CN108061885A - 多通道激光引信目标特征识别信号处理电路的实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多通道激光引信目标特征识别信号处理电路的实现方法，将FPGA芯片与TDC芯片集成，对多通道脉冲信号同时进行实时处理，测量反应目标特征的回波延时和脉宽；由FPGA芯片进行回波高速采样、时序处理和数字信号处理，对TDC芯片进行参数配置和延时数据的传送；由TDC芯片进行延时测量，并将延时测量的数据传送至FPGA芯片。本发明基于全数字信号处理的集成设计方案，将回波延时测量、高速采样集成到数字信号处理电路中，能够同时对8个探测通道的回波脉冲进行高速采样，延时测量精度达±0.1ns，脉宽测量精度达±1ns。根据目标的延时和脉宽函数，拟合判据函数，对8个探测通道的回波的延时、脉宽组合进行筛选，识别目标特征，剔除无效干扰回波信号。

Description

多通道激光引信目标特征识别信号处理电路的实现方法

技术领域

本发明涉及激光引信信号处理电路，特别涉及一种多通道激光引信目标特征识别信号处理电路的实现方法。

背景技术

激光引信为实现较远的作用距离，并且满足全向探测能力，一般采用多个探测通道，脉冲体制激光引信为提高抗自然环境干扰的能力，需要较高的时间测量精度来提取目标特征，以获得较高的距离分辨力和不同距离上反射回波的能量特征，从而有利于完成目标识别与抗环境干扰的算法实现。距离分辨率体现在回波前沿相对与发射驱动脉冲的延时(以下简称延时)的精确测量，回波反射能量大小体现在回波脉冲宽度(以下简称脉宽)的大小精确测量。

传统脉冲探测体制的信号处理主要通过FPGA内部时钟进行高速采样测量延时、脉宽。这种测量通常采用脉冲计数法，即在待测信号的高电平或低电平用一高频时钟脉冲进行计数。待测信号相对于计数时钟通常是独立的，因此该法的最大测量误差为一个时钟周期。提高计数时钟频率时钟频率，提高脉冲计数法的精度的唯一有效途径。但是越高测量误差越小，但是频率越高对芯片的性能要求也越高，若系统时钟为250MHz，则系统的测量精度为±4ns。而对于几十纳秒的延时、脉宽来说，这样的测量精度远不满足需求。

若采用利用时间间隔测量芯片，测量反射回波的延时，通过通信协议传输给后级片上数字信号处理器。这种信号处理方式的时间测量精度高达0.1ns左右，距离分辨力极高，主要用于高精度的微波测距或激光测距系统，但是缺陷是该测距芯片无法测量回波的脉宽。

利用FPGA移相时钟对反射回波进行高速采样，来测量反射回波的延时，时钟移相等效于采样时钟倍频，因此能够获得1ns左右的时间测量精度。但移相时钟对时钟输入要求高，要实现8个探测通道反射回波延时和脉宽的测量，需要增加逻辑复杂度或者复用FPGA芯片，前者会使信号处理系统时钟频率下降，降低移相时钟的可靠性，后者则需要更大的体积空间，而对于体积受限的反反舰导弹上难以实现。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多通道激光引信目标特征识别信号处理电路的实现方法，能够对8通道脉冲信号进行实时处理，精确测量反应目标特征的回波延时和脉宽，其中延时测量精度达±0.1ns，脉宽测量精度达±1ns。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供一种多通道激光引信目标特征识别信号处理电路的实现方法，将FPGA芯片与TDC芯片进行集成，对多通道脉冲信号同时进行实时处理，测量反应目标特征的回波延时和脉宽；

其中，通过FPGA芯片进行回波高速采样、时序处理和数字信号处理，对TDC芯片进行参数配置和延时数据的传送；通过所述TDC芯片进行延时测量，并将延时测量的数据传送至FPGA芯片。

