CN110073244B - 用于确定光子的飞行时间的直方图读出方法和电路 - Google Patents

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Abstract

描述了一种直方图读出电路。所述读出电路包括时间数字转换器(TDC)，其被配置成不断地报告限定激光时钟的到达时间和从光传感器输出的信号的时间戳。提供存储器用于存储TDC事件。可编程处理器被配置成实现状态机，状态机可操作以执行如下操作：在检测到TDC事件时保存时间戳；确定由所述光传感器检测的光子中的每一者的所述飞行时间；使用每个计算的飞行时间来寻址存储器位置；使用所述存储器位置作为时间箱来创建TDC数据值的直方图；以及将指针维持到最高数量的TDC事件所在的最大存储器位置。计算器可操作以读取所述最大存储器位置和任一侧的一个或多个相邻时间箱的值以进行处理。

Description

用于确定光子的飞行时间的直方图读出方法和电路
技术领域
本发明涉及用于确定光子的飞行时间的直方图读出方法和电路。本公开还涉及光子检测器。具体地，本公开涉及高灵敏度光子检测器，诸如半导体光电倍增器。具体地，但非排他地，本公开涉及在激光测距[LIDAR]应用中使用的半导体光电倍增器(SiPM或SPM)。
背景技术
时间数字转换器(TDC)可以被认为是非常高精度的计数器/计时器，其可以将事件的时间记录到子Ins分辨率。TDC可以用于测量光子从激光脉冲到目标并返回到光传感器的飞行时间。由TDC提供的数字时间用作访问对应存储器位置的地址。每个存储器位置对应于等于TDC的最低有效位的时间段。该存储器位置随后递增。多次测量将导致在存储器中构建直方图。直方图读出技术常规上涉及周期性地将所有读出的内容从存储器流式传输到计算机。计算机随后将分析数据以确定峰值的位置。为了确定范围，计算机选择感兴趣的区域(峰值区域)并进行高斯拟合以确定真实峰值。这种技术非常耗时，需要流式传输大量数据并且随后实施复杂的计算。在快速应用中，使用这种技术所花费的时间是不可接受的。
因此，需要提供用于确定光子的飞行时间的直方图读出方法和电路，其解决现有技术的缺点中的至少一些。
发明内容
本公开涉及直方图读出电路，其包括：
时间数字转换器(TDC)，其被配置成在检测到TDC事件时报告时间戳；
用于存储TDC事件的存储器；
可编程处理器，其被配置成实现状态机；所述状态机可操作以执行如下操作：
在检测到TDC事件时保存时间戳；
确定光子的飞行时间；
使用每个计算的飞行时间来寻址存储器位置；
使用所述存储器位置作为时间箱来创建TDC事件的直方图；
将指针维持到最高数量的TDC事件所在的最大存储器位置；以及
计算器，其可操作以读取所述最大存储器位置和一个或多个相邻时间箱的值以进行处理。
在一个方面，所述存储器包括第一存储器模块和第二存储器模块。
在另一方面，所述第一存储器模块和所述第二存储器模块中的一者用于构建直方图，而所述第一存储器模块和所述第二存储器模块中的另一者的内容被清除。
在示例性方面，所述状态机维持至少一个标志，所述至少一个标志指示在构建直方图期间所述第一存储器模块和所述第二存储器模块中的哪一者是有效的，而所述第一存储器模块和所述第二存储器模块中的另一者是无效的。
在其他方面，所述状态机跟踪至少两个变量。
在一个方面，所述至少两个变量包括峰值指针和峰值。
在另一方面，所述状态机读取所述时间箱的内容并使地址递增以生成新的时间箱地址。
在其他方面，所述新的时间箱值与所述峰值指针的当前时间箱值进行比较。
在另一方面，如果比较结果为所述新的时间箱值大于所述峰值指针的当前时间箱值，则将所述新的时间箱值复制到所述峰值中，并将所述新的时间箱地址复制到所述峰值指针中。
