飛行時間測距電路設(shè)計

胡美璜 ，陳洪雷 ，丁瑞軍

（1.中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所中國科學(xué)院紅外成像材料與器件重點實驗室，上海200083；2.中國科學(xué)院大學(xué)北京100049；3.上海科技大學(xué)上海200120）

主動探測技術(shù)在二維成像的基礎(chǔ)上能夠提供目標(biāo)的三維信息，提高對目標(biāo)的辨析能力。雪崩二極管（APD）是一種具有高增益，高帶寬的光電探測器。這些優(yōu)點使APD適合于遠(yuǎn)距離的高精度成像系統(tǒng)。

基于APD的深度信息探測系統(tǒng)在多個重要領(lǐng)域有重要應(yīng)用。在航空遙感領(lǐng)域，美國國家航天局和DRS公司合作的4×4像元碲鎘汞雪崩二極管在探測二氧化碳和甲烷探測取得了成功[1]；麻省理工學(xué)院林肯國家實驗室利用硅材料實現(xiàn)了64×64像元工作在蓋革模式下的雪崩二極管陣面，并且應(yīng)用在航空遙感上，每小時能夠獲得400 km2精度為25 cm的圖像[2]。在空間科學(xué)領(lǐng)域，法國CEA-LET等機構(gòu)用碲鎘汞材料雪崩二極管實現(xiàn)了的320×256像元的，像元大小30 μm，工作溫度50 K超長波的大氣探測器[3]。意大利學(xué)者實現(xiàn)了陣列規(guī)模達(dá)到64×64像元，量程在300～6 000米的，精度自0.2～0.5米的低功耗應(yīng)用于航天器導(dǎo)航和著陸系統(tǒng)的深度成像系統(tǒng)[4]。天津大學(xué)的研究團隊實現(xiàn)了200 ps精度，18位的低功耗計時系統(tǒng)[5]。在汽車自動駕駛領(lǐng)域意大利科研機構(gòu)用CMOS探測器實現(xiàn)了64×32像元，像元尺寸150 μm陣面；探測精度在0.6 m，探測量程在40米的應(yīng)用于自動駕駛的深度感知系統(tǒng)[6]。日本豐田公司的研究人員用256×64像元APD面陣配合MEMS掃描鏡在20 m量程下實現(xiàn)15cm精度的深度信息探測[9]。在生物和醫(yī)學(xué)檢測領(lǐng)域哥倫比亞大學(xué)和英特爾公司的科學(xué)家用130 nm CMOS工藝實現(xiàn)了62.5 ps精度和65 ns量程的高精度生物成像系統(tǒng)[10]。以上反映了基于APD的主動探測技術(shù)在未來有巨大的潛力，如何提高探測系統(tǒng)的精度和范圍是十分重要的問題。

文中基于時間飛行法，針對主動探測的精度和范圍問題，提出了與回波信號無關(guān)的恒定比例時間鑒別電路，采用新型時間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器取得了高精度，寬量程時間計數(shù)。

1 時間飛行法的深度信息獲取原理

主動測距法主要包括飛行時間法、相位法、干涉法和三角法等[7]。飛行時間測量包括直接測量和間接測量。直接測量又包括時間相關(guān)光子計數(shù)法和直接測量兩種方法[6]。間接測量方法包括連續(xù)波形測量和脈沖波形測量[8]。時間相關(guān)光子測量精度高，但是效率低，并且難以實現(xiàn)，不適合應(yīng)用在高速成像系統(tǒng)里。時間飛行測距是單次測距精度最高的一種深度信息獲取方式。時間飛行測距的距離計算式（1）：

c是光速，Δt是激光發(fā)射和APD接收到回波信號的時間差。高精度時間鑒別是時間飛行法獲得深度信息的關(guān)鍵技術(shù)。為了獲得高精度的時間差，國內(nèi)外多個研究機構(gòu)對此問題展開了研究。針對時間差的直接測量[11]和間接測量均有深入的研究。基于直接的飛行時間測距原理，設(shè)計了基于碲鎘汞雪崩增益二極管深度信息獲取系統(tǒng)，如圖1所示。

2 系統(tǒng)電路設(shè)計

2.1 APD偏置電源電路

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

碲鎘汞APD器件相比較其他APD器件而言需要的偏置電壓要低，但是仍然需要15 V的偏置電壓才能有較大的增益。碲鎘汞APD器件是高敏感的探測器需要提供十分穩(wěn)定的偏置電壓源?；谏鲜鲆笤O(shè)計了以LM64010芯片為核心的具有高穩(wěn)定性的偏置電壓源，如圖2所示。偏置電源的輸出電壓如式（2）:

