CN105911536A - 一种具备实时门控功能的多通道光子计数激光雷达接收机 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种具备实时门控功能的多通道光子计数激光雷达接收机，该接收机硬件上主要由一片大容量FPGA芯片组成，FPGA内部配置成单主波通道多回波通道模式,包括一个主波通道模块和多个回波通道模块。本发明的目的在于提供一种实现方式简明且具备实时门控功能的多通道光子计数激光雷达接收机。在FPGA内部配置成单主波和多回波通道模式，回波通道利用粗计数值完成回波信号的粗时间测量，同时利用粗计数值进行直方图统计，根据统计结果完成自动门控，再利用内插延迟链完成对多通道多脉冲回波的精确时间测量。本发明具有外围电路简单，实现方式简明，功能接口可灵活配置和性价比高等优点。

Description

一种具备实时门控功能的多通道光子计数激光雷达接收机

技术领域

本发明属于对地观测激光雷达遥感技术领域，具体是指一种具备实时门控功能的多通道光子计数激光雷达接收机。

背景技术

用于飞机和卫星等平台的对地观测激光雷达是一种可以精确、快速地获取地面三维空间信息的主动遥感技术。通过测量发射与接收激光脉冲的时间间隔，可以在有限时间内获取大范围区域的高精度三维地形，而且激光脉冲能部分地穿透树林遮挡，直接获取真实地面的高精度三维地形信息，在城市、森林、山区等地貌测绘、资源调查、灾害预警等方面都可以发挥重要作用。

目前已经得到广泛应用的对地观测激光雷达一般使用单波束高能量的脉冲激光器，采用雪崩光电二极管作为探测器结合线性放大电路接收目标反射回波，利用高的探测阈值来保证系统在阳光下工作时的信噪比，使得背景噪声产生的虚警很少或没有，从而获得明确的表面回波。在高空机载以及星载平台应用上，由于作用距离很远，需要激光脉冲发射能量比较高，这种情况使激光重复频率很难提高，波束数也很难提高，从而导致地面采样点密度有限，不能满足远程高精度测绘的需求。

目前，国际上纷纷开始采用光子计数技术来解决远距离激光雷达中激光能量和重复频率之间的矛盾。光子计数激光雷达采用灵敏度极高(单光子量级)的光子计数探测器来探测激光回波。与传统的直接探测激光雷达不同，光子计数激光雷达探测到的不再是与回波光功率成正比的电信号，而是代表探测到的光子的电脉冲。在光子计数激光雷达体系下，激光探测系统灵敏度已达到单光子量级，接收系统信噪比的损失将不可避免，真实的信号会完全淹没在大量由背景噪声、探测器暗计数等产生的虚假信号中，无法简单的通过阈值鉴别来有效识别回波信号，这需要对单光子探测器输出的所有脉冲信号，包括虚假信号，进行高精度时间测量和记录，然后再经过信号处理模块提取出有效距离数据。对光子计数激光雷达接收机而言，接收到的回波信号包括目标回波光子信号、背景噪声光子信号和探测器暗计数信号，接收机通过对多次回波脉冲信号计数和高精度测时来提取目标信息。由于远距离测量时，回波次数非常多，数据量庞大，一般需要进行门控处理，即接收机需要预判目标存在的大致范围，只对目标距离一定的范围内的回波信号进行高精度测时。

把光子计数探测体制应用在对地观测激光雷达领域是一种新兴技术，开展此方面研究的主要集中在西方国家。美国林肯实验室多年致力于基于盖革模式(Geiger Mode)的雪崩光电二极管(Avalanche Photodiodes,APD)阵列的光子计数激光雷达研究，文献《Three-dimensional imaging laser radar with aphoton-counting avalanche photodiode array and microchip laser》介绍了其开发的多元光子计数激光雷达，其中的接收机只能实现单次回波的时间测量，此外其门控功能也是通过先验知识得到的。NASA也在从事光子计数激光雷达的研发，已进行了一系列的机载验证试验，文献《Design and performanceof a 3-D imaging,photon-counting,microlaser altimeter operating fromaircraft cruise altitudes under day or night conditions》介绍了其开发的机载光子计数激光雷达，其接收机包含4通道(每通道可记录4次回波)，也具备门控实时调整功能。但其实现较为复杂，门控和高精度测时之间由两套机制完成，系统庞大且扩展难度大。文献《光子计数激光雷达时间-数字转换系统》提出了利用FPGA内部实现多通道高精度时间测量的光子计数激光雷达接收机，但其接收机未实现实时门控功能，其门控的产生依赖先验知识。中国专利CN1719353A提出了一种在FPGA内部利用进位链时间内插实现的高精度的时间数字转换方法。本发明将借鉴这个专利中利用FPGA内部进位链时间内插进行细时间测量的部分，提出一种仅基于FPGA芯片，具备实时门控功能的多通道光子计数激光雷达接收机。

