一种自适应探测模式的光子计数线阵读出电路及方法与流程

本发明涉及一种自适应探测模式的光子计数线阵读出电路及方法，属于光子计数成像的技术领域。

背景技术：

光子计数成像技术利用具备单光子检测灵敏度的光电二极管，通过对目标场景的高精度采样和反演计算得到微弱光信号的二维分布情况，进而获取该目标场景的光子图像。光子计数检测以其高灵敏度、高信噪比和时间稳定性好等特点，在激光雷达、光谱测量和量子密钥分配等诸多领域有着广泛的应用。雪崩光电二极管(apd)固态单光子探测器是一种利用半导体载流子在强电场区相互碰撞电离效应激发雪崩大电流的固体器件。当apd两端的反向偏压高于其固有的雪崩击穿电压时，即器件工作于盖革模式(gm)下，此时apd具有极高的检测灵敏度、单光子信号即可触发雪崩电流，即具备单光子探测能力。gm-apd单光子探测器具备全固态结构和量子效率高的优点，并且在高增益工作条件下具备良好的信噪比，单光子新型探测器件和相应的读出电路(roic)系统等正成为国内外光电子学家重点关注的研究领域之一。

传统的光子技术检测系统为在曝光控制信号有效区域内对外部光子进行检测的门控采样模式，在曝光控制信号无效区域内即使有光子到来也屏蔽光子感应，停止检测计数。但由于其固有的光子漏检和误检特性约束，很难从根本上解决探测率低下的问题。此外，固定工作频率的门控探测模式还存在与光子分布难以匹配的问题，外部配置或动态自适应配置曝光控制信号频率都只能一定程度上缓解问题，不能从根本上解决探测率随机变化过大的问题。在光子计数成像检测中，光子的到达时刻随机，主动式门控采样模式与随机到达的光子严重失配，必然导致探测率大幅降低，导致检测失真，无法用于成像检测应用。

因此，光强在宽动态范围变化时，若死区时间无法相应自动调节会造成系统的检测精度下降，会影响成像质量。并且随着apd阵列规模、探测率和检测灵敏度等指标的不断提高，apd线阵的非均匀性、寄生效应和噪声干扰等非理想因素对电路的负面影响越发严重，与之相配合的roic读出电路的设计复杂度和成本也急剧增加。

因此，一种基于自适应探测模式的光子计数线阵读出电路的设计对于阵列spad实际应用至关重要。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种自适应探测模式的光子计数线阵读出电路及方法，解决现有的光子计数电路中死区时间无法自动调节会造成系统的检测精度下降影响成像质量的问题，采用死区时间自动调节电路技术可以减少光强宽动态范围分布引发特定条件下的漏计数与误计数。

本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种自适应探测模式的光子计数线阵读出电路，包括同步模块及由若干像素单元组成的像素阵列，所述每个像素单元包括apd探测器、接口电路、计数器、存储器以及死区时间可调电路；所述apd探测器，用于根据时序检测宽动态变化光子的雪崩电流；所述接口电路，用于将雪崩电流进行i-v转换，产生标准脉冲电压计数信号；所述计数器，用于在当前曝光时间内对感应的标准脉冲电压计数信号进行计数获得像素的计数值；所述存储器，用于存储当前曝光时间内计数器对每个像素的计数值，并在下一个曝光时间内将每个像素的计数值传输；所述死区时间可调电路，用于根据接收的标准脉冲电压计数信号状态经延迟时间后产生使得接口电路复位的复位信号，且将所接收的当前曝光时间内像素的计数值确定为当前帧的计数值，根据判别的当前帧的计数值大小产生控制信号以调节下一帧的延迟时间大小。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述死区时间可调电路包括延迟时间调节模块和判断器。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述延迟时间调节模块至少包括d触发器、由d触发器组成的异步计数器及单稳态电路。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述死区时间可调电路调节的最大延迟时间取决于计数器的位数。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述像素阵列包括y个像素单元组成的1×y线阵。

一种自适应探测模式的光子计数线阵读出方法，包括步骤：

检测宽动态变化光子所触发的雪崩电流并进行i-v转换，产生标准脉冲电压计数信号；

根据当前曝光时间对感应的标准脉冲电压计数信号进行计数获得像素的计数值，并存储当前曝光时间内对每个像素的计数值，及在下一个曝光时间内将每个像素的计数值传输；

根据接收的标准脉冲电压计数信号状态经延迟时间后产生使得接口电路复位的当前曝光时间的复位信号，且将接收的当前曝光时间内像素的计数值确定为当前帧的计数值，根据判别的当前帧计数值的大小产生控制信号以调节下一帧的延迟时间大小。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述方法还包括对检测宽动态变化光子的雪崩电流进行淬灭。

