CN113759388A - 一种tdc共享的激光接收器的飞行时间测量系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种TDC共享的激光接收器的飞行时间测量系统及方法，其中，一个TDC对应多个SPAD，当探测到光子时，SPAD像素组中探测到光子的SPAD被触发，其阳极电压淬灭，并在TDC电路中产生脉冲信号TRIGGER，并基于脉冲信号TRIGGER异步记录SPAD像素地址信息以及激光接收时间，通过判断所接收到的SPAD像素地址信息来分辨冲突地址信息，上述过程中，SPAD像素组上，共享同一TDC的各SPAD在同一个探测周期内，只会出现一次对光子的检测，可以采用一个TDC电路检测多个光子的飞行时间，大大减小了地址总线的占用时间，能够通过复用TDC电路，使系统记录光子飞行时间的效率较高，另外，该系统可实现大规模SPAD地址的扩展，硬件成本和功耗较低。
Description
技术领域
本发明属于激光雷达接收器领域，更具体地，涉及一种TDC共享的激光接收器的飞行时间测量系统及方法。
背景技术
激光雷达是无人驾驶、安防测绘等领域必要探测部件，该技术可以通过激光精确分辨物体的轮廓和距离，是必不可少的探测工具。激光雷达有多种技术路线，其中，基于单光子雪崩二极管(Single Photon Avalanche Diode，SPAD)的光子飞行时间探测激光雷达接收器更因为其对较低反射率物体的较强探测能力、较高的灵敏度受到了业界和学术界的青睐，然而传统的架构每一个SPAD都需要配置一个时间数字转换器(Time-to-DigitalConverter，TDC)以进行距离测量，对于系统的功耗以及硬件成本造成巨大挑战，故研究一种TDC共享的激光接收器的飞行时间测量系统及方法具有重要意义。
现有的TDC共享的激光接收器的飞行时间测量系统主要分为两种，第一种是基于TDC动态分配结构的飞行时间测量系统，该结构可以随着SPAD的触发，动态分配空闲的TDC对光子飞行时间计时，然而由于SPAD触发率高，并且TDC数量有限，该结构必然会出现TDC满载的情况，因此采样效率必然会下降，系统测量光子飞行时间的效率较低，另外，其结构和时序控制比较复杂；第二种是基于分区域计时TDC结构的飞行时间测量系统，该结构将SPAD像素组分为N个区域，在同一个SPAD的探测周期内，只会有一个区域的SPAD被复位并允许探测，这样虽然不会出现TDC的满载并且TDC复用效率为N，但是全部SPAD探测一次的周期被提升了N倍，采样效率是原来的N分之一，飞行时间测量效率较低，不利于大规模阵列的应用。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种TDC共享的激光接收器的飞行时间测量系统及方法，用以解决现有技术由于基于TDC动态分配结构或分区域计时TDC结构而导致的光子飞行时间测量效率较低的技术问题。
为了实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种TDC共享的激光接收器的飞行时间测量系统，包括：振荡器、SPAD像素组、TDC电路、读出电路和计算模块；
其中，振荡器的输出端分别与TDC电路的相位输入端和时钟输入端相连，SPAD像素组的输出端与TDC电路的WTA输入端相连，TDC电路的输出端与读出电路的输入端相连，读出电路的输出端与计算模块的输入端相连；其中，SPAD像素组包括多个SPAD，且各SPAD的输出端口处装有单稳态触发器；
振荡器用于为TDC电路提供相位信息和参考时钟，其中，参考时钟用于驱动TDC电路计时；
SPAD像素组用于探测光子；当输入TDC电路的激光发射信号START使能有效时，SPAD像素组阳极复位；当探测到光子时，SPAD像素组中探测到光子的SPAD被触发，被触发的SPAD的阳极淬灭，进一步触发其输出端口处的单稳态电路产生脉冲信号，并输入到TDC电路中；
