崔 偉，商 潔，范松濤， 王新偉，周 燕

(1.中國(guó)輻射防護(hù)研究院保健物理研究所,山西 太原030006;2.中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所光電系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室,北京100083)

基于時(shí)鐘移相相或的高精度脈沖對(duì)產(chǎn)生方法

崔 偉1,2，商 潔1，范松濤2， 王新偉2，周 燕2

(1.中國(guó)輻射防護(hù)研究院保健物理研究所,山西 太原030006;2.中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所光電系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室,北京100083)

針對(duì)超分辨率三維選通成像中同步控制脈沖對(duì)精度低的問(wèn)題，提出了時(shí)鐘移相相或的高精度脈沖對(duì)產(chǎn)生方法。該方法首先對(duì)可編程器件的系統(tǒng)時(shí)鐘進(jìn)行等差相位的數(shù)字移相產(chǎn)生多路時(shí)鐘信號(hào)，再根據(jù)脈沖對(duì)中延時(shí)值和脈寬值選擇對(duì)應(yīng)的兩路時(shí)鐘產(chǎn)生脈寬信號(hào)，最后將兩路脈寬信號(hào)進(jìn)行相或運(yùn)算得到高精度的脈沖對(duì)信號(hào)。實(shí)驗(yàn)表明，該方法可以將延時(shí)和脈寬的控制精度提高到1 ns，優(yōu)于傳統(tǒng)脈沖產(chǎn)生方法的5 ns精度，使超分辨率三維選通成像系統(tǒng)在直徑2.5 m視場(chǎng)內(nèi)的距離分辨率達(dá)到1 cm，為對(duì)更小目標(biāo)進(jìn)行成像和識(shí)別提供技術(shù)基礎(chǔ)。

超分辨率三維選通成像；脈沖對(duì)精度；時(shí)鐘移相相或

0 引言

超分辨率三維選通成像技術(shù)是一種新型的三維成像技術(shù)，利用激光脈沖和選通門脈沖的卷積作用獲取目標(biāo)的空間能量包絡(luò)，通過(guò)相鄰兩幀切片圖像間的像素強(qiáng)度比與距離向能量比之間的映射關(guān)系實(shí)現(xiàn)目標(biāo)三維空間信息的快速反演，獲取目標(biāo)的三維圖像。該技術(shù)作用距離遠(yuǎn)、實(shí)時(shí)性好、分辨率高，在復(fù)雜環(huán)境下目標(biāo)探測(cè)、隱蔽/遮擋目標(biāo)探測(cè)、地形地貌測(cè)繪、智能安防監(jiān)控等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用[1-4]。

高精度的同步控制脈沖對(duì)的產(chǎn)生是超分辨率三維選通成像技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)之一，決定著成像系統(tǒng)獲得目標(biāo)的距離信息、大小和形狀信息等。同步控制脈沖對(duì)的產(chǎn)生模塊國(guó)外已研發(fā)出皮秒級(jí)模塊，國(guó)內(nèi)的研制水平在納秒級(jí)別，文獻(xiàn)[5]中的同步控制脈沖對(duì)的產(chǎn)生模塊使用可編程邏輯器件CPLD，由傳統(tǒng)的脈沖產(chǎn)生方法實(shí)現(xiàn)的最高精度為5 ns，受CPLD最大系統(tǒng)時(shí)鐘頻率的限制，其精度難以繼續(xù)提高。系統(tǒng)時(shí)鐘頻率過(guò)高時(shí)芯片一般無(wú)法正常工作，同時(shí)還會(huì)帶來(lái)電路板布線、加工等一系列問(wèn)題[6]。針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出了時(shí)鐘移相相或的方法來(lái)產(chǎn)生高精度的同步控制脈沖對(duì)信號(hào)。

1 同步控制脈沖對(duì)

同步控制脈沖對(duì)信號(hào)主要包括兩路脈沖控制信號(hào)：激光器觸發(fā)信號(hào)(Laser_Trig)和選通門觸發(fā)信號(hào)(Gate_Trig)，如圖1所示的Laser_Trig和Gate_Trig，在信號(hào)為高電平時(shí)分別控制脈沖激光器和選通ICCD打開，低電平時(shí)關(guān)斷，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)特定距離上目標(biāo)的選通成像。其中主要參數(shù)包括激光器觸發(fā)信號(hào)的脈寬tL、選通門觸發(fā)信號(hào)的脈寬tg和兩路信號(hào)之間的延時(shí)τ，這三個(gè)參數(shù)的精度決定了同步控制脈沖對(duì)的精度。

