本發明屬于單光子激光三維成像，具體涉及一種提高單光子面陣激光雷達探測效率的讀出電路及方法。

背景技術：

1、單光子面陣探測器是一種能夠響應光子量級信號的高靈敏度光電探測器，是單光子雷達探測、量子通信等領域的基礎。隨著基礎軟硬件技術的不斷發展，以蓋革焦平面相機為基礎的單光子激光三維成像探測技術越來越受到人們的關注，并推出了較多的研究成果，在作用距離、成像效果等方面都有了較大的提升，具有較高的應用價值。雖然采用面陣探測器降低了視場掃描的難度，但與單元探測方式相比，在距離向喪失了更多的信號處理方式和靈活性。

2、為減小噪聲干擾，以及大量探測數據傳輸需要較長的時間，現有的單光子面陣激光雷達探測器主要工作于門控狀態，即相機需要一個門控信號才能工作，否則無法接收信號；此外，相機在一次開門后，需要較長的死時間恢復，工作時間段的有效占空比較低，為此其在實際使用過程中具有以下缺點：

3、1、需獲取相對準確的目標距離先驗信息，并根據目標距離計算出準確的回波信號到達時間，才能有效控制門控信號的延時，使其在回波信號到達的時刻開門。然而在實際激光雷達工作過程中，目標距離往往是未知的，且可能以較快的速度發生變化，這也就導致回波脈沖的到達時間處于實時變化狀態，不適應對動態場景的探測需求。

4、2、探測器門控工作時間有限，工作一次探測不能覆蓋長工作距離，目前大部分單光子面陣探測器在門控時間內只能有一次觸發機會，這意味著對復雜的存在多次回波的場景探測效率低下。

5、3、探測器陣列工作頻率有限，在完成一次探測后需要較長的時間才能恢復初始狀態進行下一次探測，需要先把之前的信號讀出才能進行下一次探測。隨面陣增大讀出時間延長，探測器長時間處于無法探測狀態，這也導致激光雷達產生大量的空間遺漏。

6、4、對于長距離區間的光子回波探測，雖然光回波能進入探測器視場，但由于探測器不響應，需要多次發射激光才能覆蓋距離區間，導致整個系統能量利用效率低下。

7、5、對于長距離區間內的多次回波探測，由于探測器在門控時間內觸發次數有限，導致位于門控時間后段的弱小目標很難被探測到。由于時間分辨率和量程相互制約，很難兼顧距離區間長度和時間分辨率，距離向的精度也受到限制。

8、6、通常由于背景光的強度隨場景改變，為了保證一定的探測概率，單光子探測通常需要根據背景光的強度調整回波累計次數。如果不知道背景光強度，為了保證探測概率，可能會發射不必要的多余的激光脈沖，效率不高。另外，通常用于三維成像的陣列探測器并不能直接得到背景光計數，為了估計背景光強度，需要多次重復開門讀出信號，然后累計光計數，效率低下。

9、因此，雖然使用面陣探測器在一定程度上提高了空間覆蓋能力，但在距離向出現的問題導致單光子面陣在時間敏感和強調效率的應用有限。現有技術中缺少一種可以實現長距離空間多次回波探測、兼具光子計數功能的面陣單光子激光雷達信號讀出處理方法及系統。

技術實現思路

1、(一)要解決的技術問題

2、本發明要解決的技術問題是：提供一種單光子激光雷達面陣探測讀出電路及方法，用以解決現有面陣探測單光子激光雷達距離向無法實時多次接收目標回波信號，造成工作效率低下的問題。

3、(二)技術方案

4、為了解決上述技術問題，本發明提供了一種提高單光子面陣激光雷達探測效率的讀出電路，單光子面陣探測器具備兩種探測器工作模式，一種是光子計數工作模式，單光子面陣探測器獲取控制時間內的每像素探測器光子信號觸發次數；一種是飛行時間測量模式，單光子面陣探測器獲取控制時間內的每像素探測器光子信號觸發相對于門控起始信號的時間；

5、所述兩種探測器工作模式通過控制信號進行切換；為了實現這兩種探測器工作模式，所述讀出電路包括信號提取模塊、tdc邏輯模塊、數據讀出模塊；

6、信號提取模塊包括淬滅電路、模擬數字轉換電路、數字邏輯電路用于將探測器觸發信號轉換為數字信號，并為光敏芯片提供單光子探測所需的淬滅電路，信號提取模塊還包括比較器和觸發器，淬滅電路將數字信號轉換成探測器電脈沖信號，探測器電脈沖信號經比較器和觸發器形成數字脈沖啟動tdc信號，探測器電脈沖信號以及數字脈沖啟動tdc信號送入后級tdc邏輯模塊進行處理；

7、tdc邏輯模塊包含兩路tdc邏輯子電路以及切換開關，在模式控制信號的作用下，tdc邏輯模塊可在光子計數工作模式和飛行時間測量模式之間進行切換；當探測器工作在飛行時間測量模式時，由系統預置的門控信號確定探測器工作時間長度，門控信號由tdc切換控制信號分割成多個小的時間區間，在tdc切換控制信號為高時，切換開關將數字脈沖啟動tdc信號送入tdc邏輯子電路一，在tdc切換控制信號為低時，將數字脈沖啟動tdc信號送入tdc邏輯子電路二；同時tdc切換控制信號也被送入tdc邏輯模塊內部，其中將此信號反相后送入tdc邏輯子電路二；當tdc邏輯模塊檢測到此tdc切換控制信號為高時，對應的tdc邏輯模塊工作在像素測量模式，相反則工作在像素數據移出模式；tdc邏輯子電路一、tdc邏輯子電路二輸出tdc串行輸出數據給數據讀出模塊；

