本發(fā)明屬于脈沖相機(jī)領(lǐng)域，具體地說(shuō)是一種基于spad陣列的脈沖相機(jī)實(shí)現(xiàn)方法。

背景技術(shù)：

1、基于脈沖成像理論所制作的脈沖相機(jī)在高速成像，目標(biāo)追蹤以及基于脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能成像等領(lǐng)域擁有巨大潛力。脈沖相機(jī)通過(guò)感光器件捕獲光子，累計(jì)達(dá)到設(shè)定閾值時(shí)產(chǎn)生脈沖，據(jù)此可以重構(gòu)任意時(shí)刻的光強(qiáng)，從而實(shí)現(xiàn)連續(xù)時(shí)間的高速成像。現(xiàn)有基于cis制作的脈沖相機(jī)成像芯片利用比較器進(jìn)行閾值判斷，消耗大量芯片，且探測(cè)靈敏度有限。單光子雪崩二極管(spad)作為一種光電探測(cè)器件，具有響應(yīng)快，增益高等特點(diǎn)。當(dāng)spad檢測(cè)到光子輸入時(shí)，在淬滅電路的共同作用下輸出一個(gè)脈沖信號(hào)。基于spad器件可以直接輸出進(jìn)行脈沖成像的脈沖流，完成脈沖相機(jī)的功能。但由于對(duì)不同背景光強(qiáng)光子響應(yīng)能力不同以及僅記錄單個(gè)光子的響應(yīng)具有較低的信噪比，故需要一種適合spad的脈沖相機(jī)實(shí)現(xiàn)方法來(lái)解決spad脈沖相機(jī)適應(yīng)不同場(chǎng)景以及信噪比較低的問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提供一種基于spad陣列的脈沖相機(jī)實(shí)現(xiàn)方法，用以解決現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷。

2、本發(fā)明通過(guò)以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：

3、一種基于spad陣列的脈沖相機(jī)實(shí)現(xiàn)方法，包括如下步驟：

4、步驟一：通過(guò)數(shù)字邏輯系統(tǒng)將spad陣列像素輸出的表示光子的脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化成代表一定時(shí)間內(nèi)n個(gè)光子被探測(cè)到的一個(gè)n光子脈沖信號(hào)；其中n為大于等于1的整數(shù)；

5、步驟二：按照預(yù)設(shè)讀出時(shí)序依次對(duì)一行像素中各個(gè)像素的n光子脈沖信號(hào)進(jìn)行循環(huán)讀出，得到各個(gè)像素n光子脈沖信號(hào)序列；

6、步驟三：各個(gè)像素輸出的n光子脈沖序列中n光子脈沖信號(hào)之間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對(duì)光強(qiáng)的推導(dǎo)，完成脈沖相機(jī)探測(cè)功能。

7、如上所述的一種基于spad陣列的脈沖相機(jī)實(shí)現(xiàn)方法，所述的數(shù)字邏輯系統(tǒng)包括光子計(jì)數(shù)模塊，計(jì)數(shù)比較模塊，計(jì)數(shù)復(fù)位模塊。

8、如上所述的一種基于spad陣列的脈沖相機(jī)實(shí)現(xiàn)方法，所述的光子計(jì)數(shù)模塊用于將spad光子探測(cè)器像素輸出的光子信號(hào)進(jìn)行累積計(jì)數(shù)。

9、如上所述的一種基于spad陣列的脈沖相機(jī)實(shí)現(xiàn)方法，所述的計(jì)數(shù)比較模塊用于將所述光子計(jì)數(shù)模塊輸出的光子計(jì)數(shù)值與設(shè)置閾值n進(jìn)行比較，當(dāng)所述光子計(jì)數(shù)模塊計(jì)數(shù)值累計(jì)達(dá)到設(shè)置閾值n時(shí)，輸出n光子脈沖信號(hào)。

10、如上所述的一種基于spad陣列的脈沖相機(jī)實(shí)現(xiàn)方法，所述的計(jì)數(shù)復(fù)位模塊用于根據(jù)所述計(jì)數(shù)比較模塊輸出n光子脈沖信號(hào)對(duì)所述光子計(jì)數(shù)模塊進(jìn)行復(fù)位。

11、如上所述的一種基于spad陣列的脈沖相機(jī)實(shí)現(xiàn)方法，所述的步驟二中的讀出時(shí)序?qū)⑾袼仃嚵懈鱾€(gè)像素內(nèi)部的數(shù)字邏輯系統(tǒng)輸出的n光子脈沖信號(hào)按時(shí)序輸出。

12、如上所述的一種基于spad陣列的脈沖相機(jī)實(shí)現(xiàn)方法，所述的步驟三中通過(guò)累計(jì)計(jì)數(shù)法或脈沖間隔法重構(gòu)成表達(dá)光強(qiáng)的灰度圖像。

