[發明專利]基于FPGA芯片的多通道激光回波時間測量系統

無效

• 申請號: 201310671323.9
• 申請日: 2013-12-11
• 公開（公告）號: CN103698770A
• 公開（公告）日: 2014-04-02
• 發明（設計）人: 王飛;王挺峰;王化龍;郭勁
• 申請（專利權）人: 中國科學院長春光學精密機械與物理研究所
• 主分類號: G01S17/89
• 分類號: G01S17/89;G01S7/487
• 代理公司: 長春菁華專利商標代理事務所 22210
• 代理人: 王丹陽

技術領域

本發明涉及光電測量技術領域，具體涉及一種基于FPGA芯片的多通道激光回波時間測量系統。

背景技術

陣列式激光三維成像采用陣列探測器，同時對目標進行多點采樣，具有測量數據率高、測量速度快的優點，可以避免采用單點探測器時由于掃描引起的目標畸變，更好的保持目標的結構特征。目前，單點探測器的信號處理技術較為成熟，采用模擬法、數字法等多種方法，可以獲得高精度的目標距離信息。但是在陣列探測時，由于探測器像元數急劇增加，將單點探測器的信號處理過程進行簡單復制將大大提高系統體積、功耗、成本等，在大規模陣列應用中將變得非常不現實。在陣列探測器信號處理過程中，對各個像元的脈沖飛行時間測量是陣列激光三維成像的核心與難點技術，涉及測量的通道數、測量精度、測量時間范圍、測量速度等多個方面，但是，現有采用單點探測器的測量方式與手段無法達到多通道數、高精度、寬測量范圍、快速測量等要求。

發明內容

為了解決現有采用單點探測器無法達到多通道數、高精度、寬測量范圍、快速測量等要求的問題，本發明提供一種基于FPGA芯片的多通道激光回波時間測量系統。

本發明為解決技術問題所采用的技術方案如下：

基于FPGA芯片的多通道激光回波時間測量系統，包括：

陣列探測器，用于將接收的激光回波信號轉換為弱電流信號；

與陣列探測器像元個數相等的多個前置放大器，用于將弱電流信號放大為電壓信號；

與前置放大器個數相等的多個閾值比較器，用于比較電壓信號和參考電壓，產生用于標記激光回波信號的計時停止脈沖信號；

具有與閾值比較器個數相等的多個通道的FPGA芯片，用于測量接收的計時停止脈沖信號與計時開始脈沖信號之間的時間差，得到脈沖飛行時間。

所述FPGA芯片包括：

與閾值比較器個數相等的多個完全一致的時間數字轉換器，用于檢測閾值比較器輸出的計時停止脈沖信號的變化，計時停止脈沖信號發生變化的時刻對應激光回波信號時間；

軟核處理器，用于采集所有時間數字轉換器輸出的計時數據，并打包成UDP數據包，利用軟件MAC或者硬件MAC進行處理；

與以太網相連的RJ45接口，用于將UDP數據包發送到網絡上進行后續處理。

所述時間數字轉換器包括：

鎖相環，用于將板上晶振的時鐘信號調整為具有均勻相位差的多個高頻時鐘信號；

多個計數器，以鎖相環產生的具有均勻相位差的高頻時鐘信號作為計數時鐘進行計時；

加法器，用于將多個計數器的計數時鐘相加得到計時數據。

所述陣列探測器采用線陣列探測器、面陣列探測器或者采用多個單點探測器聯用形式。

所述前置放大器采用ADI公司的型號為AD8015的跨阻放大器。

所述閾值比較器采用型號為ADCMP604的高速比較器，其參考電壓大小可以根據環境光強弱進行調節。

所述FPGA芯片作為系統的計時處理器，采用Xilinx公司的Virtex-5。

本發明的有益效果是：本發明的一種利用FPGA芯片實現陣列探測器高分辨率回波到達時間測量系統，采用陣列探測器和FPGA處理器，利用多相位時鐘驅動多個計數器對同一時間間隔進行測量，具有簡便、資源占用率低、無需后續校準與檢驗、可擴展性好、分辨率可在線編程等多種優點，可以應用于陣列探測器的后續信號處理，在熒光成像、高精度的激光三維成像等領域有極大應用前景，本發明可以獨立的測量陣列探測器輸出信號到達時間。

附圖說明

圖1為本發明的基于FPGA芯片的多通道激光回波時間測量系統的結構組成示意圖；

圖2為FPGA芯片的內部結構示意圖；

圖3為64路完全一致的時間數字轉換器（TDC）中的1路時間數字轉換器的結構示意圖；

圖4為多時鐘計時原理示意圖。

具體實施方式

以下結合附圖對本發明作進一步詳細說明。

如圖1所示，本發明的基于FPGA芯片的多通道激光回波時間測量系統，主要由陣列探測器、多個前置放大器、多個閾值比較器和FPGA芯片組成，陣列探測器分別與多個前置放大器通過電纜線或者導線相連，陣列探測器的每個像元分別對應一個前置放大器，多個前置放大器分別與多個閾值比較器通過電纜線或者導線相連，每個前置放大器分別對應一個閾值比較器，多個閾值比較器均與FPGA芯片通過電纜線或者導線相連，陣列探測器的像元個數、前置放大器的個數和閾值比較器的個數相等，設為N（N＞1）。