优选地，任意一个通道有回波输出至TDC芯片的对应管脚时，TDC芯片测量该通道对应的发射基准信号与回波的延时，并将测量结果存储在FIFO寄存单元，发出中断信号；

所述FPGA芯片从TDC芯片的FIFO寄存单元读取存储的数据，得到回波通道信息、各个通道回波相对各自发射基准信号的延时数据。

优选地，所述FPGA芯片将8通道各自对应的10kHz发射基准信号经过或运算得到的一路80kHz信号，作为多路回波信号延时测量的基准传输给TDC芯片。

优选地，所述TDC芯片是TDC-GPX芯片；进行8通道的回波延时测量时，对TDC-GPX芯片使用81ps分辨率的8通道延时测量的I模式。

优选地，进行脉宽测量时，激光引信8个通道轮流发射，8路回波在时域条件下不重叠；将8个通道的回波进行或运算，形成一个包含8路回波脉宽信息的单路回波合信号；利用4路移相时钟对该回波合信号进行采样，测得回波合信号的脉宽信息，结合当前激光引信的发射通道时序得到任意一个通道的回波脉宽。

优选地，根据外部晶振输入的50M时钟，FPGA芯片内部通过5倍频处理输出250M的系统时钟clk0，并产生三个90°移相位同源250M时钟clk90°、clk180°、clk270°；用这四路时钟信号同时驱动四个计数器对待测回波信号进行计数；设四个计数器的计数个数分别为n1、n2、n3、n4，得到脉宽的测量值p＝(n1+n2+n3+n4)*1ns。

优选地，所述回波合信号是在任意一个10k发射周期内，对接收到回波信号的m个通道的回波进行或运算得到的，m是正整数，m≤8。

优选地，在m个通道各自对应的周期，根据脉宽的测量数据计算得到这m个通道各自对应的脉宽。

优选地，根据对目标的延时和脉宽进行拟合得到的函数关系p＝f(τ)，制定引信的目标识别判据，用来对8个通道的回波的延时、脉宽的组合进行筛选，以识别目标特征，剔除无效干扰回波信号：

每个通道的延时信息和脉宽信息组合(τi，pi)，1≤i≤8；

若(τi，pi)满足|f(τi)-pi|≤5ns，判断该回波满足延时脉宽判据要求；

若(τi，pi)不满足|f(τi)-pi|≤5ns，判断该回波不满足延时脉宽判据要求。

优选地，对满足延时脉宽判据要求的回波进行抗阳光干扰、抗云雾干扰算法判别。

本发明提供的多通道激光引信目标特征识别信号处理电路的实现方法，其优点在于：

本发明采用全数字信号处理的集成设计方案，将回波延时测量、高速采样集成到数字信号处理电路中。

本发明利用FPGA芯片、TDC-GPX同时对8个探测通道的回波脉冲进行高速采样，其中延时测量精度达±0.1ns，脉宽测量精度达±1ns。

本发明目标的延时和脉宽函数，拟合判据函数，对8个探测通道的回波的延时、脉宽组合进行筛选，识别目标特征，剔除无效干扰回波信号。

附图说明

图1是本发明的电路结构示意图；

图2是以四路时钟信号同时驱动四个计数器对待测回波信号进行计数的信号示意图；

图3是只有3通道和6通道接收到回波信号的一个实施例的信号示意图。

具体实施方式

下面结合附图对该发明的具体实施方式进行描述。

1、全数字信号处理的集成设计

本发明采用全数字信号处理的集成设计方案，如图1所示，核心电路利用FPGA和TDC-GPX芯片来搭建。其中，FPGA芯片同时实现回波高速采样、时序处理和数字信号处理，完成对TDC芯片的参数配置和延时数据的传送，TDC芯片完成延时测量，并将延时测量数据传送至FPGA。

2、TDC-GPX延时测量

TDC-GPX是由德国ACAM公司生产的专用时间间隔测量芯片，其测量精度最高可达10ps，且适合于集成化系统的应用，具有I模式、G模式、R模式、M模式多种测量模式，支持精度可调，在锁相环(PLL)的作用下使得测量精度受外界温度、电压的变化非常小。主要包含时间数字转换单元(Time Digital Converter)、算术逻辑单元(Algorithm Logic Unit)、寄存器配置单元、读写逻辑单元、接口FIFO寄存单元、输入逻辑单元、参考时钟单元和MTimer定时器单元等模块。

