[发明专利]一种共享数字转换器的单光子探测器

说明书

本发明涉及一种共享数字转换器的单光子探测器，包括N组单光子探测电路、N个数字转换器以及主控处理器，主控处理器与N组单光子探测电路连接，每一组单光子探测电路与一个数字转换器连接，且每一组单光子探测电路包括多个单光子探测单元，一个数字转换器与多个单光子探测单元连接；每一组单光子探测电路，根据主控处理器输出的使能控制信号选通一个与使能控制信号对应的单光子探测单元，探测光子并在接收到光子时产生脉冲信号至数字转换器；数字转换器，根据脉冲信号计算出光子传输的时间间隔；主控处理器利用时间间隔确定目标物与探测器之间的距离，完成探测。本探测器采用列共享数字转换器的策略，提升了芯片的感光效率及集成度。

技术领域

本发明涉及光子探测领域，更具体地说，涉及一种共享数字转换器的单光子探测器。

背景技术

近年来，无人驾驶技术成为研究的热点，通过各类传感器动态的识别道路上的障碍物，例如汽车，自行车和行人等。由于激光雷达探测精度高，受光照影响小，可以直接获取障碍物位置信息，因此激光雷达有希望成为无人驾驶汽车重要的传感器系统之一。目前文献报道的如谷歌，奥迪等厂商以及大部分研究机构采用的激光雷达通常来自于SILK，Velodyne，UTM这几家公司。这些激光雷达的最大量程在30m-174m的范围，最小精度在1cm-10cm的范围，帧率在10fps-20fps的范围。传感器像素为16×1，32×1，64×1等。

目前，TOF(飞行时间)激光测距一般可以分成两个大类，一种是相位式，另一种是脉冲式。相位法激光测距的优点就是测量精度高，缺点就是测量距离有限制。而盖革模式的TOF传感器属于脉冲式这一类，其优势是实现结构简单，可以对远距离，低回波能量目标实现高速，低功耗，高精度的距离信息获取，所以在无人驾驶系统中展示出非常好的前景。

盖革模式的TOF传感器是利用工作在盖革模式下的单光子雪崩二极管(SPAD)探测光子的敏感性，通过时间数字转换器(TDC)记录下激光雷达发射出的光子与传感器接收到光子之间的时间间隔，采用时间相关单光子计数技术(TCSPC)判断出目标与传感器之间的距离，并构建深度图像。

对于SPAD像素设计而言，有两个设计考虑，第一是淬灭电路，第二是后脉冲的消除电路。

常见的淬灭电路有三种，门脉冲淬灭，被动式淬灭以及主动式淬灭。门脉冲淬灭电路要求门控脉冲信号和入射光子完全同步，否则会降低计数率。被动式淬灭电路通常需要串联很大的电阻才能实现淬灭，一般为几百个纳秒，并且容易产生后脉冲。主动式淬灭利用了反馈的优势，将单光子信号产生的雪崩脉冲反馈到SPAD的驱动电压上，使SPAD的偏置电压迅速降到雪崩阈值电压以下，以保证快速彻底淬灭雪崩，又能够防止快速恢复时被再触发，并且减少了每次雪崩产生的电量，在一定程度上降低了后脉冲的个数。其最大的优点就是响应速度快，后脉冲数少，计数率高，经常在连续信号探测的情况下使用。

在雪崩过程中，被结区杂质俘获的载流子在雪崩结束后经过片刻的延迟被释放出来，在强电场下会再次引发雪崩，产生与前一次光生脉冲无关的后脉冲。而且，每一个SPAD都需要与一个TDC配合工作，占用面积非常大，不利于处理芯片的集成。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种共享数字转换器的单光子探测器。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种共享数字转换器的单光子探测器，包括N组单光子探测电路、N个数字转换器以及主控处理器，所述主控处理器与所述N组单光子探测电路连接，每一组单光子探测电路与一个数字转换器连接，且每一组单光子探测电路包括多个单光子探测单元，一个所述数字转换器与多个所述单光子探测单元连接；N为大于1的正整数；

所述主控处理器用于输出使能控制信号；

每一组所述单光子探测电路，根据所述使能控制信号选通一个与所述使能控制信号对应的单光子探测单元，用于探测光子并在接收到光子时产生脉冲信号至所述数字转换器；