CN109765544B

CN109765544B - 单光子3d激光雷达探测器的光子同步检测电路及方法

Info

Publication number: CN109765544B
Application number: CN201910066857.6A
Authority: CN
Inventors: 孙飞阳; 徐跃; 李鼎; 吴仲
Original assignee: Nanjing University of Posts and Telecommunications
Current assignee: Nanjing University of Posts and Telecommunications
Priority date: 2019-01-24
Filing date: 2019-01-24
Publication date: 2022-08-26
Anticipated expiration: 2039-01-24
Also published as: CN109765544A

Abstract

本发明公开了一种单光子3D激光雷达探测器的光子同步检测电路及方法，包括RS触发器一RSFF_1、RS触发器二RSFF_2、RS触发器三RSFF_3、RS触发器四RSFF_4、判断电路以及触发/复位电路，判断电路由一个电容网络和一个比较器CMP组成。判断电路将雪崩脉冲信号个数同时通过电容网络的充放电过程转化为一定的电压阈值V_A，再通过比较器CMP对比所设定的参考电压信号V_ref，实现同步检测、抑制噪声的功能。本发明占用的芯片版图面积小，有效地提高了SPAD像素单元的填充因子，提高了SPAD阵列探测器的集成度；电路复杂度低，制造工艺完全和CMOS工艺兼容，制造成本低，各个电路之间的性能一致性好，成品率高。

Description

单光子3D激光雷达探测器的光子同步检测电路及方法

技术领域

本发明提出了一种应用于单光子3D激光雷达探测器的光子同步检测电路，属于单光子探测和3D成像技术领域。

背景技术

由于具有探测灵敏度高、响应速度快、面积小、功耗低和CMOS工艺完全兼容等显著优势，单光子雪崩光电二极管(Single-Photon Avalanche Diode，SPAD)已在激光测距、荧光寿命成像、DNA测序和3D成像等方面显示出广泛的应用前景。而这些应用领域都需要单光子探测器具有良好的抑制噪声的能力。目前单光子探测器抑制噪声的方法主要有门控法和雪崩脉冲检测两种方法。采用门控淬灭电路虽然能够在一定的间隔时间内抑制环境光子和SPAD器件暗计数，具有可控性高的优点，但是当外界环境光子噪声较大时，其规避噪声的能力较低。雪崩脉冲检测的方法主要基于数字构造的计数器，虽然其规避噪声的能力较高，但是占用面积大，适用范围小，不适用于像素单元中器件雪崩响应间隔时间较短或同时响应的情况。本发明针对这两种现有电路的缺点，提出了一种光子同步检测电路，在提高探测器噪声抑制能力和适用范围的同时能够有效降低电路复杂度和面积，可大大提高像素单元填充因子和阵列集成度。

发明内容

发明目的：针对现有光子同步检测电路抑制环境光子噪声能力不高、适用范围小和电路面积大等问题，本发明提出一种能够改变噪声抑制性能、集成度到、适用范围广的单光子3D激光雷达探测器的光子同步检测电路及方法。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种单光子3D激光雷达探测器的光子同步检测电路，其特征在于：包括RS触发器一RSFF_1、RS触发器二RSFF_2、RS触发器三RSFF_3、RS触发器四RSFF_4、判断电路以及触发/复位电路，其中：

单光子雪崩二极管产生的雪崩脉冲信号一QC1分别与RS触发器一RSFF_1的置1输入端S和触发/复位电路的输入端一P1连接，单光子雪崩二极管产生的雪崩脉冲信号二QC2分别与RS触发器二RSFF_2的置1输入端S和触发/复位电路的输入端二P2连接，单光子雪崩二极管产生的雪崩脉冲信号三QC3分别与RS触发器三RSFF_3的置1输入端S和触发/复位电路的输入端三P3连接，单光子雪崩二极管产生的雪崩脉冲信号四QC4分别与RS触发器四RSFF_4的置1输入端S和触发/复位电路的输入端四P4连接。

