基于盖革模式apd阵列的激光测距读出时序电路及方法

文档序号:9886385阅读:1115来源:国知局
基于盖革模式apd阵列的激光测距读出时序电路及方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于激光探测读出电路领域,特别涉及一种应用于盖革模式APD阵列的读 出时序方法。
【背景技术】
[0002] -直以来,激光测距技术是发展激光跟踪、激光雷达、测速、扫描成像、多普勒成像 等技术的重要基础,在军事和民用领域都有着举足轻重的地位。随着光电技术的不断发展, 有关激光测距的各项关键技术都在不断地成熟和完善。高功率短脉冲激光源、皮秒级的电 子线路和光子级别的光电探测器,使得激光测距在测程和精度上都得到了显著的提高。在 民用测距、工业控制和军事遥感等领域中,目前的测量精度可以达到毫米级,而测程可达数 百公里。
[0003] 在种类繁多的光电探测器中,工作在非线性模式(又称为盖革模式,Geiger mode, Gm)的雪崩光电二极管(Avalanche Photo Diode,APD)具备响应单个光子的能力,成为微光 测距中极具发展前景的光电探测器。APD是基于内光电效应且具有内部高增益的光电检测 器件,通过光生载流子在高电场作用下形成雪崩效应,从而获得宏观的光电流。这种光电流 的产生机理使得AH)具有极高的探测灵敏度,为实现对微弱发光目标或远距离目标的探测 提供了可能。而对目标的精确测距是3-D成像的基础,因为要实现目标的三维探测,除了需 要目标的方位角和俯仰角之外,还要获得目标的距离信息(称之为角度-角度-距离像, Angle-Angle-Range,AAR)〇
[0004] 国际上,以美、法为代表的欧美国家长久以来都在致力于APD阵列3-D成像技术的 研究,目前已经取得了比较瞩目的成果,实现了大阵列的产品化,但对我国尚有技术封锁。 而国内方面从事AH)阵列研究的研究单位及高校很少,在读出电路及时序设计上没有突破 和创新。盖革模式Aro阵列的读出电路(R0IC)按照TDC(Time to Digital Converter,时间 数字转换电路)的架构分为三类:像素级TDC读出电路、行级TDC读出电路和系统级TDC读出 电路。其中像素级TDC读出电路架构是目前国内研究的主流,这种结构为每一个像素均配备 一个TDC模块,时序上很简单,但只适用于小阵列规模,且像元尺寸很大、功耗很高;系统级 TDC读出电路架构是整个阵列共享一个TDC模块,像元尺寸不再受限,但只适用于极小的阵 列规模,否则无法处理大量的信号;而行级TDC架构是以阵列的行为单位,每行配备一个TDC 模块,这是目前解决大阵列规模和像元尺寸之间折中的唯一有效途径。但是由于行级TDC结 构涉及到很复杂的读出时序,因此国内没有相关方面的详细研究。

