一种激光脉冲检测与测量输入级电路的制作方法

本发明涉及激光测距、激光成像领域，特别是一种激光脉冲检测与测量输入级电路。

背景技术：

随着技术的更新与发展，红外成像已渗透到各个领域，应用范围极为广泛。根据有无光源，红外成像系统可分为主动成像系统和被动成像系统。被动成像系统本身不带光源，只是通过接受目标的红外辐射来完成识别目标任务，其缺点是容易受到环境光源的影响。而主动成像系统通常采用一个人造光学辐射源来主动发射红外辐射能量，激光由于具有亮度高、单色性和方向性好三个方面的优点已成为理想的测距光源。主动成像系统可以不受天气条件、背景照度等影响实现高分辨率成像，利用激光主动成像去探测远处或暗处的目标已经被广泛地应用到国防安全、环境探测等相关领域中。

主动成像系统中的接收器要求较高，决定着整个模拟前端电路处理回波信号的质量、信噪比、动态范围、带宽等性能。接收器通常采用跨阻放大器来实现激光脉冲电流的检测，放大器往往需要很大的跨阻增益才能提高探测电流的灵敏度，但较高的增益会影响电路响应纳秒级电流脉宽的速度。在光子飞行时间测量中，宽量程和高精度是一对矛盾的性能，双帧检测技术能够克服这一矛盾，但增加了应用的复杂度。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种激光脉冲检测与测量输入级电路，本发明可以实现光子到达时刻检测和光子飞行时间测量功能。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

根据本发明提出的一种激光脉冲检测与测量输入级电路，包括微分电路、比较器、sr锁存器和tof测量电路，tof测量电路包括第一开关、第二开关、第一采样电容、第二采样电容和双采样tac电路，其中，

微分电路的输出端与比较器的正相端连接，比较器的输出端与sr锁存器的s端连接，双采样tac电路的第一输出端与第一开关的一端连接，双采样tac电路的第二输出端与第二开关的一端连接，第一开关的另一端与第一采样电容的一端连接，第一采样电容的另一端接地，第二开关的另一端与第二采样电容的一端连接，第二采样电容的另一端接地；sr锁存器的q端与第一开关的控制端、第二开关的控制端分别连接。

作为本发明所述的一种激光脉冲检测与测量输入级电路进一步优化方案，双采样tac电路包括三角波产生电路和阶梯波产生电路，三角波产生电路包括电流源、第一至第七nmos管、第一至第五pmos管、第一电容、第三开关、第四开关、第一运算放大器、第一比较器、第二比较器、第一缓冲器、rs触发器,其中，

电流源的一端与第一nmos管的漏极、第一nmos管的栅极、第四nmos管的栅极、第六nmos管的栅极分别连接，第一nmos管的源极与第二nmos管的漏极、第二nmos管的栅极、第三nmos管的栅极、第五nmos管的栅极分别连接，第二nmos管的源极与第三nmos管的源极、第五nmos管的源极、地分别连接，第四nmos管的源极与第三nmos管的漏极连接，第六nmos管的源极与第五nmos管的漏极连接；

第四nmos管的漏极与第五pmos管的漏极、第五pmos管的栅极、第二pmos管的栅极分别连接，第五pmos管的源极与第四pmos管的漏极、第四pmos管的栅极、第三pmos管的栅极分别连接，第四pmos管的源极与第三pmos管的源极、电流源的另一端、电源分别连接，第三pmos管的漏极与第二pmos管的源极连接，第二pmos管的漏极与第一pmos管的源极连接，第七nmos管的栅极与第一pmos管的栅极、rs触发器的q端分别连接，第七nmos管的漏极与第一pmos管的漏极、第三开关的一端分别连接，第三开关的另一端与第一运算放大器的反相端、第一电容的一端、第四开关的一端分别连接，第一电容的另一端与第四开关的另一端、第一运算放大器的输出端、第一缓冲器的输入端、第一比较器的反相端、第二比较器的正相端分别连接，第一比较器的输出端与rs触发器的r端连接，第二比较器的输出端与rs触发器的s端连接，rs触发器的端与阶梯波产生电路连接。

