胡美璜 ，陳洪雷 ，丁瑞軍

（1.中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所中國(guó)科學(xué)院紅外成像材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200083；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)北京100049；3.上?？萍即髮W(xué)上海200120）

主動(dòng)探測(cè)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(duì)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(cè)器。這些優(yōu)點(diǎn)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(cè)系統(tǒng)在多個(gè)重要領(lǐng)域有重要應(yīng)用。在航空遙感領(lǐng)域，美國(guó)國(guó)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(cè)二氧化碳和甲烷探測(cè)取得了成功[1]；麻省理工學(xué)院林肯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室利用硅材料實(shí)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(shí)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(guó)CEA-LET等機(jī)構(gòu)用碲鎘汞材料雪崩二極管實(shí)現(xiàn)了的320×256像元的，像元大小30 μm，工作溫度50 K超長(zhǎng)波的大氣探測(cè)器[3]。意大利學(xué)者實(shí)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(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了200 ps精度，18位的低功耗計(jì)時(shí)系統(tǒng)[5]。在汽車(chē)自動(dòng)駕駛領(lǐng)域意大利科研機(jī)構(gòu)用CMOS探測(cè)器實(shí)現(xiàn)了64×32像元，像元尺寸150 μm陣面；探測(cè)精度在0.6 m，探測(cè)量程在40米的應(yīng)用于自動(dòng)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(shí)現(xiàn)15cm精度的深度信息探測(cè)[9]。在生物和醫(yī)學(xué)檢測(cè)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(shí)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(dòng)探測(cè)技術(shù)在未來(lái)有巨大的潛力，如何提高探測(cè)系統(tǒng)的精度和范圍是十分重要的問(wèn)題。

文中基于時(shí)間飛行法，針對(duì)主動(dòng)探測(cè)的精度和范圍問(wèn)題，提出了與回波信號(hào)無(wú)關(guān)的恒定比例時(shí)間鑒別電路，采用新型時(shí)間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器取得了高精度，寬量程時(shí)間計(jì)數(shù)。

1 時(shí)間飛行法的深度信息獲取原理

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

c是光速，Δt是激光發(fā)射和APD接收到回波信號(hào)的時(shí)間差。高精度時(shí)間鑒別是時(shí)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(shí)間差，國(guó)內(nèi)外多個(gè)研究機(jī)構(gòu)對(duì)此問(wèn)題展開(kāi)了研究。針對(duì)時(shí)間差的直接測(cè)量[11]和間接測(cè)量均有深入的研究?；谥苯拥娘w行時(shí)間測(cè)距原理，設(shè)計(jì)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(jì)

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(cè)器需要提供十分穩(wěn)定的偏置電壓源?；谏鲜鲆笤O(shè)計(jì)了以L(fǎng)M64010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(dòng)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(hào)將激光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)。APD的電流與回波信號(hào)功率成線(xiàn)性比例。激光的回波信號(hào)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(gè)目標(biāo)距離有較大差別時(shí)回波信號(hào)的能量有較大區(qū)別，APD的響應(yīng)電流也會(huì)有較大區(qū)別。利用跨阻放大器將APD產(chǎn)生的電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)?？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(diǎn)噪聲，en為正端輸入電壓點(diǎn)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(huì)導(dǎo)致帶寬下降。并且RF如果較大在回波信號(hào)較強(qiáng)的情況下會(huì)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(hào)，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(jì)的可變?cè)鲆婵缱璺糯笃鞯碾娐?，是通過(guò)使用多個(gè)不同跨阻來(lái)實(shí)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(lái)保證電路正常工作，動(dòng)態(tài)范圍被限定住了[14]。文中設(shè)計(jì)的自動(dòng)增益控制電路能夠根據(jù)輸入信號(hào)的幅值自動(dòng)調(diào)節(jié)增益以使輸出信號(hào)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(dòng)增益功能的跨阻放大器。包括跨阻放大和自動(dòng)增益兩個(gè)部分。APD產(chǎn)生的電流信號(hào)經(jīng)過(guò)跨阻放大轉(zhuǎn)化成電壓信號(hào)?？缱璺糯筮^(guò)的電壓信號(hào)輸入到可變?cè)鲆娣糯笃鱒CA821的輸入端，OPA847為了增加放大器的驅(qū)動(dòng)能力，OPA820單位增益放大器和二極管作為電壓檢測(cè)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(dòng)調(diào)制增益，適用于APD接收模擬端。

圖3 自動(dòng)增益跨阻放大器

2.3 時(shí)間鑒別電路

時(shí)刻鑒別電路是檢測(cè)回波信號(hào)是否到達(dá)的關(guān)鍵單元，它根據(jù)回波信號(hào)的幅度來(lái)確定回波信號(hào)是否到來(lái)。激光的回波信號(hào)近似高斯模型[15]。

