Sistema di misura della distanza basato sul tempo di volo di singoli fotoni con riconoscimento della posizione dell'eco ottico

Light Detection and Ranging (LiDAR) systems have multiple applications and they are widespread in many automated systems that must interact with the external environment and with human staff, their purpose is to measure the distance between the device and any point in the field of view. My thesis work is part of a project aimed at the realization of a small single point laser rangefinder, which will be used to measure the distance of objects in presence of strong background illumination, for industrial environment. The developed system consists of an integrated circuit containing the photodetector array and an interface board. The chip design had previously been developed within the SPADLab of the Politecnico di Milano using a 0,16 µm BCD technology. It consists of a matrix of 10 × 40 SPADs and the electronics necessary to establish the region of interest (ROI), used to perform a smart sharing of the 80 TDCs (Time-to-Digital Converters). The distance is calculated through a direct measurement of the time of flight (dTOF), obtained from the centroid of the backscattered pulse, which was reconstructed with the Time Correlated Single Photon Counting (TCSPC) technique. The aim of the thesis was the development of a system that deals with the configuration, control and reading of the SPAD array. The realization of this device involved multiple aspects of system design, starting from the hardware and firmware design phases, up to the development of a software user interface running on a host PC. First of all, the characteristics of the circuit were studied and defined, that was followed by the elaboration of the structure of the electrical diagram and by the choice of components. The development of the schematic is followed by its physical definition, namely the routing of the PCB. Regarding the firmware, it was performed in VHDL language for the description of the internal logic of the FPGA used on the digital processing board. At last, a software application was built to manage USB communication and user interface.

I telemetri laser hanno molteplici applicazioni e sono diffusi in molti sistemi automatizzati che devono interfacciarsi sia con l'ambiente esterno che con il personale umano, il loro scopo è effettuare la misura di distanza che intercorre tra il dispositivo e un qualsiasi punto del campo visivo. Il mio lavoro di tesi fa parte di un progetto finalizzato alla realizzazione di un telemetro laser a singolo punto di dimensioni ridotte, il quale dovrà essere utilizzato per la misura della distanza di oggetti in presenza di una forte illuminazione di fondo, per applicazioni industriali. Il sistema sviluppato si compone di un circuito integrato contenente la matrice di fotorivelatori e una scheda di interfacciamento. Il design del chip era stato precedentemente sviluppato all’interno dello SPADLab del Politecnico di Milano utilizzando una tecnologia BCD a 0,16 µm. Esso è costituito da una matrice di 10 × 40 SPAD e dall’elettronica necessaria per stabilire la regione di interesse (ROI Region-Of-Interest), sulla base della quale viene effettuata una condivisione intelligente di 80 TDC (Time-to-Digital Converters). La distanza viene calcolata tramite una misura diretta del tempo di volo (dTOF direct Time-Of-Flight), ricavata dal centroide dell’impulso retrodiffuso, il quale è stato ricostruito con la tecnica Time Correlated Single Photon Counting (TCSPC). Scopo del lavoro di tesi è stato lo sviluppo di un sistema che si occupi della configurazione, del controllo e della lettura della matrice. La realizzazione di questo dispositivo ha riguardato molteplici aspetti della progettazione di sistemi, partendo dallo sviluppo di hardware e firmware, fino ad arrivare alla realizzazione di un software PC per l’interfacciamento con l’utente. In primo luogo, sono state studiate e definite le caratteristiche del circuito da realizzare, operazione seguita dall'elaborazione della struttura dello schema elettrico e dalla scelta dei componenti. Allo sviluppo dello schematico segue la sua definizione fisica, vale a dire lo sbroglio del PCB. Per quanto concerne il firmware è stato realizzato in linguaggio VHDL per la descrizione della logica interna dell'FPGA utilizzata sulla scheda di elaborazione digitale. Infine, è stata sviluppata un'applicazione software per gestire la comunicazione USB e l’interfacciamento utente.