[發明專利]用于激光距離選通成像高脈寬精度脈沖發生器的實現方法

有效

• 申請號: 201410837006.4
• 申請日: 2014-12-29
• 公開（公告）號: CN104467750A
• 公開（公告）日: 2015-03-25
• 發明（設計）人: 盧德貞;范松濤;王新偉;崔偉;周燕;劉育梁
• 申請（專利權）人: 中國科學院半導體研究所
• 主分類號: H03K3/02
• 分類號: H03K3/02;H03K5/135
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 任巖

技術領域

本發明涉及激光距離選通成像技術領域，尤其涉及一種基于數字移相提高脈寬控制精度的方法。

背景技術

實現激光距離選通成像的基礎是同步控制脈沖激光和選通門工作。通過控制激光脈沖和選通脈沖之間的相對延時，使得選通門僅僅在目標反射光到達選通門時打開記錄包含目標信息的光強信息，而在光飛行時間中選通門關閉不會記錄光強信息。由此避免了光飛行時間中的散射光、背景光等噪聲劣化成像質量，提高了激光成像的探測距離和精度。

脈沖激光和選通門之間的相對延時決定于目標物與成像系統之間的相對距離，選通門的持續時間決定了選通成像切片的景深。高精度的延時技術和脈寬技術是高分辨率激光距離選通成像中時序控制的關鍵。在激光距離選通成像中，測距精度需要在厘米量級甚至更小，因此需要采用納秒級、皮秒級的時序控制技術。

目前在激光距離選通成像技術領域，獲得窄脈寬的TTL觸發信號主要有基于數字延時脈沖發生器、基于復雜可編程邏輯器件(CPLD)、基于可編程延時芯片和基于現場可編程邏輯門陣列(FPGA)。其中：

1)基于數字延時發生器

數字延時脈沖發生器以其高控制精度而廣泛應用在選通成像實驗室環境中。以典型的DG535為例，DG535能夠同時提供4路可控制延時輸出，延時范圍為01000ns，脈寬最小為4ns，每路延時精度為5ps。采用DG535能夠達到高的控制精度，但其體積龐大、負載重，一臺普通的DG535的尺寸為8.5″×4.75″×14″(WHD)，質量為101bs。另外，DG535系統復雜，所有參數均通過手動按鈕操作，因此器件的靈活性和便攜性較差，不利于選通成像系統實用化。

2)基于復雜可編程邏輯器件(CPLD)

CPLD因其具有可編程功能，體積小、延時范圍大等優點近來被應用到激光距離選通成像中。CPLD通過修改具有固定內連電路的邏輯功能來編程以達到產生具有相對延時的脈沖信號。CPLD的組合邏輯資源豐富、時序邏輯資源相對較少，目前時鐘精度大多在10納秒量級，器件延時時間為幾個納秒。因此，基于復雜可編程邏輯器件產生脈沖技術存在延時大，控制精度不高等問題。

3)基于可編程延時芯片

可編程延時芯片具有可編程、延時精度高，延時范圍較大等優點?？删幊萄訒r器件通過高速TTL比較器對觸發電路電壓和預置電壓進行比較實現高精度的脈沖信號輸出。以ANALOG?DEVICESGO公司AD9501為例，其延時精度為10ps，延時范圍為2.5ns-10us。但是可編程延時芯片采用的是模擬技術，沒有數字芯片穩定性高。

4)現場可編程邏輯門陣列(FPGA)

FPGA采用邏輯單元陣列LCA(Logic?Cell?Array)，體積小、邏輯清晰，含有鎖相環，延時范圍大，十分適合邏輯設計和時序約束，因此是選通成像同步控制的理想器件。但是目前基于FPGA的時序控制系統的時鐘控制精度在納秒量級。如Xilinx公司最新推出的Virtex-6系列FPGA，其最高時鐘頻率為600MHz，即時鐘控制精度最高1.67ns。但是受到FPGA本身的工藝限制，實際工作的頻率會小于600MHz，故實際的時鐘控制精度小于1.67ns。