为了满足8通道的回波延时测量，本实施例选择了81ps分辨率的8通道延时测量的I模式。FPGA将8路10kHz发射基准信号fs1～fs8相或，将形成的1路80kHz的信号，作为8路回波信号延时测量的基准，传输至TDC-GPX的TStart管脚。8路回波管脚分别连接至TDC-GPX芯片的TStop1、Tstop2、Tstop3、Tstop4、Tstop5、Tstop6、Tstop7、TStop8管脚，当TStop1～TStop8中有回波产生时，例如第1通道有回波输出至TStop1时，TDC-GPX测量第1通道对应的发射基准fs1与回波1的延时，当测量结果存储在FIFO寄存单元，TDC-GPX发出中断信号。此时FPGA从TDC的FIFO寄存单元读取存储数据，数据包括通道信息和延时数据。FPGA与TDC-GPX采用并口传输数据，操作方便，读取等待周期短。类似的其它几个通道的回波延时信息也将传输至FPGA，因而FPGA就测得了包含回波通道信息的，8个通道回波相对各自发射基准的延时τ1、τ2、τ3、τ4、τ5、τ6、τ7、τ8，测量精度优于0.1ns。

3、脉宽测量

提高计数时钟频率，是提高脉冲计数法的精度的唯一有效途径。但是越高测量误差越小，但是频率越高对芯片的性能要求也越高，若系统时钟为250MHz，移相时钟等效采样技术可以变相提高系统的时钟频率，但是以牺牲系统布局布线的复杂度或复用FPGA芯片占用较大PCB面积来实现，但是两者在本发明中并不适用，前者是因为提高了布局布线的复杂度提高了软件综合优化编译后的难度，不利于后续抗干扰算法的实现，在实际工况下，推荐的时钟频率远远低于原设计时钟频率，甚至在设计值的一半以下(125MHz)。这样实际提升的效果有限，而且还降低了系统其它功能模块的处理时钟频率。后者是因为在导弹信号处理电路有限的空间下无法安放8个FPGA进行复用操作，而且从成本角度考虑也不可取。

为此，本发明基于激光引信8个通道采用轮流发射，每个周期间隔12.5us(100us/8)，在激光引信作用距离小于1875m(c*12.5us/2)条件下，8路回波满足在时域条件下不重叠，那么可以考虑将8个通道的回波进行或运算，形成一个包含8路回波脉宽信息的单路回波合信号。然后利用4路移相时钟对该回波合信号进行采样，测得回波合信号的脉宽信息，结合当前激光引信的发射通道时序我们便可以得到某一通道的回波脉宽p。

本方案中的信号处理电路选用外部晶振输入50M时钟，用FPGA内部时钟管理模块5倍频输出250M系统时钟clk0，同时生成另三个90°移相位同源250M时钟clk90°、clk180°、clk270°。用这四路时钟信号同时驱动四个计数器对待测回波信号进行计数，如图2所示。四个计数器的计数个数分别为n1、n2、n3、n4最终脉宽的测量值p＝(n1+n2+n3+n4)*1ns，测量频率等效于1GHz。可以看到这种方法实际等效于将原始计数时钟4倍频，以4倍的时钟频率对待测信号进行计数测量，从而将测量精度提高到原来的4倍。同时该法保证了整个电路的最大工作频率仍为250M，避免了芯片时钟频率受限带来的问题。

若在一个10k发射周期内，只有3通道和6通道接收到回波信号，那么所有通道的回波合信号为3通道回波和6通道回波的或，如图3所示，再结合脉宽测量数据分别出现在发射第三周期和第六周期，那么可以得到3通道的脉宽p3和6通道的脉宽p6。同理，我们可以得到所有8个通道的脉宽p1、p2、p3、p4、p5、p6、p7、p8。

4、目标识别

进行激光引信产品对的回波特性测量试验，得到典型目标的大量的延时τ、脉宽p数据，建立回波特性数据库，利用MATLAB软件对延时τ(ns)、脉宽M(ns)进行函数拟合，得到两种参数之间的函数关系p＝f(τ)，并依此函数制定引信的目标识别判据。对回波特性进行高精度测量，即利用TDC-GPX测得8个通道的延时信息τ1、τ2、τ3、τ4、τ5、τ6、τ7、τ8，测量精度优于0.1ns；通过4个250M、90°相位同源时钟对回波的脉宽进行精准测量测得8个通道的脉宽信息p1、p2、p3、p4、p5、p6、p7、p8，等效采样时钟频率1GHz，采样精度1ns。由此我们得到，每个通道的延时信息和脉宽信息组合(τi，pi)，1≤i≤8。进行脉冲宽度鉴别，去除稀疏杂质干扰，在不同延时情况下，对脉宽的要求判据也不同，依据延时与脉宽拟合函数判断算出当前延时要求的判据，剔除不满足要求的回波。若(τi，pi)满足|f(τi)-pi|≤5ns，则判断回波满足延时脉宽判据要求；若(τi，pi)不满足|f(τi)-pi|≤5ns，则判断该回波不满足延时脉宽判据要求。对满足要求的回波进一步进行抗阳光干扰、抗云雾干扰算法判别。

