来历：电子规划工程 作者：王庆龙 , 赵文元 , 王和国
1、导言
传统激光脉冲时刻测距体系常选用模仿电路阈值检测完结时刻辨别。这种办法比较简略，但受脉冲幅度改变的影响较大，且对信噪比要求很高。当信噪比很低时，则无法完结测距功用。因此不必门控电路操控脉冲计数，而直接使用高速数据收集器材及核算机进行数据收集和处理，能够获得很多的回波信息。面临高速率的传输数据，高功用FPGA的接口规划便成为衔接前端A/D与后端信号处理器的枢纽。
2、激光测距原理
在此仅评论脉冲体系的激光雷达。作为一种非相干激光雷达，它选用的是脉冲法测距，即使用脉冲激光器发射一个或一列很窄的激光脉冲，经过丈量回波与发射主波之间的脉冲延迟时刻来丈量间隔(即丈量飞翔时刻法)。在灵敏度满意和不发生测距含糊的情况下，其最大丈量间隔为：
R一=cTr/2=(C/2/fr=) (1)
式中：c是光速;Tr是激光往复于发射器和方针之间的传达时刻，这儿等于发射脉冲的重复周期;fc是激光发射脉冲的重复频率，用于确认回波脉冲是否抵达的同步标志则决议了测距的准确度。关于使用计数脉冲核算光脉冲传达时刻，其传达时刻为：T=Tc·N=N/fc (2)
式中：N为传达时刻内计数脉冲个数;Tc为计数器时钟周期;fc为计数器时钟频率。其方针间隔为：R=cN/2fc (3)
由式(3)可知，fc越大，丈量间隔R精度越小。因此脉冲激光测距法的测距精度与计数脉冲时钟频率成反比，即时钟频率越高，测距精度也越高。
3、AT84AS004和XCL5VLX50简介
AT84AS004是由1：4的DMUX组成的10位2 Gs/s模数转化器，适用于满意榜首或第二奈奎斯特采样规律的宽带信号的数字化。当它作业在2 Gs/s时，满意奈奎斯特榜首规律会有7.8位的有用位和一55 dB的SFDR;满意奎斯特第二规律会有7.5位的有用位和54 dB的SFDR。1：4的多路数字信号输出是与LVDS逻辑兼容的，与规范的DSP和FPGA接口匹配，AT84AS004作业在2 Gs/s。因为A/D转化器AT84AS004集成度较高，模块规划相对简略。前端与运放选用差分输入办法，后端与FPGA内的4个双口RAM对应衔接。采样速率为1 GHz，数据输出选用1：4并行形式，输出数据率为250 MHz,输入时钟和数据输出时钟类型可别离设置为CLK/2和DR/2，设置办法如图1所示。PCB规划可参阅AT84A—S004一EB数据手册。
FPGA的选型首要依据高速和RAM资源丰富考虑目。因为XCL5VLX50的内核可作业在550MHz时钟吓，一起内部具有挨近2 Mbit的RAM存储空间，能很好满意前端高速A/D数据收集和存储接口规划，一起也能满意高速数据吞吐率的要求。
4、激光脉冲测距雷达体系完结结构
体系由高速运放、高速A/D转化器、低通滤波器、堆集均匀等功用模块组成。其间，低通滤波器可经过FPGA硬件完结，堆集均匀等功用模块可由高功用DSP组成。一起还需求有高速、高功用的FPGA构成MD转化器与FPGA和FPGA与DSP之间的高速数据接口。其信号流程是模仿信号首要经过运放AD8352差分扩大送入AT84AS004内，输出分A，B，C,D 4个端口。当采样率为1 GHz时，选用同步输出形式的数据输出频率可到达125 MHz，再在FPGA内做相应处理，依据采样同步信号构成数据帧，别离送入TS一201的链路口L0″L3和总线DO～D63上。存入TS一20l片内RAM中并进行相关运算，然后经过链路口送入第2片TS一201中进行其他数据运算，数据成果经过与DSP相连的CY7C68013转化为USB协议数据或串口数据传到上位机。上位机软件选用VC言语，规划软件可辨认USB接口，将间隔数据读出并实时显现。A/D变换器时钟由AD9516发生，输入体系时钟或板上晶体振荡器时钟。图2所示为体系规划框图。
5、FPGA内部接口规划
FPGA内部要求完结同步接纳前端A/D收集的数据，并将数据进行低通滤波处理后转化为TS201链路口形式数据和总线形式数据，一起还要求模仿规划SPI端口完结时钟器材AD9516的初始化装备。与前端A/D接口规划选用4路同步锁存形式，同步接纳时钟为125 MHz，上下沿触发，每路数据位宽为10 bit，将每路低位补零处理后拼成64 bit数据，各接口规划如图3所示。
6、 体系功用剖析
6.1 采样率
为了能对激光窄脉冲实时采样，要求采样率达1 GHz。该计划选用E2V公司的高速A/D转化器AT84AS一004，其最高采样率可达2 GHz，提高了体系的晋级才能，一起因为该器材具有多路转化功用，因此可大大下降数据传输速率，为体系硬件规划供给了条件。
6.2 数据传输率
因为A/D采样位宽为10位，当采样率为1 GHz时，其数据传输速率为10 Gbit/s，故对体系的吞吐才能提出了应战。体系的吞吐才能彻底取决于高功用ADSP TS201的链路口与总线的传输才能，当TS201体系作业在80 MHz时，链路口时钟作业在350 MHz时，总吞吐才能为13.52 Gbit/s，彻底能够满意当时体系数据吞吐才能要求。而当采样率为1 GHz。体系采样时刻为10μs，采样周期为1 ms时，能够在FPGA内部规划双口RAM，其缓存空间最大需求100 Kbit，而独自总线的传输速率在0.5 ms内就可达2.56 Mbit，链路口可作为体系晋级为2 GHz采样率时备用。
6.3 测距精度
因为测距精度与计数脉冲频率成反比，当计数脉冲频率为500 MHz时，其抱负情况下的最小测距精度可达0.3 m。
7 、结语
在给定测距范围内，测距体系无非寻求两个重要目标：一是测距精度，二是实时性。当选用高功用FPGA作为激光窄脉冲处理中心结构后，体系在这两个目标上都具有软件处理上无可代替的硬性目标。
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