圖1 同步控制脈沖對(duì)信號(hào)Fig.1 The synchronous control pulse-pairs

由可編程邏輯器件(FPGA/CPLD等)采用傳統(tǒng)方法產(chǎn)生的同步控制脈沖對(duì)信號(hào)，因其脈寬和延時(shí)均是對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘周期進(jìn)行整數(shù)倍的計(jì)數(shù)，所以控制精度一般由器件的系統(tǒng)時(shí)鐘頻率決定，如系統(tǒng)時(shí)鐘為200 MHz，則同步控制脈沖對(duì)信號(hào)的精度為5 ns。

2 時(shí)鐘移相相或方法

2.1 移相

圖2 數(shù)字移相的基本原理Fig.2 Principle of digital phase shift

2.2 時(shí)鐘移相相或方法

時(shí)鐘移相相或方法首先對(duì)可編程邏輯器件的系統(tǒng)時(shí)鐘進(jìn)行等差相位的數(shù)字移相產(chǎn)生多路時(shí)鐘信號(hào)，再根據(jù)脈沖對(duì)內(nèi)延時(shí)值和脈寬值選擇對(duì)應(yīng)的兩路時(shí)鐘產(chǎn)生脈寬信號(hào)，最后將兩路脈寬信號(hào)進(jìn)行相或運(yùn)算實(shí)現(xiàn)脈沖對(duì)信號(hào)精度小于時(shí)鐘周期T。

如圖3所示為該方法的原理，以移相90°為例。圖中clk_90、clk_180、clk_270分別為ckl_0相移90°、180°和270°的時(shí)鐘信號(hào)，clk_equ為等效的時(shí)鐘信號(hào)，Laser_Trig為時(shí)鐘信號(hào)clk_0驅(qū)動(dòng)脈寬發(fā)生器產(chǎn)生的信號(hào)，Gate_180和Gate_270分別為時(shí)鐘信號(hào)clk_180和clk_270經(jīng)過(guò)1個(gè)計(jì)數(shù)值的延時(shí)器后驅(qū)動(dòng)脈寬發(fā)生器產(chǎn)生的信號(hào)，脈寬計(jì)數(shù)值也為1，即：

tg1=tg2=T。

Gate_Trig為Gate_180和Gate_270做相或運(yùn)算的結(jié)果，其脈寬為：

由以上結(jié)果可知，選通門觸發(fā)信號(hào)的脈寬tg和脈沖對(duì)內(nèi)的延時(shí)τ均具有T/4的精度。依此推知，若將原始計(jì)數(shù)時(shí)鐘按照等差相位2π/N移相，采用上述方法即可獲得脈寬精度和延時(shí)精度均為T/N的信號(hào)。時(shí)鐘移相相或方法可以等效提高可編程邏輯器件的時(shí)鐘頻率，而不要求器件工作在高頻，不僅克服了器件性能的限制，也避免了高頻工作下帶來(lái)的一系列問(wèn)題。

圖3 90°等差相位時(shí)鐘移相相或原理Fig.3 Principle of arithmetical 90° phase shift of clock and OR operation

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

可編程器件采用Xilinx公司的Spartan-6系列FPGA，使用Verilog語(yǔ)言編寫，其系統(tǒng)時(shí)鐘頻率為200MHz，即時(shí)鐘周期為5ns，對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘進(jìn)行相等相位2π/5=72°的移動(dòng)，得到5路時(shí)鐘信號(hào)，脈沖對(duì)控制精度為1ns。

行為仿真結(jié)果如圖4所示，仿真設(shè)置Laser_trig的脈寬為15ns，Gate_Trig的脈寬為19ns，兩路信號(hào)之間的延時(shí)τ為16ns。Gate_Trig信號(hào)的產(chǎn)生是將圖4中的Gate1和Gate5相或運(yùn)算的結(jié)果，脈寬結(jié)果可有兩個(gè)標(biāo)簽值計(jì)算得到。

圖4 行為仿真圖Fig.4 Result of behavioral simulation

為驗(yàn)證時(shí)鐘移相相或高精度脈沖對(duì)產(chǎn)生方法的正確性，進(jìn)行了以下測(cè)試，包括延時(shí)1ns精度示波器測(cè)試、脈寬1ns精度示波器測(cè)試和超分辨率三維反演效果實(shí)驗(yàn)。

3.1 延時(shí)1 ns精度示波器測(cè)試

設(shè)置延時(shí)分別為35ns，36ns，37ns，38ns，39ns，測(cè)試結(jié)果如圖5所示，其延時(shí)結(jié)果分別為：37.4ns，38.6ns，39.6ns，40.8ns，42.0ns。從結(jié)果可以看出，脈沖對(duì)內(nèi)延時(shí)的調(diào)節(jié)精度分別為：1.2ns，1.0ns，1.2ns，1.2ns，與理論上的1ns相比，延時(shí)可調(diào)精度存在±0.2ns的偏差，實(shí)現(xiàn)了延時(shí)調(diào)節(jié)精度優(yōu)于5ns的設(shè)計(jì)目標(biāo)。該結(jié)果與設(shè)定的延時(shí)值有2ns的差別是因?yàn)殡娐芳捌骷旧泶嬖谝欢ǖ墓逃醒訒r(shí)，可通過(guò)程序優(yōu)化減小。

