窄脈沖激光引信高速二值數(shù)字采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

馬 珩，涂建平，梁 謙

(中國空空導(dǎo)彈研究院，河南洛陽 471009)

0 引言

激光引信具有抗電磁干擾能力強(qiáng)、成本低和啟動(dòng)精度高等優(yōu)點(diǎn)，但也存在著受自然環(huán)境如云霧、沙塵等影響較大的缺點(diǎn)[1]。

DPSSL(半導(dǎo)體泵浦固體激光器)具有峰值功率高、發(fā)射脈沖窄、體積小、重量輕[2]等優(yōu)點(diǎn)，能夠有效提高激光引信的探測信噪比和測距精度，從而提高激光引信的抗干擾能力。DPSSL激光引信發(fā)射脈寬很窄，一般小于3ns，相應(yīng)的回波脈沖也很窄，如何對其進(jìn)行信號處理是一個(gè)難點(diǎn)。文獻(xiàn)[3－4]都提出了一種針對脈沖激光引信的高精度定距方法，達(dá)到了800MHz的工作頻率。但對于窄脈沖激光引信來說，僅實(shí)現(xiàn)高速定距是不夠的，因?yàn)闊o法提取出回波信號中所包含的其他信息。為滿足窄脈沖激光引信的需要，文中設(shè)計(jì)了一種基于FPGA倍頻移相技術(shù)的高速二值數(shù)字采集系統(tǒng)，不僅可實(shí)現(xiàn)高精度定距，而且可以獲得回波波形、脈寬等信息。

1 高速二值數(shù)字采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 窄脈沖激光引信工作原理

圖1為窄脈沖激光引信系統(tǒng)的原理框圖。系統(tǒng)主要分為激光器、探測器及相應(yīng)的光學(xué)系統(tǒng)和電路組成的探測前端、信號預(yù)處理單元及目標(biāo)識別單元三個(gè)部分。

系統(tǒng)的工作流程為：信號預(yù)處理單元產(chǎn)生發(fā)射基準(zhǔn)脈沖，控制激光器的驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)激光器發(fā)光，發(fā)光的同時(shí)產(chǎn)生同步脈沖信號，激光經(jīng)發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)整形后向空間輻射。接收光學(xué)系統(tǒng)接收回波信號，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換和前放放大后進(jìn)入比較器與門限進(jìn)行比較，然后送入信號預(yù)處理單元。信號預(yù)處理器通過高速采集得到二值化的回波數(shù)據(jù)序列，然后將數(shù)據(jù)送入目標(biāo)識別單元，目標(biāo)識別單元根據(jù)這些信息綜合判斷是否目標(biāo)。

文中所設(shè)計(jì)的高速二值數(shù)字采集系統(tǒng)屬于信號預(yù)處理單元，完成對回波脈沖二值采樣的工作。

圖1 窄脈沖激光引信原理框圖

1.2 高速二值數(shù)字采集系統(tǒng)模塊組成及工作原理

如圖2所示，數(shù)字采集系統(tǒng)主要由時(shí)鐘模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)重組模塊組成。時(shí)鐘模塊產(chǎn)生并分配其他模塊所需的各種時(shí)鐘信號。系統(tǒng)的片外時(shí)鐘為40MHz，而數(shù)據(jù)采集需達(dá)到1GHz以上的采樣率，因此采用了FPGA倍頻移相的方法。文中選用Xilinx公司Virtex-5系列芯片，利用其內(nèi)部的PLL_ADV模塊產(chǎn)生系統(tǒng)所需的全部時(shí)鐘。其中采樣時(shí)鐘產(chǎn)生過程如下：首先對40MHz的片外輸入時(shí)鐘信號進(jìn)行倍頻、分頻等處理，得到450MHz的時(shí)鐘。然后再對其分別進(jìn)行0°、90°、180°、270°移相，得到 4 路相位相差90°的時(shí)鐘信號。采樣開始后，數(shù)據(jù)采集模塊利用這4路時(shí)鐘對回波信號進(jìn)行采樣，將采樣數(shù)據(jù)存入4路32位移位寄存器，這樣的采樣過程，得到的數(shù)據(jù)量是使用單一時(shí)鐘采樣的4倍，等效于使用一個(gè)頻率為原始時(shí)鐘4倍的時(shí)鐘對數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，從而實(shí)現(xiàn)1.8GHz的等效采樣頻率，移相倍頻原理如圖3所示。采樣完成后，數(shù)據(jù)重組模塊將4路移位寄存器中的采樣數(shù)據(jù)取出還原成完整的采樣數(shù)據(jù)，存入一路128位的移位寄存器中，完成當(dāng)前探測周期的數(shù)據(jù)采集工作。