本发明采用上述技术方案，能产生如下技术效果：

本发明提供的一种自适应探测模式的光子计数线阵读出电路及方法，可以根据光强的强弱自动调节死区时间的大小，以达到最佳探测率。可以判断光强强弱来自动调节死区时间大小，从而提高检测效率，通过与传感器的配合，可合理应用于大阵列读出电路系统中，进而实现成像应用。

附图说明

图1为本发明自适应探测模式的光子计数线阵读出电路的电路图。

图2为本发明所采用死区时间可调电路的电路图。

图3为本发明单个像素架构的电路图。

图4为本发明所采用电容感应淬灭电路的电路图。

图5为本发明所采用计数器和存储器的电路图。

图6为本发明自适应探测模式的光子计数线阵读出电路的时序图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的实施方式进行描述。

本发明基于apd探测器传感技术以及线阵扫描成像技术，实现完整的单光子探测应用，一方面需要克服光强强弱宽动态范围分布引发特定条件下的漏计数或误计数，另一方面需要针对弱光检测较大的曝光时间，设计合理的采样控制模式及其系统架构，并考虑数据输出和后续处理器的匹配方式，发明了一种自适应探测模式的光子计数线阵读出电路。通过深入了解apd工作在盖革模式下离散采样的基本性质和引发计数精度下降的内在物理根源，采用死区时间可自动调节电路技术有针对性的应对相关问题，死区调节电路可根据光强不同自动调节apd探测死区时间大小，并且可以选择死区时间调节范围，针对系统所需复位信号和时钟信号，设计同步模块为电路系统提供相应时钟产生电路和分频器，可以根据需要灵活选择合适的时钟信号。

如图1所示，本发明设计了一种自适应探测模式的光子计数线阵读出电路，包括同步模块及由若干像素单元组成的像素阵列。所述同步模块用于产生数据读出时的帧(frame)、字(word)、位(bit)信号，以方便示波器读数；同时为像素提供同步的曝光控制信号en和复位信号rec信号，提高系统工作的可靠性；对输入时钟信号lck进行分频产生时钟信号clk_out，该时钟的长度决定死区时间可调电路的最小分辨率；产生全局锁存信号end信号上升沿用于锁存计数值，下降沿用于锁存死区时间可调电路控制信号。所述像素阵列用于对传感器检测到的光信号进行计数、存储和数据输出等处理；可以根据光强的强弱自动调节死区时间大小，来达到最佳的探测精度。其中，所述曝光控制信号en的一帧由高低电平两个部分构成，其中高电平时间要远大于低电平时间，高电平时间是用来检测光子的到来，以此来进行计数，而下述的曝光时间就是一帧的高电平，低电平和曝光时间即为一帧。

具体地，所述像素阵列共包含y个像素单元组成的1×y线阵，每个像素单元的电路结构均相同。所述每个像素单元的结构如图3所示，具体包括apd探测器、接口电路、计数器、存储器以及死区时间可调电路；所述apd探测器，用于根据时序检测宽动态变化光子所触发的雪崩电流；所述接口电路，用于将雪崩电流进行i-v转换，产生标准脉冲电压计数信号；所述计数器，用于在当前曝光时间对感应的标准脉冲电压计数信号进行计数获得像素的计数值；所述存储器，用于存储当前曝光时间内计数器对每个像素的计数值，并在下一个曝光时间内将每个像素的计数值传输；所述死区时间可调电路，进一步包括延迟时间调节模块和判断器，其中延迟时间调节模块用于根据接收当前曝光时间内的标准脉冲电压计数信号状态经延迟时间后产生使得接口电路复位的复位信号，判断器则将接收的当前曝光时间内像素的计数值确定为当前帧的计数值，根据判别的当前帧计数值的大小产生控制信号以调节下一帧的延迟时间大小。

其中，死区时间可调电路包括延迟时间调节模块和判断器，其具体电路如图2所示，包括两个含有n个d触发器的d触发器组和至少一个异或门与反向器，异或门与反向器的数量由n所决定，还包括一个n输入与门a3和二输入与门a4、两个通过一个缓冲器级联的d触发器、一个单稳态电路。判断器中的d触发器组的输入端与反向器的输出端相连接；两个d触发器组中的d触发器的正向输出端分别与异或门的各输入端相连接，延迟时间调节模块中的d触发器的反向输出端与输入端相连接，各异或门的输出端分别与n输入与非门的输入端相连接，n输入与门a3的输出端与两个通过缓冲器级联的d触发器的输入端相连接，两个通过缓冲器级联的d触发器的输出端与单稳态电路的输入端相连接，单稳态电路的输出端作为死区时间可调电路的输出端。

