CN111443356B - 一种基于单光器件兼顾距离感知和成像的电路系统及设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于单光器件兼顾距离感知和成像的电路系统及设备，其中电路系统包括单光子雪崩二极管、淬灭及整形电路、时钟模块、高速计数器、控制单元和数据输出；电路设备包括中心控制器、感光阵列及读出电路系统、可收起滤光片、脉冲激光器、接收光学系统、发射光学系统。本发明单光子感光单元可以交替工作在距离感知模式和成像模式，由于是相同的感光单元对环境分时进行的距离和光强感知，获取的三维信息及图像信息相匹配，无需后续过多的数据处理即可融合使用，提升系统有效数据获取的效率。解决了现有技术中由于激光雷达和相机在帧频、视场角度和分辨率等指标上通常不匹配，使得后期数据处理难度大，获取的有效数据低的问题。

Description

一种基于单光器件兼顾距离感知和成像的电路系统及设备
技术领域
本发明属于光电探测领域，具体涉及一种基于单光器件兼顾距离感知和成像的电路系统及设备。
背景技术
随着现在科技的不断发展，在测绘及无人驾驶等领域，通常同时需要环境的三维信息及图像信息，传统应用中，是采用激光雷达和相机配合的方式，将雷达与相机的数据做空间匹配，实现三维信息及图像信息的融合，进而得到所需的数据。该种应用方法中，由于激光雷达和相机在帧频、视场角度和分辨率等指标上通常不匹配，使得后期数据处理难度增大，获取的有效数据降低。
针对上述提出的问题，现设计一种基于单光器件兼顾距离感知和成像的电路系统及设备。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种一种基于单光器件兼顾距离感知和成像的电路系统及设备，解决了现有技术中由于激光雷达和相机在帧频、视场角度和分辨率等指标上通常不匹配，使得后期数据处理难度增大，获取的有效数据降低的问题。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种基于单光器件兼顾距离感知和成像的电路系统，包括单光子雪崩二极管、淬灭及整形电路、时钟模块、高速计数器、控制单元和数据输出，感光单元为单光子雪崩二极管，该器件完成光电转换，被光子触发后，内部发生雪崩效应，输出电流信号。
所述单光子雪崩二极管被光子触发后，雪崩效应输出的电流需要淬灭电路来使之停止，通过淬灭及整形电路，单次触发输出一个电压脉冲信号。
所述时钟模块输出高速时钟信号。
所述高速计数器在控制模块的控制在不同工作模式下，对单光子雪崩二极管通过淬灭及整形电路输出的脉冲信号或者时钟信号进行计数。
所述数据输出模块负责将计数器数据寄存及输出。
一种基于单光器件兼顾距离感知和成像的电路设备包括中心控制器、感光阵列及读出电路系统、可收起滤光片、脉冲激光器、接收光学系统、发射光学系统和探测目标。
所述感光阵列及读出电路系统，即单光子雪崩二极管阵列及电路系统，用来完成光电转换及灰度信息及距离信息输出。
所述可收起滤光片，为与脉冲激光器波长对应的带通滤光片，在距离感知工作模式，该滤光片放下，滤除工作波长以外的环境光，去除环境光对感知距离信息的干扰，在成像工作模式，该滤光片收起，不影响感光阵列对环境光的响应。
所述脉冲激光器在中心控制器的控制下发射脉冲激光。
所述中心控制器用来控制设备的工作模式，在距离感知模式，控制激光器发射与读出电路系统同步配合，发射激光的同时，控制开启读出电路系统的距离感知模式，同时控制放下滤光片，在成像模式，控制收起滤光片，并控制读出电路系统的成像曝光时间。
进一步的，该电路系统有两种工作模式，距离感知模式和成像模式，在控制模块控制下分时工作。
进一步的，在距离感知模式下，电路使用的飞行时间法探测目标距离，即计算主动光从发射到接收的时间间隔，进而计算目标距离。
进一步的，在成像模式下，控制单元控制高速计数器开始计数以及停止计数的时间点，即控制曝光时间，高速计数器对单光子雪崩二极管通过淬灭及整形电路输出的脉冲信号进行计数，在控制单元控制计数器停止计数后，计数值则为该曝光时间内目标的灰度值。