TDC电路用于当输入的激光发射信号START从使能无效阶跃到使能有效时，开始计时，并产生脉冲信号TRIGGER，此时，SPAD像素地址信息为0，根据当前的时间信息和振荡器的相位信息，得到激光发射时间并记录下来，且当脉冲信号TRIGGER处于下降沿时，记录此时的SPAD像素地址信息；当SPAD像素组探测到光子时，对SPAD像素组输入的脉冲信号进行处理，产生脉冲信号TRIGGER，且当脉冲信号TRIGGER处于上升沿时，根据当前的时间信息和振荡器的相位信息，得到激光接收时间并记录下来；当脉冲信号TRIGGER有效时，基于WTA算法，对SPAD像素组输入的脉冲信号进行处理，得到SPAD像素地址信息；当脉冲信号TRIGGER处于下降沿时，记录所得SPAD像素地址信息，并触发读出电路读出上一次记录的SPAD像素地址信息和时间信息；其中，时间信息为激光接收时间或激光发射时间；
读出电路用于缓存每次记录的SPAD像素地址信息和时间信息，并同时输出到计算模块中；其中，每次记录的SPAD像素地址信息和时间信息一一对应；
计算模块用于判断所接收到的各SPAD像素地址信息是否有效，去除无效的SPAD像素地址信息及其对应的时间信息后，分别在各探测周期内，将其中的各激光接收时间与激光发射时间做差，得到该激光接收时间所对应的SPAD像素地址信息处接收到的光子的飞行时间。
进一步优选地，TDC电路包括计数器、WTA电路和预读出电路；
计数器和WTA电路的输出端分别与预读出电路的输入端相连；其中，WTA电路上输入START信号的输入端口处装有单稳态触发器；
计数器用于为预读出电路提供时间信息；且当输入的START信号从使能无效阶跃到使能有效时，开始计时，此时，SPAD像素地址信息为0；
WTA电路用于当输入的激光发射信号START从使能无效阶跃到使能有效时或SPAD像素组探测到光子时，产生脉冲信号TRIGGER，输入到预读出电路中；当SPAD像素组探测到光子，对SPAD像素组输入的脉冲信号进行处理，产生脉冲信号TRIGGER，且当脉冲信号TRIGGER有效时，基于WTA算法，对SPAD像素组输入的脉冲信号进行处理，得到SPAD像素地址信息，并输入到预读出电路中；
预读出电路用于当输入WTA电路的激光发射信号START从使能无效阶跃到使能有效时，分别根据当前的时间信息和振荡器所提供的相位信息，得到激光发射时间并记录下来，且当脉冲信号TRIGGER处于下降沿时，记录此时的SPAD像素地址信息；当SPAD像素组探测到光子，且脉冲信号TRIGGER处于上升沿时，分别根据当前的时间信息和振荡器所提供的相位信息，得到激光接收时间并记录下来，且当脉冲信号TRIGGER处于下降沿时，记录此时的SPAD像素地址信息，并触发读出电路读出上一次记录的SPAD像素地址信息和时间信息。
进一步优选地，当SPAD像素组探测到光子时，若同时有两个或两个以上的SPAD被触发，则SPAD像素地址信息为采用WTA算法对被触发的SPAD输入的脉冲信号进行编码后再按位进行或操作后的结果，否则，SPAD像素地址信息为采用WTA算法对被触发的SPAD输入的脉冲信号进行编码后的结果。
进一步优选地，TDC电路中所产生的脉冲信号TRIGGER由SPAD像素组上各SPAD输出端口处的单稳态触发器所输出的脉冲信号和激光发射信号START经WTA电路输入端口处的单稳态触发器后所输出的信号进行或操作后得到；
当激光发射信号START刚使能有效时，SPAD像素组阳极复位，TDC电路中的脉冲信号TRIGGER由激光发射信号START触发得到；
当SPAD像素组探测到光子时，被触发的SPAD的阳极淬灭，被触发的SPAD输出端口处的单稳态触发器产生脉冲信号，TDC电路中的脉冲信号TRIGGER根据被触发的SPAD输出端口处的单稳态触发器产生的脉冲信号得到。
进一步优选地，SPAD像素组中的每个SPAD在同一个探测周期内，只会出现一次对光子的检测，用于避免环境光和后脉冲对与探测结果的影响，以及提升阵列的探测效率。
进一步优选地，SPAD像素组有多个，TDC电路有多个，SPAD像素组的个数与TDC电路的个数相同，各SPAD像素组共同构成一个SPAD阵列，此时，上述飞行时间测量系统还包括时钟树；
振荡器的输出端与时钟树的输入端相连，时钟树的输出端分别与各TDC电路的相位输入端和时钟输入端相连；各SPAD像素组中的SPAD的输出端分别与对应的TDC电路的WTA输入端相连；各TDC电路的输出端分别与读出电路的输入端相连；读出电路的输出端与计算模块的输出端相连。
第二方面，本发明还提供了一种基于第一方面所提供的TDC共享的激光接收器的飞行时间测量系统的飞行时间测量方法，包括以下步骤：
