CN111337147B - 一种像素级激光脉冲检测与测量电路 - Google Patents

一种像素级激光脉冲检测与测量电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种像素级激光脉冲检测与测量电路，能够实现光子到达事件检测和光子飞行时间测量。光子飞行时间测量电路包括脉冲激光接收器和时间间隔测量模块，脉冲激光接收器为脉冲检测电路，激光检测电路包括依次顺序连接的红外探测器、跨阻放大器、迟滞比较器和SR锁存器；本发明电路在有限的面积内增加了自身被测警示功能，能够定期检测自身是否成为其他激光探测目标，同时在主动模式下，能够将被动模式结构下的电路进行复用，并测量飞行时间，用于测距成像。

Description

一种像素级激光脉冲检测与测量电路
技术领域
本发明涉及激光测距、激光成像领域，特别是一种像素级激光脉冲检测与测量电路。
背景技术
成像系统根据有无照明光源可分为主动成像系统和被动成像系统。被动成像系统本身不带光源，依赖于环境或目标的发光，主要应用于红外成像领域，其缺点是容易受到环境光源的影响。主动成像系统采用一个人造光学辐射源(一般为激光器)和接收器，可以不受天气条件、背景照度等影响实现高分辨率成像，而激光由于具有亮度高、单色性和方向性好三个方面的优点已成为理想的测距光源。利用激光主动成像去探测远处或暗处的目标已经被广泛地应用到国防安全、环境探测等相关领域中。
传统的主动成像系统中一般只有单一的测距功能，而在有些应用场合需要增加自身被测警示能力，系统能够定期检测自身是否成为其他激光探测目标。由于阵列电路的特殊性，单像素的电路对面积有着严格的限制，无法像传统电路那样直接增加一个电路。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种像素级激光脉冲检测与测量电路，本发明在极小的像素面积内，实现了激光脉冲检测与光子飞行时间测量。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
根据本发明提出的一种像素级激光脉冲检测与测量电路，包括光子飞行时间测量电路，光子飞行时间测量电路包括脉冲激光接收器和时间间隔测量模块，脉冲激光接收器为激光检测电路，激光检测电路包括依次顺序连接的红外探测器、跨阻放大器、迟滞比较器和SR锁存器；其中，
像素级激光脉冲检测与测量电路用于光子飞行时间测量时，具体如下：
脉冲激光接收器，用于获取激光回波信号到达脉冲激光接收器的时刻信息并将其输出至时间间隔测量模块；
红外探测器，用于检测到激光回波信号并将其转化为光电流脉冲信号输出至跨阻放大器；
跨阻放大器，用于将光电流脉冲信号转化成时间脉冲电压信号并将其输出至迟滞比较器；
迟滞比较器，用于接收到时间脉冲电压信号后输出方波脉冲信号至SR锁存器；
SR锁存器，用于对方波脉冲信号进行锁存，得到高电平脉冲信号，从而获得激光回波信号到达脉冲激光接收器的时刻信息并输出至时间间隔测量模块；
时间间隔测量模块，用于根据接收的时刻信息测量出脉冲激光发生器发出的脉冲激光飞行时间间隔；
像素级激光脉冲检测与测量电路用于检测是否被外部激光信号探测时，只需脉冲激光接收器，具体如下：
脉冲激光接收器用于检测外部的激光脉冲；
红外探测器，用于当检测到外部的激光脉冲后，将其转化为外部的光电流脉冲信号输出至跨阻放大器；
跨阻放大器，用于将外部的光电流脉冲信号转化成外部的时间脉冲电压信号并将其输出至迟滞比较器；
迟滞比较器，用于接收到外部的时间脉冲电压信号后输出外部的方波脉冲信号至SR锁存器；
SR锁存器，用于对外部的方波脉冲信号进行锁存，输出外部的高电平脉冲信号，该外部的高电平脉冲信号作为像素级激光脉冲检测与测量电路被探测的警示信号。