所述接口电路的电路结构如图4所示，包括第一pmos管m1、第二pmos管m2、第三nmos管m3、第一反相器i3、第二反向器i4和与二输入或门r1；第一pmos管m1的栅极接外部输入的曝光控制信号en，源级接电源vdd，漏级接spad阳极；第二pmos管的栅极接或门的输出端，源级接电源vdd，漏级接i3的输入端；第三nmos管的栅极接复位信号rec，源级接地gnd，漏级接m1的漏级；第一反向器i3的输入端接m3的漏级，输出端接i3的输入端，反向器彼此级联连接，第二反向器i4的输入端与r1的一个输入端相连，输出端作为整个接口电路部分的输出端arrive；二输入或门r1的输入端分别与i3的输出端、复位信号rec连接；所述spad为单光子雪崩二极管。所述接口电路负责将apd产生的雪崩电流进行i-v转换，产生能被后续电路处理的标准脉冲电压计数信号，并进行淬灭及复位等操作。为第一pmos管m1门控管，实现曝光控制功能。第二pmos管m2为主动淬灭管，加速电路的淬灭进程。第三noms管m3为复位管，复位电路至待测状态。检测比较器采用反相器实现，最终增加一级输出反相器i4一方面将信号整形并提高输出的驱动能力，另一方面将信号反向，得到与in点极性相同的上升沿信号，供后续的d触发器使用。二输入或门r1用于避免淬灭管和复位管同时导通产生竞争现象。

上述延迟时间调节模块，至少包括d触发器、由d触发器组成的异步计数器及单稳态电路，在接收到接口电路输出端的标准脉冲电压计数信号arrive信号上升沿，并经过一定的延迟时间后产生复位信号使接口电路重新进入待测状态。其中n个d触发器构成一个n-bit的异步计数器,异步计数器以外的d触发器用来产生两个clk周期延迟和消除组合电路易于产生的毛刺；异步计数器以外的d触发器一方面用来产生两个clk周期延迟，另一方面用来消除组合电路易于产生的毛刺；另外采用了n个2选1选择器来选择控制信号是由外部输入，根据实际测试情况外部输入的信号，还是内部产生的，由内部判断器产生的输入信号。

如图2所示的死区时间可调电路的工作原理是：

当曝光控制信号en为低电平时，整个电路不工作，即接口电路输出端的标准脉冲电压计数信号arrive为高，时钟输入clk和en进行与运算后输出clk始终为0，此时所有dff均不工作，也无需实现延迟时间调节。

当曝光控制信号en为高电平时，时钟信号clk直接驱动第一级d触发器的时钟输入端ck，若没有光子到来时，接口电路输出端的标准脉冲电压计数信号arrive为低，此时所有d触发器一直处于复位状态；若有光子到来时，arrive信号由低变为高，此时n-bit计数器在时钟clk的驱动下从最小值0往最大值n个1计数，n个d触发器的输出端q都连接到同或门的输入，同或门的另一个输入端连接到外部输入控制端。当输入控制信号等于计数器的输出时，所有同或门输出变为高电平，四输入与门的输出a变为高电平，经过两个周期延迟后触发单稳态电路产生一定时间的高电平脉冲信号rec_self，该脉冲信号用于复位接口电路，进而标准脉冲电压计数信号arrive信号变为低电平，使所有dff一直处于复位状态，等待下一次的标准脉冲电压计数信号arrive信号到来，即下一帧的光子到来。因此，所述死区时间可调电路用于产生2ⁿ个延迟时间，n路计数器输出接入死区时间可调电路的n个数据输入端；通过设置外部输入控制信号，可以改变n-bit计数器所能达到的计数值和调节延迟时间，最小调节步长的分辨率取决于输入时钟clk的周期，最大延迟时间取决于计数器的位数。

所述判断器用于判别当前帧计数值的大小并产生相应的控制信号来自动调节下一帧延迟时间的大小，以实现自适应探测。考虑到计数器的位数为n-bit，因此计数范围为0~2ⁿ，且延迟时间调节模块有n个输入控制信号，所以可以将计数范围分为2ⁿ个区间，每个计数区间和延迟时间长度分别一一对应。即所述死区时间可调电路调节的最大延迟时间决于计数器的位数，当然若要提高精度，可以将区间范围缩小，提高调节的精度，但需要消耗更多的面积。