RS触发器一RSFF_1的的输出端Q连接判断电路的输入端一S1，而输出端QN连接判断电路的第一输入端

RS触发器二RSFF_2的输出端Q连接判断电路的输入端二S2，而输出端QN连接判断电路的第二输入端

RS触发器三RSFF_3的输出端Q连接判断电路的输入端三S3，而输出端QN连接判断电路的第三输入端

RS触发器四RSFF_4的输出端Q连接判断电路的输入端四S4，而输出端QN连接判断电路的第四输入端

触发/复位电路的输出端四T输出触发信号START，连接时间-数字转换电路，当触发信号START为高电平时，则启动时间-数字转换电路开始工作。触发/复位电路的输出端一W1输出反相局部复位信号LRN，连接判断电路的输入端五R1。触发/复位电路的输出端二W2输出延时局部复位信号DLR，连接判断电路的输入端六R2。触发/复位电路的输出端三W3输出局部复位信号LR，同时连接RS触发器一RSFF_1、RS触发器二RSFF_2、RS触发器三RSFF_3、RS触发器四RSFF_4的置0输入端R。触发/复位电路的输入端RES连接全局复位信号RESET。判断电路的输入端Sel连接参考电压信号V_ref。输出端Y输出判定信号YES，连接时间-数字转换电路，当判定信号YES为高电平时，则判定该次响应为激光光子的触发，时间-数字转换电路的工作有效。当判定信号YES为低电平时，则判定该次响应为环境光子噪声的触发，时间-数字转换电路的工作无效。

优选的：判断电路包括比较器CMP、主电容C0、支路电容一C1、支路电容二C2、支路电容三C3、支路电容四C4、CMOS传输门一TG1、CMOS传输门二TG2、CMOS传输门三TG3、CMOS传输门四TG4、PMOS管MP1、NMOS管一MN1、NMOS管二MN2、NMOS管三MN3、NMOS管四MN4，其中：判断电路的输入端五R1连接PMOS管MP1的栅极。PMOS管MP1的源极接电源电压VDD。PMOS管MP1的漏极与主电容C0的一端相连，同时PMOS管MP1的漏极连接比较器CMP的输入端V-、CMOS传输门一TG1、CMOS传输门二TG2、CMOS传输门三TG3、CMOS传输门四TG4的输入端。主电容C0的另一端接地。判断电路的输入端Sel连接比较器CMP的输入端V+，判断电路的输入端一S1连接CMOS传输门一TG1的同相控制端，判断电路的第一输入端

连接CMOS传输门一TG1的反相控制端。判断电路的输入端二S2连接CMOS传输门二TG2的同相控制端，判断电路的第二输入端

连接CMOS传输门二TG2的反相控制端。判断电路的输入端三S3连接CMOS传输门三TG3的同相控制端，判断电路的第三输入端

连接CMOS传输门三TG3的反相控制端。判断电路的输入端四S4连接CMOS传输门四TG4的同相控制端，判断电路的第四输入端

连接CMOS传输门四TG4的反相控制端。CMOS传输门一TG1的输出端连接支路电容一C1的一端，支路电容一C1的另一端接地。CMOS传输门二TG2的输出端连接支路电容二C2的一端，支路电容二C2的另一端接地。CMOS传输门三TG3的输出端连接支路电容三C3的一端，支路电容三C3的另一端接地。CMOS传输门四TG4的输出端连接支路电容四C4的一端，支路电容四C4的另一端接地。同时，CMOS传输门一TG1的输出端连接NMOS管一MN1的漏极，NMOS管一MN1的源极接地。CMOS传输门二TG2的输出端连接NMOS管二MN2的漏极，NMOS管二MN2的源极接地。CMOS传输门三TG3的输出端连接NMOS管三MN3的漏极，NMOS管三MN3的源极接地。CMOS传输门四TG4的输出端连接NMOS管四MN4的漏极，NMOS管四MN4的源极接地。判断电路的输入端六R2分别连接NMOS管一MN1、NMOS管二MN2、NMOS管三MN3、NMOS管四MN4的栅极。比较器CMP的输出端引出输出端Y。

判断电路在输入端一S1、输入端二S2、输入端三S3、输入端四S4有效高电平到来之前，即第一输入端

第二输入端

第三输入端

第四输入端

为有效高电平时，判断电路的输入端五R1为低电平，判断电路的输入端六R2为高电平，PMOS管MP1和NMOS管一MN1、NMOS管二MN2、NMOS管三MN3、NMOS管四MN4导通，主电容C0开始充电，支路电容一C1、支路电容二C2、支路电容三C3、支路电容四C4开始放电。当主电容C0充电完成，支路电容一C1、支路电容二C2、支路电容三C3、支路电容四C4放电完成后，判断电路的输入端五R1变为高电平，判断电路的输入端六R2变为低电平。PMOS管MP1和NMOS管一MN1、NMOS管二MN2、NMOS管三MN3、NMOS管四MN4断开，准备进行同步检测操作。当判断电路输入端一S1、输入端二S2、输入端三S3、输入端四S4中存在有效高电平时，即第一输入端