发明内容：

本发明的目的是提供一种具备实时门控功能的多通道光子计数激光雷达接收机，从而以比较简单且容易扩展的的方式获取目标区域范围内的多通道光子计数激光雷达回波信号，供后期处理用。

本发明的目的是通过下述技术途径实现的。

本发明公开一种具备实时门控功能的多通道光子计数激光雷达接收机，硬件上主要由一片大容量FPGA芯片组成，FPGA内部配置成单主波通道多回波通道模式,包括一个主波通道模块和多个回波通道模块。FPGA芯片具备可生成多通道的ns级传播长度的进位链用于构建主波通道和回波通道的内插延迟链。主波通道模块组成包括主波内插延迟链子模块、主波精细测量编码子模块和主波主控子模块。主波内插延迟链子模块由FPGA中的专用进位链实现，接收主波脉冲，完成对粗计数时钟周期的时间内插，实现对主波脉冲和粗计数时钟沿之间的精细时间间隔测量。主波精细测量编码子模块由FPGA内部的逻辑资源实现，对主波内插延迟链子模块输出的精细时间间隔数据进行编码输出。主波主控子模块由FPGA内部逻辑资源实现，控制各模块按时序工作，将主波精细测量数据存储到结果寄存器中。其中一个回波通道的组成包括回波粗计数器子模块、回波内插延迟链子模块、回波精细测量编码子模块、回波直方图统计子模块和回波主控子模块，其他回波通道配置均一致。回波粗计数器子模块由FPGA内部高速计数器实现，完成以粗计数为周期的时间测量。回波内插延迟链子模块由FPGA中的专用进位链实现，接收回波脉冲，完成对粗计数时钟周期的时间内插，实现对回波脉冲和粗计数时钟沿之间的精细时间间隔测量。回波精细测量编码子模块由FPGA内部的逻辑资源实现，对内插延迟链模块输出的精细时间间隔数据进行编码输出。回波直方图统计子模块由FPGA内部的RAM资源实现，实现对固定时间间隔内的回波数量进行累计统计，判断目标回波的存在范围，从而得到门控的范围设置。回波主控子模块由FPGA内部逻辑资源实现，主要根据直方图统计模块得到的范围设置来对回波脉冲进行过滤，将回波测量数据存入高速FIFO缓存中，实现接收机的回波门控功能。所有的粗计数器模块选用同一个高速粗计数时钟。

测量时，激光发射主波脉冲进入主波通道，每路激光回波脉冲进入每个回波通道。主波主控子模块提取主波内插延迟链上的主波脉冲行走时间数据，送入主波精细测量编码子模块获得主波脉冲和粗计数时钟沿时间间隔的精细测量结果并存储在寄存器中。回波主控子模块在主波脉冲到来时将回波通道的粗计数器清零，在回波脉冲到来时，暂时缓存此时的回波粗计数器计数值，提取回波内插延迟链上的回波脉冲行走时间数据，送入回波精细测量编码子模块获得回波脉冲和粗计数时钟沿时间间隔的精细测量结果并暂时缓存。回波主控子模块将缓存的回波粗计数器计数值送入直方图统计模块进行累计统计，得到门控范围设置并对回波脉冲进行过滤，将满足条件的回波粗计数值和精细测量结果存入高速FIFO缓存供外部读取。

应用这种具备实时门控功能的多通道光子计数激光雷达接收机进行数据采集的方法如下：

(1)在每个粗计数时钟沿锁存主波内插延迟链上的数据，在主波脉冲到来时所有回波通道的粗计数模块计数值清零，锁存主波内插延迟链上的数据；

测量中，主波内插延迟链模块在每个粗计数时钟沿锁存内插延迟链上的数据，若锁存数据出现连续多个1，代表激光主波进入内插延迟链。此时锁存结果反映主波脉冲到粗计数时钟沿这段时间间隔在延迟链上走过的长度。在主波到来的时钟沿，所有回波通道的粗计数器模块计数值清零，对该锁存结果通过主波精细测量编码模块处理后存入寄存器。

