一种应用于直接飞行时间激光雷达的噪声抑制电路

1.本发明属于激光雷达芯片设计技术领域，具体涉及一种应用于直接飞行时间激光雷达的噪声抑制电路。


背景技术：

2.激光雷达在背景光较强的室外工作环境下，单光子雪崩二极管(spad)作为感光元件在探测周期内可能会被噪声提前触发而忽略后来的激光回波信号记录错误信息，这种由于背景光的堆积效应导致有效信号淹没在噪声中，降低了信噪比，影响激光雷达的探测距离。为抑制背景噪声干扰并扩大测距范围，考虑到背景光随机分布在整个时间区间内，而激光信号分布在很窄的区间内符合高斯分布，所以可以通过对到来信号进行时间和空间上的相关性检测来抑制背景噪声的干扰，提高信噪比并扩展激光雷达探测距离。此外，设置相关性检测电路的另一个好处是可以对信号进行片内处理，减少需要读出并处理的数据量，降低对于i/o接口读出速率的需求以及简化后续处理电路逻辑。已有的信号相关性检测电路一般基于移位寄存器或分类器电路结构。
3.基于移位寄存器结构的相关性检测电路如图1所示，每个事件(events)脉冲经过脉冲宽度压缩以及逻辑树综合后将移位寄存器中的逻辑“1”移位，其中移位寄存器通过复位信号(rst)进行零值初始化，并且可外部编程控制的数据选择器将阈值光子个数对应的寄存器输出进行选通，以实现在一定的时间窗口内检测到期望个数的信号后输出valid表征此时信号为经过滤波后的有效信号。
4.而基于分类器的相关性检测电路逻辑如图2所示，图2展示了一种基于4位分类器的相关性检测电路结构，4位分类器由5个2位分类器如图所示连接构成，而2位分类器由与非门和或非门组成，该电路通过外部控制信号(sel)实现了对于像素内4个事件信号的相关性检测和阈值编程可控，当同一时间输入信号为高的个数大于阈值时，输出信号valid翻转为有效的高电平。
5.现有的时间窗口产生电路一般基于如图3所示的压控延迟单元结构，当光子被前端电路检测到并产生events信号时，d触发器dff1的输出q端变高，这个上升沿被压控延迟单元(vcdu)所延迟。延迟过后的上升沿将会被dff2检测到。dff1和dff2会一直保持高电平状态直到被经复位延迟线延迟的rst信号自复位，通过这种方式就可以产生一个宽度能被控制电压vtune所设定的时间窗口。
6.现有的基于移位寄存器的相关性检测电路的缺点是当窗口内光子信号较为密集，到来时间间隔较小时，即便对事件信号进行脉冲压缩在进行逻辑综合时仍可能存在死区时间，导致前一信号的高电平将后续信号的有效上升沿覆盖的问题，导致光子计数的错误。而如果需要对更多空间上的事件信号进行相关性检测，则基于分类器结构的电路面积将会呈指数倍增加，在片内集成时会大大影响填充率，降低光子探测效率。此外，在时间窗口产生逻辑中，使用压控延迟单元的缺点是需要添加额外的可编程基准电压源，从而消耗较大的电路面积，同时这种控制模式受工艺、电压以及温度(pvt)变化的影响较大，精度和线性度
有限。


技术实现要素：

7.为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种应用于直接飞行时间激光雷达的噪声抑制电路。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
8.本发明提供的一种应用于直接飞行时间激光雷达的噪声抑制电路包括：
9.光子到来信号生成电路，用于接收前端电路的单光子雪崩二极管击穿后产生的光子事件信号，并根据所述事件信号产生电平分别至使能信号产生电路以及相关性检测背景噪声滤除电路；
10.所述使能信号产生电路，用于在接收电平后产生使能信号以控制环形振荡器起振；
11.所述环形振荡器，用于在使能信号控制下起振产生时钟，并分别输出至粗量化电路以及细量化电路，以使粗量化电路以及细量化电路分别对所述时钟执行对应的量化，获得各自的量化数据结果；
