CN112903122B - 一种激光三维焦平面读出电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光三维焦平面读出电路，包括光电探测器、脉冲检测电路、时间幅值转换电路与强度信息积分电路。光电探测器产生光电流，脉冲检测电路的输出信号控制时间幅值转换电路中的采样开关，时间幅值转换电路对外部斜坡信号采样得到时间幅值信号，光电流完全积分的幅值信号为强度信号。该结构实现对时间信号与强度信号的同时读出，与含有比较器的时刻鉴别电路结构相比，该结构具有低功耗、版图面积小的优点。

Description

一种激光三维焦平面读出电路

技术领域

本发明属于激光三维成像技术领域，具体涉及一种激光三维焦平面读出电路。

背景技术

激光三维成像焦平面阵列技术预计在车载三维测量系统、无人机航测系统等领域中有着广阔的应用前景。线性模式APD的激光三维成像焦平面阵列读出电路，相比盖格模式探测器具有以下优势:具有多目标探测能力，对遮蔽目标有更好探测能力，可获取回波信号强度。

因此对于线性模式APD的激光三维成像焦平面阵列读出电路，需要同时读出时间信号与强度信号，同时对低功耗提出要求；然而现有的线性模式APD的激光三维成像焦平面阵列读出电路采用含有比较器的时刻鉴别电路结构，存在功耗大、体积大等缺点。

发明内容

本发明提出了一种激光三维焦平面读出电路，能够在同时读出时间信号与强度信号的同时满足低功耗的要求，提高了电路的整体性能。

本发明通过下述技术方案实现：

一种激光三维焦平面读出电路，本发明的电路包括光电探测器、脉冲检测电路、时间幅值转换电路和强度信息积分电路；

所述光电探测器产生光电流；

所述光电探测器的输出端与所述脉冲检测电路的选择开关S1连接；所述脉冲检测电路输出信号Q控制所述选择开关S1选择将所述光电探测器输出的光电流信号输入到所述脉冲检测电路或输入到所述强度信息积分电路；

所述脉冲检测电路输出的信号Q还用于控制所述时间幅值转换电路的采样开关S2使得所述时间幅值转换电路输入外部斜坡信号ramp进行采样并保持，并输出时间幅值信号V_{out_3D}；

所述强度信息积分电路与所述脉冲检测电路的选择开关S1选择输出端连接，对光电流完全积分，输出强度幅值信号V_{out_2D}。

优选的，本发明的光电探测器用于接收光脉冲信号并将其转换为电流信号；

所述光电探测器采用MOS管mp0传输电流信号；

所述MOS管mp0的栅极接偏压Vdi，所述MOS管mp0的源极输入电流信号，所述MOS管mp0的漏极与所述脉冲检测电路的选择开关S1连接。

优选的，本发明的脉冲检测电路包括选择开关S1、MOS管等效电容C_mos和控制电路；

所述选择开关S1的输入为所述光电探测器输出的电流信号；

所述选择开关S1的输出连接所述MOS管等效电容C_mos和所述强度信息积分电路的积分电容C_2D；

所述选择开关S1输出的选择由所述控制电路输出信号Q的电平控制；

所述MOS管等效电容C_mos用于检测所述光电探测器输出的电流信号并为所述控制电路提供输入电平。

优选的，本发明的控制电路包括MOS管mp1、MOS管mp2、MOS管mn1和MOS管mn2；

所述MOS管mp1的源极接电源，所述MOS管mp1的漏极与所述MOS管mp2的源极连接，所述MOS管mp1的栅极接控制信号pbias；

所述MOS管mp2的漏极与所述MOS管mn1的漏极连接，所述MOS管mp2的栅极、所述MOS管mn1的栅极均与所述MOS管等效电容C_mos连接；

所述MOS管mn1的源极与所述MOS管mn2的漏极连接；

所述MOS管mn2的源极接地，所述MOS管mn2的栅极接控制信号nbias；

所述MOS管mp2与所述MOS管mn1的漏极端信号作为所述控制电路的输出信号Q，用于控制所述选择开关S1的输出选择；初始信号为高电平时控制所述选择开关S1的输出连接所述MOS管等效电容C_mos，随着MOS管等效电容C_mos积累电荷增加，MOS管mp2与MOS管mn1栅极电平增加，MOS管mp2与MOS管mn1漏极为低电平，此时控制所述选择开关S1的输出为所述强度信息积分电路的积分电容C_2D。

优选的，本发明的时间幅值转换电路包括输入缓冲级buffer、采样开关S2、采样电容C_3D、复位开关S4和选择开关S6；

所述输入缓冲级buffer的输入为外部斜坡信号ramp，输出连接所述采样开关S2；

所述采样开关S2受所述脉冲检测电路输出的信号Q控制，初始状态所述脉冲检测电路输出的信号Q为高电平，此时控制所述采样开关S2为闭合状态，当所述脉冲检测电路输出的信号Q为低电平时控制所述采样开关S2为断开状态；