【发明内容】

[0005] 针对现有技术,本发明提出了一种基于盖革模式APD阵列的激光测距读出时序方 法,是一种专用于工作在盖革模式下32X32规模的AH)阵列的新型读出时序方法,其采用行 级TDC架构实现,能够有效减小像元尺寸,为减小读出电路面积、降低读出电路功耗提供了 一种新颖可行的方案。
[0006] 为了解决上述技术问题,本发明提出的一种基于盖革模式APD阵列的激光测距读 出时序电路,其中,激光测距系统包括脉冲激光器、APD阵列、分束器和触发APD,与所述APD 阵列连接有一读出时序电路,所述读出时序电路包括AQC电路、比较器和TDC电路;所述AQC 电路包括淬火电阻Rs、复位开关和Hold-off电路,其中,所述淬火电阻Rs的一端与所述AH)阵 列的阳极相连,所述淬火电阻Rs的另一端接地;所述淬火电阻Rs与所述复位开关并联,所述 复位开关连接至所述Ho 1 d-of f电路的一端,所述Ho 1 d-of f电路的另一端与所述比较器的输 出端相连;所述AQC电路的一端与AH)阵列相连,所述AQC电路的另一端与所述比较器的输入 端相连,所述比较器的输出端与TDC电路相连。
[0007] 同时本发明中的一种基于盖革模式Aro阵列的激光测距读出时序方法,步骤是:将 分束器置于脉冲激光器与被测物之间,将Aro阵列置于被测物的正后方;由脉冲激光器发射 激光脉冲,通过放置于脉冲激光器的正前方、被测物的后方的分束器分为两路,其中一路主 动投向被测物,同时另一路投向触发APD,并由该触发APD响应后向TDC电路发出START信号 使TDC电路开始计数工作并以二进制码来表示,按照行地址的顺序将该二进制码存入APD阵 列的行级寄存器中;当AH)阵列接收到由被测物反射回来的光子后发生雪崩击穿,从而在皮 秒级时间内在Aro阵列内部产生毫安级的雪崩电流,而后雪崩电流经所述读出时序电路转 换成电压信号,当该电压信号超过比较器阈值时,则所述比较器产生一个停止信号使TDC电 路停止计数,最后经所述TDC电路输出二进制码。
[0008] 与现有技术相比,本发明的有益效果是:
[0009] 本发明中读出时序方法结合其对应的读出时序电路,主要是针对32X32规模的 Gm-APD阵列,使用本发明可实现测量范围在3000m内的激光脉冲测距,是实现3-D成像的重 要基础。在读出时序电路上实现了行级TDC架构,非常有效地减小了像元尺寸,为实现大阵 列规模的激光探测提供了有效可行的读出方案,并且有效地降低了读出电路的功耗。
【附图说明】
[0010]图1是本发明所涉及的激光测距系统示意图;
[0011]图2是光子飞行时间时序图;
[0012]图3是本发明中APD阵列及读出时序电路关系示意图;
[0013]图4是本发明中TDC电路中微小时间差不意图;
[0014]图5是一种延时线型TDC电路结构示意图;
[0015] 图6是图5所示TDC电路延时原理图;
[0016] 图7是本发明激光测距系统的读出时序图;
[0017] 图8是本发明中Aro像素读出时序电路示意图。
【具体实施方式】
[0018] 下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述,所描述的具体 实施例仅对本发明进行解释说明,并不用以限制本发明。
[0019] 针对于最大量程为3000m的非合作目标主动探测,本发明采用激光一次成像的方 式,APD阵列激光测距是基于光子飞行时间(Time of Light,T0F)的计数原理,该激光测距 系统示意图如图1所示。
[0020] 本发明提出的一种基于盖革模式Aro阵列的激光测距读出时序电路,其中,激光测 距系统包括脉冲激光器、APD阵列、分束器和触发APD,与所述AH)阵列连接有一读出时序电 路,如图8所示,所述读出时序电路包括AQC电路、比较器和TDC电路;所述AQC电路包括淬火 电阻Rs、复位开关和Hold-off电路,其中,所述淬火电阻Rs的一端与所述APD阵列的阳极相 连,所述淬火电阻Rs的另一端接地;所述淬火电阻Rs与所述复位开关并联,所述复位开关连 接至所述Ho 1 d-of f电路的一端,所述Ho 1 d-of f电路的另一端与所述比较器的输出端相连; 所述AQC电路的一端与AH)阵列相连,所述AQC电路的另一端与所述比较器的输入端相连,所 述比较器的输出端与TDC电路相连。
[0021] 本发明中基于盖革模式APD阵列的激光测距读出时序方法是,如图1所示,将分束 器置于脉冲激光器与被测物(示意图中为车)之间,将APD阵列置于被测物的正后方。激光测 距系统工作时,由脉冲激光器发射激光脉冲,通过放置于脉冲激光器的正前方、被测物的后 方的分束器分为两路,大部分通过分束器主动投向被测物,同时小部分投向触发APD,并由 该触发AH)响应后向TDC电路发出START信号使TDC电路开始计数工作并以二进制码来表示, 按照行地址的顺序将该二进制码存入AH)阵列的行级寄存器(Register)中;当APD阵列接收 到由被测物反射回来的光子后有一定概率会发生雪崩击穿,从而在皮秒级时间内在APD阵 列内部产生毫安级的雪崩电流,而后雪崩电流经所述读出时序电路转换成电压信号,当该 电压信号超过比较器(Comparator)阈值时,则所述比较器的电压信号会产生一个停止信号 (STOP信号)使TDC电路停止计数,经所述TDC电路输出二进制码(Data output ),经后端处理 即可得出被测物与APD阵列之间的准确距离,由于TDC电路所记的数值乘以对应的时钟 (Clock)周期,就是光子飞行时间的二倍,也就是从START信号上升沿到STOP信号上升沿之 间的对应时间,如图2所示。
[0022]如图3所示,为了提高测距精度,本发明中将TDC电路分为粗计数器(coarse counter)和细计数器(fine counter)两个部分。其中粗计数部分对应于一个常见结构的计 数器,为像素级结构,即每个像素采用单独的计数器进行计数,互不干扰。图3中的左边显示 出本发明中APD阵列为32 X 32的Gm-AH)阵列,其中的每个单元都是一个相同的雪崩光电二 极管,图3中的右边为其中一个单元的放大图。在每个像素内部,AH)的阴极被偏置在V break+ex 的电压下,其中Vbreak是使APD发生雪崩的最小击穿电压,Vex是保证APD雪崩的附加电压;AH) 的阳极通过淬火电阻Rs接地。发生雪崩后,APD产生的雪崩信号会控制AQC电路降低APD阳极 的偏置电压来使其雪崩猝灭,同时控制TDC电路的粗细计数器同时停止计数。由于细计数器 是行级共享,因此要将每个像素产生的STOP信号对应的细计数器数值存入行级寄存器 (Reg i s ter)的对应地址。
[0023]而为了实现高精度测距乃至对被测物的三维探测以获得3-D图像,必须考虑到, STOP信号的到来并不总是与计数器的时钟沿对齐,如图4所示,当STOP信号的上升沿落在 Clock-个周期T内的任意非上升沿处时,计数器都会默认记下一个完整周期的时间。这样 就比实际时间多算了Τ-Δ,这意味着单纯的像素级计数器并不能够精确地测出光子飞行时 间,而一味地提高时钟频率并非切实可行。因此,本发明中的TDC电
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