进一步的，为了提高对目标距离感知的精度，采用提高目标感知精度的电路系统，该电路系统包括单光子雪崩二极管、淬灭及整形电路、时钟模块、高速计数器、控制单元、时间数字转换模块、数据输出。
进一步的，该系统工作在距离感知模式下时，控制单元控制时间数字转换模块开始工作，在收到单光子雪崩二极管通过淬灭及整形电路输出的脉冲之后，停止工作，输出对该段时间的转换结果。
进一步的，在电路中增加选通器，使得感光单元与电路系统的对应关系变为一对多。
本发明的有益效果：
1、本发明通过读出电路的设计及主控单元的控制，使得单光子感光单元可以交替工作在距离感知模式和成像模式，由于是相同的感光单元对环境分时进行的距离和光强感知，其获取的三维信息及图像信息完美匹配，无需后续过多的数据处理即可融合使用，大大提升了系统有效数据获取的效率；
2、本发明集三维信息和图像信息采集于一体的系统，大大降低了激光雷达和相机配合的系统规模，使得系统小型化集成化成为可能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例的电路系统示意图；
图2是本发明实施例的提高目标感知精度的电路系统示意图；
图3是本发明实施例的增加选通器的提高目标感知精度的电路系统示意图；
图4是本发明实施例的增加选通器的电路系统示意图；
图5是本发明实施例的电路设备原理图。
具体实施方式
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，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“开孔”、“上”、“下”、“厚度”、“顶”、“中”、“长度”、“内”、“四周”等指示方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的组件或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
如图1所示，一种基于单光器件兼顾距离感知和成像的电路系统包括单光子雪崩二极管、淬灭及整形电路、时钟模块、高速计数器、控制单元和数据输出。
感光单元为单光子雪崩二极管，该器件完成光电转换，被光子触发后，内部发生雪崩效应，输出电流信号。单光子雪崩二极管被光子触发后，雪崩效应输出的电流需要淬灭电路来使之停止，通过淬灭及整形电路，单次触发输出一个电压脉冲信号。时钟模块输出高速时钟信号。高速计数器模块在控制模块的控制在不同工作模式下，对单光子雪崩二极管通过淬灭及整形电路输出的脉冲信号或者时钟信号进行计数。数据输出模块负责将计数器数据寄存及输出。
该电路系统有两种工作模式，距离感知模式和成像模式，在控制模块控制下分时工作。
在距离感知模式下，电路使用的飞行时间法探测目标距离，即计算主动光从发射到接收的时间间隔，进而计算目标距离。探测开始时，控制单元控制高速计数器开始计数的时间点，高速计数器对时钟模块输出的时钟进行计数，在收到单光子雪崩二极管通过淬灭及整形电路输出的脉冲之后，锁存计数值，该计数值则可以用于计算目标距离，一次探测若收到多个触发脉冲，可以锁存多个计数值。
在成像模式下，控制单元控制高速计数器开始计数以及停止计数的时间点，即控制曝光时间，高速计数器对单光子雪崩二极管通过淬灭及整形电路输出的脉冲信号进行计数，在控制单元控制计数器停止计数后，计数值则为该曝光时间内目标的灰度值。
如图2所示，由于高速计数器的高速时钟速度受限，一般为纳秒量级，为了提高对目标距离感知的精度，采用提高目标感知精度的电路系统。
该电路系统包括单光子雪崩二极管、淬灭及整形电路、时钟模块、高速计数器、控制单元、时间数字转换模块、数据输出。
该系统工作在距离感知模式下时，控制单元控制时间数字转换模块开始工作，在收到单光子雪崩二极管通过淬灭及整形电路输出的脉冲之后，停止工作，输出对该段时间的转换结果。时间数字转换模块的计时精度一般为皮秒量级。
