论文部分内容阅读
雪崩光电二极管(Avalanche Photon Diode,APD)作为一种新型光电探测器,在激光测距成像、光通信等领域得到广泛地应用。工作在盖革模式下的APD(Geiger-mode Avalanche Photon Diode,GM-APD)探测器具备单光子探测能力,能够直接输出数字脉冲信号,具有探测效率高、体积小、维护方便等优点。读出电路作为连接单光子探测器和后续成像系统之间的桥梁,起着至关重要的作用。但是随着APD阵列探测器规模的不断增大,APD阵列探测器的寄生效应、噪声干扰等非理想因素对读出电路的负面影响越发严重,导致读出电路的设计复杂度和成本急剧增加,严重限制了APD阵列探测器的应用。因此本文针对GM-APD阵列探测器读出电路淬灭时间长、测距精度低等问题,在研究GM-APD阵列探测器工作原理的基础上,进行读出电路的设计。本文主要研究内容及成果如下:1)基于GM-APD阵列探测器激光测距成像系统的工作原理,对读出电路系统的架构和时序进行设计。结合被动淬灭电路对GM-APD探测器的电学模型开展研究与分析。2)针对GM-APD阵列探测器读出电路淬灭时间长、响应速度慢等问题,提出一种雪崩信号探测单元的设计方法。主要包括:提出一种电容淬灭的电路结构,有效降低淬灭电路的死区时间。根据GM-APD探测器的工作特性对雪崩信号放大电路、鉴别与整形电路和脉冲触发电路进行设计,并通过Multisim软件进行仿真验证。3)针对GM-APD阵列探测器读出电路测量精度低、测距误差大等问题,给出一种时间数字转换单元的设计方案。基于FPGA开发平台,在研究时间间隔测量原理的基础上,确定采用粗计数与细计数相结合的方式进行设计。其中粗计数模块采用直接计数法实现,细计数模块由抽头延迟链实现,并通过Modelsim软件进行仿真验证,实现待测时间间隔的测量。4)搭建GM-APD阵列探测器激光测距系统的实验平台,对所设计的读出电路进行实验验证。结果表明本文设计的读出电路淬灭时间为18ns,时间数字转换单元的分辨率为125ps,测量精度在0.20LSB-0.70LSB之间,测距范围在30cm-2km之间,实际测距误差小于45cm,为后续大规模全集成焦平面阵列探测器读出电路的设计提供了良好的基础。