S1、当输入TDC电路的激光发射信号START信号从使能无效阶跃到使能有效时，开始计时，并触发TDC电路产生脉冲信号TRIGGER，此时，SPAD像素地址信息为0，根据当前的时间信息和相位信息，得到激光发射时间并记录下来，且当脉冲信号TRIGGER处于下降沿时，记录此时的SPAD像素地址信息；其中，当START信号刚变为使能有效时，将SPAD像素组阳极复位；
S2、当SPAD像素组探测到光子时，SPAD像素组中探测到光子的SPAD被触发，被触发的SPAD的阳极淬灭，触发其输出端口处的单稳态电路产生脉冲信号；在TDC电路中通过对所得的脉冲信号进行处理，进一步产生脉冲信号TRIGGER；当脉冲信号TRIGGER处于上升沿时，根据当前的时间信息和相位信息，得到激光接收时间并记录下来；当脉冲信号TRIGGER有效时，基于WTA算法，对上述被触发的SPAD输出端口处的脉冲信号进行处理，得到SPAD像素地址信息；当脉冲信号TRIGGER处于下降沿时，记录所得SPAD像素地址信息，并触发读出电路读出上一次记录的SPAD像素地址信息和时间信息；其中，时间信息为激光接收时间或激光发射时间；
S3、重复步骤S2，直至下一次激光脉冲开始发射；
S4、判断所读出的各SPAD像素地址信息是否有效，去除无效的SPAD像素地址信息及其对应的时间信息后，分别在各探测周期内，将其中的各激光接收时间与激光发射时间做差，得到该激光接收时间所对应的SPAD像素地址信息处接收到的光子的飞行时间。
进一步优选地，当SPAD像素组探测到光子时，若同时有两个或两个以上的SPAD被触发，则SPAD像素地址信息为采用WTA算法对被触发的SPAD输出端口处的脉冲信号进行编码后再按位进行或操作后的结果，否则，SPAD像素地址信息为采用WTA算法对被触发的SPAD输出端口处的脉冲信号进行编码后的结果。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
1、本发明提出了一种TDC共享的激光接收器的飞行时间测量系统，一个TDC对应一个SPAD像素组，SPAD像素组中有多个SPAD，当SPAD像素组探测到光子时，SPAD像素组中探测到光子的SPAD被触发，被触发的SPAD的阳极淬灭，并触发TDC电路产生脉冲信号TRIGGER，并基于脉冲信号TRIGGER异步记录SPAD像素地址信息以及激光接收时间，通过判断所接收到的各SPAD像素地址信息来分辨冲突地址信息，去除无效的SPAD像素地址信息及其对应的时间信息后，分别在各探测周期内，将其中的各激光接收时间与激光发射时间做差，得到该激光接收时间所对应的SPAD像素地址信息处接收到的光子的飞行时间，上述过程中，SPAD像素组中的每个SPAD在同一个探测周期内，只会出现一次对光子的检测，可以采用一个TDC电路检测多个光子的飞行时间，大大减小了地址总线的占用时间，且该系统没有SPAD触发数量的上限，也无需分区域探测，因此能够将TDC电路进行复用，使系统测量光子飞行时间的效率较高。
2、本发明所提出的一种TDC共享的激光接收器的飞行时间测量系统，通过可分辨冲突的WTA电路，可实现大规模的SPAD地址扩展，同时可以合并触发信号，减少电路的控制复杂程度，当SPAD像素组规模增加时，TDC电路不会大量增加，硬件成本和功耗较低，能够实现大规模SPAD像素组的应用。
3、本发明提出了一种TDC共享的激光接收器的飞行时间测量方法，当SPAD像素组探测到光子时，SPAD像素组中探测到光子的SPAD被触发，被触发的SPAD的阳极淬灭，并触发TDC电路产生脉冲信号TRIGGER，基于脉冲信号TRIGGER异步记录SPAD像素地址信息以及激光接收时间，并基于激光发射时间得到该激光接收时间所对应的SPAD像素地址信息处接收到的光子的飞行时间；该方法能够将TDC电路进行复用，光子飞行时间的测量效率较高，且无动态TDC控制分配的时序控制，也没有分区域探测的控制信号，无需片外的额外控制信号，具有较为简单控制时序，有利于电路的设计和实现。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的一种TDC共享的激光接收器的飞行时间测量系统结构示意图；
图2为本发明实施例1提供的WTA电路的结构示意图；
图3为本发明实施例1提供的预读出电路的结构示意图；
图4为本发明实施例1提供的单稳态触发器的结构示意图；
图5为本发明实施例1提供的进行大规模的SPAD像素组的扩展时的TDC共享的激光接收器的飞行时间测量系统结构示意图；