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

Δt=T2-T1是不同回波信號(hào)引起的誤差。

圖4 回波信號(hào)能量差引起的時(shí)刻漂移

時(shí)刻鑒別的精度和穩(wěn)定性對(duì)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(shí)刻鑒別帶來(lái)的漂移誤差是十分必要的。本文設(shè)計(jì)了與回波信號(hào)強(qiáng)度無(wú)關(guān)的恒定比例時(shí)刻鑒別電路。利用兩個(gè)比較器來(lái)實(shí)現(xiàn)恒定比例時(shí)刻鑒別，比較器的A通道作為固定閾值比較，確保探測(cè)電路接收到回波信號(hào)；比較器B通道是一個(gè)恒比時(shí)刻鑒別電路，正端為衰減k倍的信號(hào)，負(fù)端為經(jīng)過(guò)td延遲信號(hào)。

經(jīng)過(guò)壓縮的信號(hào)y3(t)如式（9），經(jīng)過(guò)延時(shí)的信號(hào)y4(t)如式（10）所示，鑒別信號(hào)的時(shí)刻tp如式（11）所示。時(shí)刻鑒別點(diǎn)tp與回波信號(hào)的幅度無(wú)關(guān)，可以將可變延時(shí)誤差轉(zhuǎn)變?yōu)楣潭ㄑ訒r(shí)。

如圖5所示的恒定比例時(shí)刻鑒別電路可以消除時(shí)間漂移誤差。恒定比例時(shí)刻鑒別電路由TLV3502和74與門(mén)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(jì)，并且能夠保證回波信號(hào)的高精度響應(yīng)。

圖5 恒定比例時(shí)刻鑒別電路

2.4 高精度計(jì)時(shí)單元

2.4.1 時(shí)間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器單元

時(shí)間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器（TDC）能夠?qū)r(shí)間信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，是深度信息獲取的關(guān)鍵元件。TDC的發(fā)展經(jīng)歷了3個(gè)階段：1）純模擬階段，分為時(shí)間電壓轉(zhuǎn)換和模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換兩部實(shí)現(xiàn)；2）全數(shù)字階段，將時(shí)間信號(hào)直接轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)輸出，主要有基于計(jì)數(shù)器和延遲鏈兩種技術(shù)，分辨率受門(mén)延遲限制。3）小于門(mén)延時(shí)精度的TDC，主要思想是用兩個(gè)延遲的差進(jìn)行測(cè)量，可以取得低于門(mén)延遲的測(cè)量精度[16]。文中選用德州儀器最新設(shè)計(jì)的高精度，寬量程時(shí)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(shí)間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器。TDC7200內(nèi)置自校準(zhǔn)時(shí)基，可對(duì)時(shí)間和溫度偏差進(jìn)行補(bǔ)償，這使得該時(shí)間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器在外部16 MHz時(shí)鐘下能夠取得20 ps的精度。TDC7200具有兩種工作模式，測(cè)量范圍分別為 12～500 ns和 250 ns～8 ms可以切換，可以針對(duì)不同環(huán)境需要進(jìn)行調(diào)節(jié)。該TDC有較低的功耗，適合探測(cè)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(shí)間轉(zhuǎn)換器

2.4.2 TDC7200的控制模塊

TDC7200的控制過(guò)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(cè)量模式的指令，待確定了測(cè)量模式后，MSP430向TDC7200發(fā)送計(jì)時(shí)開(kāi)始的指令，TDC7200在start信號(hào)到來(lái)之時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，在接收到探測(cè)器反饋回來(lái)的信號(hào)觸發(fā)stop信號(hào)，時(shí)間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器完成計(jì)時(shí)。計(jì)算與顯示即使結(jié)果。刷新等待下一次的測(cè)量。

圖7 TDC的控制流程圖

3 測(cè)試與實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 測(cè)試結(jié)果

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

表1 多種情況測(cè)距實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.2 放大器信號(hào)抖動(dòng)帶來(lái)的誤差

3.3 TDC的時(shí)間抖動(dòng)誤差

TDC7200是分為粗細(xì)兩個(gè)階段測(cè)量時(shí)間的。計(jì)數(shù)器的誤差來(lái)源于粗細(xì)兩次測(cè)量過(guò)程。時(shí)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(cè)量時(shí)鐘為1～16 MHz。在8 MHz的外部時(shí)鐘下，細(xì)測(cè)量的時(shí)鐘抖動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)差為35 ps。TDC7200細(xì)測(cè)量的時(shí)鐘抖動(dòng)具有累計(jì)效應(yīng)。由粗測(cè)量的時(shí)鐘漂移引起的誤差σtc和由細(xì)計(jì)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(cè)時(shí)誤差為37 ps。表一的1到6欄說(shuō)明隨著量程的擴(kuò)大，隨時(shí)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(shí)刻鑒別能夠減小固定時(shí)刻鑒別帶來(lái)的時(shí)刻漂移誤差。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明本文的設(shè)計(jì)在深度探測(cè)上具備高量程和高精度的特點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了計(jì)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(duì)高精度、寬量程深度獲取原理的研究，提出了相應(yīng)的信號(hào)出路電路。完成了相應(yīng)的電路設(shè)計(jì)，并且對(duì)電路進(jìn)行了測(cè)試。取得了相應(yīng)的測(cè)試結(jié)果，并且分析了主要的誤差來(lái)源。通過(guò)此實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了不同回波強(qiáng)度下，電路依然有很高的精度和量程。說(shuō)明基于APD的深度探測(cè)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(diǎn)，即設(shè)計(jì)的自動(dòng)增益控制電路，時(shí)刻鑒別電路和時(shí)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。