CN108700457B - 光脉冲检测电路 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种旨在连接到光电二极管(2)的用于检测光脉冲的电路，该检测电路包括积分电容器(Cint)、放电装置(13)和适于将积分电容器的端子处的积分电压(Vint)与参考阈值电压(Vseuil)进行比较以产生用于检测光脉冲的信号的比较器装置(12)。参考电压阈值(Vseuil)是取决于光背景噪声水平的自适应阈值。本发明还涉及一种包括光电二极管和这种检测电路的检测设备。本发明还涉及一种包括多个这种检测设备的检测矩阵。
Description
本发明涉及用于检测诸如激光脉冲之类的光脉冲的电路的领域。
背景技术
激光检测矩阵包括多个检测设备，每个检测设备都包括光电二极管和检测电路。检测设备以行和列布置，以形成激光检测矩阵的像素。
每个光电二极管将入射光线转换成光电流。每个检测电路通常包括积分电容器，该积分电容器对光电流进行积分达预定的积分周期。跨积分电容器的端子的电压(其与积分周期结束时的光电流成比例)然后被使用以便检测入射光辐射中光脉冲的存在。
然而，除了激光脉冲之外，到达每个光电二极管的入射光辐射包括取决于光电二极管的光环境的一定水平的光背景噪声。
检测激光脉冲的主要困难之一在于有效地从入射光辐射中提取激光脉冲，即，使由于检测到光背景噪声中包含的干扰信号而导致的误报率最小化而不影响检测激光脉冲的概率。
发明目的
本发明的目的是借助于检测电路改进对诸如激光脉冲之类的光脉冲的检测。
发明内容
为了实现该目的，提供了一种连接到光电二极管的光脉冲检测电路，该检测电路包括适配成对由光电二极管产生的光电流进行积分的积分电容器，用于使积分电容器放电的放电装置，以及适配成将跨积分电容器的端子的积分电压与参考电压阈值进行比较以产生光脉冲检测信号的比较器装置。
根据本发明，参考电压阈值是取决于残余光背景水平的自适应阈值。
当使用恒定参考电压阈值时，恒定参考电压阈值必须是高的，以避免由于来自光电二极管所见场景的残余光背景水平的残余波动而不合时宜地检测到光脉冲。
然而，使用高参考电压阈值往往降低检测电路的检测灵敏度。
作为对比，通过具有自适应参考电压阈值，本发明的检测电路适应所讨论的像素的残余光背景水平，并且在保持高检测灵敏度的同时降低误报率。
本发明还提供了一种包括光电二极管和这种检测电路的检测设备，并且还提供了包括多个这种检测设备的检测矩阵。
在阅读了以下关于本发明的特定、非限制性实施例的描述之际，本发明的其他特性和优点显现。
附图简述
图1是本发明的检测电路的电路图。
具体实施方式
参考图1，本发明的检测电路1连接到光电二极管2。检测电路1和光电二极管2构成形成检测矩阵的一个像素的检测设备3，该检测矩阵包括以行和列布置的多个这样的检测设备。
在此示例中，光电二极管2是InGaAs型的混合光电二极管(即，光电二极管的感测元件包括铟-镓砷层)。
光电二极管2可通过电流源4与电容器Cdet并联来建模。
检测电路1是缓冲直接注入(BDI)型的电路。
因此，检测电路1包括缓冲直接注入块6，其包括放大器7和第一金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)8。放大器7的输出端So连接到第一MOSFET 8的栅极G。放大器7的反相输入端Ei连接到第一MOSFET 8的源极S。
缓冲直接注入块6执行伺服控制，该伺服控制用于减小第一MOSFET 8的输入阻抗并改善对光电二极管2的偏置的控制。电容器Cdet的阻抗的变化因此受限，并且向积分电容器Cint的电流注入更加有效。
积分电容器Cint连接到第一MOSFET 8的漏极D。积分电容器Cint适配成对由光电二极管2产生并因入射光辐射10到达光电二极管2而产生的光电流Ip进行积分。
积分电容器Cint的电容远小于电容器Cdet的电容，并因此检测电路1的电流-电压转换增益是相对较大的。
还可(即，对于检测矩阵中的所有检测设备)共同控制电流-电压转换增益，以便持续地适应光脉冲的幅度。电压Gain_BDI用于控制电流-电压转换增益。
在入射光辐射10中检测诸如激光脉冲之类的光脉冲包括以规则的间隔(每个间隔等于一个预定的积分周期)进行动作以利用跨积分电容器Cint的端子的积分电压Vint。积分电压Vint由积分电容器Cint所积分的光电流Ip产生。由于上文提及的相对大的电流-电压转换增益，积分电压Vint足够高以使其可以检测表示光脉冲的电流脉冲是否存在于光电流Ip中。
通过将跨积分电容器Cint的端子的积分电压Vint与参考电压阈值Vthresh进行比较来使用积分电压Vint。在光电流Ip中，在积分周期期间存在表示光脉冲的电流脉冲具有少量增加积分电压Vint的特定效果，所述少量增加是通过与参考电压阈值Vthresh进行比较而检测到的。比较由如下文所描述的比较器装置12来执行。
然而，有必要定期使积分电容器Cint放电，使得在积分电压Vint中检测到的增加确实对应于代表光脉冲的电流脉冲，而不仅仅对应于作为在先前的积分周期上对光电流Ip积分的结果而在积分电容器Cint中累积的电荷。
为此目的，检测电路1具有适配成持续地使积分电容器Cint放电的放电装置13，即，放电装置13永久地运行，而不仅仅在例如积分周期结束时运行。