图6为本发明实施例2提供的一种TDC共享的激光接收器的飞行时间测量方法时序图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
实施例1、
一种TDC共享的激光接收器的飞行时间测量系统，如图1所示，包括：振荡器、SPAD像素组、TDC电路、读出电路和计算模块；
其中，振荡器的输出端分别与TDC电路的相位输入端和时钟输入端相连，SPAD像素组的输出端与TDC电路的WTA输入端相连(即SPAD像素组中的各SPAD的输出端分别与TDC电路的WTA输入端相连)，TDC电路的输出端与读出电路的输入端相连，读出电路的输出端与计算模块的输入端相连；其中，SPAD像素组包括多个SPAD，且各SPAD的输出端口处装有单稳态触发器；；本实施例中，SPAD的个数为16个，振荡器为压控振荡器；
振荡器用于为TDC电路提供相位信息和参考时钟；其中，参考时钟用于驱动TDC电路中的计数器计时；具体的，本实施例采用一个通过锁相环控制的环形压控振荡器为TDC电路中的二进制计时器提供精准时钟源；振荡器为TDC电路提供的相位信息具体的位数取决于振荡器的结构，本实施例中为4bit。
SPAD像素组用于探测光子；当输入TDC电路的激光发射信号START使能有效时，SPAD像素组阳极复位，具体的，本实施例中将SPAD像素组中的16个SPAD的阳极电压复位为0；当探测到光子时，SPAD像素组中探测到光子的SPAD被触发，被触发的SPAD的阳极淬灭(本实施例中，即是将触发的SPAD的阳极电压翻转至1)，进一步触发其输出端口处的单稳态电路产生脉冲信号，并输入到TDC电路中；具体的，本实施例中，当START使能有效时START取值为1；当START使能无效时START取值为0；需要说明的是，SPAD像素组中的每个SPAD在同一个探测周期内只会出现一次对光子的检测，用于避免环境光和后脉冲对与探测结果的影响，以及提升阵列的探测效率。
TDC电路用于当输入的激光发射信号START从使能无效阶跃到使能有效时，开始计时，并产生脉冲信号TRIGGER，此时，SPAD像素地址信息为0，根据当前的时间信息和振荡器的相位信息，得到激光发射时间并记录下来，且当脉冲信号TRIGGER处于下降沿时，记录此时的SPAD像素地址信息(此时的SPAD像素地址信息仍为0)；当SPAD像素组探测到光子时，对SPAD像素组输入的脉冲信号进行处理，产生脉冲信号TRIGGER，且当脉冲信号TRIGGER处于上升沿时，根据当前的时间信息和振荡器的相位信息，得到激光接收时间并记录下来；其中，激光接收时间的具体位数取决于电路结构和探测距离，本实施例为8bit；当脉冲信号TRIGGER有效时(即脉冲信号TRIGGER处于高电平时)，基于WTA算法，对SPAD像素组输入的脉冲信号进行处理，得到SPAD像素地址信息；当脉冲信号TRIGGER处于下降沿时，记录所得SPAD像素地址信息，并触发读出电路读出上一次记录的SPAD像素地址信息和时间信息；其中，时间信息为激光接收时间或激光发射时间；具体的，当产生脉冲信号TRIGGER时，TDC电路基于WTA算法，对SPAD像素组的输入的脉冲信号进行处理，得到SPAD像素地址信息，若SPAD像素地址信息非0，则可以确定SPAD像素组探测到光子。其中，SPAD像素地址信息的具体位数取决于SPAD数量和编码方式，本实例中地址信息为7bit；激光接收时间和激光发射时间的具体位数取决于TDC电路结构和激光接收器的探测距离，本实施例中，均为8bit。
读出电路用于缓存每次记录的SPAD像素地址信息和时间信息，并同时输出到计算模块中；其中，每次记录的SPAD像素地址信息和时间信息一一对应；具体的，本实施例中，读出电路为异步先入先出(First-In-First-Out，FIFO)电路。
计算模块用于判断所接收到的各SPAD像素地址信息是否有效，去除无效的SPAD像素地址信息及其对应的时间信息后，分别在各探测周期内，将其中的各激光接收时间与激光发射时间做差，得到该激光接收时间所对应的SPAD像素地址信息处接收到的光子的飞行时间。
进一步地，TDC电路包括计数器、WTA电路和预读出电路；其中，计数器和WTA电路的输出端分别与预读出电路的输入端相连；WTA电路上输入START信号的输入端口处装有单稳态触发器；