電源芯片能夠使VFB在輸入電壓抖動的情況下穩(wěn)定在1.23 V。能夠穩(wěn)定的輸出15 V的偏置電壓。

圖2 偏置電源

2.2 APD前置放大電路

APD接收激光脈沖的回波信號將激光信號轉(zhuǎn)化為電流信號。APD的電流與回波信號功率成線性比例。激光的回波信號能量與距離的關(guān)系如式（3）所示。

式中Pr表示APD接收到的功率，Pt激光器發(fā)射的功率，ρ目標(biāo)的反射系數(shù)，D距離，α激光在大氣中的衰減系數(shù)，Ar接收光學(xué)孔徑面積。從式中可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)兩個目標(biāo)距離有較大差別時回波信號的能量有較大區(qū)別，APD的響應(yīng)電流也會有較大區(qū)別。利用跨阻放大器將APD產(chǎn)生的電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號?？缱璺糯笃鞯脑鲆嫒缡剑?）所示：

跨阻放大器的信噪比[12]：

式中in是負(fù)端輸入電流點噪聲，en為正端輸入電壓點噪聲。放大器的-3 dB帶寬f如式（6）：

GBW是放大器的增益帶寬積，Cint是輸入端電容。由此可以看出信噪比和帶寬之間是相互制衡的，如果要提高信噪比就要提高RF，提高信噪比會導(dǎo)致帶寬下降。并且RF如果較大在回波信號較強的情況下會造成放大器的飽和失真。為了接收電路能夠適應(yīng)不同距離的回波信號，西南技術(shù)物理研究所的研究人員提出了多種增益放大技術(shù)[13]，但是西南技術(shù)物理所設(shè)計的可變增益跨阻放大器的電路，是通過使用多個不同跨阻來實現(xiàn)的，不具備自適應(yīng)功能。南京理工大學(xué)的研究人員采用了限幅的方法來保證電路正常工作，動態(tài)范圍被限定住了[14]。文中設(shè)計的自動增益控制電路能夠根據(jù)輸入信號的幅值自動調(diào)節(jié)增益以使輸出信號穩(wěn)定，可以應(yīng)用于復(fù)雜環(huán)境的三維成像，有利于三維成像系統(tǒng)拓展到遙感等復(fù)雜成像領(lǐng)域。

如圖3所示的自動增益功能的跨阻放大器。包括跨阻放大和自動增益兩個部分。APD產(chǎn)生的電流信號經(jīng)過跨阻放大轉(zhuǎn)化成電壓信號?？缱璺糯筮^的電壓信號輸入到可變增益放大器VCA821的輸入端，OPA847為了增加放大器的驅(qū)動能力，OPA820單位增益放大器和二極管作為電壓檢測單元用于保持輸出電壓穩(wěn)定。VCA821具有高帶寬和0～42 dB自動調(diào)制增益，適用于APD接收模擬端。

圖3 自動增益跨阻放大器

2.3 時間鑒別電路

時刻鑒別電路是檢測回波信號是否到達(dá)的關(guān)鍵單元，它根據(jù)回波信號的幅度來確定回波信號是否到來。激光的回波信號近似高斯模型[15]。

其中e式外界干擾，Am回波信號的幅度，Np回波信號數(shù)，σm標(biāo)準(zhǔn)差。固定閾值時刻鑒別引起的時間漂移誤差如式（8）所示。由于不同距離的回波信號能量不同。假設(shè)最大和最小回波的能量對應(yīng)的輸出信號電壓比為β。由于回波信號的差別造成的時漂移誤差為：

Δt=T2-T1是不同回波信號引起的誤差。

圖4 回波信號能量差引起的時刻漂移

時刻鑒別的精度和穩(wěn)定性對整體電路的性能影響重大。為了提高三維成像的精度，減小時刻鑒別帶來的漂移誤差是十分必要的。本文設(shè)計了與回波信號強度無關(guān)的恒定比例時刻鑒別電路。利用兩個比較器來實現(xiàn)恒定比例時刻鑒別，比較器的A通道作為固定閾值比較，確保探測電路接收到回波信號；比較器B通道是一個恒比時刻鑒別電路，正端為衰減k倍的信號，負(fù)端為經(jīng)過td延遲信號。

經(jīng)過壓縮的信號y3(t)如式（9），經(jīng)過延時的信號y4(t)如式（10）所示，鑒別信號的時刻tp如式（11）所示。時刻鑒別點tp與回波信號的幅度無關(guān)，可以將可變延時誤差轉(zhuǎn)變?yōu)楣潭ㄑ訒r。

如圖5所示的恒定比例時刻鑒別電路可以消除時間漂移誤差。恒定比例時刻鑒別電路由TLV3502和74與門構(gòu)成。TLV3502是一款高速，低功耗雙通道比較器。有利于系統(tǒng)的小型化和低功耗設(shè)計，并且能夠保證回波信號的高精度響應(yīng)。