13、如上所述的一種基于spad陣列的脈沖相機(jī)實(shí)現(xiàn)方法，所述的累計(jì)計(jì)數(shù)法的具體操作為：對(duì)一段時(shí)間內(nèi)輸出的脈沖信號(hào)序列脈沖個(gè)數(shù)進(jìn)行累計(jì)計(jì)數(shù)，得到該段時(shí)間該像素探測(cè)到代表光強(qiáng)信息的灰度值。

14、如上所述的一種基于spad陣列的脈沖相機(jī)實(shí)現(xiàn)方法，所述的脈沖間隔法的具體操作為：對(duì)像素輸出的兩個(gè)脈沖之間的讀出周期進(jìn)行計(jì)數(shù)，得到代表積累n光子所需要的時(shí)間，光強(qiáng)累計(jì)時(shí)間的倒數(shù)即為該時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的灰度值。

15、如上所述的一種基于spad陣列的脈沖相機(jī)實(shí)現(xiàn)方法，所述的spad陣列由m列n行像素單元排布組成，基于所述讀出時(shí)序每行m個(gè)像素依次連接，并在每行末尾完成該行各像素?cái)?shù)據(jù)的輸出；每行m個(gè)像素內(nèi)包含讀出移位寄存器依次相連，并在統(tǒng)一讀出信號(hào)與讀出時(shí)鐘的控制下，實(shí)現(xiàn)整行像素?cái)?shù)據(jù)的讀出；像素單元包括spad器件、淬滅電路、光子計(jì)數(shù)電路、比較鎖存電路，計(jì)數(shù)復(fù)位電路，鎖存復(fù)位電路、讀出移位寄存器。

16、如上所述的一種基于spad陣列的脈沖相機(jī)實(shí)現(xiàn)方法，所述的光子計(jì)數(shù)電路由n位d觸發(fā)器組成，輸出n比特二進(jìn)制數(shù)值表示所記錄spad陣列輸出數(shù)字脈沖個(gè)數(shù)；計(jì)數(shù)器的復(fù)位由所述計(jì)數(shù)復(fù)位電路控制。

17、如上所述的一種基于spad陣列的脈沖相機(jī)實(shí)現(xiàn)方法，所述的比較鎖存電路由數(shù)字比較器和d觸發(fā)器組成；所述比較鎖存電路由外部輸入m位二進(jìn)制碼值，確定光子閾值；當(dāng)光子計(jì)數(shù)電路輸出計(jì)數(shù)值等于所設(shè)光子閾值時(shí)輸出高電平“1”，并由鎖存器鎖存；當(dāng)光子計(jì)數(shù)電路輸出計(jì)數(shù)值未達(dá)到所設(shè)光子閾值時(shí)輸出保持低電平“0”，鎖存器不產(chǎn)生響應(yīng)。

18、如上所述的一種基于spad陣列的脈沖相機(jī)實(shí)現(xiàn)方法，所述的鎖存復(fù)位電路用于根據(jù)讀出信號(hào)的觸發(fā)對(duì)比較鎖存電路中d觸發(fā)器進(jìn)行復(fù)位；所述復(fù)位方法保證電路計(jì)數(shù)功能與比較功能不受后續(xù)讀出時(shí)序的影響正常完成工作。

19、如上所述的一種基于spad陣列的脈沖相機(jī)實(shí)現(xiàn)方法，所述的計(jì)數(shù)復(fù)位電路用于根據(jù)比較鎖存電路輸出對(duì)光子計(jì)數(shù)電路中計(jì)數(shù)器進(jìn)行復(fù)位。

20、如上所述的一種基于spad陣列的脈沖相機(jī)實(shí)現(xiàn)方法，所述的讀出移位寄存器包括二選一選擇器和d觸發(fā)器；所述的二選一選擇器受到所述讀出信號(hào)的控制，控制本像素內(nèi)數(shù)據(jù)或前一像素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)入d觸發(fā)器；所述的d觸發(fā)器輸出端連接下一像素的二選一選擇器；所述的d觸發(fā)器在所述讀出時(shí)鐘控制下完成像素間數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)移與讀出。

21、本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是：本發(fā)明能夠解決spad脈沖相機(jī)適應(yīng)不同場(chǎng)景以及信噪比較低的問(wèn)題，從而使其能夠得到廣泛的推廣和應(yīng)用。

技術(shù)特征：

1.一種基于spad陣列的脈沖相機(jī)實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于：包括如下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于spad陣列的脈沖相機(jī)實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于：所述的數(shù)字邏輯系統(tǒng)包括光子計(jì)數(shù)模塊，計(jì)數(shù)比較模塊，計(jì)數(shù)復(fù)位模塊；

