1 引言

　　傳統(tǒng)激光脈沖時間測距系統(tǒng)常采用模擬電路閾值檢測實現(xiàn)時刻鑒別,。這種方法比較簡單，但受脈沖幅度變化的影響較大,，且對信噪比要求很高,。當信噪比很低時，則無法實現(xiàn)測距功能,。因此不用門控電路控制脈沖計數(shù),，而直接利用高速數(shù)據(jù)采集器件及計算機進行數(shù)據(jù)采集和處理，可以獲得大量的回波信息,。面對高速率的傳輸數(shù)據(jù),，高性能FPGA的接口設(shè)計便成為連接前端A／D與后端信號處理器的紐帶。

　　2 激光測距原理

　　在此僅討論脈沖體制的激光雷達,。作為一種非相干激光雷達,，它采用的是脈沖法測距,，即利用脈沖激光器發(fā)射一個或一列很窄的激光脈沖，通過測量回波與發(fā)射主波之間的脈沖延遲時間來測量距離(即測量飛行時間法),。在靈敏度足夠和不產(chǎn)生測距模糊的情況下,，其最大測量距離為：

　　R一=cTr/2=(C/2/fr=) (1)

　　式中：c是光速；Tr是激光往返于發(fā)射器和目標之間的傳播時間,，這里等于發(fā)射脈沖的重復(fù)周期,；fc是激光發(fā)射脈沖的重復(fù)頻率，用于確定回波脈沖是否到達的同步標志則決定了測距的準確度,。對于利用計數(shù)脈沖計算光脈沖傳播時間,，其傳播時間為：T=Tc·N=N/fc (2)

　　式中：N為傳播時間內(nèi)計數(shù)脈沖個數(shù)；Tc為計數(shù)器時鐘周期,；fc為計數(shù)器時鐘頻率,。其目標距離為：R=cN/2fc (3)

　　由式(3)可知，fc越大,，測量距離R精度越小,。因此脈沖激光測距法的測距精度與計數(shù)脈沖時鐘頻率成反比，即時鐘頻率越高,，測距精度也越高,。

　　3 AT84AS004和XCL5VLX50簡介

　　AT84AS004是由1：4的DMUX組成的10位2 Gs／s模數(shù)轉(zhuǎn)換器，適用于滿足第一或第二奈奎斯特采樣定律的寬帶信號的數(shù)字化,。當它工作在2 Gs/s時,，滿足奈奎斯特第一定律會有7．8位的有效位和一55 dB的SFDR；滿足奎斯特第二定律會有7．5位的有效位和54 dB的SFDR,。1：4的多路數(shù)字信號輸出是與LVDS邏輯兼容的,，與標準的DSP和FPGA接口匹配，AT84AS004工作在2 Gs／s,。由于A/D轉(zhuǎn)換器AT84AS004集成度較高，模塊設(shè)計相對簡單,。前端與運放采用差分輸入方式,，后端與FPGA內(nèi)的4個雙口RAM對應(yīng)連接。采樣速率為1 GHz,，數(shù)據(jù)輸出采用1：4并行模式,，輸出數(shù)據(jù)率為250 MHz,輸入時鐘和數(shù)據(jù)輸出時鐘類型可分別設(shè)置為CLK／2和DR/2，設(shè)置方法如圖1所示,。PCB設(shè)計可參考AT84A—S004一EB數(shù)據(jù)手冊,。

　　FPGA的選型主要基于高速和RAM資源豐富考慮目。由于XCL5VLX50的內(nèi)核可工作在550MHz時鐘嚇,，同時內(nèi)部具有接近2 Mbit的RAM存儲空間,，能很好滿足前端高速A／D數(shù)據(jù)采集和存儲接口設(shè)計，同時也能滿足高速數(shù)據(jù)吞吐率的要求。

