Optimization of an Infrared MCT-APD based Flash LiDAR System for Space Landing and 3D Imaging
Optimisation d'un système Flash LiDAR basé sur un détecteur MCT-APD infrarouge pour l'atterrissage spatial et l'imagerie 3D
Résumé
Planetary exploration missions require some challenging phases during the landing of a space-craft or a payload, such as a rover. The study and exploration of the Moon, Mars and other extraterrestrial bodies are expected to be performed in the near future by unmanned missions and therefore an autonomous procedure is essential for the precise and fast navigation operations. The support of a 3D vision for the Guidance Navigation and Control (GNC)system allows the creation of a Digital Elevation Map (DEM) of the target terrain, used to identify and avoid dangerous sites and adapt the course of the spacecraft to a safe location.This ability can ultimately grant the possibility to explore challenging reliefs, such as craters, more efficiently.Flash Light Detection and Ranging (LiDAR) systems are being considered one of the best alternatives for such 3D vision sensors and a key technology in the future of relative proximity navigation. These systems are constituted by a detector composed by a large array of Avalanche PhotoDiode (APD) and a LASER. The differential of the Flash LiDAR is that the light pulse emitted by the LASER illuminates the entire target terrain at once without employing a scanning device, making the system more compact and reliable.This thesis describes the optimization of a Flash LiDAR system based on a Mercury Cadmium Telluride (MCT)-APD detector developed by CEA-LETI. MCT-APDs have character-istics that allow the fast detection of the returned LASER pulse with a good Signal-to-Noise Ratio (SNR). The material provides a high gain at a low reverse bias and a low excess noise factor, which makes it a good candidate for applications with expected low number of photons,such as long distance measurements. The Read-Out Integrated Circuit (ROIC) responsible for controlling the detector is designed to output two frames per pulse: a 2D, or intensity,image corresponding to the integration of the light pulse and a 3D, or Time-of-Flight (TOF), image that can be translated into a range measurement.At a first moment the constituent parts, apart from the detector, were designed and characterized aiming the miniaturization of the system. This optimization phase included the integration of a new and powerful pulsed LASER, the design of an optical system and the development of a dedicated electronic control board. The established constraints of weight and size were taken into consideration in the creation of this new prototype for the future experimental campaign.The prototype was used to investigate the major faults that corrupt the quality of the image. A set of imaging processing algorithm and methods were developed in order to improve the performance of the range measurements according to two criteria: accuracy and precision. Finally, a final test campaign was performed at the European Space Agency (ESA) campsite in Noordwijk, Netherlands. The prototype system was mounted onto a robotic arm to simulate the landing on a target terrain according to different motion profiles.Two of the calibration methods developed in the context of this thesis were presented at the International Conference on Space Optics (ICSO 2018) and the International Geoscience and Remote Sensing Symposium (IGARSS 2019).
Les missions d'exploration planétaire ont des phases difficiles lors de l'atterrissage d'un vaisseau spatial ou d'une charge utile, telle qu'un rover. L'étude et l'exploration de la Lune, de Mars ou d'autres corps extraterrestres devraient être effectuées prochainement par des missions sans assistance humaine; une procédure autonome est donc essentielle pour les opérations de navigation précises et rapides. L'utilisation d'une caméra 3D dans le système de guidage, de navigation et de contrôle (GNC) permet la création d’une carte numérique d’élévation (DEM) du terrain ciblé, utilisé afin d'identifier et éviter les sites dangereux et adapter le parcours du vaisseau spatial à un endroit sûr. Inversement cela peut permettre d'explorer plus efficacement des reliefs difficiles, comme les cratères.Les systèmes Flash LiDAR sont considérés comme l’une des meilleures alternatives pour ces capteurs de vision 3D. C'est une technologie clé dans l’avenir de la navigation à différentes distances. Ces systèmes sont constitués d’un détecteur composé d'une matrice de photodiodes à avalanche (APD) et d’un LASER. L'avantage principal du Flash LiDAR réside dans le fait que l'impulsion lumineuse émise par le LASER éclaire tout le terrain cible sans utiliser de balayage mécanique, ce qui rend le système plus compact et fiable.Cette thèse décrit l'optimisation d'un système Flash LiDAR basé sur un détecteur de tellurure de mercure-cadmium (MCT) développé par le CEA-LETI. Les MCT-APDs ont des caractéristiques leur permettant la détection rapide de l'impulsion LASER envoyée avec un bon rapport signal sur bruit (SNR). Le matériel fournit un gain élevé avec une tension de polarisation et un facteur de bruit excessif faibles, ce qui en fait un bon candidat pour les applications ayant un nombre de photons faible, comme les mesures à longue distance. Le circuit intégré de lecture (ROIC) chargé de contrôler le détecteur est conçu pour enregistrer deux trames par impulsion: une image 2D, ou d'intensité, correspondant à l'intégration de l'impulsion lumineuse et une image 3D, ou de temps de vol (TOF), pouvant être traduite en mesure de distance.Dans un premier temps chaque composant, en dehors du détecteur, a été identifié et caractérisés dans le but de miniaturiser le système. Cette phase d'optimisation comprenait l'intégration d'un LASER plus puissant, ainsi que la conception d'un système optique et le développement d'une carte de commande électronique dédiée. Les contraintes de poids et de taille établies ont été prises en compte lors de la création de ce nouveau prototype pour la future campagne expérimentale.Le prototype a été utilisé pour étudier les principaux défauts qui altèrent la qualité de l’image. Un ensemble d’algorithmes et de méthodes de traitement d’image a été mis au point afin d’améliorer les performances des mesures de distance en fonction de deux critères: justesse et fidélité. Enfin, une dernière campagne de test a été réalisée sur le site de l'Agence Spatiale Européenne (ESA) à Noordwijk, aux Pays-Bas. Le prototype a été monté sur un bras robotisé pour simuler l'atterrissage sur un terrain cible selon différents profils de mouvement.Deux des méthodes d'étalonnage développées dans le cadre de cette thèse ont été présentées à la Conférence internationale sur l'optique spatiale (ICSO 2018) et au Symposium international sur la géoscience et la détection à distance (IGARSS 2019).
Origine : Version validée par le jury (STAR)