(2)在每个粗计数时钟沿锁存所有通道回波内插延迟链上的数据，在回波脉冲到来时锁存回波内插延迟链上的数据和回波粗计数器的计数值；

测量中，每个回波通道回波内插延迟链模块在每个粗计数时钟沿锁存内插延迟链上的数据。若锁存数据出现连续多个1，代表该通道回波进入内插延迟链，同时锁存该通道粗计数器的计数值。此时延迟链锁存结果反映回波脉冲到粗计数时钟沿这段时间间隔在延迟链上走过的长度，而粗计数锁存结果反映从主波对应的粗计数时钟到回波对应的粗计数时钟之间的计数值。

(3)利用锁存的回波粗计数器计数值进行直方图统计，从而得到门控范围并实时调整；

回波锁存的粗计数值代表回波返回的光子飞行时间(结合光速可以得到目标距离)。回波直方图统计模块将时间轴以主波为原点划分一定数量的小区间，在一定次数探测下对回波粗计数值落到各区间的频数进行累加，得到回波频数分布直方图。直方图统计的目的是统计多次累计测量下的回波分布，由于多次探测下目标回波具有距离相关性而噪声回波没有，可以判断频数明显峰值处的区间为目标。以目标区间为中心选择一定数量区间范围作为门控范围，且该范围随着直方图统计结果的变化实时调整。

(4)根据门控范围选择满足门控条件的回波，对其粗计数值和精细测量结果进行存储；

回波主控子模块根据直方图统计模块得到的门控范围对每次回波的测量结果进行过滤，仅保留满足门控条件的回波的粗计数结果和精细测量结果记录在高速FIFO缓存中。结合其对应主波的精细测量结果，可以得到满足门控条件的所有回波的精确时间测量结果，供后期数据处理。

本发明基于FPGA芯片，具备以下特点：

(1)具备实时门控、多通道多脉冲功能，相比其他光子计数激光雷达接收机实现方法，具有可扩展性强(可扩展回波通道数和脉冲数)，实现方式简明等优点；

(2)主要基于FPGA芯片，具有功能和接口可灵活配置，外围电路简单，性价比高等优点；

附图说明：

图1是本发明主波通道和回波通道的基本原理框图。

图2是本发明数据采集基本时序图。

图3是本发明直方图统计门控方法。

具体实施方式：

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

实施例

本发明的一种具备实时门控功能的多通道光子计数激光雷达接收机，包括一个主波通道模块和多个回波通道模块，所有模块均在FPGA内部实现，FPGA芯片选用XILINX公司的XC4VSX55。在其中实现1个主波通道和32个回波通道。如图1上半部，主波通道模块包括主波通道模块组成包括主波内插延迟链子模块、主波精细测量编码子模块和主波主控子模块。如图1下半部，其中一个回波通道模块包括回波粗计数器子模块、回波内插延迟链子模块、回波精细测量编码子模块、回波直方图统计子模块和回波主控子模块。

整个接收机的粗计数时钟频率选为250MHz，采用高稳定50MHz恒温晶振通过集成锁相环芯片SY89421V生成低抖动250MHz时钟作为粗计数时钟输入。

主波通道主波内插延迟链子模块由FPGA中的专用进位链单元实现，延迟单元长度约为50ps，延迟单元数为100个，总长度约为5ns，超过粗计数时钟周期4ns，完成对粗计数时钟的时间内插。

主波通道主波精细测量编码子模块由FPGA内部逻辑资源实现，将内插延迟链上的温度计码表示的主波和粗时钟沿间的精细时间数据转换为二进制数值。

主波通道主控子模块由FPGA内部状态机逻辑实现，控制主波通道各子模块按时序工作，将主波测量结果存入结果寄存器。

回波通道回波粗计数器子模块由FPGA内部高速计数器实现，粗计数时钟为250MHz，计数位宽为16bit，一个计数循环周期达到262.144us，按照光速3×10⁸km/s,可以测量近40km距离外的目标反射的激光回波。

回波通道回波内插延迟链子模块由FPGA内部逻辑资源实现，将内插延迟链上的温度计码表示的回波和粗时钟沿间的精细时间数据转换为二进制数值

回波通道回波精细测量编码子模块由FPGA内部逻辑资源实现，将内插延迟链上的温度计码表示的主波和粗时钟沿间的精细时间数据转换为二进制数值。

回波通道回波直方图统计子模块由FPGA内部逻辑资源实现，利用锁存的回波粗计数器计数值进行直方图统计。

回波通道回波主控子模块由FPGA内部状态机逻辑实现，控制回波通道各子模块按时序工作，根据直方图统计结果得到门控范围，将满足门控条件的回波粗计数结果和精细测量结果存入高速FIFO缓存中，FIFO缓存的深度为16个，意味着单通道单次测量最大回波数为16次。