圖2 采集系統(tǒng)模塊示意圖

圖3 移相法實(shí)現(xiàn)等效高頻率原理示意圖

1.3 時(shí)鐘模塊

如圖4所示，四象限發(fā)射系統(tǒng)以40kHz的發(fā)射頻率輪流發(fā)光，發(fā)射脈沖寬度為3ns左右。發(fā)光之后，接收系統(tǒng)開始接收回波信號，與此同時(shí)，時(shí)鐘模塊產(chǎn)生的4路450MHz時(shí)鐘信號開始分別對信號進(jìn)行采樣，采樣時(shí)間為128ns，可以采集到10.7m內(nèi)的回波數(shù)據(jù)。

圖4 采集系統(tǒng)工作時(shí)序圖

為產(chǎn)生采樣時(shí)鐘，可以使用ISE的IP核生成器生成一個(gè)PLL_ADV模塊，并設(shè)置合適的倍頻、分頻因子，產(chǎn)生出所需的4路450MHz時(shí)鐘。

1.4 數(shù)據(jù)采集模塊實(shí)現(xiàn)電路

數(shù)據(jù)采集模塊中采用8路32位移位寄存器存放采樣數(shù)據(jù)。采樣開始后，在4路采樣時(shí)鐘的上升沿對回波信號進(jìn)行采樣，將采樣數(shù)據(jù)存入4路移位寄存器中。與此同時(shí)，為了在采樣完成后還原出完整的回波信號，以及測定回波距離，需要對發(fā)射系統(tǒng)返回的同步信號也進(jìn)行采樣，將其采樣數(shù)據(jù)同樣存入4路移位寄存器中。同一采樣時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)的回波寄存器和同步寄存器分為一組，當(dāng)采樣數(shù)據(jù)充滿該組移位寄存器時(shí)，移位寄存器停止移位。當(dāng)4組移位寄存器全部停止移位后，數(shù)據(jù)采集過程結(jié)束。

由于這8路移位寄存器是由450MHz時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)，對其時(shí)序性能要求較高，因此采用Virtex-5系列芯片中特有的SRLC32E原語來實(shí)現(xiàn)。SRLC32E是由芯片內(nèi)部的LUT級聯(lián)而成的，不占用觸發(fā)器資源，并且性能很高。每個(gè)SRLC32E原語可實(shí)現(xiàn)一個(gè)32位的移位寄存器，正好可以滿足設(shè)計(jì)需要，共需要8個(gè)SRLC32E來組成數(shù)據(jù)采集模塊。圖5為數(shù)據(jù)采集模塊示意圖。

圖5 數(shù)據(jù)采集模塊示意圖

1.5 數(shù)據(jù)重組模塊實(shí)現(xiàn)電路

采樣完成后，4路時(shí)鐘的采樣數(shù)據(jù)分別存入了各自對應(yīng)的回波寄存器中，需要將這些數(shù)據(jù)還原成一路完整采樣數(shù)據(jù)。需要注意的一點(diǎn)是，在采樣時(shí)，哪一個(gè)時(shí)鐘最先采集到有效數(shù)據(jù)完全是隨機(jī)的。因此，要還原數(shù)據(jù)，必須確定各個(gè)時(shí)鐘的采樣順序。由于數(shù)據(jù)采集過程是高速進(jìn)行的，如何設(shè)計(jì)一種既能夠滿足時(shí)序要求，又能正確判斷出時(shí)鐘采樣順序的方法是設(shè)計(jì)中的一大難點(diǎn)。為此，設(shè)置了4個(gè)標(biāo)識位，每路時(shí)鐘對應(yīng)一個(gè)標(biāo)識位，設(shè) 0°、90°、180°、270°時(shí)鐘對應(yīng)的標(biāo)識位分別為flag1、flag2、flag3、flag4。在采集數(shù)據(jù)的同時(shí)，將4路同步寄存器的最高位分別輸出到對應(yīng)的標(biāo)識位中，并且flag1的輸出作為它自身和flag3的使能端，flag2的輸出作為它自身和flag4的使能端(低電平有效)。采用這種交叉控制的方式，放寬了對標(biāo)識位的時(shí)序要求，從而確保了標(biāo)識位可以正確反映出真實(shí)的采樣順序。數(shù)據(jù)采集結(jié)束后，根據(jù)flag3和flag4的狀態(tài)就可以判斷出4路時(shí)鐘的采樣順序。如表1所示。

