资源有限FPGA的多通道时间-数字转换系统

基于Xilinx XC2V3000芯片设计了一种应用于星载多通道快速激光三维成像雷达中的抗辐照增强型时间-数字转换(Time-to-Digital Converter, TDC)系统.单板2片FPGA内实现了16通道高精度时间间隔测量.采用了多延时链冗余结构,每个测时通道由3个物理测时链路组成,最后通过三模冗余增强抗单粒子翻转能力.并应用了通道均匀性校准修正技术,解决了多通道测时均匀性问题.实验结果表明,系统测时精度达到62.9 ps,通道一致性较好,满足激光雷达三维成像要求,同时该技术方案具有低功耗、轻量化等特点.     

光子计数成像激光雷达时间间隔测量系统研究

光子计数成像激光雷达需要测量一个激光主波和与之对应的多个回波之间的时间间隔,并具有高精度.采用延迟线插入法时间间隔测量技术,研制了具有27ps分辨率的多脉冲时间间隔测量系统,介绍了系统的软硬件结构及工作流程,测试了精度和线性度等指标,实验结果表明系统精度达到80ps,线性度良好.     

基于TDC的自动驾驶激光雷达测距方法研究

在应用于自动驾驶的相位调制连续波（PhMCW）激光雷达测距系统中,测量中频（IF）信号的脉冲宽度是关键问题,时间数字转换器（TDC）模块对IF信号的测量决定了PhMCW激光雷达的测距范围与精度。然而传统的TDC实现方法测量范围很小,且实现大测量范围时系统复杂度高,难以应用于自动驾驶。为了实现高精度大范围的TDC模块,采用基于现场可编程门阵列（FPGA）的严格计数链法,在保证比较高的测量精度的前提下,增加很少的资源使用量就可以扩大测量范围,设计简单。该TDC模块能够实现1.24μs的时间测量范围,对应最大探测距离为186 m。利用信号源产生不同脉宽的被测信号进行实际测试,获得了最佳为26.42 ps的测量精度,对应测距精度为3.96 mm,优于现有商用激光雷达50 mm的测距精度。对200 ns脉宽的过采样数据包进行了频谱分析,证明了TDC测试结果受开关电源噪声影响。最后,搭建PhMCW激光雷达系统进行应用验证,实现了0.3～7 m飞行时间探测,从而证明了该TDC测量方法的可行性。该方法在激光雷达测距领域具有广阔的应用前景。     

面向SNSPD系统的可拓展时间抖动测量模块

针对超导纳米线单光子探测器(SNSPD)应用需求的多样化,设计了一款面向SNSPD的可拓展时间抖动测量模块。基于对SNSPD系统时间抖动测量原理的分析,设计了数字化单元、时间数字转换(TDC)单元和现场可编程门阵列(FPGA)单元,实现对SNSPD输出信号的数字化、时间信息测量以及数据读取。对该模块TDC单元的分辨率、线性度和时间精度分别标定,测试结果表明TDC单元的分辨率好于55ps,测量数据呈线性,100ns以内时间精度低于36ps。通过结合实用化SNSPD系统,实现了100ps左右的时间抖动表征,并与商用时间相关单光子计数(TCSPC)模块进行对比,验证了该模块对于SNSPD系统时间抖动测量的可行性。     

基于TDC-GP2的高精度时差测量系统设计

通过对时间数字转换法进行时间间隔测量分析,设计出一款基于通用型TDC测量模块TDC-GP2的高精度时差测量系统。该系统测量范围为0~18 μs,精度可达到70 ps,有效地解决了激光测距、激光雷达等应用中高精度时差测量的问题。     

高精度事件计时器的设计与实现

高频率、大范围和高精度是现代卫星/月球激光测距(SLR/LLR)的发展趋势,需要高精度事件计时器作为其时问测量单元.分析研究了事件计时器测量时间的原理,并基于时间数字转换(TDC)和现场可编程门阵列(FPGA)技术,用TDC芯片测量微小时间间隔,同时结合FPGA芯片设计和实现整个高精度事件计时器.进行了信号周期测量实验,结果表明,该测量仪准确度高,标准偏差值优于50 ps,系统误差小于11 ps,量程为24 h,温度漂移小于100 fs/℃,短期稳定性好于±3ps/h.     