计数器用于为预读出电路提供时间信息；且当输入的START信号从使能无效阶跃到使能有效时，开始计时，此时，SPAD像素地址信息为0；具体的，本实施例中，计数器为二进制计数器。
WTA电路用于当输入的激光发射信号START从使能无效阶跃到使能有效时或SPAD像素组探测到光子时，产生脉冲信号TRIGGER，输入到预读出电路中；当SPAD像素组探测到光子，对SPAD像素组输入的脉冲信号进行处理，产生脉冲信号TRIGGER，且当脉冲信号TRIGGER有效时(即脉冲信号TRIGGER处于高电平时)，基于WTA算法，对SPAD像素组输入的脉冲信号进行处理，得到SPAD像素地址信息，并输入到预读出电路中。具体的，当SPAD像素组探测到光子时，对SPAD像素组中的每个SPAD输出端口处的脉冲信号均用4个“1”和3个“0”进行地址编码，且每个SPAD端口处的脉冲信号的地址编码各不同(如表1所示)，根据该编码结构设计WTA电路的结构示意图如图2所示，其中，SPAD像素组中的SPAD0、SPAD1、......、SPAD15的输出端分别与WTA电路第2-17行的输入端相连，若同时有两个或两个以上的SPAD被触发，则WTA电路会同时选中被触发的SPAD所对应的行按列进行或操作，此时，输出的SPAD像素地址信息中会出现多于4个”1”的情况；而若只有一个SPAD被触发时，则WTA电路仅会选中该SPAD所对应行进行输出，此时的SPAD像素地址信息为该SPAD的地址编码结构，还是为4个“1”和3个“0”；故可以根据WTA电路所得的SPAD像素地址信息来分辨是否出现同时到达的光子，避免总线冲突。
表1
| SPAD | T，ADDR[0：6] | SPAD | T，ADDR[0∶6] |
| 0 | 11111000 | 8 | 10011110 |
| 1 | 11101100 | 9 | 10101110 |
| 2 | 10111100 | 10 | 11001110 |
| 3 | 11011100 | 11 | 11101010 |
| 4 | 11110100 | 12 | 10111010 |
| 5 | 11100110 | 13 | 11011010 |
| 6 | 10110110 | 14 | 11110010 |
| 7 | 11010110 | 15 | 11100011 |
进一步地，TDC电路中所产生的脉冲信号TRIGGER由SPAD像素组上各SPAD输出端口处的单稳态触发器所输出的脉冲信号和激光发射信号START经WTA电路输入端口处的单稳态触发器后所输出的信号进行或操作后得到。当激光发射信号START刚使能有效时，SPAD像素组阳极复位，此时，SPAD像素组上各SPAD输出端口处的单稳态触发器所输出的信号为0，TDC电路中的脉冲信号TRIGGER由激光发射信号START触发得到(如图2所示)；当SPAD像素组探测到光子时，被触发的SPAD的阳极淬灭，被触发的SPAD输出端口处的单稳态触发器产生脉冲信号，TDC电路中的脉冲信号TRIGGER根据被触发的SPAD输出端口处的单稳态触发器产生的脉冲信号得到。
预读出电路用于当输入WTA电路的激光发射信号START从使能无效阶跃到使能有效时，分别根据当前的时间信息和振荡器所提供的相位信息，得到激光发射时间并记录下来，且当脉冲信号TRIGGER处于下降沿时，记录此时的SPAD像素地址信息；当SPAD像素组探测到光子，且脉冲信号TRIGGER处于上升沿时，分别根据当前的时间信息和振荡器所提供的相位信息，得到激光接收时间并记录下来，且当脉冲信号TRIGGER处于下降沿时，记录此时的SPAD像素地址信息，并触发读出电路读出上一次记录的SPAD像素地址信息和时间信息。具体的，本实施中，预读出电路的结构示意图如图3所示，该电路由两部分组成，一部分为12bit的时间读取寄存器，(其中，时间读取寄存器的位数具体取决于激光雷达接收器的探测范围)，该部分由WTA电路产生的脉冲信号TRIGGER的上升沿直接驱动，以最快的速度记录此时的相位信息和时间信息。而另一部分为7bit的地址读取寄存器，由WTA电路产生的脉冲信号TRIGGER的反向信号驱动，这是因为地址信息与WTA电路产生的脉冲信号TRIGGER同时到达，而寄存器只能记录上一时刻的状态。
