一种读出电路制造技术

本发明专利技术提供了一种读出电路，其特征在于，所述读出电路用于将工作在线性模式的雪崩二极管输出的电流信号按照一定的帧频读取出来，为后续的计时电路提供停止判据，以此获取脉冲的飞行时间以及回波光强度，完成激光探测的功能。本发明专利技术的读出电路，通过APD接收到的信号得到计时器停止的时刻，尽可能地降低时刻鉴别误差，从而计算出更准确的飞行时间TOF，得到更精确的距离信息。

【技术实现步骤摘要】
一种读出电路
本专利技术涉及激光三维成像中的信号处理领域，尤其涉及一种读出电路。
技术介绍
激光三维成像是激光雷达的典型应用。一般意义上，距离像(角度-角度-距离)称为三维图像。光学三维获取技术有很多种，使用较多的是脉冲飞行时间法。通过对目标表面轮廊的像素划分进行采样，分别获取各像素的角度-角度-距离信息对其空间位置进行确定，所有测量像素点组合在一起构成的点云便可以对目标外形轮廊进行描述。脉冲飞行时间法(TOF,timeofflight)是通过测量单个光脉冲飞行时间来获取像素点的距离。光脉冲发送后在目标表面发生反射，再通过光电探测器对回波光信号进行探测。设脉冲从系统到目标再到系统往返的飞行时间为t，传输介质中的光速为c，可以得到目标距离s为通过获取待测目标不同位置处对应的飞行时间，即可重构出待测目标的三维形貌。门控信号控制激光器发射脉冲的同时，计时器开始计时，APD接收到光信号后经过电路处理，使计时器停止计时，从而得到光学脉冲的飞行时间。若获得回波信号的光强度信息，便能通过被吸收光信号来分析目标的材料特性，这样角度-角度-距离-强度便可成为四维成像。APD焦平面阵列光电探测器，是激光雷达的核心器件，通常由APD阵列和相应的读出电路构成。读出电路需要具有高速、高信噪比、高带宽的特点，通过处理APD输出的电流信号，得到计时停止的时刻，得到光脉冲飞行时间TOF和经过目标反射的光脉冲的强度。目前在计算计时器停止判据方面的报道有以下两种方案。恒阈值鉴别法又称前沿时刻鉴别法，对于发射脉冲和回波脉冲而言，都选取同一个脉冲幅度值(或者同以脉冲前沿幅度)作为时刻鉴别阈值，当脉冲上升沿达到该阈值即启动计时开始或停止，获取飞行时间。该方法由于受到目标散射特性和大气传输等因素的影响，接收到的激光脉冲和发射的激光脉冲在形状和幅度上会有很大的不同，给计时停止时刻的确定增加了困难，引入漂移误差。此外，输入噪声也会引起时间抖动，给测量造成误差。该方案的计时开始和停止是通过C3D的充电完成来实现，即采取恒阈值鉴别方法。而该方法的时间测量精度很低。恒比鉴别方法，对于发射脉冲与回波脉冲，以各自峰值脉冲幅度的同一特定百分比幅度对应的时刻作为计时开始或停止时刻，获取飞行时间。例如触发比取为50％，即以脉冲上升到半高点的时刻作为时间的起止时刻。恒比定时鉴别法有效消除了由于脉冲幅度变化所引起的误差，但无法抑制噪声和波形畸变等因素带来的影响。
技术实现思路
基于上述问题，本专利技术提供一种读出电路，能够将APD输出的电流信号转换为比较器易识别的电压信号。为解决上述问题，本专利技术提供了一种读出电路，其特征在于，所述读出电路用于将工作在线性模式的雪崩二极管输出的电流信号按照一定的帧频读取出来，为后续的计时电路提供停止判据，以此获取脉冲的飞行时间以及回波光强度，完成激光探测的功能。本专利技术的读出电路，通过APD接收到的信号得到计时器停止的时刻，尽可能地降低时刻鉴别误差，从而计算出更准确的飞行时间TOF，得到更精确的距离信息。附图说明图1示出了本专利技术的读出电路结构示意图；图2示出了本专利技术的读出电路工作时序图；图3示出了本专利技术的单个像素的读出电路示意图。具体实施方式下面结合附图和实施例，对本专利技术的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本专利技术，但不用来限制本专利技术的范围。本方案的读出电路总体框架为线性APD焦平面读出电路的功能是将焦平面探测器中每个像素的APD测得的回波脉冲飞行时间和强度信息进行读取，完成“四维”成像。APD阵列中的每个像素都对应一个读出电路，该读出电路包括I/V转换、积分器、滤波器和计时器，将在下一小节详细介绍。每个像素输出的飞行时间和光强度信息通过串联链路依次读出，在数据读出中，复用缓冲寄存器，使用daisychain结构，读出电路串联，在不进行计时时将计时结果串行输出，如图1所示。