所述采样电容C_3D在所述采样开关S2闭合时采样电平随着外部斜坡信号ramp的线性增加而增加，在所述采样开关S2断开时保持断开前的采样电压幅值；

所述选择开关S6受外部选择信号sel3D控制，将所述采样电容C_3D的采样电压幅值输出；

所述复位开关S4并联在所述采样电容C_3D两端，所述复位开关S4受外部复位信号reset控制，每帧开始时复位，将所述采样电容C_3D的采样电压幅值清零。

优选的，本发明的强度信息积分电路包括积分电容C_2D、选择开关S3和复位开关S5；

所述积分电容C_2D实现对所述光电探测器输出的电流进行积分；

所述选择开关S3受外部选择信号sel2D控制，将所述积分电容C_2D的采样电压幅值输出；

所述复位开关S5受外部复位信号reset控制，每帧开始时复位，将所述积分电容C_2D的采样电压幅值清零。

优选的，本发明的时间幅值转换电路和所述强度信息积分电路输出的时间与强度信号为模拟信号。

本发明具有如下的优点和有益效果：

本发明的读出电路通过采用光电探测器产生光电流，脉冲检测电路的输出信号控制时间幅值转换电路中的采样开关，时间幅值转换电路对外部斜坡信号采样得到时间幅值信号，光电流完全积分的幅值信号为强度信号。本发明的读出电路实现对时间信号与强度信号的同时读出，与含有比较器的时刻鉴别电路结构相比，该结构具有低功耗、版图面积小的优点。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明的电路结构原理图。

图2为本发明的读出电路工作示意图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-光电探测器，2-脉冲检测电路，3-时间幅值转换电路，4-强度信息积分电路。

具体实施方式

在下文中，可在本发明的各种实施例中使用的术语“包括”或“可包括”指示所发明的功能、操作或元件的存在，并且不限制一个或更多个功能、操作或元件的增加。此外，如在本发明的各种实施例中所使用，术语“包括”、“具有”及其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。

在本发明的各种实施例中，表述“或”或“A或/和B中的至少一个”包括同时列出的文字的任何组合或所有组合。例如，表述“A或B”或“A或/和B中的至少一个”可包括A、可包括B或可包括A和B二者。

在本发明的各种实施例中使用的表述(诸如“第一”、“第二”等)可修饰在各种实施例中的各种组成元件，不过可不限制相应组成元件。例如，以上表述并不限制所述元件的顺序和/或重要性。以上表述仅用于将一个元件与其它元件区别开的目的。例如，第一用户装置和第二用户装置指示不同用户装置，尽管二者都是用户装置。例如，在不脱离本发明的各种实施例的范围的情况下，第一元件可被称为第二元件，同样地，第二元件也可被称为第一元件。

应注意到：如果描述将一个组成元件“连接”到另一组成元件，则可将第一组成元件直接连接到第二组成元件，并且可在第一组成元件和第二组成元件之间“连接”第三组成元件。相反地，当将一个组成元件“直接连接”到另一组成元件时，可理解为在第一组成元件和第二组成元件之间不存在第三组成元件。

在本发明的各种实施例中使用的术语仅用于描述特定实施例的目的并且并非意在限制本发明的各种实施例。如在此所使用，单数形式意在也包括复数形式，除非上下文清楚地另有指示。除非另有限定，否则在这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本发明的各种实施例中被清楚地限定。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1

相较于传统的含有比较器的时刻鉴别电路结构，本实施例提出了一种激光三维焦平面读出电路。本实施例的读出电路包括光电探测器1、脉冲检测电路2、时间幅值转换电路3和强度信息积分电路4。本实施例的光电探测器1产生光电流，脉冲检测电路2的输出信号控制时间幅值转换电路3中的采样开关，时间幅值转换电路3对外部斜坡信号采样得到时间幅值信号，强度信息积分电路4对光电流完全积分，光电流完全积分的幅值信号为强度信号。本实施例的电路结构实现对时间信号与强度信号的同时读出，与含有比较器的时刻鉴别电路结构相比，该结构具有低功耗、版图面积小的优点。

具体如图1所示，本实施例的光电探测器1光电探测器产生光电流；

光电探测器1的输出端与脉冲检测电路2的选择开关S1连接；脉冲检测电路2输出信号Q控制选择开关S1选择将光电探测器1输出的光电流信号输入到脉冲检测电路2或输入到强度信息积分电路4；

脉冲检测电路2输出的信号Q还用于控制时间幅值转换电路3的采样开关S2使得时间幅值转换电路3输入外部斜坡信号ramp进行采样并保持，并输出时间幅值信号V_{out_3D}；