第二输入端

第三输入端

第四输入端

中存在有效低电平时，相应的CMOS传输门一TG1、CMOS传输门二TG2、CMOS传输门三TG3、CMOS传输门四TG4开启，主电容C0对相应导通支路上的支路电容一C1、支路电容二C2、支路电容三C3、支路电容四C4开始充电。当判断电路输入端一S1、输入端二S2、输入端三S3、输入端四S4再次全部变为有效低电平的时候，CMOS传输门一TG1、CMOS传输门二TG2、CMOS传输门三TG3、CMOS传输门四TG4断开，充电结束。此时，比较器CMP输入端V-的电位由电源电压VDD下降到一定的电压阈值V_A，该电压阈值V_A随着判断电路输入端一S1、输入端二S2、输入端三S3、输入端四S4中有效高电平的数量增加而减小。当电压阈值V_A达到所设定的参考电压信号V_ref时，比较器输出端Y输出的判定信号YES为高电平。当电压阈值V_A未达到所设定的参考电压信号V_ref时，比较器输出端Y输出的判定信号YES为低电平。一次检测结束后，判断电路的输入端五R1再次变为低电平，输入端六R2再次变为高电平，PMOS管MP1和NMOS管一MN1、NMOS管二MN2、NMOS管三MN3、NMOS管四MN4导通，主电容C0进行充电，支路电容一C1、支路电容二C2、支路电容三C3、支路电容四C4进行放电，实现复位。

优选的：触发/复位电路包括四输入或门OR4_1、RS触发器五RSFF_5、延时电容五C5、反相器一INV_1、反相器二INV_2、反相器三INV_3、二输入与非门NAND_1、二输入与门AND_1和二输入或门OR_1，其中，触发/复位电路的输入端一P1、输入端二P2、输入端三P3、输入端四P4连接四输入或门OR4_1的4个输入端，四输入或门OR4_1的输出端接RS触发器五RSFF_5的置1输入端S。RS触发器五RSFF_5的输出端Q同时连接反相器一INV_1的输入端、二输入与非门NAND_1的一个输入端、二输入与门AND_1的一个输入端。反相器一INV_1的输出端连接延时电容五C5的一端，延时电容五C5的另一端接地。同时反相器一INV_1的输出端连接二输入与非门NAND_1的另一输入端。二输入与非门NAND_1的输出端连接二输入与门AND_1的另一输入端。二输入与门AND_1的输出端连接二输入或门OR_1的一个输入端。触发/复位电路的输入端RES连接二输入或门OR_1的另一个输入端，二输入或门OR_1的输出端连接反相器二INV_2的输入端，反相器二INV_2的输出端连接反相器三INV_3的输入端，四输入或门OR4_1的输出端引出输出端T。二输入或门OR_1的输出端引出触发/复位电路的输出端三W3。反相器二INV_2的输出端引出触发/复位电路的输出端一W1。反相器三INV_3的输出端引出触发/复位电路的输出端二W2。

触发/复位电路在触发/复位电路的输入端一P1、输入端二P2、输入端三P3、输入端四P4为低电平时，全局复位信号RESET为高电平，二输入或门OR_1的输出为高电平，RS触发器五RSFF_5输出端Q为低电平，通过反相器一INV_1后输出高电平，对延时电容五C5进行充电。当触发/复位电路的输入端一P1、输入端二P2、输入端三P3、输入端四P4中存在有效高电平时，四输入或门OR4_1输出高电平，此时输出端T输出的触发信号START为高电平。同时RS触发器五RSFF_5输出端Q为高电平。通过反相器一INV_1后输出低电平，对延时电容五C5进行一定延时的放电，使得延时电容五C5的电位延时降低。延时电容五C5的电位和RS触发器五RSFF_5输出端Q的高电平通过二输入与非门NAND_1进行与非。与非后的结果再和RS触发器五RSFF_5输出端Q的高电平通过二输入与门AND_1相与。相与的结果通过二输入或门OR_1和全局复位信号RESET相或并在触发/复位电路的输出端三W3产生局部复位信号LR，该局部复位信号LR被送回RS触发器五RSFF_5的置0输入端，实现一次工作后的复位清零。同时该局部复位信号LR依次通过反相器二INV_2、反相器三INV_3，分别在触发/复位电路的输出端一W1产生反相局部复位信号LRN，在触发/复位电路的输出端二W2产生延时局部复位信号DLR。

