基于FPGA的飛行時間測量系統(tǒng)

廖遠東>（欽州學(xué)院　電子與信息工程學(xué)院，廣西　欽州　535000）

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基于FPGA的飛行時間測量系統(tǒng)

廖遠東>
（欽州學(xué)院電子與信息工程學(xué)院，廣西欽州535000）

以直接探測體制的激光三維視覺系統(tǒng)為背景，分析距離維探測中激光脈沖的噪音特性，利用MATLAB仿真技術(shù)分析4種定時方案的誤差特性，提出恒比定時技術(shù)結(jié)合內(nèi)插放大技術(shù)的飛行時間測量方案，基于該方案設(shè)計以FPGA為基礎(chǔ)的飛行時間測量系統(tǒng)。

飛行時間測量；FPGA；激光三維視覺

激光三維視覺系統(tǒng)有直接探測和相干探測2種方式。理論上相干探測有更高信噪比，但對激光的時間、空間相干性要求很高，適合距離遠、回波幅度微弱的情況。而直接探測方式對光束質(zhì)量要求低，適合探測距離近且小型化、可靠性要求高的視覺系統(tǒng)［1］。直接探測的激光三維視覺系統(tǒng)的距離維的探測采用飛行時間法，探測的精度取決于飛行時間的測量精度，即激光發(fā)射脈沖和回波脈沖的時差測量精度。本文分析激光脈沖的含噪音下的時域特性，在此基礎(chǔ)上建立激光脈沖的MATLAB模型，仿真分析4種定時技術(shù)的誤差特性，提出具體的測量方案，并設(shè)計基于FPGA的硬件平臺，采用VHDL語言實現(xiàn)測量算法，最后通過模擬實驗驗證實際測量精度。

1　激光脈沖的噪音特性

激光三維視覺系統(tǒng)中影響系統(tǒng)探測性能的有4種常見噪音：光子噪音、散斑噪音、熱噪音和背景噪音［2］。噪音以一定的信噪比疊加在激光脈沖上，給飛行時間測量

引入誤差，激光脈沖在時域是一個高斯脈沖分布：

式（1）中，fp為激光器重復(fù)頻率，Pavg為激光器平均功率，τ為激光脈沖脈寬因子。根據(jù)4種噪音服從的分布，結(jié)合具體場景確定統(tǒng)計參量，利用MATLAB提供的ICDF函數(shù)可以仿真不同信噪比下的噪音時域分布，據(jù)式（1），30dB下的激光脈沖信號時域分布如圖1所示。

2　時差測量方案仿真分析

時差測量的第一步是將含噪音脈沖整形成前沿極快的邏輯脈沖以觸發(fā)高速計數(shù)器進行時差測量，這種整形技術(shù)就是定時技術(shù)。目前主流的定時技術(shù)有前沿定時法、過零定時法、恒比定時法和波形型形心法［3，4］。

利用含噪音的激光脈沖模型結(jié)合MATLAB仿真技術(shù)，分析在不同場景下4種定時技術(shù)的誤差特性。圖2仿真不同信噪比噪音對定時誤差的影響，可知恒比定時對

圖1　30dB噪音下激光脈沖波形

圖2　噪音信噪比對定時誤差影響

定時模塊輸出的觸發(fā)信號觸發(fā)高速計數(shù)器進行時差測量，為進一步提高測量的精度，在時基計數(shù)的基礎(chǔ)上，采用放大精測處理。即在一定的時基計數(shù)測量的基礎(chǔ)上，通過內(nèi)插細化定時點附近的波形來提高測量精度。

3　FPGA測量系統(tǒng)設(shè)計

本文搭建了以高速AD和FPGA為核心的飛行時間測量系統(tǒng)。硬件系統(tǒng)分為5個部分：①模擬前端，其是光電探測器與高速AD的接口，主要設(shè)計考慮包括阻抗匹配、放大倍數(shù)和帶寬；②高速AD，采用的是TI公司的ADC08500，采樣率高達500MHz，采樣位寬8Bit；③高速時鐘發(fā)生器，該文采用專門的時鐘發(fā)生芯片CDCM61001搭建采樣時鐘電路，以降低相位噪音，提高測量精度；④FPGA信號處理，采用的是xilinx公司的Spartan-6系列的XC6SLX16；⑤電源和接口，為系統(tǒng)提供與控制PC通信的USB接口。

圖3　回波幅度對定時誤差影響

在該硬件平臺上，采用VHDL語言實現(xiàn)飛行時間測量算法?；夭ㄐ盘柦?jīng)采樣后時差信息包含在數(shù)字序列中，通過FPGA的算法提取出來，數(shù)據(jù)處理的算法框圖見圖4。輸入到FPGA的數(shù)據(jù)時500MSPS的高速數(shù)據(jù)流，在如此高速率下，F(xiàn)PGA很難實現(xiàn)處理算法的時序收斂，進行實時處理。因此，本文采用乒乓處理結(jié)構(gòu)，輸入的數(shù)據(jù)流分時地輸入2個FIFO緩存器內(nèi)。每個FIFO緩存器都對應(yīng)著一個定時處理模塊（Timing Processor），這樣每個定時處理模塊的處理的數(shù)據(jù)流速率可降到250MSPS，較容易實現(xiàn)時序收斂。由于存在2個定時模塊都可以觸發(fā)高速計數(shù)模塊進行計時，因此必須保證2個模塊之間時序的協(xié)調(diào)和防止重觸發(fā)。本文通過在控制模塊（Control Block）中設(shè)置標(biāo)志寄存器、進行偏移修正來實現(xiàn)。