本案在实际应用于多像素时，可以根据计数值高位值来决定输出控制信号，其它不需要采样的低位不会影响输出控制信号，因此将计数器高n位进行取反可得输出控制信号。在en低电平期间，利用end的下降沿(这里的d触发为下降沿触发)将所选择的高位值的取反值传输到死区时间可调电路的n个数据输入端，此后在en高电平期间，数据输入端一直保持不变，因此可以保证作为控制信号的数据输入端在en高电平一帧期间保持不变。通过判断光强强弱来自动调节延迟时间大小，从而提高检测效率。

以及，m-bit计数器和m-bit存储器均采用d触发器组成，其电路结构如图5所示。所述计数器包括一个d触发器（dff）组和一个二输入与门a2，d触发器组包括m个d触发器，各触发器的反向输出端接各触发器自身的输入端,d触发器的正向端进行数据信号输出，d触发器组的时钟驱动端ck连接a2输出端，d触发器的复位端rn连接内部复位信号reset_n；二输入与门a2的输入端分别与接口电路的输出端arrive和曝光控制信号en相连。所述括存储器，其中存储器包括m个d触发器和m+1个二选一开关，一个d触发器与一个二选一开关w1构成一组锁存器，m个d触发器与m个二选一开关构m组锁存器，单独的一个二选一开关w1作为控制端；二选一开关w1的输入端分别与lck、end连接。输出端与d触发器组的时钟驱动端ck相连；每组锁存器中的正向输出端连接下一组锁存器中d触发器的二选一开关的一端，二选一开关的另一输入端与计数器的正向端连接，每组二选一开关的输出端与d触发器的输入端相连接。

所述计数器在数字系统中主要是对脉冲的个数进行计数，以实现测量、计数和控制的功能。计数器是由基本的计数单元和一些控制逻辑门所组成，计数单元则有一系列具有存储信息功能的各类触发器构成，这些触发器有rs触发器、t触发器、d触发器及jk触发器等。由于在本次电路设计中，计数器工作频率较小，结构规则且精简的异步计数器在功耗和面积方面比同步计数器更具有优势，本次设计异步计数器首选结构，两者寄存器的基本单元都采用d触发器组成。m-bit计数器的输出与m-bit存储器的输入端一一连接，并且采用共同的en信号，注意两者的复位信号分开连接的。

如图5所示的m-bit计数器和m-bit存储器电路原理为：在曝光控制信号en信号为高电平时，计数器对arrive信号的上升沿个数进行计数；在曝光控制信号en信号为低电平时，首先曝光控制信号en信号的到来锁存计数器各输出端q0~qm-1至存储器,随后reset_n信号将计数器的各d触发器进行复位清零；在下一个en信号高电平时，计数器重新开始对标准脉冲电压计数信号arrive信号计数，而存储器模块在数据控制传输时钟lck的作用下将存储在各dff输出端q的值串行传递至dataout端口，实现对前一个en区间内计数值的输出。

因此，死区时间可调电路中延迟时间模块在接收到标准脉冲电压计数信号arrive信号上升沿，并经过一定的延迟时间后产生复位信号rec_self使接口电路重新进入待测状态，判断器判别当前帧计数值的大小并产生相应的控制信号来自动调节下一帧hold-off延迟时间的大小，以实现自适应探测。像素单元在当前曝光控制信号en的高电平期间进对光子进行计数，en低电平期间判断器会判别计数值的大小，并据此产生相应的控制信号给延迟时间调节模块；在下一个en高电平期间，延迟时间调节模块根据该控制信号产生相应的延迟时间，因此可以实现自动调节延迟大小的功能。

图6是本发明的自适应探测模式的光子计数线阵读出电路的时序图。整个系统工作时序可分为六个阶段，系统的工作时序为：

1)、系统刚上电时，全局信号s_start复位整个系统，设置所有dff触发器的初态均为0。

2)、在曝光控制信号en有效区间内即为高电平时，由曝光控制信号en信号上升沿触发产生的rec信号(20ns)复位apd至待测状态。

3)、当光子到来时且apd探测器处于待测状态，则apd探测器迅速发生雪崩，使其阳极电压迅速高于雪崩电压的临界值，aqc电路检测到该雪崩状态，迅速对其进行淬灭操作，并产生标准脉冲电压计数信号arrive信号脉冲；该arrive信号的上升沿触发计数器进行计数+1。

4)、死区时间可调电路接收到标准脉冲电压计数信号arrive信号上升沿的并经过一段延迟时间后，该延迟时间为可调节的，产生rec_self复位信号，进而重新复位apd至待检测状态，并将arrive信号下拉至低电平，延迟时间的大小取决于光子数目，当光子少的时候，需要较大的延迟来减少apd长期处于待测状态，当光子多的时候，就会自动减小延迟来避免漏计数；此后重复光子检测的两个过程，直至门控曝光周期结束。