如图3、图4所示，在上述两种电路中增加选通器，使得感光单元与电路系统的对应关系变为一对多。控制单元控制选通器，选择一路感光单元的信号与电路系统接通，分时工作，有助于减小电路规模。
如图5所示，一种基于单光器件兼顾距离感知和成像的电路设备包括中心控制器、感光阵列及读出电路系统、可收起滤光片、脉冲激光器、接收光学系统、发射光学系统。
感光阵列及读出电路系统，即单光子雪崩二极管阵列及电路系统，用来完成光电转换及灰度信息及距离信息输出。
可收起滤光片，为与脉冲激光器波长对应的带通滤光片，在距离感知工作模式，该滤光片放下，滤除工作波长意外的环境光，去除环境光对感知距离信息的干扰。在成像工作模式，该滤光片收起，不影响感光阵列对环境光的响应。
脉冲激光器在中心控制器的控制下发射脉冲激光。
中心控制器用来控制设备的工作模式，在距离感知模式，控制激光器发射与读出电路系统同步配合，发射激光的同时，控制开启读出电路系统的距离感知模式，同时控制放下滤光片。在成像模式，控制收起滤光片，并控制读出电路系统的成像曝光时间。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (4)

1.一种基于单光器件兼顾距离感知和成像的电路系统，包括单光子雪崩二极管、淬灭及整形电路、时钟模块、高速计数器、控制单元和数据输出，其特征在于，感光单元为单光子雪崩二极管，该器件完成光电转换，被光子触发后，内部发生雪崩效应，输出电流信号；
所述单光子雪崩二极管被光子触发后，雪崩效应输出的电流需要淬灭电路来使之停止，通过淬灭及整形电路，单次触发输出一个电压脉冲信号；
所述时钟模块输出高速时钟信号；
所述高速计数器在控制模块的控制在不同工作模式下，对单光子雪崩二极管通过淬灭及整形电路输出的脉冲信号或者时钟信号进行计数；
所述数据输出模块负责将计数器数据寄存及输出；
一种基于单光器件兼顾距离感知和成像的电路设备包括中心控制器、感光阵列及读出电路系统、可收起滤光片、脉冲激光器、接收光学系统、发射光学系统；
所述感光阵列及读出电路系统，即单光子雪崩二极管阵列及电路系统，用来完成光电转换及灰度信息及距离信息输出；
所述可收起滤光片，为与脉冲激光器波长对应的带通滤光片，在距离感知工作模式，该滤光片放下，滤除工作波长以外的环境光，去除环境光对感知距离信息的干扰，在成像工作模式，该滤光片收起，不影响感光阵列对环境光的响应；
所述脉冲激光器在中心控制器的控制下发射脉冲激光；
所述中心控制器用来控制设备的工作模式，在距离感知模式，控制激光器发射与读出电路系统同步配合，发射激光的同时，控制开启读出电路系统的距离感知模式，同时控制放下滤光片，在成像模式，控制收起滤光片，并控制读出电路系统的成像曝光时间；
该电路系统有两种工作模式，距离感知模式和成像模式，在控制模块控制下分时工作；
在距离感知模式下，电路使用的飞行时间法探测目标距离，即计算主动光从发射到接收的时间间隔，进而计算目标距离；
在成像模式下，控制单元控制高速计数器开始计数以及停止计数的时间点，即控制曝光时间，高速计数器对单光子雪崩二极管通过淬灭及整形电路输出的脉冲信号进行计数，在控制单元控制计数器停止计数后，计数值则为该曝光时间内目标的灰度值。
2.根据权利要求1所述的一种基于单光器件兼顾距离感知和成像的电路系统，其特征在于，为了提高对目标距离感知的精度，采用提高目标感知精度的电路系统，该电路系统包括单光子雪崩二极管、淬灭及整形电路、时钟模块、高速计数器、控制单元、时间数字转换模块、数据输出。
3.根据权利要求1所述的一种基于单光器件兼顾距离感知和成像的电路系统，其特征在于，该系统工作在距离感知模式下时，控制单元控制时间数字转换模块开始工作，在收到单光子雪崩二极管通过淬灭及整形电路输出的脉冲之后，停止工作，输出对该段时间的转换结果。
4.根据权利要求1所述的一种基于单光器件兼顾距离感知和成像的电路系统，其特征在于，在电路中增加选通器，使得感光单元与电路系统的对应关系变为一对多。
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