作为本发明所述的一种像素级激光脉冲检测与测量电路进一步优化方案，跨阻放大器包括第一至第五PMOS管、第一至第八NMOS管，其中，第一PMOS管的栅极与第一NMOS管的栅极连接，第一PMOS管的源极与第二PMOS管的源极、第三PMOS管的源极、第四PMOS管的源极、电源分别连接，第一PMOS管的漏极与第一NMOS管的漏极、第二NMOS管的漏极、第二NMOS管的栅极、第三NMOS管的栅极、第二PMOS管的栅极分别连接，第二PMOS管的漏极与第三NMOS管的漏极、第四NMOS管的栅极、第四NMOS管的漏极、第五NMOS管的栅极、第三PMOS管的栅极分别连接，第三PMOS管的漏极与第五NMOS管的漏极、第六NMOS管的栅极、第六NMOS管的漏极、第七NMOS管的栅极、第四PMOS管的栅极分别连接，第四PMOS管的漏极与第七NMOS管的漏极、第八NMOS管的栅极、第八NMOS管的漏极分别连接，第一NMOS管的源极与地、第二至第八NMOS管的源极分别连接；
第五PMOS管与其他部件的连接关系是：第五PMOS管的源极与第一PMOS管的栅极连接，第五PMOS管的漏极与第三PMOS管的漏极连接，第五PMOS管的栅极接外部偏置电压；或第五PMOS管的漏极与第一PMOS管的栅极连接，第五PMOS管的源极与第三PMOS管的漏极连接，第五PMOS管的栅极接外部偏置电压。
作为本发明所述的一种像素级激光脉冲检测与测量电路进一步优化方案，激光回波信号是由：脉冲激光发生器产生脉冲激光，脉冲激光经过光学元件后照射目标，目标将其反射后再经过光学元件输出激光回波信号至脉冲激光接收器。
作为本发明所述的一种像素级激光脉冲检测与测量电路进一步优化方案，第五PMOS管采用基于标准CMOS工艺亚阈区的实现方式，工作在亚阈区的第五PMOS管作为反馈大电阻；第五PMOS管使用最小工艺宽长比，用于实现高达1011Ohm的电阻。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
(1)本发明可以实现光子到达事件检测和光子飞行时间测量功能；
(2)本发明电路在有限的面积内增加了自身被测警示功能，能够定期检测自身是否成为其他激光探测目标，同时在主动模式下，能够将被动模式结构下的电路进行复用，并测量飞行时间，用于测距成像。
附图说明
图1是本发明实施例提出的激光主动成像系统框图。
图2是本发明实施例提出像素单元电路原理示意图。
图3a是本发明实施例提出的用于时间间隔测量的TAC电路，图3b是时序逻辑图。
图4是本发明实施例提出的像素单元电路时序逻辑图。
图5是本发明实施例提出的跨阻放大器原理图。
图6a是本发明实施例提出的飞行时间检测原理图，图6b是时序逻辑图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
从电路结构来看，主动成像系统中的接收器要求较高，决定着整个模拟前端电路处理回波信号的质量、信噪比、动态范围、带宽等性能。本发明设计了基于标准CMOS工艺的亚阈区PMOS有源反馈大电阻RTIA，不仅可以有效降低单像素的面积，还能控制TIA的增益和带宽。同时采用的迟滞比较器比单阈值比较器具有更高的噪声容限，能够减少跨阻放大器输出的噪声电平限制的影响，提高电路的信噪比和探测概率。在比较器输出信号后采用了SR锁存器模块，可以在每一帧检测完激光脉冲信号后避免受到噪声信号的影响，从而降低了误检测概率。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
1、系统框图
图1是本发明提出的激光脉冲检测与测量的系统框图，该系统主要由控制单元、脉冲激光发射器、脉冲激光接收器通道、时间间隔测量模块组成。电路用于检测是否被其它激光信号探测时，只需脉冲激光接收器，脉冲激光接收器探测到其他激光时输出高电平脉冲信号作为自身被探测的警示信号；电路用于光子飞行时间测量时，其基本的工作原理为：测量脉冲激光在被测目标和接收回波装置之间的飞行时间间隔，系统控制单元产生开始信号(TSTART)控制脉冲激光发生器产生一窄脉冲信号(典型脉冲宽度为3～10ns),经过光学元件后照射目标，窄脉冲激光信号经过大气传输、目标反射，再传输回来经过光学元件被接收器通道前端电路进行处理，获取回波信号到达脉冲激光接收通道的时刻信息(TSTOP),然后由时间间隔测量模块测量出脉冲激光飞行时间间隔Δt。