在一个方面，所述状态机等待另一个TDC事件。有利地，所述状态机检查是否已达到获取测量结果所需的预定数量的激光周期。
在其他方面，当已达到所述预定数量的激光周期时；所述状态机读取所述存储器位置、峰值点地址之前的一个或多个地址、所述峰值点地址处的位置以及峰值指针地址之后的一个或多个地址。
在一个方面，所述状态机读取五个存储器位置，所述峰值指针地址之前的两个地址、所述峰值指针地址处的位置和所述峰值指针地址之后的两个地址。
在另一方面，这些读取值由所述计算器获取用于确定功率和峰值位置数据。
在一个方面，所述状态机将所述指针反转到先前被清除的所述另一个存储器模块，以使得它对于存储下一个预定数量的激光周期的TDC事件是有效的。
本公开还涉及用于使用根据权利要求1所述的电路确定光子的飞行时间的直方图读出方法；所述方法包括：
(i)使用时间数字转换器(TDC)测量光子从激光脉冲到目标并返回到光传感器的所述飞行时间；
(ii)使用数字时间作为访问对应的存储器位置的地址；每个存储器位置对应于等于所述TDC的最低有效位的时间段；
(iii)递增所述存储器位置；
通过多次重复步骤(i)至(iii)生成直方图；其中每个存储器位置报告所述TDC记录该特定时间的次数；
在预定数量的样本之后，所述存储器位置将包含记录大部分TDC次数的峰值区域；以及
分析所述峰值区域以确定所述光子的所述飞行时间。
在一个方面，在设置的循环时间之后，状态机停止记录所述直方图并读取最大位置和其任一侧的一个或多个相邻时间箱的值。
在另一方面，这些读取值随后被传递到计算模块以计算ToF值。
在其他方面，所述计算模块使用加权平均来计算所述ToF。
在一个方面，使用加权平均来计算所述ToF是按比例增大16倍。
在其他方面，所述计算模块实时输出ToF值。
在示例性方面，对所述计算模块进行编程，以将所述读取值相加作为活动水平的指示。
在另一方面，所述计算模块可操作以将所述ToF值计算至小于所述TDC的LSB的精度。
本公开还涉及LiDAR测距系统，其包括
直方图读出电路，其包括：
时间数字转换器(TDC)，其被配置成在检测到TDC事件时报告时间戳；
用于存储TDC事件的存储器；
可编程处理器，其被配置成实现状态机；所述状态机可操作以执行如下操作：
在检测到TDC事件时保存时间戳；
确定光子的飞行时间；
使用每个计算的飞行时间来寻址存储器位置；
使用所述存储器位置作为时间箱来创建TDC事件的直方图；
将指针维持到最高数量的TDC事件所在的最大存储器位置；以及
计算器，其可操作以读取所述最大存储器位置和一个或多个相邻时间箱的值以进行处理；以及
可操作地联接到所述直方图读出电路的光检测器。
在一个方面，所述光检测器包括单光子雪崩二极管(SPAD)。
在另一方面，所述光检测器包括硅光电倍增器。
本公开还涉及2D成像系统，其包括
直方图读出电路，其包括：
时间数字转换器(TDC)，其被配置成在检测到TDC事件时报告时间戳；
用于存储TDC事件的存储器；
可编程处理器，其被配置成实现状态机；所述状态机可操作以执行如下操作：
在检测到TDC事件时保存时间戳；
确定光子的飞行时间；
使用每个计算的飞行时间来寻址存储器位置；
使用所述存储器位置作为时间箱来创建TDC事件的直方图；
将指针维持到最高数量的TDC事件所在的最大存储器位置；以及
计算器，其可操作以读取所述最大存储器位置和一个或多个相邻时间箱的值以进行处理；
扫描仪，用于在2D区域上转移激光脉冲；以及
可操作地联接到所述直方图读出电路的光检测器。
在一个方面，所述光检测器包括单光子雪崩二极管(SPAD)阵列。
在另一方面，所述光检测器包括硅光电倍增器阵列。
本教导还涉及用于确定光子的飞行时间的读出电路；所述读出电路包括：
时间数字转换器(TDC)，用于测量光子从激光脉冲到目标并返回到光传感器的飞行时间；
