基于FPGA的飞行时间测量系统

廖远东>（钦州学院　电子与信息工程学院，广西　钦州　535000）



基于FPGA的飞行时间测量系统

廖远东>
（钦州学院电子与信息工程学院，广西钦州535000）

以直接探测体制的激光三维视觉系统为背景，分析距离维探测中激光脉冲的噪音特性，利用MATLAB仿真技术分析4种定时方案的误差特性，提出恒比定时技术结合内插放大技术的飞行时间测量方案，基于该方案设计以FPGA为基础的飞行时间测量系统。

飞行时间测量；FPGA；激光三维视觉

激光三维视觉系统有直接探测和相干探测2种方式。理论上相干探测有更高信噪比，但对激光的时间、空间相干性要求很高，适合距离远、回波幅度微弱的情况。而直接探测方式对光束质量要求低，适合探测距离近且小型化、可靠性要求高的视觉系统［1］。直接探测的激光三维视觉系统的距离维的探测采用飞行时间法，探测的精度取决于飞行时间的测量精度，即激光发射脉冲和回波脉冲的时差测量精度。本文分析激光脉冲的含噪音下的时域特性，在此基础上建立激光脉冲的MATLAB模型，仿真分析4种定时技术的误差特性，提出具体的测量方案，并设计基于FPGA的硬件平台，采用VHDL语言实现测量算法，最后通过模拟实验验证实际测量精度。

1　激光脉冲的噪音特性

激光三维视觉系统中影响系统探测性能的有4种常见噪音：光子噪音、散斑噪音、热噪音和背景噪音［2］。噪音以一定的信噪比叠加在激光脉冲上，给飞行时间测量

引入误差，激光脉冲在时域是一个高斯脉冲分布：

式（1）中，fp为激光器重复频率，Pavg为激光器平均功率，τ为激光脉冲脉宽因子。根据4种噪音服从的分布，结合具体场景确定统计参量，利用MATLAB提供的ICDF函数可以仿真不同信噪比下的噪音时域分布，据式（1），30dB下的激光脉冲信号时域分布如图1所示。

2　时差测量方案仿真分析

时差测量的第一步是将含噪音脉冲整形成前沿极快的逻辑脉冲以触发高速计数器进行时差测量，这种整形技术就是定时技术。目前主流的定时技术有前沿定时法、过零定时法、恒比定时法和波形型形心法［3，4］。

利用含噪音的激光脉冲模型结合MATLAB仿真技术，分析在不同场景下4种定时技术的误差特性。图2仿真不同信噪比噪音对定时误差的影响，可知恒比定时对

图1　30dB噪音下激光脉冲波形

图2　噪音信噪比对定时误差影响

定时模块输出的触发信号触发高速计数器进行时差测量，为进一步提高测量的精度，在时基计数的基础上，采用放大精测处理。即在一定的时基计数测量的基础上，通过内插细化定时点附近的波形来提高测量精度。

3　FPGA测量系统设计

本文搭建了以高速AD和FPGA为核心的飞行时间测量系统。硬件系统分为5个部分：①模拟前端，其是光电探测器与高速AD的接口，主要设计考虑包括阻抗匹配、放大倍数和带宽；②高速AD，采用的是TI公司的ADC08500，采样率高达500MHz，采样位宽8Bit；③高速时钟发生器，该文采用专门的时钟发生芯片CDCM61001搭建采样时钟电路，以降低相位噪音，提高测量精度；④FPGA信号处理，采用的是xilinx公司的Spartan-6系列的XC6SLX16；⑤电源和接口，为系统提供与控制PC通信的USB接口。