具体的，在上述飞行时间测量系统中，为了减小SPAD占用总线WTA电路的时间以得到较多的正确计时并驱动WTA电路，各SPAD的输出端口处装有单稳态触发器，本实施例中，单稳态触发器的结构示意图如图4所示。该触发器通过一个低宽长比的反相器INV、一个与非门和一个较大尺寸的反相器BUFFER构成。由于与非门两输入都为1时才会翻转，因此该电路只有在输入电压向上翻转时才会出现一个短脉冲。具体的，当SPAD像素组探测到光子时，SPAD像素组中探测到光子的SPAD被触发，被触发的SPAD的阳极淬灭，并触发其输出端口处的单稳态触发器发射短脉冲信号，并输出到TDC电路中，进而在TDC电路产生脉冲信号TRIGGER。进一步地，低宽长比的反相器保证了足够脉冲延时时间，使其经过反相器BUFFER后能够为后级提供足够的驱动能力。
进一步地，本发明所提出的飞行时间测量系统可以进行大规模的SPAD像素组的扩展，如图5所示，当SPAD像素组规模较大时，上述SPAD像素组有多个，TDC电路也有多个，分别记为：TDC电路1、TDC电路2、......、和TDC电路n，且SPAD像素组的个数与TDC电路的个数相同，SPAD像素组与TDC电路一一对应，各SPAD像素组共同构成一个SPAD阵列；此时，上述飞行时间测量系统还包括时钟树；具体的，振荡器的输出端与时钟树的输入端相连，时钟树的输出端分别与各TDC电路的相位输入端和时钟输入端相连；各SPAD像素组中的SPAD的输出端分别与对应的TDC电路的WTA输入端相连；各TDC电路的输出端分别与读出电路的输入端相连；读出电路的输出端与计算模块的输出端相连。
实施例2、
一种基于实施例1所提供的TDC共享的激光接收器的飞行时间测量系统的飞行时间测量方法，其时序图如图6所示，包括以下步骤：
S1、T1时刻，输入TDC电路的激光发射信号START信号从使能无效阶跃到使能有效时(即从0阶跃到1时)，开始计时(如COUNTER所示)，并触发TDC电路产生脉冲信号TRIGGER，此时，SPAD像素地址信息为0，根据当前的时间信息COUNTER和相位信息VCO_PHASE，得到激光发射时间并记录下来，且当脉冲信号TRIGGER处于下降沿时(T2时刻)，记录此时的SPAD像素地址信息；其中，当START信号刚变为使能有效时，将SPAD像素组阳极复位(如SPAD1_ANODE、......、SPAD16_ANODE所示)；
S2、T3时刻，SPAD像素组探测到光子时，SPAD像素组中探测到光子的SPAD被触发，被触发的SPAD的阳极淬灭(见SPAD1_ANODE)，触发其输出端口处的单稳态电路产生脉冲信号；在TDC电路中通过对所得的脉冲信号进行处理，进一步产生脉冲信号TRIGGER；当脉冲信号TRIGGER处于上升沿时，根据当前的时间信息COUNTER和相位信息VCO_PHASE，得到激光接收时间并记录下来；当脉冲信号TRIGGER有效时(即脉冲信号TRIGGER处于高电平时)，基于WTA算法，对上述被触发的SPAD输出端口处的脉冲信号进行处理，得到SPAD像素地址信息；当脉冲信号TRIGGER处于下降沿时(T4时刻)，记录所得SPAD像素地址信息，并触发读出电路读出上一次记录的SPAD像素地址信息和时间信息；其中，时间信息为激光接收时间或激光发射时间；SPAD像素组中的每个SPAD在同一个探测周期内，只会出现一次对光子的检测，用于避免环境光和后脉冲对与探测结果的影响，以及提升阵列的探测效率。具体的，激光接收时间和激光发射时间的具体位数取决于TDC电路结构和激光接收器的探测距离，本实施例中，均为8bit。
具体的，当SPAD像素组探测到光子时，若同时有两个或两个以上的SPAD被触发，则SPAD像素地址信息为采用WTA算法对被触发的SPAD输出端口处的脉冲信号进行编码后再按位进行或操作后的结果，否则，SPAD像素地址信息为采用WTA算法对被触发的SPAD输出端口处的脉冲信号进行编码后的结果。采用WTA算法进行编码时会造成一定的编码冗余，但是得到了可以分辨地址冲突的能力。具体的，对SPAD像素组中的每个SPAD输出端口处的脉冲信号均用4个“1”和3个“0”进行地址编码，且每个SPAD输出端口处的脉冲信号的编码各不同(如表1所示)，因此当发生冲突时，同时会有两个或两个以上的SPAD被触发，SPAD像素地址信息为对被触发的SPAD输出端口处的脉冲信号编码后再按位进行或操作后的结果，此时，输出的SPAD像素地址信息中会出现多于4个”1”的情况；而当只有一个SPAD被触发时，SPAD像素地址信息为该SPAD输出端口处的脉冲信号的编码结果，还是为4个“1”和3个“0”；故该方法可以使后续步骤通过判断SPAD像素地址信息的有效性，进而分辨是否出现同时到达的光子，避免总线冲突。
