基于门控单光子计数的时间数字转换器系统

本公开涉及基于单光子雪崩二极管的直接飞行时间测量三维成像领域，尤其涉及一种基于门控单光子计数的时间数字转换器系统。

背景技术：

1、三维成像可用于物体识别，行为识别，场景建模等应用。目前常用的3d成像技术有结构光、双目立体视觉和飞行时间(tof)测量等。相比于传统的三维成像方式，如结构光，双目视觉等，直接计算光源发出的激光脉冲到传感器探测到反射信号的时间差的直接飞行时间测量(d-tof)技术有着巨大的优势。基于飞行时间原理的图像传感器技术由于其在人脸识别、车载雷达、3-d游戏等领域的应用而备受关注，并随着cmos技术的推动逐渐向着低成本、高性能的方向发展。

2、直接飞行时间的测量通常需要使用时间-数字转换器(tdc)，传统的时间数字转换器通常为单事件触发模式，即一次测量只能记录一次事件，转换效率低，且会导致严重的堆叠失真效应，影响测量精度；由于tdc电路本身不具有区分信号与噪声的能力，且探测到的激光信号回波在时间上的分布具有随机性，实际应用中，通常会进行多次测量，并通过时间相关单光子计数(tcspc)的技术对测量结果进行累加统计，生成统计直方图，以得到有效的飞行时间。为了减小统计过程中，芯片的输入输出(io)对数据传输的限制，并降低io上由数据传输造成的大功耗，将统计直方图集成在传感器内部是一种有效的解决方案。

3、然而在现有技术中，对时间数字转换器的研究存在以下不足：tdc转换效率低，测量过程中，大量输入无法被有效记录，以及片上直方图统计需要大量的存储单元，面积开销大，不适用于大阵列应用等。

技术实现思路

1、为解决现有技术中的技术问题的至少之一，本公开提供一种基于门控单光子技术的时间数字转换器系统，在测量中，通过将门控信号与下一个门控信号交叠，避免了门控信号边缘处的信号损失，以使得输入脉冲可以被有效记录，提高了时间数字转换器的转换效率。

2、本公开实施例的一个方面，提供了一种基于门控单光子计数的时间数字转换器系统，包括：锁相环、全局门控信号生成模块和时间数字转换器阵列。锁相环用于将输入的系统时钟信号倍频产生第一时钟信号。全局门控信号生成模块响应于接收所述第一时钟信号生成m个第一门控信号和激光同步触发信号，所述第一门控信号被配置成与下一个第一门控信号交叠p个所述第一时钟信号的周期，以及使每个所述第一门控信号的信号宽度为第一时钟信号的周期的m倍；所述激光同步触发信号适用于控制第一激光脉冲发出的时间，以获得激光发出的时刻信息，其中m为大于1的正整数，p为大于等于1的正整数。时间数字转换器阵列，包括多个时间数字转换器，每个所述时间数字转换器均适用于根据第一门控信号和所述第一时钟信号对第二激光脉冲信号进行门控计数，以便得到单光子在时间上的第一统计分布。其中，所述第一激光脉冲信号经目标反射后得到所述第二激光脉冲信号。

3、根据本公开的实施例，每个所述时间数字转换器均包括：缓存模块和可配置计数器阵列。缓存模块响应于所述第一时钟信号的输入将输入的m个第一门控信号进行重新定时以得到m个第二门控信号。可配置计数器阵列包括m个计数器组件，每个所述计数器组件适用于接收一个所述第二门控信号对所述第二激光脉冲信号进行门控计数。

4、根据本公开的实施例，每个所述时间数字转换器阵列还包括：

5、寻峰模块，用于对所述计数器阵列得到的单光子数的数值进行比较，得到最大光子数值所在的门控信号的地址。

6、根据本公开的实施例，每个所述时间数字转换器还包括：数字控制模块、第一模式门控信号生成模块和多级门控同步模块。数字控制模块用于根据将外部输入的采样模式控制指令生成模式选择信号。第一模式门控信号生成模块响应于所述模式选择信号根据第一最大门控信号生成2m个第三门控信号，每个所述第三门控信号宽度为m/8个所述第一时钟信号的周期，相邻的第三门控信号交叠p/2的第一时钟的周期，其中，第一最大门控信号是由所述寻峰模块对所述第一统计分布进行比较得到的。多级门控同步模块适用于响应于所述模式选择信号，根据所述第一时钟信号将所述第二门控信号和所述第三门控信号进行时钟重新定时以使所述第三门控信号的上升沿与所述第二门控信号的上升沿对齐。其中，所述计数器组件适用于根据对齐后的第三门控信号对第二激光脉冲信号进行计数，得到第二统计分布。