存储器模块；
读出模块，其可操作以执行如下操作：
(i)使用所述TDC读取从激光脉冲到目标并返回到光传感器的光子的所述测量的ToF；
(ii)使用所述数字时间作为访问对应的存储器位置的地址；每个存储器位置对应于等于所述TDC的最低有效位的时间段；
(iii)递增所述存储器位置；并且
多次重复步骤(i)至(iii)；其中每个存储器位置报告所述TDC记录该特定时间的次数；
在预定数量的样本之后，存储器位置将包含记录大部分TDC次数的峰值区域；以及
直方图计算模块，其可操作以分析所述峰值区域以确定所述光子的所述飞行时间。
参考以下附图将更好地理解这些和其他特征，所述附图被提供来有助于理解本教导。
附图说明
现在将参考附图描述本教导，其中：
图1示出硅光电倍增器的示例性结构。
图2是示例性硅光电倍增器的示意性电路图。
图3示出用于直接ToF测距的示例性技术。
图4示出使用ToF测距生成的示例性直方图。
图5示出使用ToF测距生成的示例性直方图。
图6示出根据本教导的用于确定ToF的读出电路。
图7示出表示由图6的读出电路所实施的状态机的流程图。
图8A示出使用图6的读出电路生成的示例性直方图。
图8B示出使用图6的读出电路生成的示例性直方图。
图9示出根据本教导的用于确定ToF的读出电路的顶层设计。
图10示出使用图9的读出电路处理的示例性值。
图11示出使用来自图9的读出电路的数据的模拟图。
图12示出LiDAR测距系统，其也依照本教导。
图13示出LiDAR 2D成像系统，其也依照本教导。
具体实施方式
现在将参考用于确定光子的飞行时间的示例性直方图读出方法和电路来描述本公开。应当理解，示例性方法被提供来有助于理解教导，但是不应被解释为以任何方式进行限制。此外，在不脱离本教导的精神的情况下，参考任一个附图描述的电路元件或部件可以与其他附图的那些或其他等效电路元件互换。应当理解，为了说明的简单和清楚，在认为合适的情况下，可以在附图中重复参考数字以指示对应或类似的元件。
首先参考图1，示出包括盖革模式光电二极管阵列的硅光电倍增器100。如图所示，淬火电阻器提供在每个光电二极管附近，其可以用于限制雪崩电流。光电二极管通过铝或类似的导电跟踪电连接到公共偏置和接地电极。电路示意图200在图2中示出用于常规硅光电倍增器100，其中光电二极管阵列的阳极连接到公共接地电极，并且阵列的阴极经由限流电阻器连接到公共偏置电极以跨二极管施加偏压。
硅光电倍增器100集成密集阵列的小型的、电气上和光学上隔离的盖革模式光电二极管215。每个光电二极管215串联联接到淬火电阻器220。每个光电二极管215被称为微电池。微电池的数量通常在每平方毫米100至3000之间。随后将所有微电池的信号相加以形成SiPM 200的输出。提供简化的电路以说明图2中的概念。每个微电池相同且独立地检测光子。来自这些单独的二进制检测器中的每一者的放电电流的总和组合以形成准模拟输出，并且因此能够给出关于入射光子通量的大小的信息。
每当微电池经历盖革击穿时，每个微电池产生高度均匀和量子化的电荷量。微电池(以及因此检测器)的增益定义为输出电荷与电子上的电荷的比率。输出电荷可以根据过电压和微电池电容计算。
Figure BDA0002092386260000071
其中：
G是微电池的增益；
C是微电池的电容；
△V是过电压；并且
q是电子的电荷。
越来越多的测距和传感应用希望从低功耗、高性能的SiPM技术中受益。LiDAR是测距技术，其越来越多地应用于诸如移动测距、汽车ADAS(高级驾驶辅助系统)、手势识别和3D绘图的应用。采用SiPM作为光传感器与诸如APD、PIN二极管和PMT的具体用于移动和大批量产品的替代传感器技术相比具有许多优势。