12.所述相关性检测背景噪声滤除电路，用于对所述电平的电压进行累积对于背景光噪声的滤除，在达到阈值的情况下产生valid信号输出至复位信号产生电路；
13.所述复位信号产生电路，用于接入粗量电路的粗量化数据中选择的部分量化数据，从而确定时间窗口，并在所述时间窗口内根据自身是否输入valid信号的不同情况，产生复位信号以控制所述光子到来信号生成电路、所述使能信号产生电路、所述环形振荡器、所述粗量化电路以及所述细量化电路复位，从而控制时间窗口的宽度，或等待全局复位信号以对应用于激光雷达芯片的时间数字转换器中所有电路复位。
14.可选的，所述在所述时间窗口内根据自身是否输入valid信号的不同情况，产生复位信号以控制所述光子到来信号生成电路、所述使能信号产生电路、所述环形振荡器、所述粗量化电路以及所述细量化电路复位，从而控制时间窗口的宽度，或等待全局复位信号以对应用于激光雷达芯片的时间数字转换器中所有电路复位包括：
15.在所述时间窗口内如果自身未输入所述valid信号，则当在当前时间窗口结束时，产生复位信号以控制所述光子到来信号生成电路、所述使能信号产生电路、所述环形振荡器、所述粗量化电路以及所述细量化电路复位，从而控制时间窗口的宽度；
16.在所述时间窗口内如果输入所述valid信号，则等待全局复位信号以对应用于激光雷达芯片的时间数字转换器中所有电路复位。
17.可选的，所述光子到来信号产生电路由d触发器dff4构成，所述使能信号产生电路由与非门nand1和nand2、或门or1、d触发器dff5和与门and1构成；
18.其中，所述d触发器dff4的数据输出端分别连接与非门nand1和nand2的输入端，非门nand1和nand2的输出端均连接或门or1的输入端，或门or1的输出端连接所述d触发器dff5的数据输入端以及与所述门and1的第一输入端，所述d触发器dff5的输出端连接所述门and1的第二输入端，所述d触发器dff4、所述d触发器dff5的复位端连接所述复位信号产生电路的输出端。
19.可选的，所述相关性检测背景噪声滤除电路由电容c、cm、反相器inv1、inva、invb、invc、invd、d触发器dff6、开关以及数据选择器mux2_1构成；
20.其中，所述多路复用器mux2_1输入端连接所述光子到来信号生成的输入端，所述输出端连接反相器inva的输入端，所述反相器inva的输出端连接电容c的第一端，所述电容c的第二端分别连接开关的第一端以及所述反相器inv1的输入端，所述开关的第二端以及所述反相器inv1的输出端连接反相器invd的输入端，所述反相器invd的输出端连接d触发器dff6的时钟端，所述d触发器dff6的数据端连接电源vdd，所述d触发器dff6的复位端连接所述复位信号产生电路的输出端；所述反相器invb、invc以及电容cm依次连接，所述反相器invb的输入端连接所述使能信号产生电路的输出端，所述电容cm未连接反相器invc的一端连接反相器inv1的输入端；所述d触发器dff6的输出端输出所述valid信号。
21.可选的，所述复位信号产生电路由数据选择器mux8_1、反相器inv2、或非门nor1和非门or3构成；
22.其中，所述数据选择器mux8_1的输入端接入所述粗量化电路的量化数据中选择的部分量化数据，输出端连接所述反相器inv2，所述反相器inv2的输出端连接所述非门nor1的第一输入端，所述非门nor1的第二输入端接入所述valid信号，所述非门nor1的输出端连接所述非门or3的第一输入端，所述非门or3的第二输入端接入全局复位信号gbrst，所述非门or3的输出端输出复位信号rst。
23.本发明的有益效果：
24.本发明的所设计的相关性检测背景噪声滤除电路在消除了死区时间的同时相比于现有技术电路的面积大大减小，在与感光元件完成片内集成时可以提高填充率，提高光子探测效率。此外本发明所设计的运用tdc的自反馈来控制时间窗口的电路，相比现有的压控延迟单元电路简化了电路结构，且窗口宽度可以通过外部编程精确可控。本发明还通过在时间窗口内通过tdc反向启动停止来降低芯片的功耗。
