CN116430399A - 远距离单光子测距的精细化时间数字转换电路及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于GM‑APD单光子探测技术领域，具体公开了一种远距离单光子测距的精细化时间数字转换电路及方法。该电路包括粗量化模块、精量化模块以及计数结果整合模块；粗量化模块包括粗计数时钟和粗计数器，粗计数时钟的一个输出端连接粗计数器的输入端，粗计数器的输出端连接计数结果整合模块；精量化模块包括精计数时钟和精计数器，粗计数时钟的另一个输出端连接精计数时钟的输入端，精计数时钟的输出端连接精计数器的输入端，精计数器的输出端连接计数结果整合模块；计数控制器的输出端分别连接粗计数器、精计数器和计数结果整合模块的输入端。本发明实现了对光子飞行时间间隔的宽量程、高精度测量。
Description
技术领域
本发明涉及GM-APD单光子探测技术领域，具体涉及一种远距离单光子测距的精细化时间数字转换电路。
背景技术
单光子测距系统是利用GM-APD探测器光子级探测灵敏度，基于光子飞行时间测距原理，实现远场目标距离信息获取的系统。该系统具有作用距离远，测距精度高的优势，在激光成像、目标检测、地形测绘等领域具有巨大应用潜力。虽然单光子测距系统探测灵敏度高，具备远距离目标探测的潜力，但在实际应用中，受计数器位数的限制，为了保证测距精度，往往导致系统的测量范围受限，而如果增大系统的量程，则系统的测距精度又难以满足需求，为此需要设计一款同时满足宽量程、高精度的时间数字转换电路，实现对光子飞行时间间隔的宽量程、高精度测量。
目前针对单光子测距系统的TDC设计多集中于提升TDC的计时精度，目前的远距离单光子测距的精细化时间数字转换电路，包括复位电路和计数控制器，单光子测距系统TDC设计的方法主要有分段法、游标法、双边采样法和延时线内插等方法。其中分段式TDC方案虽然测量的量程较宽，但电路结构复杂；游标法和双边沿采样时间数字转换电路结构较为简单，但精度较差；基于延迟线内插的方法测量精度较高，可达皮秒级，但该类方法电路结构复杂，内插的超高频计数时钟会产生非线性输出，引起测距误差，且系统只有一个最小量化单位(LSB)，受计数器最大计数值限制，当系统的计时分辨率为ps量级时，以16位计数器为例，其计时量程难以达到毫秒级，测距量程难以突破10km。
发明内容
本发明的目的是提供一种远距离单光子测距的精细化时间数字转换电路及方法，解决现有技术中不能兼顾电路结构，测量精度低，测距量程短的问题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1、本发明所提供的电路设计采用了等效脉冲粗精两级的精细化TDC设计方案，使得测距量程由粗量化模块决定，测量精度由精量化模块决定，相较于延迟线内插方法，结构更为简单，减小了电路中的非线性误差，精计数模块采用多计数器双沿计数方法，又进一步提升系统的计时精度，提高了资源利用率。
2.本发明所设计的精细化时间数字转换电路结构相对简单灵活，可通过增加同频等相移时钟，提高系统的距离分辨率，适用于测量粒子的飞行时间、电路延时，也适用于测量雷达脉冲间隔。此处用于远距离单光子测距，可实现对光子飞行时间间隔的宽量程、高精度测量。
附图说明
图1为本发明改进型TDC各模块流程图；
图2为精细化时间数字转换电路总体RTL结构图,其中图2(a)为左半部分，图2(b)为右半部分；
图3为粗精两级TDC时间量化原理图；
图4为粗精两级TDC时序图；
图5为等效高频计数时钟产生原理图；
图6为TDC内部双沿触发的计数器单元结构；
具体实施方式
下面将结合实施例和附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。
实施例：
一种远距离单光子测距的精细化时间数字转换电路，包括复位电路、计数控制器、粗量化模块Coarse TDC、精量化模块Fine TDC以及计数结果整合模块result_combine，复位电路通过计数控制器实现电路重置。
如图1所示，所述粗量化模块Coarse TDC包括粗计数时钟和粗计数器，粗计数时钟的一个输出端连接粗计数器的输入端，粗计数器的输出端连接计数结果整合模块result_combine；精量化模块Fine TDC包括精计数时钟和精计数器，粗计数时钟的另一个输出端连接精计数时钟的输入端，精计数时钟的输出端连接精计数器的输入端，精计数器的输出端连接计数结果整合模块result_combine；计数控制器tdc_ctl的输出端分别连接粗计数器、精计数器和计数结果整合模块result_combine输入端。
如图2所示，复位电路reset中含有与门AND和非门INV，复位电路reset通过计数控制器电路tdc_ctl实现电路重置，clk_coare的输入信号源是clk_50m_in(50MHZ0)，是一个参考时钟(对于不同的目标通过实验可以得到最好的参考时钟，这里使用的是50MHZ)，clk_coare的作用是为粗计数器提供了高精度的时间基准。当start信号输入输入到tdc_ctl，tdc_ctl的输出端tdc_coare_ctl是tdc_coare的一个输入源，也就是控制tdc_coare(粗计数器开始计数)。tdc_ctl电路的输出分别用于电路重置，粗精计数器的控制和整个电路结果输出的控制；粗计数时钟一方面作为tdc_ctl电路和精计数时钟的时钟源，另一方面与粗计数器的输入端相连，作为粗计数器的输入信号；精计数时钟对粗计数时钟进行分频，并与精计数器的输入端相连作为输入信号；粗计数器计算出结果后一部分将结果直接输出，另一部分作为信号源输入给result_combine模块，结合粗精两计数器的输出，最后将所有计数器结果进行累加输出，即为精计数值。每一路精计数时钟分别连接两个计数器，分别为上升沿触发和下降沿触发。