表1 根據(jù)標(biāo)識位判斷時(shí)鐘采樣順序

表中的1－2－3－4表示時(shí)鐘采樣順序?yàn)?°、90°、180°、270°，依此類推。時(shí)鐘采樣順序確定后，從第一個(gè)采樣時(shí)鐘對應(yīng)的回波寄存器開始，依次取出4路回波寄存器中的數(shù)據(jù)存入1路128位的移位寄存器中，即可還原出完整的采樣數(shù)據(jù)。圖6是數(shù)據(jù)重組模塊示意圖。

圖6 數(shù)據(jù)重組模塊結(jié)構(gòu)圖

2 仿真驗(yàn)證

為驗(yàn)證系統(tǒng)的正確性，用Modelsim進(jìn)行了時(shí)序仿真。如圖7所示，第1行PAD_SYN_IN為同步信號，第2行PAD_ECHO_IN為回波信號，第5行echo_sampled為重組后的采樣數(shù)據(jù)。在鼠標(biāo)所指時(shí)間點(diǎn)完成了數(shù)據(jù)重組，圖中下方顯示的一串0、1序列即為最終得到的采樣數(shù)據(jù)，0代表低電平，1代表高電平?？梢钥闯鲂蛄写淼牟ㄐ闻c回波信號是一致的。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證采樣效果，任意編輯一些回波波形，每段波形中的脈沖寬度都是納秒量級。時(shí)序仿真后，將得到的采樣數(shù)據(jù)與原波形進(jìn)行對比，其中兩段波形(a)和(b)與它們各自的采樣數(shù)據(jù)對比結(jié)果如圖8所示。

從圖上可以看出，兩段波形的采樣數(shù)據(jù)都與輸入波形一致，說明設(shè)計(jì)是正確的。由于等效采樣頻率為1.8GHz，所以每位采樣數(shù)據(jù)代表 0.56ns。如波形(a)中第一個(gè)脈沖對應(yīng)13位“1”，則說明該脈沖寬度約為7ns。此外，這種采樣方法保證了回波采樣數(shù)據(jù)與同步采樣數(shù)據(jù)的首位對齊，只需查找回波采樣數(shù)據(jù)的第一個(gè)“1”在第幾位，就可計(jì)算出回波時(shí)間。根據(jù)測距公式：

可得到回波距離，式中c為光速，t為光在空中的傳播時(shí)間。由于采樣精度為0.56ns，所以定距精度約為0.08m，可以獲得較精確的目標(biāo)距離信息。因此，這種二值化采樣數(shù)據(jù)可以反映出回波信號的回波距離、脈寬、波形等許多特征信息。

圖7 數(shù)據(jù)采集仿真結(jié)果

圖8 輸入波形與采樣數(shù)據(jù)對比

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了進(jìn)一步對系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證，進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)。為方便觀察采樣數(shù)據(jù)，采用了自制的顯示電路板作為顯示輸出設(shè)備。顯示電路板由移位寄存器、鎖存器和LED燈組成。LED燈共有128個(gè)，每個(gè)燈對應(yīng)一位采樣數(shù)據(jù)。每個(gè)周期的數(shù)據(jù)采樣重組結(jié)束后，F(xiàn)PGA將128位的采樣數(shù)據(jù)串行輸出到顯示電路板的移位寄存器，并給出鎖存信號，這樣LED就顯示出本周期的采樣數(shù)據(jù)。

實(shí)驗(yàn)時(shí)，F(xiàn)PGA輸出觸發(fā)脈沖給信號發(fā)生器，信號發(fā)生器輸出模擬的同步信號和回波信號，經(jīng)FPGA采樣后輸出采樣數(shù)據(jù)到顯示板，觀察采樣數(shù)據(jù)與信號發(fā)生器上設(shè)置的回波信號是否一致。

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)能夠以1.8GHz的等效采樣率正常工作，得到正確的采樣結(jié)果。

4 結(jié)論

文中設(shè)計(jì)了一種高速二值數(shù)字采集的方法，并在Xilinx公司Virtex-5系列的XC5VLX20T芯片上采用此方法實(shí)現(xiàn)了一個(gè)高速二值采集系統(tǒng)，通過仿真和實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該系統(tǒng)可以正常工作，實(shí)現(xiàn)高速采集功能。等效采樣頻率達(dá)到1.8GHz，可對窄脈沖激光引信的回波數(shù)據(jù)進(jìn)行高速采樣，并可據(jù)此進(jìn)行精確定距，定距精度為0.08m。與傳統(tǒng)的激光引信的信號處理方法相比，該系統(tǒng)可采集到真實(shí)反映回波信號波形特征的數(shù)據(jù)，為后續(xù)的目標(biāo)識別單元提供足夠的信息，如距離信息、寬度信息、甚至是單次探測出現(xiàn)的回波脈沖分裂信息，有助于提高激光引信的目標(biāo)識別能力。

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