一种单光子3D激光雷达探测器的光子同步检测方法，包括以下阶段：

(1)准备阶段：在激光光子或环境光子噪声到来之前，全局复位信号RESET为高电平，RS触发器一RSFF_1、RS触发器二RSFF_2、RS触发器三RSFF_3、RS触发器四RSFF_4的输出端Q为低电平，输出端QN为高电平。判断电路和触发/复位电路都不工作，判定信号YES和触发信号START均为低电平。设定好参考电压信号V_ref的电压值，当全局复位信号RESET由高电平变为低电平，准备检测操作。

(2)启动/检测阶段：当光子或噪声到来时，即检测到雪崩脉冲信号一QC1、雪崩脉冲信号二QC2、雪崩脉冲信号三QC3、雪崩脉冲信号四QC4中存在高电平时，相应的RS触发器一RSFF_1、RS触发器二RSFF_2、RS触发器三RSFF_3、RS触发器四RSFF_4的输出端Q变为高电平，输出端QN变为低电平。触发/复位电路的输出端T所输出的触发信号START变为高电平，启动时间-数字转换电路进行工作。判断电路将雪崩脉冲信号个数同时通过电容网络的充放电过程转化为一定的电压阈值V_A，再通过比较器CMP对比所设定的参考电压信号V_ref。若该电压阈值V_A达到所设定的参考电压信号V_ref时，则输出端Y所输出的判定信号YES为高电平，判定该次响应为激光光子的触发，时间-数字转换电路的工作有效。未达到所设定的参考电压信号V_ref时，则输出端Y所输出的判定信号YES为低电平，判定该次响应为环境光子噪声的触发，时间-数字转换电路的工作无效，以此实现同步检测、抑制噪声的功能。

(3)复位阶段：当一次触发、检测工作完成时，触发/复位电路通过延时电容五C5的充放电过程在触发/复位电路的输出端三W3产生局部复位信号LR，对RS触发器一RSFF_1、RS触发器二RSFF_2、RS触发器三RSFF_3、RS触发器四RSFF_4进行复位。同时在触发/复位电路的输出端一W1产生反相局部复位信号LRN，在触发/复位电路的输出端二W2产生延时局部复位信号DLR，对判断电路进行复位。

本发明相比现有技术，具有以下有益效果：

1.本发明提出的光子同步检测电路可以对单光子3D激光雷达探测器进行准确、高效的噪声抑制。采用同步检测的方法可以适用于像素单元中各器件雪崩响应时间间隔较小或同时响应的情况；通过设定参考电压信号可以根据噪声的强弱改变噪声抑制性能的等级。

2.本发明提出的光子同步检测电路结构新颖，不需要使用大面积的触发器部件，整个电路占用的芯片版图面积小，有效地提高了SPAD像素单元的填充因子，提高了SPAD阵列探测器的集成度。

3.本发明提出的光子同步检测电路复杂度低，制造工艺完全和CMOS工艺兼容，制造成本低，各个电路之间的性能一致性好，成品率高。

附图说明

图1为本发明提出的光子同步检测电路总体电路结构图；

图2为本发明提出的判断电路结构图；

图3为本发明提出的触发/复位电路结构图；

图4为本发明提出的光子同步检测电路工作时序图；

图5、6为本发明提出的光子同步检测电路具体实施例的仿真结果图，其中图5为准备阶段和启动/检测阶段的仿真结果图，图6为复位阶段的仿真结果图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

一种单光子3D激光雷达探测器的光子同步检测电路，如图1所示：包括RS触发器一RSFF_1、RS触发器二RSFF_2、RS触发器三RSFF_3、RS触发器四RSFF_4、判断电路以及触发/复位电路，其中：

如图2所示，判断电路主要由一个电容网络和一个比较器CMP组成，电容网络包括主电容C0、支路电容一C1、支路电容二C2、支路电容三C3、支路电容四C4、CMOS传输门一TG1、CMOS传输门二TG2、CMOS传输门三TG3、CMOS传输门四TG4、PMOS管MP1、NMOS管一MN1、NMOS管二MN2、NMOS管三MN3、NMOS管四MN4，其中：判断电路的输入端五R1连接PMOS管MP1的栅极。PMOS管MP1的源极接电源电压VDD。PMOS管MP1的漏极与主电容C0的一端相连，同时PMOS管MP1的漏极连接比较器CMP的输入端V-、CMOS传输门一TG1、CMOS传输门二TG2、CMOS传输门三TG3、CMOS传输门四TG4的输入端。主电容C0的另一端接地。判断电路的输入端Sel连接比较器CMP的输入端V+，判断电路的输入端一S1连接CMOS传输门一TG1的同相控制端，判断电路的第一输入端