　　4 激光脈沖測距雷達系統(tǒng)實現(xiàn)框架

　　系統(tǒng)由高速運放,、高速A/D轉(zhuǎn)換器,、低通濾波器、積累平均等功能模塊組成,。其中,，低通濾波器可通過FPGA硬件完成，積累平均等功能模塊可由高性能DSP組成,。同時還需要有高速,、高性能的FPGA構(gòu)成MD轉(zhuǎn)換器與FPGA和FPGA與DSP之間的高速數(shù)據(jù)接口。其信號流程是模擬信號首先通過運放AD8352差分放大送入AT84AS004內(nèi),，輸出分A,，B，C,D 4個端口,。當采樣率為1 GHz時,，采用同步輸出模式的數(shù)據(jù)輸出頻率可達到125 MHz，再在FPGA內(nèi)做相應(yīng)處理,，根據(jù)采樣同步信號形成數(shù)據(jù)幀,，分別送入TS一201的鏈路口L0~L3和總線DO～D63上。存入TS一20l片內(nèi)RAM中并進行相關(guān)運算,，然后通過鏈路口送入第2片TS一201中進行其他數(shù)據(jù)運算,，數(shù)據(jù)結(jié)果通過與DSP相連的CY7C68013轉(zhuǎn)換為USB協(xié)議數(shù)據(jù)或串口數(shù)據(jù)傳到上位機。上位機軟件采用VC語言,，設(shè)計軟件可識別USB接口,，將距離數(shù)據(jù)讀出并實時顯示。A／D變換器時鐘由AD9516產(chǎn)生,，輸入系統(tǒng)時鐘或板上晶體振蕩器時鐘,。圖2所示為系統(tǒng)設(shè)計框圖。

　　5 FPGA內(nèi)部接口設(shè)計

　　FPGA內(nèi)部要求完成同步接收前端A/D采集的數(shù)據(jù),，并將數(shù)據(jù)進行低通濾波處理后轉(zhuǎn)換為TS201鏈路口模式數(shù)據(jù)和總線模式數(shù)據(jù),，同時還要求模擬設(shè)計SPI端口完成時鐘器件AD9516的初始化配置。與前端A／D接口設(shè)計采用4路同步鎖存模式,，同步接 收時鐘為125 MHz,，上下沿觸發(fā)，每路數(shù)據(jù)位寬為10 bit,，將每路低位補零處理后拼成64 bit數(shù)據(jù),，各接口設(shè)計如圖3所示。

　　

　　6 系統(tǒng)性能分析

　　6．1 采樣率

　　為了能對激光窄脈沖實時采樣,，要求采樣率達1 GHz,。該方案采用E2V公司的高速A／D轉(zhuǎn)換器AT84AS一004,，其最高采樣率可達2 GHz，提高了系統(tǒng)的升級能力,，同時由于該器件具有多路轉(zhuǎn)換功能,，因而可大大降低數(shù)據(jù)傳輸速率，為系統(tǒng)硬件設(shè)計提供了條件,。

　　6．2 數(shù)據(jù)傳輸率

　　由于A／D采樣位寬為10位,，當采樣率為1 GHz時，其數(shù)據(jù)傳輸速率為10 Gbit／s,，故對系統(tǒng)的吞吐能力提出了挑戰(zhàn),。系統(tǒng)的吞吐能力完全取決于高性能ADSP TS201的鏈路口與總線的傳輸能力，當TS201系統(tǒng)工作在80 MHz時,，鏈路口時鐘工作在350 MHz時,，總吞吐能力為13．52 Gbit／s，完全可以滿足當前系統(tǒng)數(shù)據(jù)吞吐能力要求,。而當采樣率為1 GHz,。系統(tǒng)采樣時間為10μs，采樣周期為1 ms時,，可以在FPGA內(nèi)部設(shè)計雙口RAM,，其緩存空間最大需要100 Kbit，而單獨總線的傳輸速率在0．5 ms內(nèi)就可達2．56 Mbit,，鏈路口可作為系統(tǒng)升級為2 GHz采樣率時備用,。

　　6．3 測距精度

　　由于測距精度與計數(shù)脈沖頻率成反比，當計數(shù)脈沖頻率為500 MHz時,，其理想情況下的最小測距精度可達0．3 m,。

　　7 結(jié)語

　　在給定測距范圍內(nèi)，測距系統(tǒng)無非追求兩個重要指標：一是測距精度,，二是實時性,。當采用高性能FPGA作為激光窄脈沖處理核心框架后，系統(tǒng)在這兩個指標上都具備軟件處理上無可替代的硬性指標,。
 

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