基于FPGA的激光測距回波信號高速采集研究

劉繼勇，王小淘

（西安工業(yè)大學 電子信息工程學院，陜西 西安 710021）

激光由于其高單色性、高方向性以及相干性好，激光測量技術相比其他測量手段具有獨特優(yōu)勢，得到了長足的發(fā)展。測量距離的方法很多，主要有干涉法測距、三角法測距和 TOF法測距[1]等方法。激光測距利用干涉法測距的原理，主要有以下兩種方法：相位測距和脈沖測距。相位式激光測距是利用較低頻率的電信號調制高頻光信號，使光通量發(fā)生周期性的變化，通過測量調制光信號往返一次的相位改變量來實現(xiàn)距離的測量，具有測程近和需要合作目標等缺點。脈沖式激光測距是利用光脈沖往返于測距儀和目標之間的傳播時間實現(xiàn)距離的測量，主要適用于大距離或超大距離的測量，且測量精度一般為米級。具有測量精度較低、體積大等缺點[2]。本文主要研究的基于FPGA的脈沖式激光測距系統(tǒng)，既適用于長距離測量，又適用于短距離測量，而且測量精度較高。

1 脈沖激光測距原理

脈沖激光測距利用了激光在空氣中傳播速度基本恒定的特性，它通過測定激光脈沖在被測目標距離走一個往返的時間來測定目標的距離[3-4]。激光測距雷達對目標發(fā)射一個或一列很窄的光脈沖（脈沖寬度小于等于50 ns），測量自發(fā)射光脈沖起始，到達目標并由目標返回到接收機的時間，由此計算出目標距離如圖1所示[4]。

圖1 脈沖激光測距原理圖Fig.1 Schematic of the pulsed laser ranging

設目標距離為R，光脈沖往返經(jīng)過的時間為t，光在空氣中傳播速度為c，則

式中，t是光脈沖發(fā)射到目標然后從目標返回到接收機的時間間隔。它是通過計數(shù)器計數(shù)這一時間間隔內(nèi)進入計數(shù)器的鐘頻脈沖個數(shù)來測量距離的。設在這段時間里有n個鐘頻脈沖進入計數(shù)器，鐘頻脈沖之間的時間間隔為τ，鐘頻脈沖的振蕩頻率為f=1/τ，則

式中，l=c/2f表示每一個鐘頻脈沖所代表的距離基準，計數(shù)得到n個鐘頻脈沖，就得到距離R。l的數(shù)值確定了測量的精度。

2 回波信號采集的實現(xiàn)

典型的脈沖激光測距系統(tǒng)主要由激光發(fā)射系統(tǒng)、回波接收系統(tǒng)、信號處理系統(tǒng)組成。工作過程大致如下：當測距儀對準目標后，激光器發(fā)射出激光脈沖，同時截取部分光波作為觸發(fā)信號，使計時電路開始對時標脈沖進行計數(shù)；經(jīng)目標散射后形成的激光回波信號通過光學接收天線后，為光電探測器所接收，將光信號轉換為電脈沖信號，經(jīng)過放大整形后作為計數(shù)器停止計數(shù)的控制信號；然后，從計數(shù)器中讀取脈沖數(shù)n，結合時標脈沖的周期τ，進而可以通過式（2）計算出距離R[6]。

圖2 脈沖測距時序圖Fig.2 Pulse Ranging timing diagram

當取樣信號脈沖與回波信號脈沖的上升沿或下降沿的時間差小于幾個納秒時，傳統(tǒng)的測量脈沖寬度的脈沖計數(shù)法已不再適用。這是因為要測的脈沖越窄，所需要的時鐘頻率就愈高，對芯片的性能要求也越高。例如要求1 ns的測量誤差時，時鐘頻率就需要提高到 1 GHz，此時一般計數(shù)器芯片很難正常工作，同時也會帶來電路板的布線、材料選擇、加工等諸多問題。

為滿足低量程時精度要求較高同時又滿足測量量程大時精度要求低的技術要求，設計時采用FPGA芯片（EP2C8）來實現(xiàn)高速采集與數(shù)據(jù)處理，有效地提高了測距精度。下面將系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)進行詳細闡述。

3 回波采集系統(tǒng)設計

脈沖激光回波信號由目標反射信號和系統(tǒng)噪聲疊加而成[7]。因此信號接收系統(tǒng)由信號接收電路與低通濾波電路兩部分組成。信號接收電路主要通過光電二極管將光信號轉換為電信號，并對電流信號進行濾波放大轉換為電壓信號輸出，經(jīng)由FPGA快速采集并完成信息處理及儲存[8]。

為實現(xiàn)對激光回波信號的數(shù)字接收，通過QUARTUS II軟件，設計了FPGA回波信號接收模塊RECEIVE，主要作用是接收脈沖激光器的回波觸發(fā)信號，根據(jù)回波信號觸發(fā)FPGA內(nèi)部計數(shù)器停止計數(shù)，接收模塊如圖3所示。其中，REBEGIN為重新開始信號，當完成一次計數(shù)后，REBEGIN清零，停止計數(shù)。CLK_200 MHz為時鐘信號。RECEIVE為接收信號，接收從激光脈沖發(fā)射器發(fā)射出的激光信號。

圖3 接收模塊Fig.3 Receiver modules

圖4 計數(shù)模塊Fig.4 Counting modules

計數(shù)模塊COUNTER主要作用是在發(fā)射激光脈沖的同時，啟動計數(shù)器，在接收到激光回波信號的同時，停止計數(shù)，將計算結果送給LED顯示，計數(shù)模塊如圖4所示。其中，CLK_200Mhz為系統(tǒng)時鐘信號。REBEGIN為重新開始信號。R_READY為計數(shù)停止信號。OUT[31..0]為計算完的距離，送至LED顯示。B每完成一次計數(shù)，延時約800 ns產(chǎn)生高電平。EN當完成累加，產(chǎn)生一個確認信號。

由圖5可以看出，當接收到RECEIVE模塊的R_READY信號時，計數(shù)停止，COUNTER模塊計算當前距離，將計算結果送至LED模塊。

數(shù)據(jù)接收完成后，通過編程先將數(shù)據(jù)存儲到RAM中，再將RAM中的數(shù)據(jù)讀出進行后續(xù)處理，從而準確地判別回波信號，自動設置閾值，達到提高回波檢測精度和距離判別準確度的目的。

4 實驗結果

將設計系統(tǒng)應用到實際測距系統(tǒng)中，實驗結果如表1所示。

圖5 接收模塊仿真圖Fig.5 Simulation diagram of the receiver module

5 結 論

本文簡明扼要地介紹激光脈沖測距的基本原理，在此基礎上設計了基于FPGA的脈沖激光接收系統(tǒng)的基本電路圖，通過對激光測距接收系統(tǒng)的研究分析，可以看出以上的測量結果精確度比較高，誤差相對比較低。

表1 實驗室測試結果Tab.1 Laboratory text results

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