25.以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
附图说明
26.图1为传统事件驱动型背景噪声滤除电路图；
27.图2为一种传统的基于4位分类器的相关性检测电路结构；
28.图3为传统时间窗口产生电路图；
29.图4为本发明实施例提出的一种时间窗口编程可控的时间数字转换器的结构示意图；
30.图5为本发明实施例提供的光子到来信号产生电路和使能信号产生电路电路的结构示意图；
31.图6为本发明实施例提供的相关性检测背景噪声滤除电路的结构示意图；
32.图7为本发明实施例提供的相关性检测背景噪声滤除电路的内部信号时序图；
33.图8为本发明实施例提供的复位信号产生电路的结构示意图；
34.图9为本发明实施例提供的使能信号、复位信号和噪声滤除电路的内部信号时序图。
具体实施方式
35.下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于
此。
36.如图4所示，本发明提供的一种应用于直接飞行时间激光雷达的噪声抑制电路包括：
37.光子到来信号生成电路，用于接收前端电路的单光子雪崩二极管击穿后产生的光子事件信号，并根据所述事件信号产生电平分别至使能信号产生电路以及相关性检测背景噪声滤除电路；
38.所述使能信号产生电路，用于在接收电平后产生使能信号以控制环形振荡器起振；
39.所述环形振荡器，用于在使能信号控制下起振产生时钟，并分别输出至粗量化电路以及细量化电路，以使粗量化电路以及细量化电路分别对所述时钟执行对应的量化，获得各自的量化数据结果；
40.值得说明的是：环形振荡器起振后它内部一直振荡波形就是正弦波，经过反相器就变成具有一定频率的方波了，再作为时钟信号输入到后面由计数器组成的量化电路中。
41.所述相关性检测背景噪声滤除电路，用于对所述电平的电压进行累积对于背景光噪声的滤除，在达到阈值的情况下产生valid信号输出至复位信号产生电路；
42.所述复位信号产生电路，用于接入粗量电路的粗量化数据中选择的部分量化数据，从而确定时间窗口，并在所述时间窗口内根据自身是否输入valid信号的不同情况，产生复位信号以控制所述光子到来信号生成电路、所述使能信号产生电路、所述环形振荡器、所述粗量化电路以及所述细量化电路复位，从而控制时间窗口的宽度，或等待全局复位信号以对应用于激光雷达芯片的时间数字转换器中所有电路复位。
43.本发明的复位信号产生电路在所述时间窗口内如果自身未输入所述valid信号，则当在当前时间窗口结束时，产生复位信号以控制所述光子到来信号生成电路、所述使能信号产生电路、所述环形振荡器、所述粗量化电路以及所述细量化电路复位，从而控制时间窗口的宽度；
44.在所述时间窗口内如果输入所述valid信号，则等待全局复位信号以对应用于激光雷达芯片的时间数字转换器中所有电路复位。
45.参考图4，在前端电路对自身的单光子雪崩二极管进行淬灭，光子到来信号生成电路进行复位并将光子事件电压信号传输给使能信号产生电路和相关性检测电路，使能信号产生电路产生使能信号en来控制环形振荡器的起振并通过粗、细量化电路处理产生相应的量化数据结果，同时相关性检测电路产生的valid信号完成对于背景光噪声的滤除，valid信号和通过外部编码选择的粗量化电路相应的量化输出信号输入到复位信号产生电路，并产生相应的复位信号对电路进行片内的自复位，从而控制时间窗口的宽度。