作为本发明所述的一种激光脉冲检测与测量输入级电路进一步优化方案，阶梯波产生电路包括第一至第四d触发器、第一反相器、第二反相器、第一至第四电流源、第五至第九开关、第八nmos管、第九nmos管、第二运算放大器、第一电阻和第二缓冲器；其中，

第一d触发器的d端接电源，第一d触发器的时钟信号端与rs触发器的、第一反相器的输入端、第三d触发器的时钟信号端、第一反相器的输入端分别连接，第一反相器的输出端与第二d触发器的时钟信号端、第四d触发器的时钟信号端分别连接，第一d触发器的复位端与第二d触发器的复位端、第三d触发器的复位端、第四d触发器的复位端分别连接，第一d触发器的输出端与第五开关的控制端、第二d触发器的d端分别连接，第二d触发器的输出端与第六开关的控制端、第三d触发器的d端分别连接，第三d触发器的输出端与第七开关的控制端、第四d触发器的d端分别连接，第四d触发器的输出端与第八开关的控制端连接，第五开关的一端与第六开关的一端、第七开关的一端、第八开关的一端、第八nmos管的源极、第九nmos管的源极分别连接，第五开关的另一端与第一电流源的一端连接，第一电流源的另一端接地，第六开关的另一端与第二电流源的一端连接，第二电流源的另一端接地，第七开关的另一端与第三电流源的一端连接，第三电流源的另一端接地，第八开关的另一端与第四电流源的一端连接，第四电流源的另一端接地，第二反相器的输入端与第九nmos管的栅极连接，第二反相器的输出端与第八nmos管的栅极连接，第八nmos管的漏极与第二运算放大器的正相端连接，第九nmos管的漏极与第二运算放大器的反相端、第一电阻的一端、第九开关的一端分别连接，第九开关的另一端与第一电阻的另一端、第二运算放大器的输出端、第二缓冲器的输入端分别连接。

作为本发明所述的一种激光脉冲检测与测量输入级电路进一步优化方案，微分电路包括第二电容、第三电容、第二电阻、第三电阻、运算放大器和等效输入电容，其中，

第二电阻的一端接地，第二电阻的另一端与等效输入电容的一端、第二电容的一端分别连接，等效输入电容的另一端接地，第二电容的另一端与第三电容的一端、第三电阻的一端、运算放大器的反相端分别连接，第三电容的另一端与第三电阻的另一端、运算放大器的输出端分别连接。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

(1)本发明可以实现光子到达时刻检测和光子飞行时间测量功能；

(2)本发明采用微分电路代替传统的放大器，提高了电流检测的灵敏度，降低了电路的噪声；

(3)同时设计了一种双采样tac电路，单帧能实现宽时间测量范围和高的时间测量精度。

附图说明

图1是本发明实施例提出的激光主动成像系统框图。

图2是本发明实施例提出输入级电路原理示意图。

图3a是本发明实施例提出的双采样tac的三角波产生电路。

图3b是阶梯波产生电路。

图3c是时序逻辑图。

图4是本发明实施例提出的输入级电路时序逻辑图。

图5是本发明实施例提出的微分电路原理图。

图6a是本发明实施例提出的飞行时间检测原理图。

图6b是时序逻辑图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例对本发明进行详细描述。

1、系统框图

图1是本发明提出的激光主动成像系统框图，其基本的工作原理为：测量脉冲激光在目标物和脉冲信号接收器之间的往返传输时间差，由测得的光子飞行时间可计算出距离。该系统主要由控制系统、脉冲激光发射器、脉冲信号接收器、时间间隔测量模块组成，控制系统产生开始信号(tstart)控制脉冲激光发射器产生一窄脉冲信号,经过光学元件后照射目标，窄脉冲激光信号经过大气传输、目标反射，再传输回来经过光学元件被脉冲信号接收器进行处理，获取回波信号到达脉冲激光接收通道的时刻信息(tstop),然后由时间间隔测量模块测量出脉冲激光飞行时间间隔δt。