2、电路原理
图2是本发明提出像素单元电路原理示意图。激光脉冲检测电路包括跨阻放大器、迟滞比较器和SR锁存器，用于检测异步短激光脉冲。当被其它激光信号探测时，光脉冲信号由探测器检测到并转化为光电流脉冲信号。而后，跨阻放大器将光电流转化成时间脉冲电压信号；跨阻放大器输出的脉冲电压信号作为后级迟滞比较器的输入，并输出方波脉冲信号，同时使用SR锁存器锁存高电平信号，避免比较器误翻转。输出高电平脉冲信号可以作为自身被探测的警示信号。
当电路需要对被测物体进行测距成像时，可工作于主动模式时，此时我们称为光子飞行时间测量模式(TOF)，通过TOF的测量用来检测目标物和探测器之间的距离，在该种模式下，由片外脉冲激光发射器向待测物发出短脉冲信号，当脉冲信号经待测物反射至红外探测器时由TOF检测电路测量出光子飞行时间，返回激光脉冲信号检测方法与上文中相似，增加了TAC电路进行光子飞行时间的测量。
图3a、图3b分别是本发明提出的TAC电路及时序逻辑图。在光子飞行时间测量中，时间间隔测量模块至关重要，由于TDC面积满足不了大量的像素阵列的要求，故采用测量精度相对较高的TAC电路。TAC电路产生的斜坡信号RAMP作为每一个激光脉冲检测单像素的时基信号。
START信号由高电平变成低电平，STOP信号由低电平变成高电平时，TAC电路进入时间幅度转换阶段，运算放大器与积分电容C构成一个积分器，电流I不断抽取积分器中电容C上存储的电荷，积分器输出端的电压逐渐上升，此时积分器输出端电压随时间变化的关系是：
Figure BDA0002412373190000041
图4是像素单元电路的时序图。R是像素电路的复位信号，高电平有效，一旦有激光脉冲信号，激光脉冲检测电路输出端Outbit锁存输出高电平信号，以表示自身受到激光探测，从而达到预警的目的。当电路工作在光子飞行时间测量模式时，主动发射激光脉冲的同时START信号由高电平变成低电平，TAC斜坡信号电压开始线性增加，此时采样开关闭合，采样电容电压Vout跟随TAC斜坡信号电压。一旦探测到脉冲电流信号，激光脉冲检测电路输出的高电平使采样开关断开，采样电压保存，模拟电压值经过后续处理得出光子飞行时间。
图5为本发明提出的跨阻放大器的原理图。多像素光检测器的TIA需要足够高的增益、低的噪声和可接受的带宽。本发明的TIA电路设计采用三级结构，每级均由推挽CMOS反相放大器与NMOS二极管连接。跨阻放大器一般需要很大的电阻来构成反馈通路，这对于像素级电路面积是无法接受的，而工作在亚阈区的MOS管本身可实现非常大的电阻(可达到1011Ohm以上)，同时该MOS管在芯片上可以用工艺最小宽长比，因此相比于其他方法制作的大电阻可以节省大量的芯片面积，因此本发明设计了基于标准CMOS工艺的亚阈区PMOS有源反馈大电阻RTIA，这样不仅可控制TIA的增益和带宽，而且PMOS管代替电阻还能产生更少的噪声。
跨阻放大电路实现微弱光检测应用，输出的电压脉冲后续经过比较器进行处理，比较器采用迟滞比较器结构。该比较器具备很强的正反馈特性，能够加快比较器的相应速度，减少整体电路的检测延时。由于激光脉冲反射回来的信号幅度不一，接收器需要保证足够大的信噪比从来提高检测概率，而比较器的最小阈值电压设置受到接收器中跨阻放大器输出的噪声电平限制，采用的迟滞比较器比单阈值比较器具有更高的噪声容限。在比较器输出信号后采用了SR锁存器模块，锁存激光检测模式的高电平信号。采用SR锁存器模块可以在每一帧检测完激光脉冲信号后避免受到噪声信号的影响，从而降低了误检测概率。