示例性直接ToF测距系统300的基本部件在图3中示出。在直接ToF技术中，周期性激光脉冲305以红外区域中的人眼安全功率和波长指向目标307。目标307扩散并反射激光光子，并且光子中的一些被反射回到检测器315。检测器315将检测到的激光光子(和由于噪声引起的一些检测到的光子)转换成电信号，所述电信号随后由计时器325加时间戳。
该飞行时间t可以用于根据等式D＝cAt/2计算到目标的距离D，其中c＝光速并且Δt＝飞行时间。传感器315必须将返回的激光光子与噪声(环境光)区分开。每一激光脉冲捕获至少一个时间戳。这被称为单次测量。当来自许多单次测量的数据被组合以产生测距测量时，信噪比可以显著改善，可以以高精度和高准确度从所述测距测量提取所检测的激光脉冲的定时。
每当激光305被脉冲时，采集系统执行单次测量。取决于许多因素(包括激光功率和到目标的距离)，每一脉冲检测到的激光光子的数量可能低。理想的是，每个检测到的光子都将加时间戳。通常，各自包含一个或多个时间戳的许多单次定时测量组合以产生帧。在单个帧的过程中获得的完整定时数据可以以直方图的形式绘制，如图4所示。系统测距性能受直方图数据的质量的限制，其进而受系统参数的影响。
本公开描述用于确定光子从其源到目标并返回到光传感器的飞行时间的实时直方图构建的技术。时间数字转换器(TDC)用于测量光子从激光脉冲到目标并返回到光传感器的飞行时间。数字时间用作访问对应存储器位置的地址。每个存储器位置对应于等于TDC的最低有效位的时间段。该存储器位置随后递增。多次测量将导致电子设备在存储器中构建直方图，其中每个存储器位置(称为时间箱)将报告TDC记录该特定时间的次数。在一定数量的样本之后，存储器位置将包含记录大部分TDC次数的峰值区域。通过使用合适的算法分析该峰值，可以将光子的飞行时间确定为小于单个时间箱的宽度的精度。
最初，直方图构建技术的发展涉及周期性地将所有时间箱的内容流式传输到主计算机。主计算机随后将分析数据以确定峰值的位置。图5示出测距数据的典型图。可以看出，它包括由于错误事件引起的稳定噪声水平，其具有与检测返回激光光子时相对应的大峰值。为了确定范围，主计算机选择感兴趣的区域(峰值区域)并进行高斯拟合以确定真实峰值。该技术被证明是成功的，但发现非常耗时，需要流式传输大量数据(32K×16位字)并且随后实施复杂的计算。在实际应用中，使用这种技术所花费的时间将是不可接受的。
参考图6，其示出根据本教导的示例性读出电路400，所述读出电路400通过实施状态机来执行计算从而移除传输大数据包的必要性来解决这些问题。读出电路400包括读出处理器405、TDC 410、一对存储块415A、415B以及峰值和功率计算器420。TDC 410是非常高精度的计数器/计时器，其可以将事件的时间记录到子Ins分辨率。TDC用于测量光子从激光脉冲到目标并返回到光传感器的飞行时间。由TDC提供的数字时间用作访问对应存储器位置的地址。每个存储器位置对应于等于TDC的最低有效位的时间段。该存储器位置随后递增。多次测量将导致读出电路在存储器中构建直方图，其中每个存储器位置(称为时间箱)将报告TDC记录该特定时间的次数。在一定数量的样本之后，存储器位置将包含记录大部分TDC次数的峰值区域。通过使用合适的算法分析该峰值，可以将光子的飞行时间确定为小于单个时间箱的宽度的精度。