图2展示了线性APD焦平面读出电路工作的时序图，门控信号开始时，激光器发出脉冲的同时计时器开始计时，APD接收到回波信号后，经过读出电路的处理得到每个像素的脉冲飞行时间TOF和光强度信息。这些数据以很快的速度传输至存储器，然后开始下一周期。因此，门控信号的长短决定了系统的测量范围。阵列较大时，若串行传输耗时较长，可以设计多条daisychain，例如四条链路，每条链路上串联16个读出电路，就可以实现64的阵列计时输出。图2为单个像素的读出电路，该电路的主要功能是将工作在线性模式的雪崩二极管输出的电流信号按照一定的帧频读取出来，为后续的计时电路提供停止判据，以此获取脉冲的飞行时间以及回波光强度，完成激光探测的功能。总体方案框图如图3所示。要实现上述功能，首先将雪崩二极管输出的电流脉冲信号转变为比较器易识别的电压脉冲信号(I/V转换)，I/V转换使用电阻反馈跨阻放大电路(RTIA,ResistiveTrans-impedanceAmplifier)，它不需要积分，因此具有更快的响应速度，它的传递函数可表示为：Vout＝-iapdR+Vref其中，Vout是输出电压，iapd是APD输出电流，R是电阻反馈跨阻放大电路的跨阻，Vref是电阻反馈跨阻放大电路的正向端输入电压。APD输出的为图3中所示的电流脉冲信号，经过I/V转换形成相同形状的电压脉冲，进入缓冲器(buffer)。缓冲器的作用是匹配输出阻抗，增大驱动能力。电压脉冲经过缓冲器后分成两路，第一路为积分电路，对缓冲器输出的电压脉冲信号进行积分，得到的直流信息表示雪崩二极管接收到的光强度信息，该信息表征目标表面的反射特性，进而可分析目标的材料属性。第二路为时刻鉴别电路，使用的峰值检测法，为后续的计时电路提供停止判据，包括滤波器和过零比较器。电压脉冲信号经过滤波后去除直流成分，成为围绕零电平上下对称的交流信号，如图2中所示。该信号的过零点触发过零比较器输出信号翻转，使计时器停止计时，此时计时器的输出变为激光脉冲飞行时间，进而获知目标的距离。该种方法使用的是滤波后的过零点作为计时停止的判据，该过零点即为回波信号的峰值。脉冲信号在经过目标反射后到APD焦平面接收，会有衰减和噪声混叠，而且目标材质不同会造成反射后回波光强度的不同，因此采用恒阈值鉴别法或者恒比鉴别法会有误差，需要补偿电路加以修正。而信号在经过放大、衰减或者噪声混叠后，峰值的位置保持不变，因此这种方法是非常精确的。该电路的另一个优势在于能够同时得到飞行时间和回波光脉冲的强度，进而得到待测目标的三维图像，以及包含强度信息的四维信息。两个电路通道共用一套I/V转换电路和缓冲器，因此信号不会在前端因为分流而损失，积分电路得到的光强度非常准确。同时，另一路信号通过滤波后产生过零点，是信号的峰值作为计时停止的判据，这种时刻鉴别方法不是基于恒阈值鉴别法，也不是基于恒比鉴别法，而是通过测量发射脉冲和回波脉冲的峰值位置之间的时间差作为飞行时间。这样对飞行时间的判断也是更为准确的，获得更高的距离测量精度。计时电路使用伪随机计数器，采用九次本原多项式进行计数器设计，9位(bit)寄存器对时间进行粗测。采用延迟线型时间数字转换器进行细测量，3位(bit)相位测量，实现了更高的时间精度。由9级振荡器产生时钟，其中一级NAND门电路，通过start信号控制，产生时间计算的时钟。时本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种读出电路，其特征在于，其特征在于，所述读出电路用于将工作在线性模式的雪崩二极管输出的电流信号按照一定的帧频读取出来，为后续的计时电路提供停止判据，以此获取脉冲的飞行时间以及回波光强度，完成激光探测的功能。

【技术特征摘要】
1.一种读出电路，其特征在于，其特征在于，所述读出电路用于将工作在线性模式的雪崩二极管输出的电流信号按照一定的帧频读取出来，为后续的计时电路提供停止判据，以此获取脉冲的飞行时间以及回波光强度，完成激光探测的功能。2.如权利要求1所述的读出电路，其特征在于，所述读出电路包括I/V转换、积分器、滤波器和计时器。3.如权利要求2所述的读...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘大川，刘杰，胡小燕，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司信息科学研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11