飛行時間測距電路設計

胡美璜 ，陳洪雷 ，丁瑞軍

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

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

基于APD的深度信息探測系統在多個重要領域有重要應用。在航空遙感領域，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]；麻省理工學院林肯國家實驗室利用硅材料實現了64×64像元工作在蓋革模式下的雪崩二極管陣面，并且應用在航空遙感上，每小時能夠獲得400 km2精度為25 cm的圖像[2]。在空間科學領域，法國CEA-LET等機構用碲鎘汞材料雪崩二極管實現了的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]。意大利學者實現了陣列規模達到64×64像元，量程在300～6 000米的，精度自0.2～0.5米的低功耗應用于航天器導航和著陸系統的深度成像系統[4]。天津大學的研究團隊實現了200 ps精度，18位的低功耗計時系統[5]。在汽車自動駕駛領域意大利科研機構用CMOS探測器實現了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米的應用于自動駕駛的深度感知系統[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15cm精度的深度信息探測[9]。在生物和醫學檢測領域哥倫比亞大學和英特爾公司的科學家用130 nm CMOS工藝實現了62.5 ps精度和65 ns量程的高精度生物成像系統[10]。以上反映了基于APD的主動探測技術在未來有巨大的潛力，如何提高探測系統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的恒定比例時間鑒別電路，采用新型時間數據轉換器取得了高精度，寬量程時間計數。

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光子計數法和直接測量兩種方法[6]。間接測量方法包括連續波形測量和脈沖波形測量[8]。時間相關光子測量精度高，但是效率低，并且難以實現，不適合應用在高速成像系統里。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鍵技術。為了獲得高精度的時間差，國內外多個研究機構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，設計了基于碲鎘汞雪崩增益二極管深度信息獲取系統，如圖1所示。

2 系統電路設計

2.1 APD偏置電源電路

圖1 系統結構圖

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定的偏置電壓源。基于上述要求設計了以LM64010芯片為核心的具有高穩定性的偏置電壓源，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定在1.23 V。能夠穩定的輸出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系如式（3）所示。

式中Pr表示APD接收到的功率，Pt激光器發射的功率，ρ目標的反射系數，D距離，α激光在大氣中的衰減系數，Ar接收光學孔徑面積。從式中可以發現當兩個目標距離有較大差別時回波信號的能量有較大區別，APD的響應電流也會有較大區別。利用跨阻放大器將APD產生的電流信號轉化為電壓信號。跨阻放大器的增益如式（4）所示：

跨阻放大器的信噪比[12]：

式中in是負端輸入電流點噪聲，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不同距離的回波信號，西南技術物理研究所的研究人員提出了多種增益放大技術[13]，但是西南技術物理所設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的，不具備自適應功能。南京理工大學的研究人員采用了限幅的方法來保證電路正常工作，動態范圍被限定住了[14]。文中設計的自動增益控制電路能夠根據輸入信號的幅值自動調節增益以使輸出信號穩定，可以應用于復雜環境的三維成像，有利于三維成像系統拓展到遙感等復雜成像領域。

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產生的電流信號經過跨阻放大轉化成電壓信號。跨阻放大過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定。VCA821具有高帶寬和0～42 dB自動調制增益，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的關鍵單元，它根據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，σm標準差。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。假設最大和最小回波的能量對應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。本文設計了與回波信號強度無關的恒定比例時刻鑒別電路。利用兩個比較器來實現恒定比例時刻鑒別，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，負端為經過td延遲信號。

經過壓縮的信號y3(t)如式（9），經過延時的信號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，可以將可變延時誤差轉變為固定延時。

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與門構成。TLV3502是一款高速，低功耗雙通道比較器。有利于系統的小型化和低功耗設計，并且能夠保證回波信號的高精度響應。

圖5 恒定比例時刻鑒別電路

2.4 高精度計時單元

2.4.1 時間數據轉換器單元

時間數據轉換器（TDC）能夠將時間信號轉化為數字信號，是深度信息獲取的關鍵元件。TDC的發展經歷了3個階段：1）純模擬階段，分為時間電壓轉換和模擬數字轉換兩部實現；2）全數字階段，將時間信號直接轉化為數字信號輸出，主要有基于計數器和延遲鏈兩種技術，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計的高精度，寬量程時間數據轉換器TDC7200。TDC7200是一種粗細結合的高精度，寬量程的時間數據轉換器。TDC7200內置自校準時基，可對時間和溫度偏差進行補償，這使得該時間數據轉換器在外部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，可以針對不同環境需要進行調節。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 時間轉換器

2.4.2 TDC7200的控制模塊

TDC7200的控制過程，系統上電后完成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發送選擇測量模式的指令，待確定了測量模式后，MSP430向TDC7200發送計時開始的指令，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stop信號，時間數據轉換器完成計時。計算與顯示即使結果。刷新等待下一次的測量。

圖7 TDC的控制流程圖

3 測試與實驗結果分析

3.1 測試結果

為了測試電路的性能，搭建了相應的測試平臺。測試電源用的是安捷倫E3633A電源，示波器是Tektronix DPO 7354C，函數信號發生器是NI PXIe-1078。首先測試了時間數據轉換器的性能，用函數信號發生器在4 MHz情況下，發送不同延遲的開始和結束信號；模擬探測器測試了整個系統的性能，如表1所示。實驗結果表明TDC的量程能夠達到200 μs對應的量程達到30 km，TDC的最小量程在10 ns，對應的空間距離是1.5 m，設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是分為粗細兩個階段測量時間的。計數器的誤差來源于粗細兩次測量過程。時間數據轉換器的誤差為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，細測量的時鐘抖動標準差為35 ps。TDC7200細測量的時鐘抖動具有累計效應。由粗測量的時鐘漂移引起的誤差σtc和由細計數引起的誤差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。實驗數據表明本文的設計在深度探測上具備高量程和高精度的特點，實驗實現了計劃的目的。

4 結 論

文中在系統研讀了前人的工作基礎上，針對高精度、寬量程深度獲取原理的研究，提出了相應的信號出路電路。完成了相應的電路設計，并且對電路進行了測試。取得了相應的測試結果，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的深度探測系統在獲得非合作目標的深度信息上具有高量程、高精度和穩定性好的特點，即設計的自動增益控制電路，時刻鑒別電路和時間數據轉換器適合用在遠距離高精度深度信息獲取上。