光子计数激光测深系统

设计了一套基于光子计数探测体制的激光雷达水深探测系统,该系统工作波长为532 nm,单脉冲激光能量为0.5 J,脉冲宽度为400 ps,激光重频为10 kHz,单光子探测器死时间为22 ns,时间间隔分辨率为50 ps。首先介绍了光子计数探测体制激光雷达用于水深探测的基本原理及其相对于传统机载激光测深雷达的优越性;然后分析了水底回波信号产生的平均光电子数与系统单脉冲激光能量的关系,从而理论求取出该系统的极限测深能力为3.7 m左右。最后进行了外场实地试验,对所获激光雷达点云数据进行滤波和解算,成功测得了透明盘深度为1.2 m的浑浊水体深度为2 m以内的水下信息。     

高精度多波束激光雷达时间间隔并行测量技术研究

基于延迟线内插原理,设计了一种基于FPGA的多路时间间隔并行 测量方法。该方法可以解决多波束激光雷达的同时测量问题,其通道可达52波束。本文系统主要由 脉冲整形电路、测量电路以及数据处理模块等组成。实验结果表明,各通道的综合 测时均方差范围为59.55～70.06 ps,各通道平均值的均匀性为446.8 ps,一致性误 差较小。由于具有性能稳定、精度高、体积小以及使用方便等优点,该系统可以为高精度多通道信息获取技 术在多波束机载激光雷达中的广泛应用提供技术基础。     

可用于激光雷达的量子光学技术

为了研究量子关联测量和Hong-Ou-Mandel干涉测量在激光雷达探测上的潜在应用,采用基于色散位移光纤制备关联双光子源的方法和全同光子的Hong-Ou-Mandel干涉原理,搭建了关联双光子产生平台和Hong-Ou-Mandel干涉平台,进行了理论分析和实验检测。结果表明,制备出的关联双光子源,其双光子产生率最高约8kHz,符合/偶然符合计数比最大值约为15,验证了双光子源的量子关联特性;测试了两路弱相干-单光子源的Hong-Ou-Mandel干涉,干涉可见度为0.41±0.01,若将一路光子信号作为激光雷达的回波信号,Hong-Ou-Mandel干涉测量可以将激光雷达的时间测量精度提升到0.95ps±0.03ps,对应空间分辨率为284.06μm±9.94μm。相关实验结果为后续研究不同体制的量子光学-激光雷达技术奠定了基础。     

光子计数激光雷达游走误差与时间抖动的研究

光子计数激光雷达具有灵敏度高、体积小等特点,是未来远距离探测激光雷达的发展方向。光子计数激光雷达在探测时会产生游走误差,从而影响系统的测距精度。文章就游走误差与探测器时间抖动之间的关系进行了理论分析与实验验证。首先,基于激光雷达方程、单光子探测器时间抖动与光子计数探测的概率统计特性,建立了激光回波信号与探测器时间抖动的数学模型;然后使用该模型进一步推导了探测器时间抖动与游走误差之间的关系,计算分析与仿真实验都表明:系统的游走误差与探测器时间抖动呈正相关关系。最后,使用拥有不同时间抖动的单光子探测器进行了实验,实验结果表明:当探测器时间抖动标准差分别为15,350和1152ps时,游走误差分别为0.88,2.55和12.56cm。     

A 100-ps time-resolution CMOS time-to-digital converter for positron emission tomography imaging applications

An integrated CMOS subnanosecond time-to-digital converter (TDC) has been developed and evaluated for positron emission tomography (PET) front-end applications. The TDC architecture combines an accurate digital counter and an analog time interpolation circuit to make the time interval measurement. The dynamic range of the TDC is programmable and can be easily extended without any timing resolution degradation. The converter was designed to operate over a reference clock frequency range of 62.5 MHz up to 100 MHz and can have a bin size as small as 312.5 ps LSB with 100-ns conversion times. Measurements indicate the TDC achieves a DNL of under /spl plusmn/0.20 LSB and INL less than /spl plusmn/0.30 LSB with an rms timing resolution of 0.312 LSB (97.5 ps), very close to the theoretical limit of 0.289 LSB (90 ps). The design is believed to be the first fully integrated CMOS subnanosecond TDC used in PET medical imaging and the first realization of a CMOS TDC that achieves an rms timing resolution below 100 ps within a 100-ns conversion time.     

单光子探测InGaAs雪崩焦平面像素级高分辨率低误码时间数字转换电路

单光子探测在量子信息、生物医学、激光雷达成像等领域具有重要应用前景,InGaAs盖革雪崩焦平面具有单光子探测灵敏度,通过计量光子飞行时间实现距离探测,时间数字转换精度决定整个探测系统的测距精度,是近年来单光子探测领域的研究热点。设计了一款64×64面阵型像素级高分辨低误码时间数字转换阵列电路（Time to Digital Converter, TDC）,采用局部共享型高中低三段式异步周期TDC结构。低段位TDC全阵列共享,基于压控延迟链（Voltage Control Delay Line, VCDL）分相时钟实现亚纳秒计时;中高段位每个像素独享,中段位采用分频计数器降低时钟频率,降低阵列整体功耗,高段位采用线性反馈移位寄存器实扩展计时量程并实现计时、数据存储、输出一体化。采用延迟采样方案显著降低了因段间计数时钟不匹配导致的数据锁存误码问题。采用0.18 μm CMOS工艺流片,实测250 MHz参考时钟频率下分辨率0.5 ns,积分非线性?0.4~0.6 LSB,微分非线性?0.4~0.4 LSB,TDC转换单调,有效量程位数13位,20 kHz帧频功耗380.5 mW。     

