路采用细计数的方式将 这部分微小时间差A准确表示出来，需要由行级细计数器来实现。如图5所示，细计数器是 行级共享结构，基于内插技术的理念，将主时钟的一个周期细分成10份，采用延时线型TDC (Time-to-Digital Converte，即时间数字转换器，是常用的时间间隔测量电路)结构。每个 延时单元是由缓冲器(BUF)组成的，10个BUF完全相同。系统主时钟信号elk由左边第一个延 时单元输入，按照从左往右的顺序依次通过这10个延时单元组成的延时链。START信号作为 D触发器链的CK输入端。D触发器的功能是将elk信号与START信号作比较，当START信号的上 升沿到来时，D触发器链中的每个D触发器都将被延时单元(BUF)延时了 τ后的主时钟上升沿 与其作比较，并在Qn端输出对应的码值(0或1)。每个Qn端与对应的多路选择器的"0"端相连， 并由使能信号EN控制输出。多路选择器的输出端与最下一排的D触发器链的D端对应相连。 最后在时钟信号elk的控制下，按照从右往左的顺序串行输出一个lObit的二进制码，即为 时间差A。延时原理图如图6所示，在主时钟的一个周期内，当主时钟的上升沿通过第一个 延时单元时，被延时了时间t，ST0P信号的上升沿与其相比（图6中第二条虚线），处于高电 平，因此输出"Γ。当通过第二个延时单元时，STOP信号的上升沿再与主时钟上升沿相比，处 于高电平，因此依然输出"1"。依此类推，当主时钟上升沿通过了第七个延时单元以后，STOP 信号的上升沿与其相比，首次处于低电平，因此第一次输出"0"。依此类推，直到通过了最后 一个延时单元，STOP信号的上升沿依然处在低电平处，因此最后一位输出"0"。这个lObit码 值，与粗计数器的数值结合后，经简单的转换即可得出光子飞行的准确时间。
[0024]实施例:使用本发明实现激光测距。
[0025] 首先，测距的最大量程为3000m，因此对应的时间最大量程Tmax为20us(见式1)。系 统要实现3cm的距离分辨率，因此对应的时间分辨率tr为200ps(见式2)。由于系统主时钟为 100MHz，且时间最大量程为20us，因此计数器需要最大计数2000次（见式3)，且因为2 n = 2048>2000，所以粗计数器为11位。细计数器时钟频率为1GHz，对应的时间周期是Ins，即细 计数器的延时链是将Ins的时间细分。每个延时单元是由两个反相器（inv)组成的缓冲器 (BUF)，采用SMIC 1.8V工艺对延时单元后仿后得到的延时是80ps左右，由公式4得出需要 12.5个延时单元，再考虑到走线延时，将延时单元数η定为10个，因此细计数器最终输出的 码值为lObit。
[0_ ⑴
[0027] ,、 (2)
[0028] (3)
[0029] (4)
[0030] 、 C.5.)
[0031] 行级共享架构的TDC的优势在于能够极大地减小像素尺寸，而缺点在于时序控制 十分复杂。这其中最主要的问题在于:如果同一行有两个或者两个以上的像素同时响应（同 时产生两个甚至更多的STOP信号），那么共享的细计数器会"忙不过来"，而且像素级粗计数 器的数值也无法正常按顺序读出。
[0032] 对此给出的解决方案是，每个像素粗计数器的数值按照列选方式逐列读出，而同 一行的STOP信号由该行的一根公共总线经固定延时Θ按地址顺序输入给行级细计数器，并 由它最终串行输出写入行级寄存器Rn。同一行相邻两个像素间STOP信号的固定延时Θ按照 被测物水平方向上相邻两个像素点的前后距离差〈〇. 75m来确定，由公式5得出Θ值为5ns，即 在5ns的时间内保证下一个像素的STOP信号到来。这样，系统的帧频由列选读出32列像素级 粗计数器数值的时间和行级细计数器处理完32个STOP信号的时间共同决定，且受限于两者 之中的较大值。
[0033]结合系统示意图1，最后给出该系统的读出时序图7。在主时钟Master Clock的控 制下，系统启动信号System Start的上升沿表示整个系统已准备好开始工作;延时几个ns 之后系统使能信号System ΕΝ的上升沿表示系统开始正式工作，在随后的20us内，它一直处 于高电平，表示TDC就在这段高电平时间内工作;激光脉冲Laser Pulse与System EN同时刻 发出，持续几百皮秒;TDC计数信号TDC START与激光脉冲同时开始，表示TDC在激光发射的 同时刻开始计数;TDC计数信号TDC Count表示在使能期间TDC每加1就出现一个上升沿。选 取一行当中的四个像素响应为例，Row STOP!