46.本发明的主要构思在于提供了一种基于模拟逻辑的相关性检测背景噪声滤除电路，对光子事件信号进行背景噪声的滤除来改善堆积失真效应，相较于传统的基于计数器的滤波电路的优势在于可防止对事件到来信号进行整合时前信号对后信号上升沿的覆盖问题，消除了死区时间并大大缩小了电路电路的面积，且对于像素内更多个事件探测单元的应用中，本发明设计的相关性检测背景噪声滤除电路在节省面积上的优势更为显著；同时通过数据选择器选择相应的量化电路的输出信号来控制时间窗口的宽度；并且在时间窗口内通过反向启动停止来降低芯片的功耗。
47.如图5所示，本发明的光子到来信号产生电路由d触发器dff4构成，所述使能信号产生电路由与非门nand1和nand2、或门or1、d触发器dff5和与门and1构成；
48.其中，所述d触发器dff4的数据输出端分别连接与非门nand1和nand2的输入端，非门nand1和nand2的输出端均连接或门or1的输入端，或门or1的输出端连接所述d触发器dff5的数据输入端以及与所述门and1的第一输入端，所述d触发器dff5的输出端连接所述门and1的第二输入端，所述d触发器dff4、所述d触发器dff5的复位端连接所述复位信号产生电路的输出端。
49.图5为本发明提供的前端电路、光子到来信号产生电路和使能信号产生电路。其中前端电路中的单光子雪崩二极管采用无源淬灭模式，spad相当于一个二极管，它工作在盖革模式即反向偏置状态，光子到来时刻它被反向击穿形成大的击穿电流，下面这个nmos作为一个跨接的电阻它两端就会产生高电压，这样就会导致spad两端的电压差降低从而脱离击穿状态，同时电流就变小了促使二极管正极电压降低，从而恢复反偏的状态。光子信号到来发生雪崩击穿后通过d触发器dff3产生事件信号event；光子到来信号产生电路由d触发器dff4构成，当events信号到来时输出低电平给到使能信号产生电路，直至rst信号到来时d触发器完成复位；使能信号产生电路由与非门nand1和nand2、或门or1、d触发器dff5和与门and1构成，在时间窗口内接收到第一个时间信号后输出使能信号en为高电平，直至复位信号rst到来完成复位，en信号恢复到低电平。
50.如图6所示，本发明的所述相关性检测背景噪声滤除电路由电容c、cm、反相器inv1、inva、invb、invc、invd、d触发器dff6、开关以及数据选择器mux2_1构成；
51.其中，所述多路复用器mux2_1输入端连接所述光子到来信号生成的输入端，所述输出端连接反相器inva的输入端，所述反相器inva的输出端连接电容c的第一端，所述电容c的第二端分别连接开关的第一端以及所述反相器inv1的输入端，所述开关的第二端以及所述反相器inv1的输出端连接反相器invd的输入端，所述反相器invd的输出端连接d触发器dff6的时钟端，所述d触发器dff6的数据端连接电源vdd，所述d触发器dff6的复位端连接所述复位信号产生电路的输出端；所述反相器invb、invc以及电容cm依次连接，所述反相器invb的输入端连接所述使能信号产生电路的输出端，所述电容cm未连接反相器invc的一端连接反相器inv1的输入端；所述d触发器dff6的输出端输出所述valid信号。
52.参考图6以及图7，图6所示为本发明提供的相关性背景噪声滤除电路；参图7为本发明提供的当设置sel阈值为3个事件时的模拟电路逻辑相关性检测电路的内部信号时序图。在图6中本结构运用了电荷守恒的原理。在对电容c和cm的预充电阶段开关在en为0的时候接通在en为1的时候断开，使得使能信号en保持低电平接通开关，使得反相器inv1构成由输出信号对输入的反馈来使得输入输出两点的电位保持在vdd/2，通过外部设置sel信号来设置符合相关性探测的一定宽度时间窗口内的光子到来个数阈值，同时en信号控制2选1数据选择器选择输入sel信号对电容进行预充电。在预充电阶段电容c由于两端存在电压差，通过开关s1完成预充电。在探测阶段使能信号en变为高电平控制数据选择器选择输入光子事件到来信号，并使开关断开，此时反相器inv1作为比较器工作。当光子事件信号到来时像素对应的电容的输入端一侧电压被拉到vdd，由于电容输出一侧节点在探测状态下的电荷守恒，节点x的电压也随之升高，当到达阈值时及通过反相器和后续buffer生成上升沿信号触发d触发器dff6生成valid信号。此外，该结构设置了一个额外的小电容cm，该电容