第二输入端

第三输入端

第四输入端

第二输入端

第三输入端

第四输入端

如图3所示：触发/复位电路主要由四输入或门OR4_1、RS触发器五RSFF_5、延时电容五C5、反相器一INV_1、反相器二INV_2、反相器三INV_3、二输入与非门NAND_1、二输入与门AND_1和二输入或门OR_1组成，其中，触发/复位电路的输入端一P1、输入端二P2、输入端三P3、输入端四P4连接四输入或门OR4_1的4个输入端，四输入或门OR4_1的输出端接RS触发器五RSFF_5的置1输入端S。RS触发器五RSFF_5的输出端Q同时连接反相器一INV_1的输入端、二输入与非门NAND_1的一个输入端、二输入与门AND_1的一个输入端。反相器一INV_1的输出端连接延时电容五C5的一端，延时电容五C5的另一端接地。同时反相器一INV_1的输出端连接二输入与非门NAND_1的另一输入端。二输入与非门NAND_1的输出端连接二输入与门AND_1的另一输入端。二输入与门AND_1的输出端连接二输入或门OR_1的一个输入端。触发/复位电路的输入端RES连接二输入或门OR_1的另一个输入端，二输入或门OR_1的输出端连接反相器二INV_2的输入端，反相器二INV_2的输出端连接反相器三INV_3的输入端，四输入或门OR4_1的输出端引出输出端T。二输入或门OR_1的输出端引出触发/复位电路的输出端三W3。反相器二INV_2的输出端引出触发/复位电路的输出端一W1。反相器三INV_3的输出端引出触发/复位电路的输出端二W2。

一种单光子3D激光雷达探测器的光子同步检测方法，如图4所示，整个电路的工作流程包括三个阶段，即准备阶段，启动/检测阶段，复位阶段：

仿真

本发明基于标准0.18μm的CMOS工艺对上述的光子同步检测电路进行了仿真，仿真参数具体如下：参考电压信号V_ref取1.3V，即检测到3个及以上的雪崩脉冲信号时，判断电路所输出的判定信号YES为高电平，判定该次响应为激光光子的触发，时间-数字转换电路工作有效。雪崩脉冲输入信号设置为脉宽取2ns的连续一段的方波；电源电压VDD设置为1.8V。基于以上仿真参数，本发明进行了时长100ns的仿真，总共检测了3次，并得到如图5、6所示的仿真结果图。图中横坐标为仿真时间，纵坐标为输出端的电压值。

检测之前，全局复位信号RESET设置时间为5ns的高电平对整个电路进行复位，复位结束后，触发/复位电路输出的触发信号START为低电平；判断电路输出的判定信号YES为低电平；局部复位信号LR为低电平；反相局部复位信号LRN为高电平，延时局部复位信号DLR为低电平。

第一次检测时，总共响应了1个雪崩脉冲信号，此时雪崩脉冲信号一QC1、雪崩脉冲信号三QC3、雪崩脉冲信号四QC4为低电平，雪崩脉冲信号二QC2为高电平；触发信号START由低电平变为高电平，启动时间-数字转换电路进行工作。判断电路同步检测后，电压阈值V_A由1.8V下降到1.6V，未达到参考电压信号V_ref的标准，判定信号YES仍为低电平，判定该次响应为环境光子噪声的触发，时间-数字转换电路的工作无效；局部复位信号LR由低电平变为高电平，反相局部复位信号LRN由高电平变为低电平，延时局部复位信号DLR由低电平变为高电平，实现第一次检测完成后的复位。

第二次检测时，总共响应了4个雪崩脉冲信号，此时雪崩脉冲信号一QC1、雪崩脉冲信号二QC2、雪崩脉冲信号三QC3、雪崩脉冲信号四QC4均为高电平。触发信号START由低电平变为高电平，启动时间-数字转换电路进行工作；判断电路同步检测后，电压阈值V_A由1.8V下降到1.0V，达到参考电压信号V_ref的标准，判定信号YES由低电平变为高电平，判定该次响应为激光光子的触发，时间-数字转换电路的工作有效；局部复位信号LR由低电平变为高电平，反相局部复位信号LRN由高电平变为低电平，延时局部复位信号DLR由低电平变为高电平，实现第二次检测完成后的复位。

第三次检测时，总共响应了2个雪崩脉冲信号，此时雪崩脉冲信号一QC1、雪崩脉冲信号二QC2为低电平，雪崩脉冲信号三QC3、雪崩脉冲信号四QC4为高电平；触发信号START由低电平变为高电平，启动时间-数字转换电路进行工作；判断电路同步检测后，电压阈值V_A由1.8V下降到1.6V，未达到参考电压信号V_ref的标准，判定信号YES仍为低电平，判定该次响应为环境光子噪声的触发，时间-数字转换电路的工作无效；局部复位信号LR由低电平变为高电平，反相局部复位信号LRN由高电平变为低电平，延时局部复位信号DLR由低电平变为高电平，实现第三次检测完成后的复位。

