Uçuş zamanına dayalı kilometre menzilli mikrojoule enerjili lazer mesafe ölçer için SiPM alıcı devrenin geliştirilmesi
Devolopment of SiPM receiver circuit for time of flight based microjoule-energy laser rangefinder with kilometer range
Yazar: MEHMET TİKEN
Danışman: PROF. DR. ELİF ORHAN
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İleri Teknolojiler Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Bu tez çalışmasında, yeni nesil dedektör silikon fotoçoğullayıcıların (SiPM) anlaşılması ve yüksek algılama performanslarının, açık hava koşullarında nesne veya doğal yüzeylerin kilometre ölçeğindeki mesafelerinin düşük enerjili kısa darbe lazer diyot ile ölçülerek, belirlenmesi amaçlanmıştır. Yapılan çalışmalar, binoküler lazer mesafe ölçer tasarımı ve prototip geliştirme çerçevesinde sürdürülmüştür. Bu kapsamda, elektronik çalışmalarda SiPM dedektör, lazer sürücü ve veri toplama kartları; optik ve mekanik çalışmalarda ise lazer kollimatör ve dedektör odaklama optikleri ile bileşenlerin yerleştirileceği mekanik aksamlar tasarlanarak üretilmiştir. Çalışmada, düşük gürültüsü nedeniyle SiPM dedektörü olarak Hamamatsu imali S15639-1325PS modeli tercih edilmiştir. SiPM karakterizasyon çalışması ile, başta ön yükselteç olmak üzere okuma devresinin tüm bileşenlerinin tasarımı ve simülasyonu için SiPM'in çıkış kapasitansı, çıkış direnci ve tepki zamanlarını içeren parametreler elde edilmiştir. SiPM'in gürültü tipi ve farklı ışık seviyeleri altında spektral güç ölçümü yapılmıştır. Bandgenişliği 100 MHz, kazancı >23 dB  ve gürültü değeri (noise figure) değeri < 6 dB olan düşük gürültülü voltaj yükselteci (LNA) tasarlanmıştır. Kısa darbe lazer diyot için, 40-80 A arasında tepe akımı ve 10-100 ns arasında darbe genişliği ayarlanabilir bir sürücü elektroniği tasarlanmıştır. Lazer darbesi dalga formu, sürücü devresi modifiye edilerek düz tepe veya Gauss formuna dönüştürülebilinmektedir. 12 μJ enerjili kısa darbe lazer diyot kullanılarak 2674 m uzaklıktaki doğal bir tepe >2 sinyal gürültü oranı (SNR) ile başarılı bir şekilde ölçülmüştür. İki- darbe tekrarlama frekanslı (PRF) mesafe belirsizliği tekniği, incelenmiş ve standart mesafe ölçüm tekniği ile karşılaştırılmıştır. SiPM dedektörü kullanılarak 16 ns darbe genişliğindeki 2,3 μJ enerjili lazer darbeleri ile 1880 m uzaklıktaki bir mesafe iki yöntemle de ölçülmüş ve mesafe belirsizliği tekniğinin 9 kat daha iyi SNR sağladığı görülmüştür. Bunlara ek olarak, Wavelet ve Wiener filtreleme tekniklerinin SNR kazançları karşılaştırmıştır. Wavelet filtrelemenin Wiener'e göre en az 2 kat daha iyi SNR sağladığı görülmüştür.

Abstract:
This thesis aims to understand the new generation of silicon photomultiplier (SiPM) detectors and to determine their high detection performance by measuring the kilometer scale distances of objects or natural surfaces in outdoor conditions using a low energy short pulse laser diode.  Studies have been carried out within the framework of binocular laser distance meter design and prototype development. In this context, SiPM detector, laser driver, and data collection cards in electronic studies; in optical and mechanical works, laser collimator, detector focusing optics, and the mechanical parts where the components will be placed have been designed and manufactured. In the study, Hamamatsu's S15639-1325PS model was preferred as the SiPM detector due to its low noise. With the SiPM characterization study, parameters including terminal capacitance and resistance, and response times of SiPM were obtained. The noise type of SiPM has been determined and the spectral power of the noise has been measured under different light levels. A low noise amplifier (LNA) with 100 MHz bandwidth, >23 dB gain and <6 dB noise figure was designed. For the short pulse laser diode, driver electronics are designed with a peak current of 40-80 A and an adjustable pulse width of 10-100 ns. By modifying the driver circuitry, the laser pulse can be converted to flat top or Gaussian shape. Using a short-pulse laser diode with 12 μJ energy, a natural hill at a distance of 2674 m was successfully detected with a signal-to-noise ratio (SNR) of >2. Two-PRF (pulse repetition frequency) range ambiguity techniques were examined and compared with the standard distance measurement technique. With the SiPM detector, a distance of 1880 m was measured using laser pulses with 16 ns pulse width and 2.3 μJ energy by the two methods and 9 times better SNR was obtained with the range ambiguity technique. In addition, an attempt has been made to compare Wavelet and Wiener filtering techniques in terms of SNR gain. It has been observed that Wavelet filtering provides at least 2 times better SNR than the Wiener technique.