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

?

基于FPGA的飛行時(shí)間測(cè)量系統(tǒng)

廖遠(yuǎn)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(cè)體制的激光三維視覺(jué)系統(tǒng)為背景，分析距離維探測(cè)中激光脈沖的噪音特性，利用MATLAB仿真技術(shù)分析4種定時(shí)方案的誤差特性，提出恒比定時(shí)技術(shù)結(jié)合內(nèi)插放大技術(shù)的飛行時(shí)間測(cè)量方案，基于該方案設(shè)計(jì)以FPGA為基礎(chǔ)的飛行時(shí)間測(cè)量系統(tǒng)。

飛行時(shí)間測(cè)量；FPGA；激光三維視覺(jué)

激光三維視覺(jué)系統(tǒng)有直接探測(cè)和相干探測(cè)2種方式。理論上相干探測(cè)有更高信噪比，但對(duì)激光的時(shí)間、空間相干性要求很高，適合距離遠(yuǎn)、回波幅度微弱的情況。而直接探測(cè)方式對(duì)光束質(zhì)量要求低，適合探測(cè)距離近且小型化、可靠性要求高的視覺(jué)系統(tǒng)［1］。直接探測(cè)的激光三維視覺(jué)系統(tǒng)的距離維的探測(cè)采用飛行時(shí)間法，探測(cè)的精度取決于飛行時(shí)間的測(cè)量精度，即激光發(fā)射脈沖和回波脈沖的時(shí)差測(cè)量精度。本文分析激光脈沖的含噪音下的時(shí)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(shí)技術(shù)的誤差特性，提出具體的測(cè)量方案，并設(shè)計(jì)基于FPGA的硬件平臺(tái)，采用VHDL語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)測(cè)量算法，最后通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證實(shí)際測(cè)量精度。

1　激光脈沖的噪音特性

激光三維視覺(jué)系統(tǒng)中影響系統(tǒng)探測(cè)性能的有4種常見(jiàn)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(shí)間測(cè)量

引入誤差，激光脈沖在時(shí)域是一個(gè)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(chǎng)景確定統(tǒng)計(jì)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(shí)域分布，據(jù)式（1），30dB下的激光脈沖信號(hào)時(shí)域分布如圖1所示。

2　時(shí)差測(cè)量方案仿真分析

時(shí)差測(cè)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(jì)數(shù)器進(jìn)行時(shí)差測(cè)量，這種整形技術(shù)就是定時(shí)技術(shù)。目前主流的定時(shí)技術(shù)有前沿定時(shí)法、過(guò)零定時(shí)法、恒比定時(shí)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(chǎng)景下4種定時(shí)技術(shù)的誤差特性。圖2仿真不同信噪比噪音對(duì)定時(shí)誤差的影響，可知恒比定時(shí)對(duì)

圖1　30dB噪音下激光脈沖波形

圖2　噪音信噪比對(duì)定時(shí)誤差影響

定時(shí)模塊輸出的觸發(fā)信號(hào)觸發(fā)高速計(jì)數(shù)器進(jìn)行時(shí)差測(cè)量，為進(jìn)一步提高測(cè)量的精度，在時(shí)基計(jì)數(shù)的基礎(chǔ)上，采用放大精測(cè)處理。即在一定的時(shí)基計(jì)數(shù)測(cè)量的基礎(chǔ)上，通過(guò)內(nèi)插細(xì)化定時(shí)點(diǎn)附近的波形來(lái)提高測(cè)量精度。

3　FPGA測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文搭建了以高速AD和FPGA為核心的飛行時(shí)間測(cè)量系統(tǒng)。硬件系統(tǒng)分為5個(gè)部分：①模擬前端，其是光電探測(cè)器與高速AD的接口，主要設(shè)計(jì)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(dá)500MHz，采樣位寬8Bit；③高速時(shí)鐘發(fā)生器，該文采用專(zhuān)門(mén)的時(shí)鐘發(fā)生芯片CDCM61001搭建采樣時(shí)鐘電路，以降低相位噪音，提高測(cè)量精度；④FPGA信號(hào)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(duì)定時(shí)誤差影響

在該硬件平臺(tái)上，采用VHDL語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)飛行時(shí)間測(cè)量算法?；夭ㄐ盘?hào)經(jīng)采樣后時(shí)差信息包含在數(shù)字序列中，通過(guò)FPGA的算法提取出來(lái)，數(shù)據(jù)處理的算法框圖見(jiàn)圖4。輸入到FPGA的數(shù)據(jù)時(shí)500MSPS的高速數(shù)據(jù)流，在如此高速率下，F(xiàn)PGA很難實(shí)現(xiàn)處理算法的時(shí)序收斂，進(jìn)行實(shí)時(shí)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(shí)地輸入2個(gè)FIFO緩存器內(nèi)。每個(gè)FIFO緩存器都對(duì)應(yīng)著一個(gè)定時(shí)處理模塊（Timing Processor），這樣每個(gè)定時(shí)處理模塊的處理的數(shù)據(jù)流速率可降到250MSPS，較容易實(shí)現(xiàn)時(shí)序收斂。由于存在2個(gè)定時(shí)模塊都可以觸發(fā)高速計(jì)數(shù)模塊進(jìn)行計(jì)時(shí)，因此必須保證2個(gè)模塊之間時(shí)序的協(xié)調(diào)和防止重觸發(fā)。本文通過(guò)在控制模塊（Control Block）中設(shè)置標(biāo)志寄存器、進(jìn)行偏移修正來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖4　FPGA算法流程框圖