图6a、图6b分别为飞行时间检测原理图及时序逻辑图，在0时刻激光脉冲发射器发射激光，此时TAC电路产生的斜坡信号初始电压为Vref，同时斜坡信号开始上升，经过TOF时间后激光反射信号到达探测器，采样TOF时刻的电压Vout处理后即可得出光子飞行时间TOF。
飞行时间TOF为：
Figure BDA0002412373190000051
其中，k为斜坡信号的斜率。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种像素级激光脉冲检测与测量电路，其特征在于，包括光子飞行时间测量电路，光子飞行时间测量电路包括脉冲激光接收器和时间间隔测量模块，脉冲激光接收器为激光检测电路，激光检测电路包括依次顺序连接的红外探测器、跨阻放大器、迟滞比较器和SR锁存器；其中，
像素级激光脉冲检测与测量电路用于光子飞行时间测量时，具体如下：
脉冲激光接收器，用于获取激光回波信号到达脉冲激光接收器的时刻信息并将其输出至时间间隔测量模块；
红外探测器，用于检测到激光回波信号并将其转化为光电流脉冲信号输出至跨阻放大器；
跨阻放大器，用于将光电流脉冲信号转化成时间脉冲电压信号并将其输出至迟滞比较器；
迟滞比较器，用于接收到时间脉冲电压信号后输出方波脉冲信号至SR锁存器；
SR锁存器，用于对方波脉冲信号进行锁存，得到高电平脉冲信号，从而获得激光回波信号到达脉冲激光接收器的时刻信息并输出至时间间隔测量模块；
时间间隔测量模块，用于根据接收的时刻信息测量出脉冲激光发生器发出的脉冲激光飞行时间间隔；
像素级激光脉冲检测与测量电路用于检测是否被外部激光信号探测时，只需脉冲激光接收器，具体如下：
脉冲激光接收器用于检测外部的激光脉冲；
红外探测器，用于当检测到外部的激光脉冲后，将其转化为外部的光电流脉冲信号输出至跨阻放大器；
跨阻放大器，用于将外部的光电流脉冲信号转化成外部的时间脉冲电压信号并将其输出至迟滞比较器；
迟滞比较器，用于接收到外部的时间脉冲电压信号后输出外部的方波脉冲信号至SR锁存器；
SR锁存器，用于对外部的方波脉冲信号进行锁存，输出外部的高电平脉冲信号，该外部的高电平脉冲信号作为像素级激光脉冲检测与测量电路被探测的警示信号；
跨阻放大器包括第一至第五PMOS管、第一至第八NMOS管，其中，第一PMOS管的栅极与第一NMOS管的栅极连接，第一PMOS管的源极与第二PMOS管的源极、第三PMOS管的源极、第四PMOS管的源极、电源分别连接，第一PMOS管的漏极与第一NMOS管的漏极、第二NMOS管的漏极、第二NMOS管的栅极、第三NMOS管的栅极、第二PMOS管的栅极分别连接，第二PMOS管的漏极与第三NMOS管的漏极、第四NMOS管的栅极、第四NMOS管的漏极、第五NMOS管的栅极、第三PMOS管的栅极分别连接，第三PMOS管的漏极与第五NMOS管的漏极、第六NMOS管的栅极、第六NMOS管的漏极、第七NMOS管的栅极、第四PMOS管的栅极分别连接，第四PMOS管的漏极与第七NMOS管的漏极、第八NMOS管的栅极、第八NMOS管的漏极分别连接，第一NMOS管的源极与地、第二至第八NMOS管的源极分别连接；
第五PMOS管与其他部件的连接关系是：第五PMOS管的源极与第一PMOS管的栅极连接，第五PMOS管的漏极与第三PMOS管的漏极连接，第五PMOS管的栅极接外部偏置电压；或第五PMOS管的漏极与第一PMOS管的栅极连接，第五PMOS管的源极与第三PMOS管的漏极连接，第五PMOS管的栅极接外部偏置电压；
第五PMOS管采用基于标准CMOS工艺亚阈区的实现方式，工作在亚阈区的第五PMOS管作为反馈大电阻；第五PMOS管使用最小工艺宽长比，用于实现高达1011Ohm的电阻。
2.根据权利要求1所述的一种像素级激光脉冲检测与测量电路，其特征在于，激光回波信号是由：脉冲激光发生器产生脉冲激光，脉冲激光经过光学元件后照射目标，目标将其反射后再经过光学元件输出激光回波信号至脉冲激光接收器。
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