强度信息积分电路4与脉冲检测电路2的选择开关S1选择输出端连接，对光电流完全积分，输出强度幅值信号V_{out_2D}。

具体的，本实施例的光电探测器1用于接收光脉冲信号并将其转换为电流信号，为激光三维焦平面读出电路提供电流激励。

本实施例的光电探测器1采用MOS管mp0传输电流信号；

MOS管mp0的栅极接偏压Vdi，MOS管mp0的源极输入电流信号，MOS管mp0的漏极与脉冲检测电路2的选择开关S1连接，即通过选择开关S1可将电流信号传输给脉冲检测电路2或强度信息积分电路4。

本实施例的的脉冲检测电路2包括选择开关S1、MOS管等效电容C_mos、以及由MOS管mp1、MOS管mp2、MOS管mn1和MOS管mn2构成的控制电路；

选择开关S1的输入为光电探测器1输出的电流信号；

选择开关S1的输出连接MOS管等效电容C_mos和强度信息积分电路4的积分电容C_2D；

选择开关S1输出的选择由控制电路输出信号Q的电平控制；

MOS管等效电容C_mos用于检测光电探测器1输出的电流信号并为控制电路提供输入电平。

本实施例的MOS管mp1的源极接电源，MOS管mp1的漏极与MOS管mp2的源极连接，MOS管mp1的栅极接控制信号pbias；MOS管mp2的漏极与MOS管mn1的漏极连接，MOS管mp2的栅极、MOS管mn1的栅极均与MOS管等效电容C_mos连接；MOS管mn1的源极与MOS管mn2的漏极连接；MOS管mn2的源极接地，MOS管mn2的栅极接控制信号nbias；MOS管mp2与MOS管mn1的漏极端信号作为控制电路的输出信号Q，用于控制选择开关S1的输出选择。

初始信号为高电平时控制选择开关S1的输出连接MOS管等效电容C_mos，随着MOS管等效电容C_mos积累电荷增加，MOS管mp2与MOS管mn1栅极电平增加，MOS管mp2与MOS管mn1漏极为低电平，此时控制选择开关S1的输出为强度信息积分电路的积分电容C_2D。mp1与mn2受幅值信号pbias与nbias控制，用来控制翻转点。

本实施例的时间幅值转换电路3包括输入缓冲级buffer、采样开关S2、采样电容C_3D、复位开关S4和选择开关S6；

输入缓冲级buffer的输入为外部斜坡信号ramp，输出连接采样开关S2；在焦平面读出电路中包含若干像元，采样会对外部斜坡信号ramp产生影响，因此本实施例中通过输入缓冲级buffer的加入消除了这一影响，提高了采样精度。

采样开关S2受脉冲检测电路输出的信号Q控制，初始状态脉冲检测电路输出的信号Q为高电平，此时控制采样开关S2为闭合状态，当脉冲检测电路输出的信号Q为低电平时控制采样开关S2为断开状态；

采样电容C_3D在采样开关S2闭合时采样电平随着外部斜坡信号ramp的线性增加而增加，在采样开关S2断开时保持断开前的采样电压幅值；

选择开关S6受外部选择信号sel3D控制，将采样电容C_3D的采样电压幅值输出；

复位开关S4并联在采样电容C_3D两端，复位开关S4受外部复位信号reset控制，每帧开始时复位，将采样电容C_3D的采样电压幅值清零，便于逐帧采样输出。

本实施例的强度信息积分电路4包括积分电容C_2D、选择开关S3和复位开关S5；

积分电容C_2D实现对光电探测器输出的脉冲电流完全积分；

选择开关S3受外部选择信号sel2D控制，将积分电容C_2D的采样电压幅值输出；

复位开关S5受外部复位信号reset控制，每帧开始时复位，将积分电容C_2D的采样电压幅值清零，便于逐帧采样输出。

本实施例的时间幅值转换电路3和强度信息积分电路4输出的时间与强度信号为模拟信号。

由本实施例的读出电路结构构成的焦平面阵列中各个像元同时积分。

本实施例中设回波时间为T_det，回波脉宽为T_pulse，那么对应图2中，时间幅值信号V_{out_3D}随外部斜坡信号ramp的线性增加而增加，当S2断开时保存断开前的采样电压幅值大小，得到时间幅值信号。强度幅值信号V_{out_2D}初始值为0，在T_det时开始积分，在T_det+T_pulse时得到强度幅值信号。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种激光三维焦平面读出电路，其特征在于，该电路包括光电探测器（1）、脉冲检测电路（2）、时间幅值转换电路（3）和强度信息积分电路（4）；