的输入端在预充电阶段接至地，在探测阶段接至恒定的vdd，从而根据x节点的电荷守恒保证当事件个数到达阈值时节点x的电压值会略大于vdd/2，从而保证了反相器正确的翻转生成正确的valid信号，抑制了电路噪声干扰。且由于电容cm的工作特性使得对其容值和线性度的要求不高，可以用mos电容来实现，进一步简化了电路结构。
53.值得说明的是：本发明采用反向启动，即整个tdc的工作模式是反向的。一般的正向启动指的是在探测周期开始的时候开始时间计数，当探测到有效信号到来的时刻停止计数，这样记录的时间就是激光从发射到接收到的飞行时间，但问题是采用正向计数如果探测周期内没有检测到有效信号tdc也会处于振荡工作模式而产生功耗。而本发明采用反向启动模式指的是在探测周期内tdc只在检测到信号时才开始工作，直到周期信号结束才停止，这样由周期时间长度减去记录的时间才是飞行时间，这样的好处是在周期内没有检测到光子到来信号的情况下tdc不工作，降低了功耗。
54.参考图8，如图8所示为本发明提供的复位信号产生电路。本发明的所述复位信号产生电路由数据选择器mux8_1、反相器inv2、或非门nor1和非门or3构成；
55.其中，所述数据选择器mux8_1的输入端接入所述粗量化电路的量化数据中选择的部分量化数据，输出端连接所述反相器inv2，所述反相器inv2的输出端连接所述非门nor1的第一输入端，所述非门nor1的第二输入端接入所述valid信号，所述非门nor1的输出端连接所述非门or3的第一输入端，所述非门or3的第二输入端接入全局复位信号gbrst，所述非门or3的输出端输出复位信号rst。
56.值得说明的是：tdc的12位输出量化数据中由计数器产生的8位数据输出到8选1数据选择器，通过编程控制3位的ws码来选择相应位的量化数据所对应的时间窗口的长度，并在有效事件valid信号、全局复位信号gbrst的控制下产生复位信号rst。
57.如图9所示为本发明实施例提供的使能信号、复位信号和噪声滤除电路的内部信号时序图。图中展示了在两个时间窗口内valid信号分别为有效和无效的两种情况的时序关系。gbrst信号完成全局复位后，在第一个时间窗口win_unvalid中，event1事件信号通过光子到来信号产生电路产生的信号q1经过使能信号产生电路产生en信号驱动tdc工作，由相关性检测背景噪声滤除电路发现一个窗口内检测到的光子数目不足由外部信号sel所设置的4个，valid信号保持为低电平无效，通过8选1数据选择器编程选择tdc输出12位中的第7位cnt6作为时间窗口宽度的对应标量，当cnt6为高电平时触发rst信号复位像素单元完成一个时间窗口的检测。在第二个时间窗口win_valid中valid信号有效，驱动信号rst保持低电平，直到周期信号gbrst到来进行全局复位，在窗口中stop驱动en信号变为低电平停止tdc工作，读出反向的量化数据，经过计算得到相应的光子事件飞行时间。
58.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
59.尽管在此结合各实施例对本技术进行了描述，然而，在实施所要求保护的本技术过程中，本领域技术人员通过查看所述附图、公开内容、以及所附权利要求书，可理解并实现所述公开实施例的其他变化。在权利要求中，“包括”(comprising)一词不排除其他组成部分或步骤，“一”或“一个”不排除多个的情况。
60.以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。