图3　回波幅度对定时误差影响

在该硬件平台上，采用VHDL语言实现飞行时间测量算法。回波信号经采样后时差信息包含在数字序列中，通过FPGA的算法提取出来，数据处理的算法框图见图4。输入到FPGA的数据时500MSPS的高速数据流，在如此高速率下，FPGA很难实现处理算法的时序收敛，进行实时处理。因此，本文采用乒乓处理结构，输入的数据流分时地输入2个FIFO缓存器内。每个FIFO缓存器都对应着一个定时处理模块（Timing Processor），这样每个定时处理模块的处理的数据流速率可降到250MSPS，较容易实现时序收敛。由于存在2个定时模块都可以触发高速计数模块进行计时，因此必须保证2个模块之间时序的协调和防止重触发。本文通过在控制模块（Control Block）中设置标志寄存器、进行偏移修正来实现。

图4　FPGA算法流程框图

图5　定时模块原理图

每个定时模块内部如图5所示，除了进行数字恒比处理（DCFD）外，还需要对数据进行预处理：去基线处理，由于前端模拟温漂和AD采样的固有基线，输入信号基线不稳，会造成数字运算时有效位宽减小、截断误差增大，且有可能造成叠峰而引起脉冲误判，去基线可解决该问题，具体采用数据平均法实现；滤波处理，通过频域滤波提高信号信噪比，为了防止数字信号的时间信息的畸变，需采用线性相位的FIR滤波器。定时处理模块的数据率很高，为保证数据吞吐量，FIR滤波器采用并行结构实现。

该系统数据率高、信号繁多，保证每个信号时序正确对时差测量至关重要。除了严格设置每个信号寄存器的时序关系外，还可以利用ModelSim对VHDL程序进行时序仿真和微调（见图6）。

图6　MedelSim仿真FPGA内部信号

4　测量实验

利用信号发生器模拟激光发射信号和回波信号，输入到时差测量系统进行测试。使用AFG3252波形发生器产生两个时差确定的高斯脉冲波形，模拟发射信号和回波信号，输入到时差测量系统中，PC读出测量值。同时，DPO4054B示波器测量每个脉冲波形时差，对比示波器读出值和系统测量值（见图7）。

图7　实验装置图

PC发出指令控制时差测量系统对高斯脉冲进行测量，通过USB接口上传数据到PC。时差测量系统的输出时差测量值由两部分组成：粗测值和精测值。粗测值的时间分辨率为2ns，精测值的时间分辨率为100ps。实验对10组不同的时差值进行测量，每次测量重复进行10次，得到的数据如表1所示。

表1　时差测量实验数据

表1中实际的时差值是示波器的测量值，波形发生器设置产生的脉冲时差与示波器测量得到的脉冲时差并不一致，这是由于波形发生器的任意波形设置的精度只有1ns原因所致。由表1数据可知，时差测量系统的测量平均误差为0.492ns，真空光速c=3×108m/s，测距误差∆s=∆t×c/2，则对应的测距误差为0.073 8m。误差存在的原因是硬件电路存在一定噪音，以及FPGA信号处理时存在的数据截断误差。

5　结语

本文分析激光三维视觉系统含噪音情况下时域波形特性，通过MATLAB仿真提出恒比定时与放大精测相结合的飞行时间测量方法。然后设计以FPGA为基础的硬件平台，用VHDL语言实现时差测量算法，经实验验证该系统的时差测量误差小于0.5ns，具有一定的实用价值。为提高测量精度，可考虑采用更高采样率的AD、优化算法等途径。

［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，严高师，张弛.提高短距离脉冲式激光测距精度的研究［J］.光学技术，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

廖远东（1990-），男，硕士，助教，研究方向：传感技术、数据采集。噪音抑制能力最强。图3仿真回波脉冲幅度变化对定时误差影响，由于探测目标在距离维有一定延展性，从而回波脉冲会有幅度变化，要求定时技术对幅度变化不敏感。图3结构表明，恒比定时和波形形心定时对回波脉冲幅度变化不敏感。综上，选取恒比定时作为飞行时间测量系统的定时方案。恒比定时的实现可以采用模拟电路，也可以采用数字电路。数字电路实现的优点是稳定性好，便于调试和集成化，本文采用数字方式实现。