参考图7的流程图500描述读出电路400的操作。最初，清除存储块415A和415B中的内容，以使得内容被设置为零，步骤1。读出处理器405被配置成实现状态机，所述状态机使用两个相同的存储块415A和415B。在操作中，清除一个存储块，而另一个存储器用于构建直方图。状态机以存储块415A中的直方图构建开始，步骤2。读出处理器405保持两个变量，峰值指针(PP)和峰值(PV)。在初始化时，这些变量被设置为0，步骤3。状态机等待由TDC检测事件。在此期间，当不存在事件时，状态机清除其他存储块415B的存储器位置。当状态机的时钟远大于事件率时，状态机能够在等待事件的时间期间清除所有缓冲器位置，步骤4。如果事件不是由于激光脉冲引起的，则状态机循环返回以轮询另一个事件，步骤5。如果其是激光脉冲，则保存TDC中的事件的时间，步骤6。状态机等待由TDC检测事件。在此期间，当不存在事件时，状态机清除其他存储块(415A或415B)的存储器位置，步骤7。如果事件是由于返回的光子引起的，则保存此事件的时间，并且状态机跳转到步骤9。否则状态机跳转到步骤12。激光的时间随后从光子时间中减去，以创建时间箱的地址，步骤9。
状态机现在使用该地址来读取时间箱的内容，将其递增并将其写回(步骤10)。将新的时间箱值与峰值(PA)的当前值进行比较。如果该值较大，则将其复制到PA中，并将时间箱地址复制到峰值(PV)中。状态机随后跳回以获得另一个光子事件(步骤7)。所述过程切换回到步骤7以针对每个激光周期发布多个光子事件，步骤11。当在步骤8、12、13中检测新的激光脉冲时，状态机进入该状态。状态机现在检查是否已达到获取测量结果所需的预定数量的激光周期。如果未完成，则状态机循环返回以在步骤6保存激光事件的TDC值用于新的循环，步骤12。如果循环计数完成，则状态机读回五个存储器位置，PP地址前的两个地址、PP地址的位置和PP地址后的两个地址，步骤13。随后将这五个值呈现给峰值和功率计算器420，用于确定功率和峰值位置数据，步骤14。随后，这些计算值由状态机报告给系统，步骤15。最后，状态机现在将指针翻转至另一个存储块(其在先前的直方图构建期间被清除)并返回到步骤3以重复所述过程，步骤16。
从流程图500可以看出，对于每个激光时钟，处理多个传感器事件。最初，所述设计仅处理第一传感器事件，并且随后等待下一个激光时钟事件。然而，当在高环境光水平下操作时，发现这会产生差的结果。由于存在大量不需要的光子(噪声)，所以可能将首先检测这些光子中的一者。通过处理多个传感器事件，处理信号事件的可能性显著提高。
图8A示出单个传感器事件的直方图，并且图8B示出在高环境光中多个传感器事件处理的直方图。从图8A可以看出，对于单个传感器事件处理，立即检测光噪声，从而导致实际信号的丢失。然而，通过根据本教导处理如图8B所示的多个传感器事件，检测实信号光子，从而导致具有对应于信号的到达时间的主峰的相对平滑的噪声基底。
图9示出直方图读出电路900的示例性顶层设计，其可以被配置成使用现场可编程门阵列(FPGA)来实现图7的状态机。FPGA可以被编程来实施读出处理器405和TDC 410。TDC不断地报告时间戳，所述时间戳定义激光时钟的到达时间和从传感器输出的信号。当事件从激光时钟检测到时，时间戳由FPGA保存。随后，FPGA读出处理器从传感器电路输出读取所有TDC事件，并通过减法(传感器时间-激光时钟时间)确定由传感器检测的光子中的每一个的飞行时间。重复所述过程，直到另一个事件从激光时钟检测到。
每个计算的飞行时间(传感器时间-激光时钟时间)用于寻址FPGA中的存储器。此位置的内容被读取、递增，并且随后被写回到该位置。因此，状态FPGA处理器使用存储器位置作为时间箱来创建TDC数据值的直方图。同时，状态机使指针保持到最高计数所在的位置。
在设置的循环时间之后，状态机停止记录直方图并读取最大位置(峰值)和任一侧的两个相邻时间箱的值。随后将这五个值加上第一个值的绝对存储器地址传递给峰值和功率计算器进行处理。
在图6中可以看出，存在两个存储器地址块415A和415B。这样做是为了实施用于直方图构建的触发器缓冲器。直方图构建技术需要从设置为零的所有箱开始。通过实施触发器存储缓冲器，读出处理器可以执行直方图构建处理，同时清除准备用于下一周期的另一个缓冲器。