下面结合图2介绍应用上述具备采样点激光雷达回波全波形采集器进行数据采集的方法。

(1)在每个粗计数时钟沿锁存主波内插延迟链上的数据，在主波脉冲到来时所有回波通道的粗计数器子模块计数值清零，并锁存主波内插延迟链上的数据；

当激光发射主波脉冲进入内插延迟链，锁存数据会出现多个连续的1值。该锁存结果代表主波脉冲到粗计数时钟沿这段时间间隔在延迟链上走过的长度。若主波内插延迟链上锁存数据出现连续5个1，则判断为主波到来，并在该粗计数时钟沿时刻将所有回波通道的粗计数器子模块计数值清零。同时锁存此时内插延迟链上的数据，经过精细测量编码得到主波脉冲和粗计数时钟沿时间间隔的精细测量结果，存储在结果寄存器中。该结果的分辨率为主波内插延迟链上每个延迟单元的时间。即连续1的个数乘以延迟单元延迟时间50ps可以得到主波脉冲与粗计数时钟沿之间的精细测量时间△T1。

(2)在每个粗计数时钟沿锁存所有通道回波内插延迟链上的数据，在回波脉冲到来时锁存回波内插延迟链上的数据和回波粗计数器的计数值；

当激光回波脉冲进入内插延迟链，锁存数据会出现多个连续的1值。该锁存结果代表回波脉冲到粗计数时钟沿这段时间间隔在延迟链上走过的长度。若回波内插延迟链上锁存数据出现连续5个1，则判断为回波到来。锁存该通道粗计数器的计数值T，该计数值代表主波和回波之间的粗计数间隔，分辨率为粗计数时钟周期4ns。同时锁存内插延迟链上的数据，并经过精细测量编码得到回波脉冲和粗计数时钟沿时间间隔的精细测量结果。该结果的分辨率为回波内插延迟链上每个延迟单元的时间。即连续1的个数乘以延迟单元延迟时间50ps可以得到回波脉冲与粗计数时钟沿之间的精细测量时间△T2。

(3)利用锁存的回波粗计数器计数值进行直方图统计，从而得到门控范围并实时调整；

回波锁存的粗计数值代表回波返回的光子飞行时间(结合光速可以得到目标距离)。回波直方图统计模块将时间轴以主波为原点划分100个小区间。以100个粗时钟为区间长度，区间时间长度为400ns(按照光速3×10⁸km/s代表60m的距离区间)，总的区间时间长度为40us(代表6km区间)。在1000次探测下对回波粗计数值落到各小区间的频数进行累加，得到回波频数分布直方图，如图3所示。由于多次探测下目标处回波具有距离相关性而噪声回波没有，可以判断频数明显峰值处的区间为目标。以目标区间为中心选择10个小区间范围(代表600m区间)作为门控范围，且该范围随着直方图统计结果的变化实时调整。

(4)根据门控范围选择满足门控条件的回波，将其粗计数值和精细测量结果存入FIFO缓存供外部读取；

回波主控子模块根据直方图统计模块得到的门控范围对每次回波的测量结果进行过滤，仅保留满足门控条件的回波的粗计数结果和精细测量结果记录在高速FIFO缓存中。根据测量得到的得到的对应主波脉冲与粗计数时钟沿的精细时间间隔△T1，回波粗计数器计数值T和回波脉冲与粗计数时钟沿的精细时间间隔△T2，可以计算出得到回波时刻相对于主波脉冲的精确时间间隔为(T+1)×4ns-(△T2-△T1)。将所有满足门控条件的回波存入FIFO缓存供外部读取。

Claims (3)

1.一种具备实时门控功能的多通道光子计数激光雷达接收机，包括主波通道模块和回波通道模块，其特征在于：

所述的激光雷达接收机在一片FPGA芯片上实现，所述的FPGA芯片具备可生成多通道ns级传播长度的进位链用于构建内插延迟链；

所述的主波通道模块包括主波内插延迟链子模块、主波精细测量编码子模块和主波主控子模块,在主波主控子模块控制下，主波内插延迟链子模块和主波精细测量编码子模块完成对主波脉冲的精细时间测量；

所述的回波通道模块包括回波粗计数器子模块、回波内插延迟链子模块、回波精细测量编码子模块、回波直方图统计子模块和回波主控子模块,在回波主控子模块控制下，回波粗计数器子模块完成对回波脉冲的粗时间测量，回波内插延迟链子模块和回波精细测量编码子模块完成对回波脉冲的精细时间测量，回波直方图统计子模块完成对回波脉冲的实时门控；