圖5 恒定比例時刻鑒別電路

2.4 高精度計時單元

2.4.1 時間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器單元

時間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器（TDC）能夠?qū)r間信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，是深度信息獲取的關(guān)鍵元件。TDC的發(fā)展經(jīng)歷了3個階段：1）純模擬階段，分為時間電壓轉(zhuǎn)換和模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換兩部實現(xiàn)；2）全數(shù)字階段，將時間信號直接轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號輸出，主要有基于計數(shù)器和延遲鏈兩種技術(shù)，分辨率受門延遲限制。3）小于門延時精度的TDC，主要思想是用兩個延遲的差進行測量，可以取得低于門延遲的測量精度[16]。文中選用德州儀器最新設(shè)計的高精度，寬量程時間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器TDC7200。TDC7200是一種粗細(xì)結(jié)合的高精度，寬量程的時間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器。TDC7200內(nèi)置自校準(zhǔn)時基，可對時間和溫度偏差進行補償，這使得該時間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器在外部16 MHz時鐘下能夠取得20 ps的精度。TDC7200具有兩種工作模式，測量范圍分別為 12～500 ns和 250 ns～8 ms可以切換，可以針對不同環(huán)境需要進行調(diào)節(jié)。該TDC有較低的功耗，適合探測器的小型化和低功耗的需求。TDC7200由MSP430控制，電路原理圖如圖6所示。

圖6 時間轉(zhuǎn)換器

2.4.2 TDC7200的控制模塊

TDC7200的控制過程，系統(tǒng)上電后完成MSP430的初始化，待完成MSP430初始化后，再完成TDC7200的初始化。完成TDC7200的初始化后，MSP430向TDC7200發(fā)送選擇測量模式的指令，待確定了測量模式后，MSP430向TDC7200發(fā)送計時開始的指令，TDC7200在start信號到來之時開始計時，在接收到探測器反饋回來的信號觸發(fā)stop信號，時間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器完成計時。計算與顯示即使結(jié)果。刷新等待下一次的測量。

圖7 TDC的控制流程圖

3 測試與實驗結(jié)果分析

3.1 測試結(jié)果

為了測試電路的性能，搭建了相應(yīng)的測試平臺。測試電源用的是安捷倫E3633A電源，示波器是Tektronix DPO 7354C，函數(shù)信號發(fā)生器是NI PXIe-1078。首先測試了時間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的性能，用函數(shù)信號發(fā)生器在4 MHz情況下，發(fā)送不同延遲的開始和結(jié)束信號；模擬探測器測試了整個系統(tǒng)的性能，如表1所示。實驗結(jié)果表明TDC的量程能夠達(dá)到200 μs對應(yīng)的量程達(dá)到30 km，TDC的最小量程在10 ns，對應(yīng)的空間距離是1.5 m，設(shè)計的電路完全可以滿足遙 感的需求。

表1 多種情況測距實驗結(jié)果

3.2 放大器信號抖動帶來的誤差

3.3 TDC的時間抖動誤差

TDC7200是分為粗細(xì)兩個階段測量時間的。計數(shù)器的誤差來源于粗細(xì)兩次測量過程。時間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的誤差為σTDC，如式（13）所示。

TDC7200的外部粗測量時鐘為1～16 MHz。在8 MHz的外部時鐘下，細(xì)測量的時鐘抖動標(biāo)準(zhǔn)差為35 ps。TDC7200細(xì)測量的時鐘抖動具有累計效應(yīng)。由粗測量的時鐘漂移引起的誤差σtc和由細(xì)計數(shù)引起的誤差σtf分別如下：

TDC7200在8 Mz的外部頻率，量程為200 ns的的情況下測時誤差為37 ps。表一的1到6欄說明隨著量程的擴大，隨時鐘的數(shù)增多的累積誤差在增大。第7到9欄表明，恒定比例時刻鑒別能夠減小固定時刻鑒別帶來的時刻漂移誤差。實驗數(shù)據(jù)表明本文的設(shè)計在深度探測上具備高量程和高精度的特點，實驗實現(xiàn)了計劃的目的。

4 結(jié) 論

文中在系統(tǒng)研讀了前人的工作基礎(chǔ)上，針對高精度、寬量程深度獲取原理的研究，提出了相應(yīng)的信號出路電路。完成了相應(yīng)的電路設(shè)計，并且對電路進行了測試。取得了相應(yīng)的測試結(jié)果，并且分析了主要的誤差來源。通過此實驗驗證了不同回波強度下，電路依然有很高的精度和量程。說明基于APD的深度探測系統(tǒng)在獲得非合作目標(biāo)的深度信息上具有高量程、高精度和穩(wěn)定性好的特點，即設(shè)計的自動增益控制電路，時刻鑒別電路和時間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器適合用在遠(yuǎn)距離高精度深度信息獲取上。