5)、在曝光控制信号en为低电平区间时，其远远小于曝光时间，全局锁存信号end上升沿将曝光时间内的计数值传输到存储器中进行保存，其下降沿用于锁存hold-offtime的控制信号，该控制信号用于调节延迟时间的大小；

6)、在下一次曝光控制信号en有效时，在输入时钟信号lck的驱动下，将上一帧曝光时间内存储器的值逐像素逐位进行传输，以供外部进行处理。

本文采用自适应采样模式，无需外部采样时钟信号，由光子分布决定采样的控制时序。系统启动时，全局控制信号s_start复位整个系统。随后曝光控制信号en有效，当apd处于待测状态且有光子photon到来时，接口电路检测到该雪崩状态，迅速对其进行淬灭，并产生标准arrive逻辑脉冲信号，该arrive信号一方面作为计数器的时钟触发信号，触发计数器的值加“1”，另一方面触发死区时间可调电路延迟一段时间后产生rec_self重新复位apd至待测状态，以准备探测下一次光子的到来，延迟时间的大小取决于光子数目的多少，当光子少的时候，延迟时间增大来减少apd长期处于待测状态，当光子多的时候，就自动减小延迟时间来避免漏计数。当曝光控制信号en无效时，在全局锁存end信号控制下将计数器的值传递到存储器中进行保存，并锁存死区时间可调电路的控制信号，该控制信号用于调节延迟时间的大小。在下一帧曝光有效时，复位计数器的值，在输入时钟信号lck的驱动下，将上一帧曝光时间内存储器的值从dataout逐像素逐位串行输出至外部进行处理。bit为位信号，每输出一位信号输出一个高电平脉冲，word为字信号，每进行完一次信号输出一个高电平脉冲，表示传输完一个像素的计数值。

在上述自适应探测模式的光子计数线阵读出电路基础上，本发明还提出一种自适应探测模式的光子计数线阵读出方法，该方法包括步骤：

检测宽动态变化光子所触发的雪崩电流并进行i-v转换，产生标准脉冲电压计数信号；

根据当前曝光时间对感应的标准脉冲电压计数信号进行计数，并存储当前曝光时间内对每个像素的计数值，及在下一个曝光时间内将每个像素的计数值传输；

根据接收的标准脉冲电压计数信号状态经延迟时间后产生使得接口电路复位的当前曝光时间的复位信号，且将接收的当前曝光时间内像素的计数值确定为当前帧的计数值，根据判别的当前帧计数值的大小产生控制信号以调节下一帧的延迟时间大小。

优选地，所述方法还包括对检测宽动态变化光子的雪崩电流进行淬灭。

本发明给出该方法的验证例，包括以下步骤：

步骤1.当曝光控制信号en信号为低电平时，接口电路输出端的标准脉冲电压计数信号arrive为高，时钟输入clk和en进行与运算后输出始终为0，此时所有d触发器均不工作，也无需实现延迟时间调节。

步骤2.当曝光控制信号en信号为高电平时，时钟信号clk直接驱动第一级d触发器的时钟输入端ck，若没有光子到来时，接口电路输出端的标准脉冲电压计数信号arrive为低，此时所有dff一直处于复位状态。

步骤3.有光子到来时，标准脉冲电压计数信号arrive信号由低变为高，此时m比特（bit）计数器在时钟clk的驱动下从最小值往最大值计数，计数器中的d触发器输出n个高位的输出端q都连接到同或门的输入，同或门的另一个输入端连接到外部输入控制端。

步骤4.当输入控制信号cn-1~c0等于计数器的输出时，所有同或门输出变为高电平，四输入与门的输出变为高电平，经过两个周期延迟后触发单稳态电路产生一定时间的高电平脉冲信号rec_self，该脉冲信号用于复位接口电路，进而arrive信号变为低电平，使所有dff一直处于复位状态，等待下一次arrive信号到来(光子到来)。因此，通过设置外部输入控制信号cn-1~c0，可以改变n-bit计数器所能达到的计数值和调节延迟时间，最小调节步长(分辨率)取决于输入时钟clk的周期，最大延迟时间取决于计数器的位数。

综上，本发明可以根据光强的强弱自动调节死区时间的大小，以达到最佳探测率。可以判断光强强弱来自动调节死区时间大小，从而提高检测效率，通过与传感器的配合，可合理应用于大阵列读出电路系统中，进而实现成像应用。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。