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于spad陣列的脈沖相機(jī)實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于：所述的步驟二中的讀出時(shí)序?qū)⑾袼仃嚵懈鱾€(gè)像素內(nèi)部的數(shù)字邏輯系統(tǒng)輸出的n光子脈沖信號(hào)按時(shí)序輸出。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于spad陣列的脈沖相機(jī)實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于：所述的步驟三中通過(guò)累計(jì)計(jì)數(shù)法或脈沖間隔法重構(gòu)成表達(dá)光強(qiáng)的灰度圖像；

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于spad陣列的脈沖相機(jī)實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于：所述的spad陣列由m列n行像素單元排布組成，基于所述讀出時(shí)序每行m個(gè)像素依次連接，并在每行末尾完成該行各像素?cái)?shù)據(jù)的輸出；每行m個(gè)像素內(nèi)包含讀出移位寄存器依次相連，并在統(tǒng)一讀出信號(hào)與讀出時(shí)鐘的控制下，實(shí)現(xiàn)整行像素?cái)?shù)據(jù)的讀出；像素單元包括spad器件、淬滅電路、光子計(jì)數(shù)電路、比較鎖存電路，計(jì)數(shù)復(fù)位電路，鎖存復(fù)位電路、讀出移位寄存器。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種基于spad陣列的脈沖相機(jī)實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于：所述的光子計(jì)數(shù)電路由n位d觸發(fā)器組成，輸出n比特二進(jìn)制數(shù)值表示所記錄spad陣列輸出數(shù)字脈沖個(gè)數(shù)；計(jì)數(shù)器的復(fù)位由所述計(jì)數(shù)復(fù)位電路控制。

7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種基于spad陣列的脈沖相機(jī)實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于：所述的比較鎖存電路由數(shù)字比較器和d觸發(fā)器組成；所述比較鎖存電路由外部輸入m位二進(jìn)制碼值，確定光子閾值；當(dāng)光子計(jì)數(shù)電路輸出計(jì)數(shù)值等于所設(shè)光子閾值時(shí)輸出高電平“1”，并由鎖存器鎖存；當(dāng)光子計(jì)數(shù)電路輸出計(jì)數(shù)值未達(dá)到所設(shè)光子閾值時(shí)輸出保持低電平“0”，鎖存器不產(chǎn)生響應(yīng)。

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種基于spad陣列的脈沖相機(jī)實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于：所述的鎖存復(fù)位電路用于根據(jù)讀出信號(hào)的觸發(fā)對(duì)比較鎖存電路中d觸發(fā)器進(jìn)行復(fù)位；所述復(fù)位方法保證電路計(jì)數(shù)功能與比較功能不受后續(xù)讀出時(shí)序的影響正常完成工作。

9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種基于spad陣列的脈沖相機(jī)實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于：所述的計(jì)數(shù)復(fù)位電路用于根據(jù)比較鎖存電路輸出對(duì)光子計(jì)數(shù)電路中計(jì)數(shù)器進(jìn)行復(fù)位。

10.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種基于spad陣列的脈沖相機(jī)實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于：所述的讀出移位寄存器包括二選一選擇器和d觸發(fā)器；所述的二選一選擇器受到所述讀出信號(hào)的控制，控制本像素內(nèi)數(shù)據(jù)或前一像素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)入d觸發(fā)器；所述的d觸發(fā)器輸出端連接下一像素的二選一選擇器；所述的d觸發(fā)器在所述讀出時(shí)鐘控制下完成像素間數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)移與讀出。

技術(shù)總結(jié)
一種基于SPAD陣列的脈沖相機(jī)實(shí)現(xiàn)方法，包括如下步驟：步驟一：通過(guò)數(shù)字邏輯系統(tǒng)將SPAD陣列像素輸出的表示光子的脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化成代表一定時(shí)間內(nèi)n個(gè)光子被探測(cè)到的一個(gè)n光子脈沖信號(hào)；其中n為大于等于1的整數(shù)；步驟二：按照預(yù)設(shè)讀出時(shí)序依次對(duì)一行像素中各個(gè)像素的n光子脈沖信號(hào)進(jìn)行循環(huán)讀出，得到各個(gè)像素n光子脈沖信號(hào)序列；步驟三：各個(gè)像素輸出的n光子脈沖序列中n光子脈沖信號(hào)之間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對(duì)光強(qiáng)的推導(dǎo)，完成脈沖相機(jī)探測(cè)功能。本發(fā)明能夠解決SPAD脈沖相機(jī)適應(yīng)不同場(chǎng)景以及信噪比較低的問(wèn)題，從而使其能夠得到廣泛的推廣和應(yīng)用。

技術(shù)研發(fā)人員：孔祥順,張涵崢,毛成,閆鋒
受保護(hù)的技術(shù)使用者：南京大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/9