2、电路原理

图2是本发明提出输入级电路原理示意图。激光脉冲检测电路包括微分电路、迟滞比较器和sr锁存器，用于检测异步短激光脉冲。激光脉冲信号由探测器检测到并转化为光电流脉冲信号，微分电路将脉冲电流信号转化成脉冲电压信号；迟滞比较器检测到微分电路输出的电压变化信号，并输出方波脉冲信号，同时sr锁存器锁存状态信号，避免比较器误翻转。激光脉冲检测电路输出的高电平信号可以作为激光脉冲到来的提示信号。同时tof测量电路将激光到来信息转化成时间信息，从而完成光子往返传输的时间差的测量。

一种激光脉冲检测与测量输入级电路，包括微分电路、比较器、sr锁存器和tof测量电路，tof测量电路包括第一开关s1、第二开关s2、第一采样电容csh1、第二采样电容csh2和双采样tac电路，其中，

微分电路的输出端与比较器的正相端连接，比较器的输出端与sr锁存器的s端连接，双采样tac电路的第一输出端与第一开关的一端连接，双采样tac电路的第二输出端与第二开关的一端连接，第一开关的另一端与第一采样电容的一端连接，第一采样电容的另一端接地，第二开关的另一端与第二采样电容的一端连接，第二采样电容的另一端接地；sr锁存器的q端与第一开关的控制端、第二开关的控制端分别连接。

tof电路能实现时间间隔的测量，可以通过模拟和数字的方法实现时间间隔的测量，分别对应时间模拟转换器(time-to-amplitudeconverter，tac)和时间数字转换器(time-to-digitalconverter,tdc)。tdc一般利用门单元延时量化传播时间，采用全数字电路进行研究设计，可以具有较高的精度、较宽的动态范围和较高的集成度，但tdc需要采用参考时钟，会对片上高灵敏度的模拟前端电路产生干扰；而基于斜坡信号的tac电路，其信号属于模拟电路，不会对模拟前端电路产生干扰。tac同样可实现很高的集成度和精度，但tac在动态范围和精度之间存在折中，限制了应用范围。综合考虑，本发明设计的tof电路采用了基于tac改进结构的实现方式，解决时间测量精度与时间测量范围的矛盾。

图3a、图3b分别为双采样tac电路的三角波产生电路和阶梯波产生电路。

双采样tac电路包括三角波产生电路和阶梯波产生电路，三角波产生电路包括电流源i、第一至第七nmos管m1-m7、第一至第五pmos管m8-m12、第一电容c1、第三开关s3、第四开关s4、第一运算放大器op1、第一比较器comp1、第二比较器comp2、第一缓冲器buffer1、rs触发器,其中，

电流源的一端与第一nmos管的漏极、第一nmos管的栅极、第四nmos管的栅极、第六nmos管的栅极分别连接，第一nmos管的源极与第二nmos管的漏极、第二nmos管的栅极、第三nmos管的栅极、第五nmos管的栅极分别连接，第二nmos管的源极与第三nmos管的源极、第五nmos管的源极、地分别连接，第四nmos管的源极与第三nmos管的漏极连接，第六nmos管的源极与第五nmos管的漏极连接；

第四nmos管的漏极与第五pmos管的漏极、第五pmos管的栅极、第二pmos管的栅极分别连接，第五pmos管的源极与第四pmos管的漏极、第四pmos管的栅极、第三pmos管的栅极分别连接，第四pmos管的源极与第三pmos管的源极、电流源的另一端、电源分别连接，第三pmos管的漏极与第二pmos管的源极连接，第二pmos管的漏极与第一pmos管的源极连接，第七nmos管的栅极与第一pmos管的栅极、rs触发器的q端分别连接，第七nmos管的漏极与第一pmos管的漏极、第三开关的一端分别连接，第三开关的另一端与第一运算放大器的反相端、第一电容的一端、第四开关的一端分别连接，第一电容的另一端与第四开关的另一端、第一运算放大器的输出端、第一缓冲器的输入端、第一比较器的反相端、第二比较器的正相端分别连接，第一比较器的输出端与rs触发器的r端连接，第二比较器的输出端与rs触发器的s端连接，rs触发器的端与阶梯波产生电路连接。