参见图3、图4，为实现GM-APD单光子测距系统的远距离宽量程高精度探测，基于时钟等相差相移的等效脉冲TDC工作原理，首先将待测的时间间隔分为粗计数和精计数两部分，Start为启动计数的触发信号，Stop为停止计数的触发信号，两个信号之间的时间段即为待测的TOF时间。对于待测时间量Tactual，首先通过时间间隔为TLSB1的周期性时钟对Tactual待测时间进行粗量化，即为粗计数，所得髙段位量化值T1＝mTLSB1，其中m为计数器粗测量的计数值，粗量化产生的量化误差为Te1。
Te1＝Tactual-mTLSB1 (1)
再将粗计数量化产生的量化误差Te1，采用等效脉冲的高频时钟周期进行精量化，即为精计数，量化值T2＝nTLSB2，其中n为精测量的计数值，精量化产生的误差为Te2。
Te2＝Te1-nTLSB2 (2)
总的量化时间Tactual的表达式如下：
Tactual＝T1+T2+Te2＝mTLSB1+nTLSB2+Te2 (3)
两段式TDC总的量化误差为Te2，且Te2满足：
0≤|Te2|≤TLSB2 (4)
量化时间Tactual主要由mTLSB1构成，即粗量化决定其量程。当TDC参考时钟为CL Hz时，其粗量化的最小LSB为1/CL,假定计数器的位数为M，则粗计数的量程为
此时GM-APD单光子测距的距离量程为
分段TDC的最终分辨率LSB由LSB2决定，即LSB＝LSB2。
当激光器出射激光后同时发送Start信号至TDC，此时粗量化Coarse TDC开始计时，其测量精度为参考时钟信号周期，同时精量化Fine TDC模块也量化出Start信号与CLK信号的余量；当GM-APD接收到目标回波信号后，通过光电转换，将其转换为Stop信号输入至TDC当中，Coarse TDC停止计数，与此同时Fine TDC量化出Stop信号与CLK信号的余量，主机读取Coarse TDC和Fine TDC的数据，处理得到目标距离。
参见图5、图6，为了进一步提升系统的计时精度，提高资源利用率，采用时钟双沿计数方法，即将各时钟分别连接两个计数器Counter，分别为上升沿触发和下降沿触发，当TDC的原始输入时钟频率为f时，经过相差相移后的时钟相位分别为0,π/N，2π/N···(N-1)π/N，时钟间的相位差为π/N，此时，等效脉冲的高频时钟频率为
ClocK_Eq＝2Nf (7)
ClK为TDC的原始相位时钟，Clock_1到Clock_N为经过同频等相差相移后的计数时钟，从Clock_1到Clock_N每个时钟后分别连接两个Counter，Clock_Eq代表着本设计TDC的等效高频计数时钟。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种远距离单光子测距的精细化时间数字转换电路，包括复位电路和计数控制器，其特征在于：复位电路通过计数控制器实现电路重置；
还包括粗量化模块、精量化模块以及计数结果整合模块；
粗量化模块包括粗计数时钟和粗计数器，粗计数时钟的一个输出端连接粗计数器的输入端，粗计数器的输出端连接计数结果整合模块；
精量化模块包括精计数时钟和精计数器，粗计数时钟的另一个输出端连接精计数时钟的输入端，精计数时钟的输出端连接精计数器的输入端，精计数器的输出端连接计数结果整合模块；
计数控制器的输出端分别连接粗计数器、精计数器和计数结果整合模块的输入端。
2.根据权利要求1所述的远距离单光子测距的精细化时间数字转换电路TDC，其特征在于：各路精计数时钟均连接两个计数器，分别实现上升沿触发和下降沿触发。
3.一种基于权利要求1所述远距离单光子测距的精细化时间数字转换电路进行远距离单光子测距的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、启动远距离单光子测距系统，控制激光器出射激光，同时发送Start信号至数字转换电路TDC，此时计数控制器电路控制粗精两级模块开始计时，首先粗量化模块以参考时钟为信号源进行计时，接着精量化模块量化出Start信号与CLK信号的余量；
步骤二、当GM-APD接收到目标回波信号后，通过光电转换，产生Stop信号输入至数字转换电路TDC，粗量化模块停止计数，接着精量化模块量化出Stop信号与CLK信号的余量，主机读取粗量化模块、精量化模块和计数结果整合模块的数据，得到精密化的时间数据，进而得到光子飞行时间T；
步骤三、基于光子飞行时间T得到目标距离。
4.根据权利要求3所述远距离单光子测距的精细化时间数字转换电路进行远距离单光子测距的方法，其特征在于，步骤一中粗精两级模块计时均使用时钟等相差相移的等效脉冲计数法。
5.根据权利要求4所述远距离单光子测距的精细化时间数字转换电路进行远距离单光子测距的方法，其特征在于，步骤二中得到光子飞行时间Tactual所依据的公式为：
Tactual＝mTLSB1+nTLSB2+Te2
其中，TLSB1为粗计数时钟的周期，m为粗计数测量得到的计数值，TLSB2为精计数时钟的周期，n为精计数测量得到的计数值，Te2为精量化产生的误差。
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