优选地，可以将本发明应用于反反舰导弹的8象限轮流发射全向探测大视场激光引信，信号处理电路具备8通道实时处理的能力，能够精确测量反射回波的延时、脉宽。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种多通道激光引信目标特征识别信号处理电路的实现方法，其特征在于，将FPGA芯片与TDC芯片进行集成，对多通道脉冲信号同时进行实时处理，测量反应目标特征的回波延时和脉宽；

其中，通过FPGA芯片进行回波高速采样、时序处理和数字信号处理，对TDC芯片进行参数配置和延时数据的传送；通过所述TDC芯片进行延时测量，并将延时测量的数据传送至FPGA芯片。

2.如权利要求1所述多通道激光引信目标特征识别信号处理电路的实现方法，其特征在于，

任意一个通道有回波输出至TDC芯片的对应管脚时，TDC芯片测量该通道对应的发射基准信号与回波的延时，并将测量结果存储在FIFO寄存单元，发出中断信号；

所述FPGA芯片从TDC芯片的FIFO寄存单元读取存储的数据，得到回波通道信息、各个通道回波相对各自发射基准信号的延时数据。

3.如权利要求1所述多通道激光引信目标特征识别信号处理电路的实现方法，其特征在于，

所述FPGA芯片将8通道各自对应的10kHz发射基准信号经过或运算得到的一路80kHz信号，作为多路回波信号延时测量的基准传输给TDC芯片。

4.如权利要求1所述多通道激光引信目标特征识别信号处理电路的实现方法，其特征在于，

所述TDC芯片是TDC-GPX芯片；进行8通道的回波延时测量时，对TDC-GPX芯片使用81ps分辨率的8通道延时测量的I模式。

5.如权利要求1所述多通道激光引信目标特征识别信号处理电路的实现方法，其特征在于，

进行脉宽测量时，激光引信8个通道轮流发射，8路回波在时域条件下不重叠；将8个通道的回波进行或运算，形成一个包含8路回波脉宽信息的单路回波合信号；利用4路移相时钟对该回波合信号进行采样，测得回波合信号的脉宽信息，结合当前激光引信的发射通道时序得到任意一个通道的回波脉宽。

6.如权利要求5所述多通道激光引信目标特征识别信号处理电路的实现方法，其特征在于，

根据外部晶振输入的50M时钟，FPGA芯片内部通过5倍频处理输出250M的系统时钟clk0，并产生三个90°移相位同源250M时钟clk90°、clk180°、clk270°；用这四路时钟信号同时驱动四个计数器对待测回波信号进行计数；设四个计数器的计数个数分别为n1、n2、n3、n4，得到脉宽的测量值p＝(n1+n2+n3+n4)*1ns。

7.如权利要求5所述多通道激光引信目标特征识别信号处理电路的实现方法，其特征在于，

所述回波合信号是在任意一个10k发射周期内，对接收到回波信号的m个通道的回波进行或运算得到的，m是正整数，m≤8。

8.如权利要求7所述多通道激光引信目标特征识别信号处理电路的实现方法，其特征在于，

在m个通道各自对应的周期，根据脉宽的测量数据计算得到这m个通道各自对应的脉宽。

9.如权利要求1所述多通道激光引信目标特征识别信号处理电路的实现方法，其特征在于，

根据对目标的延时和脉宽进行拟合得到的函数关系p＝f(τ)，制定引信的目标识别判据，用来对8个通道的回波的延时、脉宽的组合进行筛选，以识别目标特征，剔除无效干扰回波信号：

每个通道的延时信息和脉宽信息组合(τi，pi)，1≤i≤8；

若(τi，pi)满足|f(τi)-pi|≤5ns，判断该回波满足延时脉宽判据要求；

若(τi，pi)不满足|f(τi)-pi|≤5ns，判断该回波不满足延时脉宽判据要求。

10.如权利要求9所述多通道激光引信目标特征识别信号处理电路的实现方法，其特征在于，

对满足延时脉宽判据要求的回波进行抗阳光干扰、抗云雾干扰算法判别。