Laajan mittausalueen omaavia aikavälimittaustekniikoita tullaan tarvitsemaan laserskannaukseen perustuvassa ympäristön havainnoinnissa. Objektien etäisyys ja paikka voidaan selvittää, mittaamalla aika, joka laserpulssilta kestää edetä kohteeseen ja heijastua takaisin. Asiaa on tutkittu Oulussa Pekka Keräsen väitöskirjatyössä.
Tämän kaltaisessa sovelluksessa millimetrin mittaustarkkuus edellyttää noin 6,6 pikosekunnin tarkkuutta. Samankaltaisille tarkoilla ajanmittaustekniikoilla on myös muitakin sovelluskohteita, esimerkiksi tiedonsiirrossa, spektroskopiassa ja piiritason signaalinkäsittelyssä.
Pekka Keräsen väitöskirjassa tutkittiin aikavälimittaukseen liittyviä piiritekniikoita ja -arkkitehtuureja, joilla voidaan saavuttaa laaja millisekuntiluokan mittausalue yhdistettynä tarkkaan pikosekuntiluokan mittaustarkkuuteen.
Aikavälimittaustekniikoiden implementointi hyvin kompakteina integroituina CMOS-piireinä mahdollistaa lisäksi edullisten ja hyvin pienten ja energiatehokkaiden laitteiden toteuttamisen, joka laajentaa sovellusmahdollisuuksia entisestään.
Väitöskirjatyössä kehitettiin uusia aikavälimittaustekniikoita, sekä toteutettiin kaksi erilaista aikavälimittausmuunninta. Ensimmäinen näistä toteutettiin erilliskomponenteilla, jolla saavutetaan noin 84 ms:n mittausalue ja kahden pikosekunnin mittaustarkkuus.
Toinen aikavälimuunnin toteutettiin integroituna piirinä CMOS-teknologialla, jolloin aikavälimittauspiirin pinta-ala on ainoastaan 0.64 mm2. Tällä integroidulla piirillä saavutetaan noin 327 μs:n mittausalue ja noin neljän pikosekunnin mittaustarkkuus.
Toteutettujen piirien lisäksi yksi työn tärkeä tulos on analyysi merkittävimmistä mittausepävarmuuteen liittyvistä tekijöistä. Näistä rajoitteista tutkittiin erityisesti referenssioskillaattorin vaikutusta mittausten epävarmuuteen pitkillä aikaväleillä.
Keränen väittelee perjantaina Oulun yliopistolla perjantaina15.4.2016.
LISÄÄ: Diplomi-insinööri Pekka Keräsen väitöskirja ’’High precision time-to-digital converters for applications requiring a wide measurement range’’ (LINKKI, pdf)
Kuva: Testikortti, Pekka Keräsen väitöskirja, Oulun yliopisto