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

本发明专利技术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。本发明专利技术采用行级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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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。
技术介绍
一直以来，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。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，Geigermode，Gm)的雪崩光电二极管(AvalanchePhotoDiode，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APD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)。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APD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APD阵列的读出电路(ROIC)按照TDC(TimetoDigitalConverter，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。
技术实现思路
针对现有技术，本专利技术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32×32规模的APD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。为了解决上述技术问题，本专利技术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APD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。同时本专利技术中的一种基于盖革模式APD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。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：本专利技术中读出时序方法结合其对应的读出时序电路，主要是针对32×32规模的Gm-APD阵列，使用本专利技术可实现测量范围在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。附图说明图1是本专利技术所涉及的激光测距系统示意图；图2是光子飞行时间时序图；图3是本专利技术中APD阵列及读出时序电路关系示意图；图4是本专利技术中TDC电路中微小时间差示意图；图5是一种延时线型TDC电路结构示意图；图6是图5所示TDC电路延时原理图；图7是本专利技术激光测距系统的读出时序图；图8是本专利技术中APD像素读出时序电路示意图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施例仅对本专利技术进行解释说明，并不用以限制本专利技术。针对于最大量程为3000m的非合作目标主动探测，本专利技术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(TimeofLight,TOF)的计数原理，该激光测距系统示意图如图1所示。本专利技术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，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APD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。本专利技术中基于盖革模式APD阵列的激光测距本文档来自技高网...

【技术保护点】
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，其特征在于：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APD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。

【技术特征摘要】
1.一种基于盖革模式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，其特征在于：
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APD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。
2.一种基于盖革模式APD阵列的激光测...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵毅强，赵佳姮，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12