[發明專利]一種帶有光子時間相關性檢測功能的時間數字轉換器

在審

• 申請號: 202110533034.7
• 申請日: 2021-05-17
• 公開（公告）號: CN113325429A
• 公開（公告）日: 2021-08-31
• 發明（設計）人: 魏子琛;趙昊;胡曉峰
• 申請（專利權）人: 武漢光跡融微科技有限公司
• 主分類號: G01S17/08
• 分類號: G01S17/08;G01S17/931;G01S7/4865;G01S7/487
• 代理公司: 深圳市六加知識產權代理有限公司 44372
• 代理人: 崔肖肖;向彬

本發明公開了一種帶有光子時間相關性檢測功能的時間數字轉換器，包括：精計數相位捕獲單元，用于根據START脈沖信號和STOP脈沖信號，捕獲時鐘單元提供的多相相位數據；粗計數同步單元，用于根據START脈沖信號開始計數，并且根據STOP脈沖信號產生同步信號；時間相關性檢測單元，用于在STOP脈沖信號持續期間記錄傳感器陣列中觸發的SPAD的數目；數據緩存模塊，用于根據STOP脈沖信號存儲多相相位數據、SPAD觸發數目以及粗計數器的計數值；算術邏輯單元，對存儲在數據緩存模塊中的數據進行算數運算；主控單元，用于為其他單元或模塊提供使能信號和控制命令；串行數據讀出電路，用于根據主控單元的控制命令，將算術邏輯單元運算得到的輸出結果通過串行的方式讀出。

技術領域

本發明屬于激光雷達測距技術領域，更具體地，涉及一種帶有光子時間相關性檢測功能的時間數字轉換器。

背景技術

近年來，直接飛行時間(Direct Time-Of-Flight，DTOF)測距法在三維成像、無人駕駛、生物醫療等領域都有著重要應用，其工作原理是：激光發射器發出開始激光信號START(在此將開始激光信號命名為START)照射在被探測的目標物體上時，目標物體反射回波，單光子雪崩二極管(Single Photon Avalanche Diode，SPAD)將回波轉換為電信號并產生停止脈沖信號STOP(在此將停止脈沖信號命名為STOP)。在DTOF測距法中，主要通過時間數字轉換器(Time-to-Digital Converter，TDC)來完成對起止時間脈沖信號的數字量化轉換，因此對時間數字轉換器的測量精度、探測效率等提出了極高的要求。

傳統的測距方案中TDC一次復位只能檢測一次START脈沖信號與STOP脈沖信號之間的時間間隔，為檢測多個STOP脈沖信號與同一START脈沖信號之間的間隔，引入了多通道TDC。傳統的多通道TDC中，參考時鐘到各STOP脈沖信號所在通道的延時不同，由此產生測量誤差，并隨通道數增多而增大。

此外，激光發射器發射出的光子在返回SPAD陣列時，可能由于噪聲干擾等因素，導致單光子雪崩二極管產生誤觸發，從而使TDC記錄下錯誤的時間間隔，直接影響測量結果。綜上所述，傳統的時間數字轉換器存在測量精度誤差甚至錯誤測量的問題，無法滿足激光測距的實際需求。

發明內容

針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供了一種帶有光子時間相關性檢測功能的時間數字轉換器，該時間數字轉換器帶有光子時間相關性檢測功能，大大降低了由于單光子雪崩二極管誤觸發對測量結果帶來的影響。

為實現上述目的，本發明提供了一種帶有光子時間相關性檢測功能的時間數字轉換器，包括：精計數相位捕獲單元、粗計數同步單元、時間相關性檢測單元、數據緩存模塊、算術邏輯單元、主控單元和串行數據讀出電路，其中：

所述精計數相位捕獲單元，用于根據START脈沖信號和STOP脈沖信號，捕獲時鐘單元提供的多相相位數據，并進一步將數據存儲到所述數據緩存模塊；

所述粗計數同步單元，用于根據START脈沖信號開始計數，并且根據STOP脈沖信號產生同步信號，還用于根據所述同步信號輸出粗計數器的計數值；

所述時間相關性檢測單元，用于在STOP脈沖信號持續期間記錄傳感器陣列中觸發的SPAD的數目；

所述數據緩存模塊，用于根據所述STOP脈沖信號存儲所述多相相位數據、SPAD觸發數目以及粗計數器的計數值，還用于根據主控單元的控制，輸出存儲的所述多相相位數據、SPAD觸發數目以及粗計數器的計數值；

所述算術邏輯單元，在主控單元的控制下，對存儲在數據緩存模塊中的數據進行算數運算，轉換為輸出結果，并存儲在所述數據緩存模塊中；

所述主控單元，用于為其他單元或模塊提供使能信號和控制命令；