作为示例，顶层设计可以使用ALTERACyclone III FPGA来实施。然而，不旨在将本教导限制于特定类型的FPGA。所述设计包括三个模块，即读出、Lpb ramdqO和HIST CALC。读出模块包含执行直方图构建处理的主读出状态机。Lpb ram dqO模块提供用于保存直方图数据的存储块。两个FLIP-FLOP块通过简单地切换地址(地址位10)的MSB的状态来实施。HIST CALC模块接收五个箱的值并产生能量和距离(加权平均数)结果。I/O信号的用途在表1中描述。
Figure BDA0002092386260000111
Figure BDA0002092386260000121
表1：I/O信号描述
峰值和功率计算器420接收五个峰值箱值，并由此确定定时的准确值。图10说明两组数据的简单示例。FPGA使用加权平均来计算高分辨率定时。用于计算加权平均数的公式如下：
Figure BDA0002092386260000122
由于FPGA不能实施浮点计算，使用加权平均计算是按比例增大16。这在执行分割之后维持分辨率。因此，对于'a'和'b'，FPGA计算如下：
a＝(((1×3)+(2×4)+(3×6)+(4×2)+(5×1))×16)/(3+4+6+2+1)＝37
b＝(((1×2)+(2×2)+(3×6)+(4×2)+(5×1))×16)/(2+2+6+2+1)＝45
这些值被报告为16位输出(峰值位置)。除此之外，模块还报告5个箱的和以指示信号峰值(功率)的强度。
读出模块将第一个箱的位置报告为箱偏移作为输出。因此，根据该数据，与FPGA接口的主处理器可以非常快速地确定光子的高分辨率定时。如果假设在先前的示例中，两种情况下的箱偏移都是232并且TDC的LSB是250ps，则'a'和'b'的高分辨率定时是：
a＝(232+(37/16))×250＝58578ps
b＝(232+(45/16))×250＝58703ps
可以看出，尽管两者的峰值都是6，但是相邻箱的影响导致非常不同的值。由此，示出ToF值可以被测量至小于TDC的LSB的精度。
设计900的示例性模拟在图11中示出。除标准I/O信号外，还包括状态机(读出SM)的状态。为了便于在示例性实施例中进行描述，假设：
1.TDC搜索激光和光子事件，在输入TDCLK上生成脉冲，并在TDD ATA13位输入上报告增量时间(光子时间减去激光时间)。
2.在接收14个事件之后，状态机将完成数据采集。
直方图数据的累积的开始由输入运行信号的LO-HI转换指示。一旦发生这种情况，状态机就针对事件轮询TDCLK输入。在轮询TDCLK事件时，状态机不断地清除另一个直方图缓冲器中的存储器。
当检测到TDCLK事件时，状态机读取TDD ATA的值并将该值用作存储缓冲器的地址。该存储器位置的内容被读取、递增，并且新值被写回。状态机还保持限定最大箱值的位置的指针。该过程在流程图500中描述。
在完成总事件(在这种情况下为14)时，状态机将峰值BIN和两侧的值传递给HISTCALC模块，以确定五个箱的加权平均数和总功率。图11的底部框架在采集结束时是缩放区域。可以看出，在计算所得的加权平均值(0×2D)之前存在～60ns的延迟。因此，通过限定五个箱的开始的BINOFF输出和加权计算，可以确定精确的测距。
参考图12，示出LiDAR测距系统1000，其包括可操作地联接到如参考图6所述的读出电路400的SPAD或SiPM装置1010。驱动电路1015由时钟驱动以发射激光脉冲。相同的时钟也用于触发TDC 405的启动。返回的光子由SPAD/SiPM装置1010检测。随后，鉴别器电路1020将这些事件转换成数字脉冲。TDC 405为发射光子与返回光子之间的差异计时。这些增量时间被馈送到读出电路400，用于绘制直方图并计算由光子行进的距离。