S3、重复步骤S2(见T5、T6等时刻)，直至下一次激光脉冲开始发射；
S5、判断所读出的各SPAD像素地址信息是否有效，去除无效的SPAD像素地址信息及其对应的时间信息后，分别在各探测周期内，将其中的各激光接收时间与激光发射时间做差，得到该激光接收时间所对应的SPAD像素地址信息处接收到的光子的飞行时间。具体的，按照上述分析，当SPAD像素地址信息为4个“1”和3个“0”时，该SPAD像素地址信息有效，否则，无效。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种TDC共享的激光接收器的飞行时间测量系统，其特征在于，包括：振荡器、SPAD像素组、TDC电路、读出电路和计算模块；
所述振荡器的输出端分别与所述TDC电路的相位输入端和时钟输入端相连，所述SPAD像素组输出端与所述TDC电路的WTA输入端相连，所述TDC电路的输出端与所述读出电路的输入端相连，所述读出电路的输出端与所述计算模块的输入端相连；其中，所述SPAD像素组包括多个SPAD，且各SPAD的输出端口处装有单稳态触发器；
所述振荡器用于为所述TDC电路提供相位信息和参考时钟，其中，参考时钟用于驱动TDC电路计时；
所述SPAD像素组用于探测光子；当输入TDC电路的激光发射信号START使能有效时，SPAD像素组阳极复位；当探测到光子时，所述SPAD像素组中探测到光子的SPAD被触发，被触发的SPAD的阳极淬灭，进一步触发其输出端口处的单稳态电路产生脉冲信号，并输入到TDC电路中；
所述TDC电路用于当输入的激光发射信号START从使能无效阶跃到使能有效时，开始计时，并产生脉冲信号TRIGGER，此时，SPAD像素地址信息为0，根据当前的时间信息和振荡器的相位信息，得到激光发射时间并记录下来，且当脉冲信号TRIGGER处于下降沿时，记录此时的SPAD像素地址信息；当SPAD像素组探测到光子时，对SPAD像素组输入的脉冲信号进行处理，产生脉冲信号TRIGGER，且当脉冲信号TRIGGER处于上升沿时，根据当前的时间信息和振荡器的相位信息，得到激光接收时间并记录下来，当脉冲信号TRIGGER有效时，基于WTA算法，对SPAD像素组输入的脉冲信号进行处理，得到SPAD像素地址信息，当脉冲信号TRIGGER处于下降沿时，记录所得SPAD像素地址信息，并触发读出电路读出上一次记录的SPAD像素地址信息和时间信息；其中，时间信息为激光接收时间或激光发射时间；
所述读出电路用于缓存每次记录的SPAD像素地址信息和时间信息，并同时输出到所述计算模块中；其中，每次记录的SPAD像素地址信息和时间信息一一对应；
所述计算模块用于判断所接收到的各SPAD像素地址信息是否有效，去除无效的SPAD像素地址信息及其对应的时间信息后，分别在各探测周期内，将其中的各激光接收时间与激光发射时间做差，得到该激光接收时间所对应的SPAD像素地址信息处接收到的光子的飞行时间。
2.根据权利要求1所述的飞行时间测量系统，其特征在于，所述TDC电路包括计数器、WTA电路和预读出电路；其中，所述WTA电路上输入START信号的输入端口处装有单稳态触发器；
所述计数器和WTA电路的输出端分别与所述预读出电路的输入端相连；
所述计数器用于为预读出电路提供时间信息；且当输入的START信号从使能无效阶跃到使能有效时，开始计时，此时，SPAD像素地址信息为0；
所述WTA电路用于当输入的激光发射信号START从使能无效阶跃到使能有效时或SPAD像素组探测到光子时，产生脉冲信号TRIGGER，输入到预读出电路中；当SPAD像素组探测到光子，对SPAD像素组输入的脉冲信号进行处理，产生脉冲信号TRIGGER，且当脉冲信号TRIGGER有效时，基于WTA算法，对SPAD像素组输入的脉冲信号进行处理，得到SPAD像素地址信息，并输入到所述预读出电路中；
所述预读出电路用于当输入WTA电路的激光发射信号START从使能无效阶跃到使能有效时，分别根据当前的时间信息和振荡器所提供的相位信息，得到激光发射时间并记录下来，且当脉冲信号TRIGGER处于下降沿时，记录此时的SPAD像素地址信息；当SPAD像素组探测到光子，且脉冲信号TRIGGER处于上升沿时，分别根据当前的时间信息和振荡器所提供的相位信息，得到激光接收时间并记录下来，且当脉冲信号TRIGGER处于下降沿时，记录此时的SPAD像素地址信息，并触发所述读出电路读出上一次记录的SPAD像素地址信息和时间信息。