圖5 延時(shí)1 ns精度時(shí)序測(cè)試結(jié)果Fig.5 Timing test drawing for delay 1ns precision

3.2 脈寬1 ns精度示波器測(cè)試

設(shè)置選通門寬分別為37ns、38ns、39ns、40ns、41ns，實(shí)際測(cè)試結(jié)果如圖6所示，其脈寬結(jié)果分別為：37.2ns，37.8ns，39.0ns，40.3ns，41.1ns。從結(jié)果可以看出，脈寬調(diào)節(jié)精度分別為：0.6ns，1.2ns，1.3ns，0.8ns，與理論上的1ns相比，脈寬可調(diào)精度存在±0.4ns的偏差，實(shí)現(xiàn)了脈寬調(diào)節(jié)精度優(yōu)于5ns的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

圖6 脈寬1 ns精度時(shí)序測(cè)試結(jié)果Fig.6 Timing test drawing for pulse width 1 ns precision

3.3 超分辨率三維反演效果實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)以椅子和椅子上的玩偶作為成像目標(biāo)，其實(shí)物圖如圖7(a)所示，玩偶高約38cm，鼻子直徑大小約4cm，目標(biāo)距離成像系統(tǒng)35m處，視場(chǎng)直徑2.5m，實(shí)驗(yàn)在夜間進(jìn)行。由選通成像系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)成像的相鄰兩幀的2D圖像圖7(b)和(c)可以看出不同延時(shí)值所對(duì)應(yīng)的空間采樣區(qū)的不同。圖7(d)為超分辨率三維反演的結(jié)果，其距離分辨率約10cm，可以清楚地區(qū)分椅子的前后腿、靠背等。圖7(e)為玩偶三維圖顯示，可簡(jiǎn)單區(qū)分玩偶的帽子、足球及鼻子，其距離分辨率約1cm[8-9]。

圖7 三維選通成像實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.7 Experiment results of 3D range-gated imaging

4 結(jié)論

本文提出了基于時(shí)鐘移相相或的高精度脈沖對(duì)產(chǎn)生方法。該方法首先對(duì)可編程器件的系統(tǒng)時(shí)鐘進(jìn)行等差相位的數(shù)字移相產(chǎn)生多路時(shí)鐘信號(hào)，再根據(jù)脈沖對(duì)中延時(shí)值和脈寬值選擇對(duì)應(yīng)的兩路時(shí)鐘產(chǎn)生脈寬信號(hào)，最后將兩路脈寬信號(hào)進(jìn)行相或運(yùn)算得到高精度的脈沖對(duì)信號(hào)。實(shí)驗(yàn)表明，時(shí)鐘移相相或方法可以等效提高器件的時(shí)鐘頻率，獲得1ns精度的同步控制脈沖對(duì)信號(hào)，使超分辨率三維選通成像系統(tǒng)在直徑2.5m視場(chǎng)內(nèi)的距離分辨率達(dá)到1cm，為對(duì)更小目標(biāo)進(jìn)行成像和識(shí)別提供技術(shù)基礎(chǔ)。

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本 刊 聲 明

本刊編輯部

Clock Phase Shift and OR Operation for High Precision Pulse-pairs

CUI Wei1,2, SHANG Jie1,FAN Songtao2, WANG Xinwei2, ZHOU Yan2

(1. Department of Health Physics, China Institute for Radiation Protection, Taiyuan 030006, China;2. Optoelectronic System Laboratory, Institute of Semiconductors, CAS, Beijing 100083, China)

A method of clock phase shift and OR operation was put forward for high precision synchronous control pulse-pairs in 3D super-resolution range-gated imaging. Firstly, multi channel clock signals were generated by shifting phase arithmetically for the system clock. In the next place, two of the clock signals were chosen based on the pulse width and the delay for two pulse signals. Finally, high precision synchronous control signals were generated by the OR operation with the two pulse signals. Experiments results showed that the proposed method could attain the precision of 1 ns for delay and pulse width and the range resolution could reach 1 cm in field of view with 2.5 meters in diameter, which could make it possible to image and identify smaller target for 3D super-resolution range-gated imaging.

3D super-resolution range-gated imaging; the precision of pulse-pair; the clock phase shift and OR operation

2016-11-02

崔偉(1989—)，女，山西太原人，碩士，研究方向：電路與通信。E-mail:cuiweill@semi.ac.cn。

TN249

A

1008-1194(2017)02-0111-04

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