应当进一步指出，本发明所提出的光子同步检测电路设计方案不仅局限于由4个雪崩二极管构成一个像素单元的探测器，还能适用于更大规模像素单元的探测器。当一个像素单元中的雪崩二极管数量扩展为8个、16个甚至更多时，可以增加判断电路的电容网络中电容的数量和大小来实现光子同步检测的功能。

本发明提出的光子同步检测电路结构新颖，占用的芯片版图面积小，有效地提高了SPAD像素单元的填充因子，提高了SPAD阵列探测器的集成度；电路复杂度低，制造工艺完全和CMOS工艺兼容，制造成本低，各个电路之间的性能一致性好，成品率高。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种单光子3D激光雷达探测器的光子同步检测电路，其特征在于：包括RS触发器一RSFF_1、RS触发器二RSFF_2、RS触发器三RSFF_3、RS触发器四RSFF_4、判断电路以及触发/复位电路，其中：

单光子雪崩二极管产生的雪崩脉冲信号一QC1分别与RS触发器一RSFF_1的置1输入端S和触发/复位电路的输入端一P1连接，单光子雪崩二极管产生的雪崩脉冲信号二QC2分别与RS触发器二RSFF_2的置1输入端S和触发/复位电路的输入端二P2连接，单光子雪崩二极管产生的雪崩脉冲信号三QC3分别与RS触发器三RSFF_3的置1输入端S和触发/复位电路的输入端三P3连接，单光子雪崩二极管产生的雪崩脉冲信号四QC4分别与RS触发器四RSFF_4的置1输入端S和触发/复位电路的输入端四P4连接；

RS触发器一RSFF_1的输出端Q连接判断电路的输入端一S1，而输出端QN连接判断电路的第一输入端

触发/复位电路的输出端四T输出触发信号START，连接时间-数字转换电路，当触发信号START为高电平时，则启动时间-数字转换电路开始工作；触发/复位电路的输出端一W1输出反相局部复位信号LRN，连接判断电路的输入端五R1；触发/复位电路的输出端二W2输出延时局部复位信号DLR，连接判断电路的输入端六R2；触发/复位电路的输出端三W3输出局部复位信号LR，同时连接RS触发器一RSFF_1、RS触发器二RSFF_2、RS触发器三RSFF_3、RS触发器四RSFF_4的置0输入端R；触发/复位电路的输入端RES连接全局复位信号RESET；判断电路的输入端Sel连接参考电压信号V_ref；输出端Y输出判定信号YES，连接时间-数字转换电路，当判定信号YES为高电平时，则判定该次响应为激光光子的触发，时间-数字转换电路的工作有效；当判定信号YES为低电平时，则判定该次响应为环境光子噪声的触发，时间-数字转换电路的工作无效。

2.根据权利要求1所述单光子3D激光雷达探测器的光子同步检测电路，其特征在于：判断电路包括比较器CMP、主电容C0、支路电容一C1、支路电容二C2、支路电容三C3、支路电容四C4、CMOS传输门一TG1、CMOS传输门二TG2、CMOS传输门三TG3、CMOS传输门四TG4、PMOS管MP1、NMOS管一MN1、NMOS管二MN2、NMOS管三MN3、NMOS管四MN4，其中：判断电路的输入端五R1连接PMOS管MP1的栅极；PMOS管MP1的源极接电源电压VDD；PMOS管MP1的漏极与主电容C0的一端相连，同时PMOS 管MP1的漏极连接比较器CMP的输入端V-、CMOS传输门一TG1、CMOS传输门二TG2、CMOS传输门三TG3、CMOS传输门四TG4的输入端；主电容C0的另一端接地；判断电路的输入端Sel连接比较器CMP的输入端V+，判断电路的输入端一S1连接CMOS传输门一TG1的同相控制端，判断电路的第一输入端