3.根据权利要求2所述的飞行时间测量系统，其特征在于，当SPAD像素组探测到光子时，若同时有两个或两个以上的SPAD被触发，则SPAD像素地址信息为采用WTA算法对被触发的SPAD输人的脉冲信号进行编码后再按位进行或操作后的结果，否则，SPAD像素地址信息为采用WTA算法对被触发的SPAD输入的脉冲信号进行编码后的结果。
4.根据权利要求3所述的飞行时间测量系统，其特征在于，TDC电路中所产生的脉冲信号TRIGGER由SPAD像素组上各SPAD输出端口处的单稳态触发器所输出的脉冲信号和激光发射信号START经WTA电路输入端口处的单稳态触发器后所输出的信号进行或操作后得到；
当激光发射信号START刚使能有效时，SPAD像素组阳极复位，TDC电路中的脉冲信号TRIGGER由激光发射信号START触发得到；
当SPAD像素组探测到光子时，被触发的SPAD的阳极淬灭，被触发的SPAD输出端口处的单稳态触发器产生脉冲信号，TDC电路中的脉冲信号TRIGGER根据被触发的SPAD输出端口处的单稳态触发器产生的脉冲信号得到。
5.根据权利要求1-4任意一项所述的飞行时间测量系统，其特征在于，SPAD像素组中的每个SPAD在同一个探测周期内，只会出现一次对光子的检测。
6.根据权利要求5所述的飞行时间测量系统，其特征在于，所述SPAD像素组有多个，所述TDC电路有多个，所述SPAD像素组的个数与所述TDC电路的个数相同，各SPAD像素组共同构成一个SPAD阵列，此时，所述飞行时间测量系统还包括时钟树；
所述振荡器的输出端与时钟树的输入端相连，时钟树的输出端分别与各TDC电路的相位输入端和时钟输入端相连；各SPAD像素组中的SPAD的输出端分别与对应的TDC电路的WTA输入端相连；各TDC电路的输出端分别与读出电路的输入端相连；读出电路的输出端与计算模块的输出端相连。
7.一种基于权利要求1-6任意一项所述的TDC共享的激光接收器的飞行时间测量系统的飞行时间测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、当输入TDC电路的激光发射信号START信号从使能无效阶跃到使能有效时，开始计时，并触发TDC电路产生脉冲信号TRIGGER，此时，SPAD像素地址信息为0，根据当前的时间信息和相位信息，得到激光发射时间并记录下来，且当脉冲信号TRIGGER处于下降沿时，记录此时的SPAD像素地址信息；其中，当START信号刚变为使能有效时，将SPAD像素组阳极复位；
S2、当SPAD像素组探测到光子时，SPAD像素组中探测到光子的SPAD被触发，被触发的SPAD的阳极淬灭，触发其输出端口处的单稳态电路产生脉冲信号，在TDC电路中通过对所得的脉冲信号进行处理，进一步产生脉冲信号TRIGGER，当脉冲信号TRIGGER处于上升沿时，根据当前的时间信息和相位信息，得到激光接收时间并记录下来，当脉冲信号TRIGGER有效时，基于WTA算法，对上述被触发的SPAD输出端口处的脉冲信号进行处理，得到SPAD像素地址信息，当脉冲信号TRIGGER处于下降沿时，记录所得SPAD像素地址信息，并触发读出电路读出上一次记录的SPAD像素地址信息和时间信息；其中，时间信息为激光接收时间或激光发射时间；
S3、重复步骤S2，直至下一次激光脉冲开始发射；
S4、判断所读出的各SPAD像素地址信息是否有效，去除无效的SPAD像素地址信息及其对应的时间信息后，分别在各探测周期内，将其中的各激光接收时间与激光发射时间做差，得到该激光接收时间所对应的SPAD像素地址信息处接收到的光子的飞行时间。
8.根据权利要求7所述的飞行时间测量方法，其特征在于，当SPAD像素组探测到光子时，若同时有两个或两个以上的SPAD被触发，则SPAD像素地址信息为采用WTA算法对被触发的SPAD输出端口处的脉冲信号进行编码后再按位进行或操作后的结果，否则，SPAD像素地址信息为采用WTA算法对被触发的SPAD输出端口处的脉冲信号进行编码后的结果。
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