tof based lidars
Işığın uçuş zamanı temelli lidar sistemleri için özgün zaman ölçüm, kalibrasyon ve hata düzeltme yöntemleri
- Tez No: 972484
- Danışmanlar: DOÇ. DR. HEBA MOHAMED YÜKSEL
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Boğaziçi Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
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.
Özet (Çeviri)
Light detection and ranging (LiDAR) is an art of precise measurements of the time-of-flight (TOF) of light pulses, where even a 1-nanosecond error corresponds to 15 cm distance error, and 1 cm distance resolution requires 66 ps resolution approaching the state of art time measurement performance. In this thesis, firstly, a tapped delay line (TDL) based field programmable gate array (FPGA) time-to-digital converter (TDC) with 18 ps resolution and 35 ps single shot precision is developed. A wide dynamic range measurement from 10 ns to 1 ms is achieved without losing a notable precision with a worst value of 54 ps using only a low-cost FPGA board, and without using external complex circuitry. In addition, an online calibration method based on dynamic phase shifting (DPS) with 18 ps resolution, which is the best in the literature, is demonstrated. Since the TDL based FPGA TDCs are vulnerable to temperature variations, experiments are carried out to observe its performance from -30 °C to 105 °C, which is beyond the ranges commonly addressed. Then, a novel, low cost and low complexity FPGA based time-to-amplitude converter (TAC) is developed achieving a phase detection resolution better than 18 ps. In addition, temperature tests are performed in a wide range of temperature from 3 °C to 93 °C, and only 32 ps measurement deviation is observed. The presented FPGA TDC, and the novel FPGA based TAC are improved to compensate for the walk error. The improved FPGA TDC decreased a large walk error of 47 cm to 3 cm while the improved TAC decreased 42 cm walk error to 2 cm. A new FPGA TDC method with 32 channels is demonstrated based on DPS and high-speed counters achieving the performance of the state-of-the-art TDL based FPGA TDCs by reaching a 14.9 ps resolution and 13-16 ps precision with a resource utilization of only 10% of the low resources TDL based FPGA TDCs. A complete hardware to develop a single channel and 16-channel LiDAR is designed. While walk error compensation in the literature is typically demonstrated for a single channel using commercial TDCs or ASICs, this thesis presents compensation across all 16 channels using FPGA-based TDCs. Distance measurements on all 16 channels yielded maximum errors of 4.1 cm with and 43.6 cm without walk error compensation, confirming the method's effectiveness.
Benzer Tezler
- Polianilin ve polidopamin kopolimerlerinin sentezi, PbI2 ile doplanması ve spektroskopik incelenmesi
Synthesis of polyaniline and polydopamine copolymers, doping with PbI2 and spectroscopic investigation
MERVE HERCAN MAMMAD
Doktora
Türkçe
2024
Polimer Bilim ve TeknolojisiSakarya ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA GÜLFEN
- İletken anilin, triflorometil-anilin ve diamino-disiyano-antrakinon polimerlerinin sentezi ve karakterizasyonu
Synthesis and characterization of conductive aniline, trifluoromethyl aniline, and diamino-dicyano anthraquinone polymers
SEVİL GÜNERALP
- Geometrik olarak soğutulmuş geri tepen iyon spektrometresi simülasyonu ve kurulumu
Designing and simulating COLTRIMS spectrometer
ZEHRA NUR ERENGİL
Yüksek Lisans
Türkçe
2007
Fizik ve Fizik MühendisliğiAfyon Kocatepe ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
Y.DOÇ.DR. RIDVAN ÜNAL
- Design and control of a winch driven grasping mechanism for a quadrotor unmanned aerial vehicle
Dört rotorlu insansız hava aracı için makaralı yük alma-bırakma mekanizması tasarımı ve kontrolü
MEHMET OKAN GÜNEY
Yüksek Lisans
İngilizce
2019
Mekatronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ERDİNÇ ALTUĞ
- Çeşitli şekillerde düzenlenmiş iki silindir etrafındaki akım alanının incelenmesi
Investigation of the flow araund two circular cylinders in various arrangements
M.NEVZAT ÖZKAN