参考图13，示出LiDAR 2D成像系统2000，其包括可操作地联接到如参考图6所述的读出电路400的SPAD或SiPM装置的阵列2010。多激光二极管驱动电路2015由时钟驱动以发射激光脉冲。相同的时钟也用于触发多通道TDC410的启动。返回的光子由SPAD/SiPM装置的阵列2010检测。多通道鉴别器电路2020将这些事件转换成数字脉冲。TDC 410为发射光子与返回光子之间的差异计时。这些增量时间被馈送到读出电路400，用于绘制多个直方图并计算由光子行进的距离。
读出状态机还控制扫描仪2035，用于在2D区域上转移激光脉冲。多通道鉴别器2020基于阵列2010内的特定SiPM或SPAD将事件传递到TDC 410的不同输入。TDC 410进而用通道ID标记增量时间值，以使得读出电路400能够识别阵列2010内的特定像素。因此，读出处理器405需要维持'N'个直方图存储块，其中'N'是阵列2010中的传感器的数量。
本领域技术人员将理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以对上述实施例进行各种修改。以这种方式，应理解，仅在根据所附权利要求认为必要的范围内限制教导。术语半导体光电倍增器旨在覆盖任何固态光电倍增器装置，诸如硅光电倍增器[SiPM]、微像素光子计数器[MPPC]、微像素雪崩光电二极管[MAPD]，但不限于此
类似地，当在说明书中使用时，单词包括(comprises/comprising)用于指定所述特征、整数、步骤或部件的存在，但不排除一个或多个附加特征、整数、步骤、部件或其组的存在或添加。

Claims (29)

1.一种直方图读出电路，包括：
时间数字转换器(TDC)，其被配置成在检测到TDC事件时报告时间戳；
用于存储TDC事件的存储器；
可编程处理器，其被配置成实现状态机，所述状态机可操作以执行如下操作：
在检测到TDC事件时保存时间戳；
确定光子的飞行时间；
使用每个计算的飞行时间来寻址存储器位置；
使用多个存储器位置作为对应的时间箱来创建TDC事件的直方图；
将指针维持到最高数量的TDC事件所在的最大存储器位置；以及计算器，其可操作以读取所述最大存储器位置和一个或多个相邻时间箱的值以进行处理。
2.根据权利要求1所述的直方图读出电路，其中所述存储器包括第一存储器模块和第二存储器模块。
3.根据权利要求2所述的直方图读出电路，其中所述第一存储器模块和所述第二存储器模块中的一者用于构建直方图，而所述第一存储器模块和所述第二存储器模块中的另一者的内容被清除。
4.根据权利要求2或3所述的直方图读出电路，其中所述状态机维持至少一个标志，所述至少一个标志指示在构建直方图期间所述第一存储器模块和所述第二存储器模块中的哪一者是有效的，而所述第一存储器模块和所述第二存储器模块中的另一者是无效的。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的直方图读出电路，其中所述状态机跟踪至少两个变量。
6.根据权利要求5所述的直方图读出电路，其中所述至少两个变量包括峰值指针和峰值。
7.根据权利要求6所述的直方图读出电路，其中所述状态机读取第一时间箱的内容，使所述第一时间箱的内容递增，并使地址递增以生成新的时间箱地址。
8.根据权利要求7所述的直方图读出电路，其中所述新的时间箱地址的内容与和由所述峰值指针寻址的所述时间箱的内容对应的所述第一时间箱的内容进行比较。
9.根据权利要求8所述的直方图读出电路，其中如果所述第一时间箱的内容大于所述峰值，则将所述第一时间箱的值保存为所述峰值且将所述第一时间箱的地址保存为所述峰值指针。