阶梯波产生电路包括第一至第四d触发器、第一反相器inv1、第二反相器inv2、第一至第四电流源i1-i4、第五至第九开关s5-s9、第八nmos管m13、第九nmos管m14、第二运算放大器op2、第一电阻r1和第二缓冲器buffer2；其中，

第一d触发器的d端接电源，第一d触发器的时钟信号端与rs触发器的端、第一反相器的输入端、第三d触发器的时钟信号端、第一反相器的输入端分别连接，第一反相器的输出端与第二d触发器的时钟信号端、第四d触发器的时钟信号端分别连接，第一d触发器的复位端与第二d触发器的复位端、第三d触发器的复位端、第四d触发器的复位端分别连接，第一d触发器的输出端与第五开关的控制端、第二d触发器的d端分别连接，第二d触发器的输出端与第六开关的控制端、第三d触发器的d端分别连接，第三d触发器的输出端与第七开关的控制端、第四d触发器的d端分别连接，第四d触发器的输出端与第八开关的控制端连接，第五开关的一端与第六开关的一端、第七开关的一端、第八开关的一端、第八nmos管的源极、第九nmos管的源极分别连接，第五开关的另一端与第一电流源的一端连接，第一电流源的另一端接地，第六开关的另一端与第二电流源的一端连接，第二电流源的另一端接地，第七开关的另一端与第三电流源的一端连接，第三电流源的另一端接地，第八开关的另一端与第四电流源的一端连接，第四电流源的另一端接地，第二反相器的输入端与第九nmos管的栅极连接，第二反相器的输出端与第八nmos管的栅极连接，第八nmos管的漏极与第二运算放大器的正相端连接，第九nmos管的漏极与第二运算放大器的反相端、第一电阻的一端、第九开关的一端分别连接，第九开关的另一端与第一电阻的另一端、第二运算放大器的输出端、第二缓冲器的输入端分别连接。

三角波产生电路的原理：当复位信号rst为高电平时，开关闭合，电路便进入复位阶段，此时第一运算放大器op1接成单位缓冲器的形式，其输出端电压复位到基准电压vref1。当复位信号rst由高电平翻转到低电平，时间起始信号start由低电平翻转为高电平后，电路便进入第二阶段，三角波产生阶段，复位后rs触发器输出端q的电压为高电平，此时由m7构成的开关管导通，m5和m6管中的电流流向后级电路，运算放大器op1与第一电容c1恰好构成积分器，因此m5和m6管中的电流不断抽取积分器中第一电容c1上存储的电荷，因此运放输出端电压不断上升,运放输出电压公式为：

v(t)是第一运算放大器op1的输出电压，vref1是参考电压，i为电流源i的电流，t是时间。

在运放在运放输出电压不断上升的过程中，第一比较器comp1不断比较运放输出电压和第一参考电压voh的大小，若积分电压高于第一参考电压voh，那么第一比较器comp1输出端电压会迅速由高电平翻转到低电平，rs触发器的输入端电压相应地也从高电平翻转到低电平。由于运放输出电压一直高于第二参考电压vol，因而第二比较器comp2输出端电压仍为高电平，根据rs触发器的工作原理，此时其q输出端电平会从高电平翻转到低电平，那么由m8构成的开关将导通，m9和m10管中的电流流向后级电路，电流不断灌入积分器中的第一电容c1，此时运放输出端电压随时间的变化关系：

如此不断的重复下去，运算放大器输出端电压便交替的产生向上和向下的斜坡，这样便产生了三角波信号。当时间起始信号start由高电平翻转为低电平后，电路便进入了保持阶段，此时运算放大器输出端电压稳定在某一固定值不再变化。三角波信号通过buffer1后便推送到像素内，为所有像素单元所共用。

阶梯波产生模块的核心是权电流型dac,其电路原理为：当复位信号rst由高电平转低电平时，start信号由低电平变成高电平时，阶梯波产生模块便开始产生阶梯波。当qn由低电平翻转为高电平时，q0也会从低电平翻转为高电平，相应的第五开关s5导通，电流i将流过第一电阻r1，这在第一电阻r1上将会形成ir的压降，运算放大器输出端电压由vref2跳变为vref2+ir1。