放电装置13包括第二MOSFET 14，其源极S和漏极D连接到积分电容器Cint的端子，并且其栅极G连接到放电低通滤波器15。源极S被电压跟随器11(其是具有高输入阻抗的隔离放大器)隔离。放电低通滤波器15连接到积分电容器Cint。在此示例中，放电低通滤波器15是电阻电容(RC)滤波器。
放电低通滤波器15用于产生补偿电压Vcomp。补偿电压Vcomp是电压Vint的分量，其因光电流Ip中存在背景电流而产生。背景电流由光电二极管2生成并且来自存在于入射光辐射10的背景照明。补偿电压Vcomp对应于积分电压Vint减去由光脉冲生成的电流脉冲所得的分量，该分量被放电低通滤波器15移除。
向第二MOSFET 14的栅极G施加补偿电压Vcomp用于生成接近背景电流的放电电流Id，其持续地使积分电容Cint放电。
因此，通过放电低通滤波器15注回放电电流Id来执行高通滤波。
放电低通滤波器15还被用于消除电压Vint中残余的高频分量。
因此，放电装置13用于自动地使积分电容器Cint放电，同时还以反相减去场景的背景电流的大部分波动。
一旦从场景中清除了大部分背景电流波动，比较器装置12然后就将积分电压Vint与参考电压阈值Vthresh进行比较。比较器装置12包括比较器17、求和电路18和检测低通滤波器19。在此示例中，检测低通滤波器19是第二RC滤波器。
检测低通滤波器19对电压跟随器11输出的信号Vint进行滤波，并且用于对积分电压Vint进行滤波，以便获得滤除了其由高频光脉冲产生的分量的经滤波的积分电压Vintf。
因此，经滤波的积分电压Vintf与补偿电压Vcomp一样，对应于减去了由光脉冲生成的电流脉冲产生的分量的积分电压Vint。参考电压阈值Vthresh是自适应阈值，其通过求和电路18将存在于入射光辐射10中的背景水平Vint_F和电压阈值Vr相加来得到，它们可被外部地并共同地调节以便获得最终参考电压阈值Vthresh。
可调电压阈值Vr被调节以使得对每个像素而言参考电压阈值Vthresh都足够高于背景噪声水平，以避免生成误报或例如适应更强的光脉冲。
通过应用于所有像素的单个调节电压来调节可调电压阈值Vr，在设置检测矩阵时通过测试进行调节，或者通过使用微控制器或现场可编程门阵列(FPGA)类型的组件持续地进行调节。
积分电压Vint被施加到比较器17的非反相输入端Eni。参考电压阈值Vthresh被施加到比较器17的反相输入端Ei。比较器17将积分电压Vint与参考电压阈值Vthresh进行比较。
当积分电压Vint大于参考电压阈值Vthresh时，比较器在其输出端So上产生数字信号，该信号等于“1”。当积分电压Vint小于或等于参考电压阈值Vthresh时，比较器在其输出端So上产生数字信号，该信号等于“0”。
检测电路1包括存储器装置20，该存储器装置20存储数字或模拟信号的相继值。检测矩阵的行和列被多路复用，以便产生从检测矩阵的检测设备3的每个检测电路1的存储器装置20获取的所有像素的等于“0”或“1”的数字信号或模拟信号。
有利地，检测电路1至少部分地在专用集成电路(ASIC)上实现。
当然，本发明不限于所描述的实施例，而是覆盖落在由所附权利要求限定的本发明的范围内的任何变体。
Claims (10)
1.一种连接到光电二极管(2)的光脉冲检测电路，所述检测电路包括适配成对由所述光电二极管产生的光电流(Ip)进行积分的积分电容器(Cint)，用于使所述积分电容器放电的放电装置(13)，以及适配成将跨所述积分电容器的端子的积分电压Vint与参考电压阈值(Vthresh)进行比较以产生光脉冲检测信号的比较器装置(12)，所述电路的特征在于，所述比较器装置包括比较器(17)、用于对所述积分电压Vint进行滤波以获得经滤波的积分电压Vintf的连接到所述积分电容器(Cint)的检测低通滤波器(19)、用于将可调电压阈值(Vr)加到所述经滤波的积分电压Vintf上以获得所述参考电压阈值的求和电路(18)，其中所述参考电压阈值(Vthresh)是取决于光背景噪声的水平的自适应阈值。
2.如权利要求1所述的检测电路，其特征在于，所述参考电压阈值被施加到所述比较器(17)的反相输入端并且所述积分电压Vint被施加到所述比较器(17)的非反相输入端。
3.如权利要求2所述的检测电路，其特征在于，所述检测低通滤波器(19)是适配成从所述积分电压Vint的信号中消除高频光脉冲的RC滤波器。
4.如权利要求1所述的检测电路，其特征在于，所述放电装置(13)被适配成持续地使所述积分电容器(Cint)放电。
5.如权利要求1所述的检测电路，其特征在于，所述放电装置包括MOSFET(14)，其源极和漏极连接到所述积分电容器的端子，并且其栅极连接到与所述积分电容器相连接的放电低通滤波器(15)。
6.如权利要求5所述的检测电路，其特征在于，所述放电低通滤波器(15)是用于从所述积分电压Vint的信号中消除残余高频分量的RC滤波器。
7.如任一前述权利要求所述的检测电路，其特征在于，所述检测电路是缓冲直接注入类型的。
8.如权利要求7所述的检测电路，其特征在于，呈现能通过电压(Gain_BDI)共同控制的增益。
9.一种检测设备，包括光电二极管和如任一前述权利要求所述的检测电路。
10.一种检测矩阵，包括以行和列布置的多个如权利要求9所述的检测设备。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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