10.根据权利要求9所述的直方图读出电路，其中所述状态机随后等待另一个TDC事件。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的直方图读出电路，其中所述状态机检查是否已达到获取测量结果所需的预定数量的激光周期。
12.根据权利要求11所述的直方图读出电路，其中如果已达到所述预定数量的激光周期，则所述状态机从峰值指针地址之前开始一个或多个存储器地址的对应的多个存储器位置、所述峰值指针地址处的存储器位置以及峰值指针地址之后的一个或多个存储器位置读取多个数据值。
13.根据权利要求12所述的直方图读出电路，其中所述状态机读取五个存储器位置，所述五个存储器位置包括所述峰值指针地址之前的两个存储器位置、所述峰值指针地址处的存储器位置和所述峰值指针地址之后的两个存储器位置。
14.根据权利要求12所述的直方图读出电路，其中所述多个数据值由所述计算器获取用于确定功率和峰值位置数据。
15.根据权利要求3所述的直方图读出电路，其中所述状态机将所述指针反转到先前被清除的所述另一个存储器模块，以使得所述另一个存储器模块对于存储下一个预定数量的激光周期的TDC事件是有效的。
16.一种用于使用根据权利要求1所述的电路确定光子的飞行时间的直方图读出方法，所述方法包括：
i)使用时间数字转换器(TDC)测量光子从激光脉冲到目标并返回到光传感器的所述飞行时间；
ii)使用数字时间作为访问对应的存储器位置的地址；每个存储器位置对应于等于所述TDC的最低有效位的时间段；
iii)使所述存储器位置递增；
通过多次重复步骤i)至iii)生成直方图；其中每个存储器位置报告所述TDC记录特定时间的次数；
在预定数量的样本之后，所述存储器位置将包含记录有大部分TDC次数的峰值区域；以及
分析所述峰值区域以确定所述光子的所述飞行时间。
17.根据权利要求16所述的读出方法，其中在设置的循环时间之后，状态机停止记录所述直方图并读取最大位置及所述最大位置的任一侧的一个或多个相邻时间箱的值。
18.根据权利要求17所述的读出方法，其中这些读取值随后被传递到计算模块以计算飞行时间ToF值。
19.根据权利要求18所述的读出方法，其中所述计算模块使用加权平均来计算所述ToF。
20.根据权利要求19所述的读出方法，其中所述使用加权平均来计算所述ToF是按比例增大16倍。
21.根据权利要求18至20中任一项所述的读出方法，其中所述计算模块实时输出ToF值。
22.根据权利要求18至21中任一项所述的读出方法，其中所述计算模块被编程以将所述读取值相加作为活动水平的指示。
23.根据权利要求18至22中任一项所述的读出方法，其中所述计算模块可操作以将所述ToF值计算至小于所述TDC的LSB的精度。
24.一种LiDAR测距系统，包括：
根据权利要求1所述的直方图读出电路；以及
可操作地联接到所述直方图读出电路的光检测器。
25.根据权利要求24所述的LiDAR测距系统，其中所述光检测器包括单光子雪崩二极管(SPAD)。
26.根据权利要求24或25所述的LiDAR测距系统，其中所述光检测器包括硅光电倍增器。
27.一种LiDAR 2D成像系统，包括：
根据权利要求1所述的直方图读出电路；
可操作地联接到所述直方图读出电路的光检测器；以及
扫描仪，用于在2D区域上转移激光脉冲。
28.根据权利要求27所述的LiDAR 2D成像系统，其中所述光检测器包括单光子雪崩二极管(SPAD)阵列。
29.根据权利要求27或28所述的LiDAR 2D成像系统，其中所述光检测器包括硅光电倍增器阵列。
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