GM-APD阵列高精度像素读出电路设计

提出并设计了一种适用于激光3D成像的盖革模式雪崩光电二极管（Geiger-mode avalanche photodiode,GM-APD）阵列像素读出电路。基于飞行时间（time-of-flight,TOF）原理,像素读出电路主要由两部分组成:有源淬火电路（active quenching circuit,AQC）和时间数字转换器（time-to-digital converter,TDC）。所采用的TDC是粗细结合的两段式计数方式,成功实现了时钟频率和时间分辨率间的折中。基于内插技术,由粗计数的线性反馈移位寄存器和细计数的延时线型TDC共同实现了高达18-bit的动态范围。同时两者的时钟频率分别降低至250 MHz和500 MHz,分别是常规设计频率的1/20和1/10,大大降低了设计和应用难度。电路采用SMIC 0.18 m工艺设计,后仿结果显示达到了200 ps的高精度时间分辨率,对应的距离分辨率为3 cm,完全能够满足3 km激光3D成像中的测距要求。像素电路版图面积小于5095 m2,总功耗为0.89 mW,具有小面积和低功耗的优势。     

An 11-bit high-resolution and adjustable-range CMOS time-to-digital converter for space science instruments

An 11-bit time-to-digital converter (TDC) with high time resolution implemented in CMOS VLSI is presented. The TDC operates with a wide and clock-adjustable resolution of LSB = 50 ps to 1 ns, and with good power supply, temperature, and environmental effects compensation. The dead time of the measurement is as low as 0.5 /spl mu/s and the event rate can be as high as 1 MEvents/s. The power dissipation is a function of event rate and clock frequency; the TDC dissipates <10 mW at an event rate of 100 kEvents/s and LSB=100 ps. The TDC was incorporated in a complete time-of-flight (TOF) system on a chip that in addition included front-end analog signal processing. The TOF chip is already flying onboard the HENA (High Energy Neutral Atoms) instrument of the IMAGE NASA mission, launched in 2000, and is part of many other instruments such as particles, X-ray, and the laser altimeter of the Messenger spacecraft.     

高精度事件计时器及其在卫星激光测距应用

高重复率卫星激光测距需采用事件计时方式记录激光发射和接收时刻,作为测距系统精密计时单元。本文介绍了事件计时器测量原理,以及上海天文台基于时间数字转换(TDC)和现场可编程门阵列(FPGA)所设计开发的高精度事件计时器。对该事件计时器性能进行了测试,计时精度优于10 ps,非线性误差在数皮秒内。利用上海天文台卫星激光测距系统,进行了事件计时器控制软件开发,对地面靶目标和卫星进行了观测。根据国际激光测距数据处理中心反馈,卫星测量误差达到国外同类事件计时器水平,满足卫星激光测距应用要求。     

用于超快光计时的时间数字转换器

设计了一款基于延迟锁定环(DLL)和同步计数器结构的10位片上时间数字转换电路(TDC).采用两步层级设计方法,利用同步计数器进行粗量化输出6位二进制码,量化时钟周期的整数倍,再利用高性能差分DLL输出16路固定相移的时钟信号采样,精量化不足一个时钟周期的部分,输出4位温度计码.该结构可以提供较好的精度、动态范围以及转换速度,与传统的子门延时TDC相比,该结构TDC占用的芯片面积更少,转换速度更高,受工艺、电压及温度影响更少.仿真结果表明:该TDC具有LSB 62.5 ps和MSB 64 ns的动态范围,满足一般与时间相关的单光子计数需要.     

微型化自由运行InGaAs/InP单光子探测器(特邀)

单光子探测器具有最高的光探测灵敏度,在激光雷达系统中使用单光子探测器可以极大提升系统的综合性能。近红外二区(1.0～1.7μm)激光具有大气透过率高、散射弱、太阳背景辐射弱等优势,是大气遥感、三维成像等激光雷达系统的理想工作波段。研制了一种基于InGaAs/InP负反馈雪崩光电二极管的微型化自由运行单光子探测器。该探测器长宽高为116 mm×107.5 mm×80 mm,在1.5μm最大探测效率超过35%,时间抖动(半高宽)低至80 ps。为满足激光雷达系统对光子飞行时间测量的需求,探测器内部集成时间数字转换(TDC)功能,时间精度100 ps。同时,探测器集成一套后脉冲修正及计数率修正算法,可以有效降低探测器所引起的雷达信号畸变。