-4表示在这一行中随机出现的四个STOP信号， 其中为了更具一般性，第二个和第三个STOP信号发生了重叠;每个像素内部的有源淬火电 路AQC会在本像素的STOP信号出现时同时开始淬火工作，并在一段固定的死时间（Dead Time)后对本像素复位，以等待下一次光子的到来;行级共享细计数器(Fine Counter)按照 本行像素的物理地址顺序，对需要处理的每个STOP信号按照相邻两个之间延时固定时间Θ 的原则进行处理；当系统使能信号System EN变为低电平后，系统读出信号Readout开始控 制每行像素内的粗计数器逐列读出；当读出完成后，又可以进行激光发射以进行下一次光 子的探测。由于发生雪崩击穿的AH)器件处于不自持状态，不断增大的雪崩电流最终会烧坏 器件，因此读出时序电路需要对信号超过阈值的每个APD器件匹配一个像素级的淬火电路 (Active Quenching Circuit，AQC)，将AH)的偏压降低以停止本次雪崩。淬火电路还承同时 担着自身APD探测器的复位功能，在淬火完成后，经过固定的hold-off时间以减少后脉冲 (after-pulsing)的影响，再将APD的偏压升高到超过雪崩电压，以等待下一次回波光子的 来临。因此，两次激光脉冲的时间间隔由读出时间和淬火电路工作时间中的较大者和测量 范围共同确定。
[0034] 图8给出了本系统APD像素的读出时序电路示意图，其中APD的阴极与偏压Vbre3ak+ Vex连接，阳极与淬火电阻Rs连接，Rs另一端与地相连;APD的阳极还与比较器(Comparator) 的输入端连接，且通过淬火开关(Quenching switch)与偏压Vex相连；比较器的输出端输出 STOP信号，且同时与延迟模块(Hold-Off)相连，并通过延迟模块控制复位开关(Recharging switch)对APD进行复位;复位开关的两端分别与R s的两端相连。当APD处于雪崩状态时，比 较器输出STOP信号并同时控制淬火开关对AH)淬火，且控制延迟模块延时一段时间后，通过 复位开关再对其进行复位，完成一次探测。在频率为50KHz以内的激光器辅助下，结合相应 的光学系统和读出时序电路(如图8所示），能够针对32X32规模的Gm-APD阵列进行3000m以 内物体的激光测距。
[0035] 尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施 方式，上述的【具体实施方式】仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本 发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的 保护之内。
【主权项】
1. 一种基于盖革模式AH)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，其特征在于： 与所述Aro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Hold-off电路的一端，所述Hold-off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。2. -种基于盖革模式APD阵列的激光测距读出时序方法，其特征在于:步骤如下： 将分束器置于脉冲激光器与被测物之间，将APD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APD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AH)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。
【专利摘要】本发明公开了一种基于盖革模式APD阵列的激光测距读出时序方法，将分束器置于脉冲激光器与被测物之间，将APD阵列置于被测物的正后方；由脉冲激光器发射激光脉冲，通过分束器一路主动投向被测物另一路投向触发APD，触发APD响应后向TDC电路发出START信号使其开始计数工作并以二进制码来表示，并存入APD阵列的行级寄存器中，接收到由被测物反射回来的光子后发生雪崩击穿，在皮秒级时间内产生毫安级的雪崩电流，转换成的电压信号超过比较器阈值时，则产生一个停止信号使TDC电路停止计数，经TDC电路输出二进制码。本发明采用行级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。
【IPC分类】G01S7/48
【公开号】CN105652259
【申请号】
【发明人】赵毅强, 赵佳姮
【申请人】天津大学
【公开日】2016年6月8日
【申请日】2015年12月30日