连接CMOS传输门一TG1的反相控制端；判断电路的输入端二S2连接CMOS传输门二TG2的同相控制端，判断电路的第二输入端

连接CMOS传输门二TG2的反相控制端；判断电路的输入端三S3连接CMOS传输门三TG3的同相控制端，判断电路的第三输入端

连接CMOS传输门三TG3的反相控制端；判断电路的输入端四S4连接CMOS传输门四TG4的同相控制端，判断电路的第四输入端

连接CMOS传输门四TG4的反相控制端；CMOS传输门一TG1的输出端连接支路电容一C1的一端，支路电容一C1的另一端接地；CMOS传输门二TG2的输出端连接支路电容二C2的一端，支路电容二C2的另一端接地；CMOS传输门三TG3的输出端连接支路电容三C3的一端，支路电容三C3的另一端接地；CMOS传输门四TG4的输出端连接支路电容四C4的一端，支路电容四C4的另一端接地；同时，CMOS传输门一TG1的输出端连接NMOS管一MN1的漏极，NMOS管一MN1的源极接地；CMOS传输门二TG2的输出端连接NMOS管二MN2的漏极，NMOS管二MN2的源极接地；CMOS传输门三TG3的输出端连接NMOS管三MN3的漏极，NMOS管三MN3的源极接地；CMOS传输门四TG4的输出端连接NMOS管四MN4的漏极，NMOS管四MN4的源极接地；判断电路的输入端六R2分别连接NMOS管一MN1、NMOS管二MN2、NMOS管三MN3、NMOS管四MN4的栅极；比较器CMP的输出端引出输出端Y。

3.根据权利要求2所述单光子3D激光雷达探测器的光子同步检测电路，其特征在于：判断电路在输入端一S1、输入端二S2、输入端三S3、输入端四S4有效高电平到来之前，即第一输入端

二输入端

第三输入端

第四输入端

为有效高电平时，判断电路的输入端五R1为低电平，判断电路的输入端六R2为高电平，PMOS管MP1和NMOS管一MN1、NMOS管二MN2、NMOS管三MN3、NMOS管四MN4导通，主电容C0开始充电，支路电容一C1、支路电容二C2、支路电容三C3、支路电容四C4开始放电；当主电容C0充电完成，支路电容一C1、支路电容二C2、支路电容三C3、支路电容四C4放电完成后，判断电路的输入端五R1变为高电平，判断电路的输入端六R2变为低电平；PMOS管MP1和NMOS管一MN1、NMOS管二MN2、NMOS管三MN3、NMOS管四MN4断开，准备进行同步检测操作；当判断电路输入端一S1、输入端二S2、输入端三S3、输入端四S4中存在有效高电平时，即第一输入端

第二输入端

第三输入端

第四输入端

中存在有效低电平时，相应的CMOS传输门一TG1、CMOS传输门二TG2、CMOS传输门三TG3、CMOS传输门四TG4开启，主电容C0对相应导通支路上的支路电容一C1、支路电容二C2、支路电容三C3、支路电容四C4开始充电；当判断电路输入端一S1、输入端二S2、输入端三S3、输入端四S4再次全部变为有效低电平的时候，CMOS传输门一TG1、CMOS传输门二TG2、CMOS传输门三TG3、CMOS传输门四TG4断开，充电结束；此时，比较器CMP输入端V-的电位由电源电压VDD下降到一定的电压阈值V_A，该电压阈值V_A随着判断电路输入端一S1、输入端二S2、输入端三S3、输入端四S4中有效高电平的数量增加而减小；当电压阈值V_A达到所设定的参考电压信号V_ref时，比较器输出端Y输出的判定信号YES为高电平；当电压阈值V_A未达到所设定的参考电压信号V_ref时，比较器输出端Y输出的判定信号YES为低电平；一次检测结束后，判断电路的输入端五R1再次变为低电平，输入端六R2再次变为高电平，PMOS管MP1和NMOS管一MN1、NMOS管二MN2、NMOS管三MN3、NMOS管四MN4导通，主电容C0进行充电，支路电容一C1、支路电容二C2、支路电容三C3、支路电容四C4进行放电，实现复位。

4.根据权利要求3所述单光子3D激光雷达探测器的光子同步检测电路，其特征在于：触发/复位电路包括四输入或门OR4_1、RS触发器五RSFF_5、延时电容五C5、反相器一INV_1、反相器二INV_2、反相器三INV_3、二输入与非门NAND_1、二输入与门AND_1和二输入或门OR_1，其中，触发/复位电路的输入端一P1、输入端二P2、输入端三P3、输入端四P4连接四输入或门OR4_1的4个输入端，四输入或门OR4_1的输出端接RS触发器五RSFF_5的置1输入端S；RS触发器五RSFF_5的输出端Q同时连接反相器一INV_1的输入端、二输入与非门NAND_1的一个输入端、二输入与门AND_1的一个输入端；反相器一INV_1的输出端连接延时电容五C5的一端，延时电容五C5的另一端接地；同时反相器一INV_1的输出端连接二输入与非门NAND_1的另一输入端；二输入与非门NAND_1的输出端连接二输入与门AND_1的另一输入端；二输入与门AND_1的输出端连接二输入或门OR_1的一个输入端；触发/复位电路的输入端RES连接二输入或门OR_1的另一个输入端，二输入或门OR_1的输出端连接反相器二INV_2的输入端，反相器二INV_2的输出端连接反相器三INV_3的输入端，四输入或门OR4_1的输出端引出输出端T；二输入或门OR_1的输出端引出触发/复位电路的输出端三W3；反相器二INV_2的输出端引出触发/复位电路的输出端一W1；反相器三INV_3的输出端引出触发/复位电路的输出端二W2。