圖5　定時(shí)模塊原理圖

每個(gè)定時(shí)模塊內(nèi)部如圖5所示，除了進(jìn)行數(shù)字恒比處理（DCFD）外，還需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理：去基線(xiàn)處理，由于前端模擬溫漂和AD采樣的固有基線(xiàn)，輸入信號(hào)基線(xiàn)不穩(wěn)，會(huì)造成數(shù)字運(yùn)算時(shí)有效位寬減小、截?cái)嗾`差增大，且有可能造成疊峰而引起脈沖誤判，去基線(xiàn)可解決該問(wèn)題，具體采用數(shù)據(jù)平均法實(shí)現(xiàn)；濾波處理，通過(guò)頻域?yàn)V波提高信號(hào)信噪比，為了防止數(shù)字信號(hào)的時(shí)間信息的畸變，需采用線(xiàn)性相位的FIR濾波器。定時(shí)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(shí)現(xiàn)。

該系統(tǒng)數(shù)據(jù)率高、信號(hào)繁多，保證每個(gè)信號(hào)時(shí)序正確對(duì)時(shí)差測(cè)量至關(guān)重要。除了嚴(yán)格設(shè)置每個(gè)信號(hào)寄存器的時(shí)序關(guān)系外，還可以利用ModelSim對(duì)VHDL程序進(jìn)行時(shí)序仿真和微調(diào)（見(jiàn)圖6）。

圖6　MedelSim仿真FPGA內(nèi)部信號(hào)

4　測(cè)量實(shí)驗(yàn)

利用信號(hào)發(fā)生器模擬激光發(fā)射信號(hào)和回波信號(hào)，輸入到時(shí)差測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。使用AFG3252波形發(fā)生器產(chǎn)生兩個(gè)時(shí)差確定的高斯脈沖波形，模擬發(fā)射信號(hào)和回波信號(hào)，輸入到時(shí)差測(cè)量系統(tǒng)中，PC讀出測(cè)量值。同時(shí)，DPO4054B示波器測(cè)量每個(gè)脈沖波形時(shí)差，對(duì)比示波器讀出值和系統(tǒng)測(cè)量值（見(jiàn)圖7）。

圖7　實(shí)驗(yàn)裝置圖

PC發(fā)出指令控制時(shí)差測(cè)量系統(tǒng)對(duì)高斯脈沖進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)USB接口上傳數(shù)據(jù)到PC。時(shí)差測(cè)量系統(tǒng)的輸出時(shí)差測(cè)量值由兩部分組成：粗測(cè)值和精測(cè)值。粗測(cè)值的時(shí)間分辨率為2ns，精測(cè)值的時(shí)間分辨率為100ps。實(shí)驗(yàn)對(duì)10組不同的時(shí)差值進(jìn)行測(cè)量，每次測(cè)量重復(fù)進(jìn)行10次，得到的數(shù)據(jù)如表1所示。

表1　時(shí)差測(cè)量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表1中實(shí)際的時(shí)差值是示波器的測(cè)量值，波形發(fā)生器設(shè)置產(chǎn)生的脈沖時(shí)差與示波器測(cè)量得到的脈沖時(shí)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(shí)差測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量平均誤差為0.492ns，真空光速c=3×108m/s，測(cè)距誤差?s=?t×c/2，則對(duì)應(yīng)的測(cè)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(hào)處理時(shí)存在的數(shù)據(jù)截?cái)嗾`差。

5　結(jié)語(yǔ)

本文分析激光三維視覺(jué)系統(tǒng)含噪音情況下時(shí)域波形特性，通過(guò)MATLAB仿真提出恒比定時(shí)與放大精測(cè)相結(jié)合的飛行時(shí)間測(cè)量方法。然后設(shè)計(jì)以FPGA為基礎(chǔ)的硬件平臺(tái)，用VHDL語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)時(shí)差測(cè)量算法，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該系統(tǒng)的時(shí)差測(cè)量誤差小于0.5ns，具有一定的實(shí)用價(jià)值。為提高測(cè)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(cè)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(yuǎn)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(qiáng)。圖3仿真回波脈沖幅度變化對(duì)定時(shí)誤差影響，由于探測(cè)目標(biāo)在距離維有一定延展性，從而回波脈沖會(huì)有幅度變化，要求定時(shí)技術(shù)對(duì)幅度變化不敏感。圖3結(jié)構(gòu)表明，恒比定時(shí)和波形形心定時(shí)對(duì)回波脈沖幅度變化不敏感。綜上，選取恒比定時(shí)作為飛行時(shí)間測(cè)量系統(tǒng)的定時(shí)方案。恒比定時(shí)的實(shí)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(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)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(shí)現(xiàn)。