圖4　FPGA算法流程框圖

圖5　定時模塊原理圖

每個定時模塊內(nèi)部如圖5所示，除了進行數(shù)字恒比處理（DCFD）外，還需要對數(shù)據(jù)進行預(yù)處理：去基線處理，由于前端模擬溫漂和AD采樣的固有基線，輸入信號基線不穩(wěn)，會造成數(shù)字運算時有效位寬減小、截斷誤差增大，且有可能造成疊峰而引起脈沖誤判，去基線可解決該問題，具體采用數(shù)據(jù)平均法實現(xiàn)；濾波處理，通過頻域濾波提高信號信噪比，為了防止數(shù)字信號的時間信息的畸變，需采用線性相位的FIR濾波器。定時處理模塊的數(shù)據(jù)率很高，為保證數(shù)據(jù)吞吐量，F(xiàn)IR濾波器采用并行結(jié)構(gòu)實現(xiàn)。

該系統(tǒng)數(shù)據(jù)率高、信號繁多，保證每個信號時序正確對時差測量至關(guān)重要。除了嚴(yán)格設(shè)置每個信號寄存器的時序關(guān)系外，還可以利用ModelSim對VHDL程序進行時序仿真和微調(diào)（見圖6）。

圖6　MedelSim仿真FPGA內(nèi)部信號

4　測量實驗

利用信號發(fā)生器模擬激光發(fā)射信號和回波信號，輸入到時差測量系統(tǒng)進行測試。使用AFG3252波形發(fā)生器產(chǎn)生兩個時差確定的高斯脈沖波形，模擬發(fā)射信號和回波信號，輸入到時差測量系統(tǒng)中，PC讀出測量值。同時，DPO4054B示波器測量每個脈沖波形時差，對比示波器讀出值和系統(tǒng)測量值（見圖7）。

圖7　實驗裝置圖

PC發(fā)出指令控制時差測量系統(tǒng)對高斯脈沖進行測量，通過USB接口上傳數(shù)據(jù)到PC。時差測量系統(tǒng)的輸出時差測量值由兩部分組成：粗測值和精測值。粗測值的時間分辨率為2ns，精測值的時間分辨率為100ps。實驗對10組不同的時差值進行測量，每次測量重復(fù)進行10次，得到的數(shù)據(jù)如表1所示。

表1　時差測量實驗數(shù)據(jù)

表1中實際的時差值是示波器的測量值，波形發(fā)生器設(shè)置產(chǎn)生的脈沖時差與示波器測量得到的脈沖時差并不一致，這是由于波形發(fā)生器的任意波形設(shè)置的精度只有1ns原因所致。由表1數(shù)據(jù)可知，時差測量系統(tǒng)的測量平均誤差為0.492ns，真空光速c=3×108m/s，測距誤差?s=?t×c/2，則對應(yīng)的測距誤差為0.073 8m。誤差存在的原因是硬件電路存在一定噪音，以及FPGA信號處理時存在的數(shù)據(jù)截斷誤差。

5　結(jié)語

本文分析激光三維視覺系統(tǒng)含噪音情況下時域波形特性，通過MATLAB仿真提出恒比定時與放大精測相結(jié)合的飛行時間測量方法。然后設(shè)計以FPGA為基礎(chǔ)的硬件平臺，用VHDL語言實現(xiàn)時差測量算法，經(jīng)實驗驗證該系統(tǒng)的時差測量誤差小于0.5ns，具有一定的實用價值。為提高測量精度，可考慮采用更高采樣率的AD、優(yōu)化算法等途徑。

［1］B F Aull etc.Geiger-Mode Avalanche Photodiodes for Three-Dimensional Imaging［J］.Linc Lab J，2002（2）：335-350.

［2］Knight F K.Three-dimensional Imaging Using a Single Laser Pulse［J］.Optics Letters，2009（16）：2422-2424.

［3］Amann M C，Bosch T，Lescure M.A Critical Review of Usual Techniques for Distance Measurement［J］.Optical Engineering，2001（1）：10-19.

［4］王雪祥，嚴(yán)高師，張弛.提高短距離脈沖式激光測距精度的研究［J］.光學(xué)技術(shù)，2009（9）：792-795.

Flight Time Measurement System Based on FPGA

Liao Yuandong
（School of Electronics and Information Engineering，Qinzhou University，Qinzhou Guangxi 535000）

Taking direct detection system of laser 3D vision system as the background，noise properties of laser pulses in the range dimension detection was analyzed，and the error characteristics of four kinds of timing scheme was analyzed by using MATLAB simulation，a flight time measurement scheme based on constant ratio timing technique combined with interpolation amplification technique was presented，based on this scheme，the flight time measurement system based on FPGA was designed.

flight time measurement；FPGA；laser 3D vision

TH714

A

1003-5168（2016）04-0045-03

2016-03-16

廖遠東（1990-），男，碩士，助教，研究方向：傳感技術(shù)、數(shù)據(jù)采集。噪音抑制能力最強。圖3仿真回波脈沖幅度變化對定時誤差影響，由于探測目標(biāo)在距離維有一定延展性，從而回波脈沖會有幅度變化，要求定時技術(shù)對幅度變化不敏感。圖3結(jié)構(gòu)表明，恒比定時和波形形心定時對回波脈沖幅度變化不敏感。綜上，選取恒比定時作為飛行時間測量系統(tǒng)的定時方案。恒比定時的實現(xiàn)可以采用模擬電路，也可以采用數(shù)字電路。數(shù)字電路實現(xiàn)的優(yōu)點是穩(wěn)定性好，便于調(diào)試和集成化，本文采用數(shù)字方式實現(xiàn)。