所述光电探测器（1）产生光电流；

所述光电探测器（1）的输出端与所述脉冲检测电路（2）的选择开关S1连接；所述脉冲检测电路（2）输出信号Q控制所述选择开关S1选择将所述光电探测器（1）输出的光电流信号输入到所述脉冲检测电路（2）或输入到所述强度信息积分电路（4）；

所述脉冲检测电路（2）输出的信号Q还用于控制所述时间幅值转换电路（3）的采样开关S2使得所述时间幅值转换电路（3）输入外部斜坡信号ramp进行采样并保持，并输出时间幅值信号V _{out_3D} ；

所述强度信息积分电路（4）与所述脉冲检测电路（2）的选择开关S1选择输出端连接，对光电流完全积分，输出强度幅值信号V _{out_2D} ；

所述脉冲检测电路（2）包括选择开关S1、MOS管等效电容C_mos和控制电路；

所述选择开关S1的输入为所述光电探测器（1）输出的电流信号；

所述选择开关S1的输出连接所述MOS管等效电容C_mos和所述强度信息积分电路（4）的积分电容C_2D；

所述选择开关S1输出的选择由所述控制电路输出信号Q的电平控制；

所述MOS管等效电容C_mos用于检测所述光电探测器（1）输出的电流信号并为所述控制电路提供输入电平。

2.根据权利要求1所述的一种激光三维焦平面读出电路，其特征在于，所述光电探测器（1）用于接收光脉冲信号并将其转换为电流信号；

所述光电探测器（1）采用MOS管mp0传输电流信号；

所述MOS管mp0的栅极接偏压Vdi，所述MOS管mp0的源极输入电流信号，所述MOS管mp0的漏极与所述脉冲检测电路的选择开关S1连接。

3.根据权利要求1所述的一种激光三维焦平面读出电路，其特征在于，所述控制电路包括MOS管mp1、MOS管mp2、MOS管mn1和MOS管mn2；

所述MOS管mp1的源极接电源，所述MOS管mp1的漏极与所述MOS管mp2的源极连接，所述MOS管mp1的栅极接控制信号pbias；

所述MOS管mp2的漏极与所述MOS管mn1的漏极连接，所述MOS管mp2的栅极、所述MOS管mn1的栅极均与所述MOS管等效电容C_mos连接；

所述MOS管mn1的源极与所述MOS管mn2的漏极连接；

所述MOS管mn2的源极接地，所述MOS管mn2的栅极接控制信号nbias；

所述MOS管mp2与所述MOS管mn1的漏极端信号作为所述控制电路的输出信号Q，用于控制所述选择开关S1的输出选择；初始信号为高电平时控制所述选择开关S1的输出连接所述MOS管等效电容C_mos，随着MOS管等效电容C_mos积累电荷增加，MOS管mp2与MOS管mn1栅极电平增加，MOS管mp2与MOS管mn1漏极为低电平，此时控制所述选择开关S1的输出为所述强度信息积分电路（4）的积分电容C_2D。

4.根据权利要求1所述的一种激光三维焦平面读出电路，其特征在于，所述时间幅值转换电路（3）包括输入缓冲级buffer、采样开关S2、采样电容C_3D、复位开关S4和选择开关S6；

所述输入缓冲级buffer的输入为外部斜坡信号ramp，输出连接所述采样开关S2；

所述采样开关S2受所述脉冲检测电路（2）输出的信号Q控制，初始状态所述脉冲检测电路（2）输出的信号Q为高电平，此时控制所述采样开关S2为闭合状态，当所述脉冲检测电路（2）输出的信号Q为低电平时控制所述采样开关S2为断开状态；

所述采样电容C_3D在所述采样开关S2闭合时采样电平随着外部斜坡信号ramp的线性增加而增加，在所述采样开关S2断开时保持断开前的采样电压幅值；

所述选择开关S6受外部选择信号sel3D控制，将所述采样电容C_3D的采样电压幅值输出；

所述复位开关S4并联在所述采样电容C_3D两端，所述复位开关S4受外部复位信号reset控制，每帧开始时复位，将所述采样电容C_3D的采样电压幅值清零。

5.根据权利要求1所述的一种激光三维焦平面读出电路，其特征在于，所述强度信息积分电路（4）包括积分电容C_2D、选择开关S3和复位开关S5；

所述积分电容C_2D实现对所述光电探测器（1）输出的电流进行积分；

所述选择开关S3受外部选择信号sel2D控制，将所述积分电容C_2D的采样电压幅值输出；

所述复位开关S5受外部复位信号reset控制，每帧开始时复位，将所述积分电容C_2D的采样电压幅值清零。

6.根据权利要求1-5任一项所述的一种激光三维焦平面读出电路，其特征在于，所述时间幅值转换电路（3）和所述强度信息积分电路（4）输出时间与强度信号为模拟信号。

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