当qn由高电平翻转为低电平时，q1变成高电平，第六开关s6导通，此时将有2i的电流流过第一电阻r1，第一电阻r1上的压降2ir1，因此运算放大器输出端电压由vref2+ir1跳变为vref2+2ir1。

随着时钟信号qn交替不断的向上向下翻转，上述过程将会不断的重复下去，这样运放输出端便产生了阶梯波,产生的阶梯波同样需要buffer2送入像素内。

双采样的tac电路的时序逻辑如图3c所示，三角波信号和阶梯波信号相互匹配，采样的阶梯波电压用于量化时间的高位，采样的三角波用于量化时间的低位，这样tac便可以同时实现宽时间测量范围和高的时间测量精度。start信号的高电平时间即为时间测量范围，本发明设计的电路有5档阶梯波电压。可根据电源电压选择合适的阶梯波档位数。

图4是输入级电路的时序图。r是输入级电路的复位信号，高电平有效，一旦有激光脉冲信号，激光脉冲检测电路输出端outbit锁存输出高电平信号，以表示光子到达。当电路工作需要测距时，主动发射激光脉冲的同时start信号由低电平变成高电平，rst信号由高电平变成低电平，双采样tac电路开始产生三角波和阶梯波，此时采样开关闭合，采样电容电压vout1、vout2跟随三角波和阶梯波信号电压。一旦探测到脉冲电流信号，激光脉冲检测电路输出的高电平使采样开关断开，采样电压保存，两个模拟电压值经过后续处理得出光子飞行时间。

图5是本发明提出的微分电路的原理图。微分电路包括第二电容c2、第三电容c3、第二电阻r2、第三电阻r3、运算放大器op和等效输入电容cj，其中，

第二电阻的一端接地，第二电阻的另一端与等效输入电容cj的一端、第二电容的一端分别连接，cj的另一端接地，第二电容的另一端与第三电容的一端、第三电阻的一端、运算放大器的反相端分别连接，第三电容的另一端与第三电阻的另一端、运算放大器的输出端分别连接。

接收器模拟前端需要足够高的增益、低的噪声和可接受的带宽。本发明提出的微分电路将光电探测器产生的光电流信号转化成电压信号，然后经过微分转换将信号进一步隔直、放大。r2、cj能实现将脉冲电流信号转化成突变的脉冲电压信号，其中cj为探测器的输出等效电容，即微分电路的输入等效电容。微分电路可以将直流分量隔断并进一步放大，且能够将光电转换后掺杂的直流信号和高频脉冲信号滤除掉。相比于传统的跨阻放大器，微分电路具备更好的噪声性能，且电流探测的灵敏度更高。

微分电路实现微弱光检测应用，输出的电压脉冲后续经过比较器进行处理，比较器采用迟滞比较器结构。该比较器具备很强的正反馈特性，能够加快比较器的比较速度，减少整体电路的检测延时，使得tof的量化更加精确，且迟滞比较器比单阈值比较器具有更高的噪声容限。在比较器输出信号后采用了sr锁存器，锁存激光检测模式的高电平信号。采用sr锁存器可以在每一帧检测完激光脉冲信号后避免受到噪声信号的影响，从而降低了误检测概率。

图6a、图6b为飞行时间检测原理图及时序逻辑图，在0时刻激光脉冲发射器发射激光，经过tof时间后激光反射信号到达探测器，采样tof时刻的电压vout1和vout2处理后即可得出光子飞行时间tof。vout2电压为阶梯波采样值，进行粗量化时间，n＝1、2、3、4、5分别代表五个档位电压；vout1电压为三角波采样值，进行细量化时间；

当n为奇数时，光子飞行时间tof为

其中t、k为三角波产生电路单斜坡的积分时间和斜率，公式表示为

其中i、c1分别为三角波产生电路的积分电流和积分电容。

当n为偶数时，光子飞行时间tof为

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围内。