5.根据权利要求4所述单光子3D激光雷达探测器的光子同步检测电路，其特征在于：触发/复位电路在触发/复位电路的输入端一P1、输入端二P2、输入端三P3、输入端四P4为低电平时，全局复位信号RESET为高电平，二输入或门OR_1的输出为高电平，RS触发器五RSFF_5输出端Q为低电平，通过反相器一INV_1后输出高电平，对延时电容五C5进行充电；当触发/复位电路的输入端一P1、输入端二P2、输入端三P3、输入端四P4中存在有效高电平时，四输入或门OR4_1输出高电平，此时输出端T输出的触发信号START为高电平；同时RS触发器五RSFF_5输出端Q为高电平；通过反相器一INV_1后输出低电平，对延时电容五C5进行一定延时的放电，使得延时电容五C5的电位延时降低；延时电容五C5的电位和RS触发器五RSFF_5输出端Q的高电平通过二输入与非门NAND_1进行与非；与非后的结果再和RS触发器五RSFF_5输出端Q的高电平通过二输入与门AND_1相与；相与的结果通过二输入或门OR_1和全局复位信号RESET相或并在触发/复位电路的输出端三W3产生局部复位信号LR，该局部复位信号LR被送回RS触发器五RSFF_5的置0输入端，实现一次工作后的复位清零；同时该局部复位信号LR依次通过反相器二INV_2、反相器三INV_3，分别在触发/复位电路的输出端一W1产生反相局部复位信号LRN，在触发/复位电路的输出端二W2产生延时局部复位信号DLR。

6.一种基于权利要求5所述单光子3D激光雷达探测器的光子同步检测电路的检测方法，其特征在于，包括以下阶段：

(1)准备阶段：在激光光子或环境光子噪声到来之前，全局复位信号RESET为高电平，RS触发器一RSFF_1、RS触发器二RSFF_2、RS触发器三RSFF_3、RS触发器四RSFF_4的输出端Q为低电平，输出端QN为高电平；判断电路和触发/复位电路都不工作，判定信号YES和触发信号START均为低电平；设定好参考电压信号V_ref的电压值，当全局复位信号RESET由高电平变为低电平，准备检测操作；

(2)启动/检测阶段：当光子或噪声到来时，即检测到雪崩脉冲信号一QC1、雪崩脉冲信号二QC2、雪崩脉冲信号三QC3、雪崩脉冲信号四QC4中存在高电平时，相应的RS触发器一RSFF_1、RS触发器二RSFF_2、RS触发器三RSFF_3、RS触发器四RSFF_4的输出端Q变为高电平，输出端QN变为低电平；触发/复位电路的输出端T所输出的触发信号START变为高电平，启动时间-数字转换电路进行工作；判断电路将雪崩脉冲信号个数同时通过电容网络的充放电过程转化为一定的电压阈值V_A，再通过比较器CMP对比所设定的参考电压信号V_ref；若该电压阈值V_A达到所设定的参考电压信号V_ref时，则输出端Y所输出的判定信号YES为高电平，判定该次响应为激光光子的触发，时间-数字转换电路的工作有效；未达到所设定的参考电压信号V_ref时，则输出端Y所输出的判定信号YES为低电平，判定该次响应为环境光子噪声的触发，时间-数字转换电路的工作无效，以此实现同步检测、抑制噪声的功能；

(3)复位阶段：当一次触发、检测工作完成时，触发/复位电路通过延时电容五C5的充放电过程在触发/复位电路的输出端三W3产生局部复位信号LR，对RS触发器一RSFF_1、RS触发器二RSFF_2、RS触发器三RSFF_3、RS触发器四RSFF_4进行复位；同时在触发/复位电路的输出端一W1产生反相局部复位信号LRN，在触发/复位电路的输出端二W2产生延时局部复位信号DLR，对判断电路进行复位。