所述的主波主控子模块由FPGA内部状态机逻辑实现，所述的主波内插延迟链子模块由FPGA中的专用进位链实现，所述的主波精细测量编码子模块由FPGA内部的逻辑资源实现；

所述的回波主控子模块由FPGA内部状态机逻辑实现，所述的回波粗计数器子模块由FPGA内部高速计数器实现，完成以粗计数为周期的时间测量，所述的回波内插延迟链子模块由FPGA中的专用进位链实现，所述的回波精细测量编码子模块由FPGA内部的逻辑资源实现，所述的回波直方图统计子模块由FPGA内部的RAM资源实现，实现对固定时间间隔内的回波数量进行累计统计，得到门控的范围设置；

测量时，激光发射主波脉冲进入主波通道，每路激光回波脉冲进入每个回波通道；主波主控子模块提取主波内插延迟链上的主波脉冲行走时间数据，送入主波精细测量编码子模块获得主波脉冲和粗计数时钟沿时间间隔的精细测量结果并存储在寄存器中；回波主控子模块在主波脉冲到来时将回波通道的粗计数器清零，在回波脉冲到来时，暂时缓存此时的回波粗计数器计数值，提取回波内插延迟链上的回波脉冲行走时间数据，送入回波精细测量编码子模块获得回波脉冲和粗计数时钟沿时间间隔的精细测量结果并暂时缓存。回波主控子模块将缓存的回波粗计数器计数值送入直方图统计模块进行累计统计，得到门控范围设置并对回波脉冲进行过滤，将满足条件的回波粗计数值和精细测量结果存入高速FIFO缓存供外部读取。

2.根据权利要求1所述的具备实时门控功能的多通道光子计数激光雷达接收机，其特征在于，所述的激光雷达接收机中采用一个以上回波通道模块，所有的回波通道之间相对独立，都对应同一个主波通道。

3.一种基于权利要求1所述的具备实时门控功能的多通道光子计数激光雷达接收机的时间测量方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)主波主控子模块在每个粗计数时钟沿锁存主波内插延迟链上的数据，在主波脉冲到来时将所有回波通道的粗计数子模块计数值清零，并锁存主波内插延迟链上的数据；

测量中，主波主控子模块控制主波内插延迟链模块在每个粗计数时钟沿锁存内插延迟链上的数据，若锁存数据出现连续多个1，代表激光主波进入内插延迟链，此时锁存结果反映主波脉冲到粗计数时钟沿这段时间间隔在延迟链上走过的长度，在主波到来的时钟沿，将所有回波通道的粗计数器子模块计数值清零，对该锁存结果通过主波精细测量编码模块处理后存入寄存器；

(2)回波主控子模块在每个粗计数时钟沿锁存所有通道回波内插延迟链上的数据，在回波脉冲到来时锁存回波内插延迟链上的数据和回波粗计数器的计数值；

测量中，每个回波通道回波内插延迟链模块在每个粗计数时钟沿锁存内插延迟链上的数据。若锁存数据出现连续多个1，代表该通道回波进入内插延迟链，同时锁存该通道粗计数器的计数值，此时延迟链锁存结果反映回波脉冲到粗计数时钟沿这段时间间隔在延迟链上走过的长度，而粗计数锁存结果反映从主波对应的粗计数时钟到回波对应的粗计数时钟之间的计数值；

(3)回波主控子模块利用锁存的回波粗计数器计数值进行直方图统计，从而得到门控范围并实时调整；

回波锁存的粗计数值代表回波返回的光子飞行时间，结合光速可以得到目标距离；回波直方图统计模块将时间轴以主波为原点划分一定数量的小区间，在一定次数探测下对回波粗计数值落到各区间的频数进行累加，得到回波频数分布直方图，直方图统计的目的是统计多次累计测量下的回波分布，由于多次探测下目标回波具有距离相关性而噪声回波没有，可以判断频数明显峰值处的区间为目标，以目标区间为中心选择一定数量区间范围作为门控范围，且该范围随着直方图统计结果的变化实时调整；

(4)回波主控子模块根据门控范围选择满足门控条件的回波，对其粗计数值和精细测量结果进行存储；

回波主控子模块根据直方图统计模块得到的门控范围对每次回波的测量结果进行过滤，仅保留满足门控条件的回波的粗计数结果和精细测量结果记录在高速FIFO缓存中，结合其对应主波的精细测量结果，可以得到满足门控条件的所有回波的精确时间测量结果，供后期数据处理。