8、數據讀出模塊包含并聯的兩路數據暫存隊列，數據暫存隊列用于實現tdc邏輯模塊的測量結果在探測器內的像素級存儲；tdc串行輸出數據在進入數據讀出模塊時，由數據隊列暫存切換信號控制輸入至數據暫存隊列一還是數據暫存隊列二，每發射一次激光，數據隊列暫存切換信號狀態翻轉一次。

9、優選地，tdc邏輯模塊有兩種像素工作模式，像素測量模式和像素信息移出模式；處于像素測量模式時，tdc邏輯模塊用于時間間隔測量和光子計數，通過對預定的時鐘間隔計數來實現時間長度測量，時間間隔測量的精度取決于時鐘周期；通過增加時鐘細分邏輯提高時間間隔測量的精度。

10、當探測器工作模式設定工作在光子計數工作模式時，tdc邏輯模塊對門控時間范圍內的光子信號觸發次數進行統計；所述的讀出電路通過設定兩路tdc輪流計數連續工作的方式，使得探測器像素在門控時間范圍內的可記取的光子計數值不再受限于像素tdc的位數，以擴大光子計數的動態范圍，實現高動態范圍灰度成像。

11、當tdc邏輯模塊工作于像素信息移出模式時，tdc邏輯模塊的測量結果可通過串行方式移入相應的數據暫存隊列，同時已在數據暫存隊列中的測量結果相應地串行向后移動。

12、優選地，所述tdc邏輯模塊中兩路tdc邏輯子電路同時工作，當其中一路tdc邏輯子電路處于測量模式時，另外一路tdc邏輯子電路處于讀出模式，兩者在tdc切換控制信號的控制下，交替接收來自信號提取模塊的探測器電脈沖信號；通過切換實現像素的探測器觸發信號采集，實現在門控信號期間的多次探測器觸發信號的連續記錄；在tdc切換控制信號的半周期內，tdc邏輯子電路最多只能記錄一次探測器的信號觸發。

13、優選地，所述tdc邏輯模塊中，當探測器電脈沖信號到達時，啟動tdc邏輯子電路開始計時，當tdc切換控制信號出現下降沿跳變時，停止計時，設計數對應的時間為t；設tdc切換控制信號的半周期為t0，從門控信號開始時，半周期計數值清零，每經過t0，半周期計數值增加一，在當前探測器觸發信號到達時，半周期計數值為n,則當前探測器觸發信號相對于門控信號前沿的時間間隔為：

14、tx＝(n+1)*t0-t

15、tdc切換控制信號的半周期t0可根據探測器和探測器淬滅電路共同決定的死區時間和tdc邏輯子電路能記錄的時間長度設置。

16、優選地，門控工作時間tgate根據數據暫存隊列的存儲深度即隊列長度m設置：

17、tgate＝t0*m

18、數據暫存隊列的寬度與tdc邏輯模塊的測量位數一致，隊列長度m根據應用需要設置；

19、所述數據暫存隊列含有兩個隊列，其中一個隊列用于接收tdc邏輯子模塊的測量數據，同時另一隊列將存入的數據移出探測器外。

20、優選地，將數據暫存隊列中的數據移出探測器外的工作時序獨立于探測器工作模式設置，當數據暫存隊列中的數據存儲滿時，即可通過數據讀出鏈向片外讀出；數據讀出時，相鄰像素間的數據暫存隊列連接到一起，在讀出時鐘的控制下，向片外移動，在數據暫存隊列末端，通過設置并轉串發送器，將每一個像素或相鄰幾個像素的數據轉換為串行碼流，向外部發送。

21、本發明還提供了一種所述電路的工作方法。

22、本發明還提供了一種所述電路與激光器組合完成的單光子面陣激光雷達工作方法。

23、優選地，包括以下步驟：

24、(1)單光子陣列探測器工作在光子計數工作模式，獲取每像素的背景光計數，進而獲得對應的場景高動態范圍灰度圖像；

25、(2)根據灰度圖像的光計數值和探測概率要求估計需要發射的激光脈沖k；

26、(3)將探測器置于飛行時間測量模式，設置寬門控信號，發射所述k個激光脈沖，讀取相應的探測器信息；

27、(4)基于所述探測器信息建立距離向的三維圖像；

28、(5)根據所述距離向的三維圖像的分布規律，在寬門控信號內設置感興趣的距離區間，調節tdc系統時鐘；

29、(6)基于所述tdc系統時鐘發射激光脈沖，讀取相應的探測器信息；

30、(7)基于所述探測器信息重建距離向三維圖像。

31、本發明還提供了一種基于所述電路設計的單光子激光三維成像系統。

32、(三)有益效果

33、與現有技術相比，本發明至少可實現如下有益效果之一：

34、1、本發明設置了兩種工作模式，可以在同一探測器組件中獲取灰度圖像和距離圖像。

35、2、本發明中通過在讀出電路中設置兩路tdc輪流工作實現長連續門控周期的覆蓋，適合大動態范圍探測，可以獲得高動態范圍的灰度圖像和距離圖像。

36、3、通過設置tdc和暫存隊列輪流工作，提高探測器工作效率，即激光器工作一次，探測器至少可探測m次，掃描效率較高，大幅減小激光發射功率需求，可有效提高系統工作效率。

37、3、同樣通過設置tdc和暫存隊列輪流工作，探測過程可和信息讀出探測器組件過程同時進行，提高了系統的實時響應能力。

38、4、通過調節tdc系統工作時鐘，在同一探測器組件中實現大距離范圍和高精度距離分辨探測，可更好滿足系統應用需求。

39、5、本發明的讀出電路技術方案不限定陣列規模，像素架構設計模塊劃分明確，模塊之間的連接簡潔，有利于通過三維堆疊技術實現大規模集成。