7、根据本公开的实施例，上述的时间数字转换器系统，还包括：延迟锁相环，响应于接收所述第一时钟信号将所述第一时钟信号进行多级延时，以输出用于控制延时单元进行延时操作的控制电压；

8、每个所述时间数字转换器还包括：第二模式门控信号生成模块，响应于接收所述模式选择信号将第二最大门控信号输入至4m级延长复制链电路，所述4m级延长复制链电路在所述控制电压的作用下输出4m个延迟信号，4m个延迟信号的上升沿对第二激光脉冲信号进行采样，检测第二激光脉冲信号上升沿所在位置，并相应生成4m个第四门控信号，其中，第二最大门控信号是由所述寻峰模块对所述第二统计分布进行比较得到的。其中，所述计数器组件适用于根据第四门控信号配合所述延迟信号的上升沿进行计数，以得到第三统计分布。

9、根据本公开的实施例，所述多级门控同步模块还适用于根据所述模式选择信号、所述第二门控信号、所述第三门控信号和所述第四门控信号生成有效计数门控信号；

10、每个所述计数器组件包括：第一数据选择器、多个计数器以及多个第二数据选择器。第一数据选择器被配置为接收所述模式选择信号以选择计数脉冲信号，所述计数脉冲信号包括所述第二激光脉冲信号或所述延迟信号。多个计数器被配置为结合所述有效计数门控信号和所述计数脉冲信号对光子进行计数。每个所述第二数据选择器的输入端分别与一个所述计数器的输出端和所述第一数据选择器的输出端连接，该第二数据选择器的输出端与下一个计数器的输入端连接，结合所述模式选择信号将所述触发脉冲信号输入到下一个计数器。

11、根据本公开的实施例，每个所述计数器均包括：多个计数d触发器喝计数数据选择器。首个计数d触发器的时钟信号输入端被配置为连接所述第一数据选择器的输出端，以接收所述计数脉冲信号。计数数据选择器根据所述计数类型信号将第一计数d触发器的第一输出端或第二输出端的输出信号作为第一计数d触发器的数据输入信号，其他计数d触发器的数据输入端分别接收各自第二输出端的输出信号。其中，前一个计数d触发器的第二输出端连接下一个计数d触发器的时钟信号输入端，第一个计数d触发器的输出端输出计数值的最低位，最后一个计数d触发器的输出端输出计数值的最高位。

12、根据本公开的实施例，每个所述时间数字转换器还包括：数据读出模块，适用于根据所述模式选择信号，将所述计数器组件生成的计数值或寻峰模块生成的峰值地址读出数据。

13、根据本公开的实施例，所述全局门控信号生成模块包括：分频单元、生成单元和激光同步单元。分频单元适用于将所述第一时钟信号分频得到第三时钟信号。生成单元适用于根据所述第三时钟信号和第一时钟信号生成多个第一门控信号，所述生成单元包括分别设置在输出端的m个生成d触发器和m个生成或门，以使得所述第一门控信号与下一个第一门控信号交叠p个所述第一时钟信号周期。激光同步单元适用于在所述第一门控信号与所述第一时钟信号的作用下，发射激光同步触发信号。

14、根据本公开的实施例，上述的时间数字转换器系统，还包括：时钟树，适用于将所述锁相环生成的第一时钟信号和所述全局门控信号生成的第一门控信号分别发送至每个时间数字转换器。

15、根据本公开的实施例，采用本公开提供一种基于门控单光子技术的时间数字转换器系统，在测量中，通过将门控信号与下一个门控信号交叠，避免了门控信号边缘处的信号损失，以使得输入脉冲可以被有效记录，提高了时间数字转换器的转换效率。