CN110456329A - 高频高精度激光回波仿真系统 - Google Patents

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Abstract

高频高精度激光回波仿真系统，涉及光电信息系统技术领域。本发明是为了解决现有激光回波仿真系统传输速度低，可扩展性差，成本高，难以同时实现高精度与大动态可调范围的问题。上位机用于模拟激光从每个目标点返回至激光阵列中每个激光探测器所用的时间，作为延时时间，将该时间发给数据接收卡，还用于接收配置完成信号并输出触发信号；数据接收卡对多个延时时间进行处理，以光信号形式分别传给各驱动控制卡；驱动控制卡用于接收一个延时时间，转为并行，将并行延时时间分为范围延时和精度延时，经过处理输出驱动控制信号；激光阵列中每一个激光探测器均接收一个驱动控制信号，接收从目标点返回的激光，实现回波信号模拟。它用于模拟激光回波。

Description

高频高精度激光回波仿真系统
技术领域
本发明涉及一种能生成高频高精度回波的高频高精度激光回波仿真系统，主要应用于激光制导武器的性能测试中，属于光电信息系统技术领域。
背景技术
激光回波仿真系统通过驱动控制激光阵列，使其根据所模拟的目标生成一个回波组，以测试激光制导系统能否根据目标物体进行三维模型构建并指挥导弹对其进行打击。
现有方案中的激光回波仿真系统是利用反射内存卡作为光纤传输的接口，由于反射内存卡采用PCI接口与外部设备通信，而激光阵列没有PCI接口，因此接收端的反射内存卡与激光阵列无法直接通信，需在中间环节加入工控机或微处理器，会产生较大延时，降低传输速度，实时性不高。并且反射内存卡的许多技术处于保密状态，传输协议不透明，可扩展性较差。
发明内容
本发明是为了解决现有激光回波仿真系统传输速度低，可扩展性差，成本高，难以同时实现高精度与大动态可调范围的问题。现提供高频高精度激光回波仿真系统。
高频高精度激光回波仿真系统，所述系统包括激光阵列4，所述系统还包括上位机1、数据接收卡2和多个驱动控制卡3，
上位机1，用于采用多个目标点模拟实际目标物体的三维图像，并模拟激光从每个目标点返回至激光阵列4中的每个激光探测器所用的时间，作为延时时间，将得到的多个延时时间通过USB总线发送给数据接收卡2，还用于接收配置完成信号，并输出触发信号；
数据接收卡2，用于对接收到的多个延时时间进行编码和分组处理，并将分组处理后的多个延时时间由并行转换成串行，以光信号的形式分别传递给各驱动控制卡3；
驱动控制卡3，用于以光信号的形式接收一个延时时间，将该光信号转换为电信号，并将电信号形式的延时时间由串行转为并行，用并行的延时时间除以时间周期得到时钟周期的整数倍和剩余时间，
根据时钟周期的整数倍配置目标计数器的值，同时用剩余时间除以设定的移相精度，得到配置的移相次数，配置完成后通过数据接收卡2向上位机反馈配置完成信号，
还用于通过数据接收卡2接收触发信号，触发内部的计数器开始工作，直到计数器内的计数值与目标计数器的值相等，输出采样触发信号，同时根据触发信号对剩余时间按照移相次数进行移相处理，得到同频异相时钟，
根据同频异相时钟对采样触发信号进行采样，输出驱动控制信号；
激光阵列4中的每一个激光探测器，均用于通过I/O接口3-6接收一个驱动控制信号，接收从目标点返回的激光，实现回波信号的模拟。
优选的，每个驱动控制卡3均包括接收模块、一号FPGA和I/O接口3-6，
一号FPGA包括收发控制模块3-3、一号总控模块3-4和信号生成模块3-5，信号生成模块3-5包括调相模块3-5-2、范围延时模块3-5-1和采样模块3-5-3，
接收模块，用于以光信号的形式接收数据接收卡2输出的一个延时时间，并将该光信息转换为电信号，并将电信号形式的延时时间由串行转为并行后，传递给收发控制模块3-3；
一号总控模块3-4，用于通过收发控制模块3-3接收并行的延时时间，用并行的延时时间除以时间周期得到时钟周期的整数倍和剩余时间，并将时钟周期的整数倍和剩余时间分别传送给范围延时模块3-5-1和调相模块3-5-2，并通过数据接收卡2和接收模块接收上位机反馈的触发信号，触发范围延时模块3-5-1和调相模块3-5-2动作；
范围延时模块3-5-1，用于将时钟周期的整数倍作为目标计数器的值，配置完成后通过一号总控模块3-4、收发控制模块3-3、接收模块和数据接收卡2向上位机反馈配置完成信号，还用于根据接收到的触发信号触发内部的计数器开始工作，直到计数器内的计数值与目标计数器的值相等，输出采样触发信号；
调相模块3-5-2，用于用剩余时间除以设定的移相精度，得到配置的移相次数，配置完成后通过一号总控模块3-4、收发控制模块3-3、接收模块和数据接收卡2向上位机反馈配置完成信号，还用于根据触发信号对剩余时间按照移相次数进行移相处理，得到同频异相时钟；
采样模块3-5-3，用于根据同频异相时钟对采样触发信号进行采样，输出驱动控制信号。
优选的，接收模块包括一号光收发模块3-1和串并转换芯片3-2，
一号光收发模块3-1，用于以光信号的形式接收数据接收卡2传送的延时时间，并将该光信息转换为电信号，传递给串并转换芯片3-2；
串并转换芯片3-2，用于将接收到的延时时间由串行转为并行后，传递给收发控制模块2-4。
优选的，数据接收卡2包括总线接口芯片2-1、二号FPGA、并串转换芯片2-7和二号光收发模块2-8，
二号FPGA包括总线控制模块2-2、二号总控模块2-3和收发控制模块2-4，
总线控制模块2-2，用于通过总线接口芯片2-1接收上位机1输出的多个延时时间，将该多个延时间传送给二号总控模块2-3，二号总控模块2-3，用于对多个延时间进行编码、分组后，将分组后的多个延时间通过收发控制模块2-4传递给并串转换芯片2-7，
并串转换芯片2-7，用于将收到的多个延时间由并行转为串行后传给二号光收发模块2-8，
二号光收发模块2-8，用于将串行后的多个延时间由电信号转换为光信号，并经过光纤分别传递给各驱动控制卡3。
优选的，二号FPGA还包括存储器控制模块2-5和片外存储器2-6，
存储器控制模块2-5，用于从二号总控模块2-3接收多个延时间，将多个延时间存入片外存储器2-6；
二号总控模块2-3，还用于接收总线控制模块2-2发送的控制信号，通过存储器控制模块2-5将片外存储器2-6内存储的多个延时间读回，将该时间发送给收发控制模块2-4；
片外存储器2-6，用于存储多个延时间。
优选的，串并转换芯片3-2的型号为TLK2501。
优选的，总线接口芯片2-1为USB总线接口芯片2-1。
本发明的有益效果为：
本申请采用上位机、数据接收卡和驱动控制卡自主设计了光纤通信协议，构建光纤高速传输系统整体架构，可以直接驱动激光阵列，改善了系统的结构性能，去除了中间环节产生的传输延时，提高了传输速率，保证了系统的实时性，减少了成本，同时可移植性强，摆脱了现有方案对反射内存卡的依赖性，便于后续功能扩展。与传统反射内存卡方案相比，本申请具有更高的传输速率，更好的实时性和可移植性。
在高精度回波生成技术方面，在实际应用中，不仅需要驱动控制信号的精度非常高，也需要其保证较大的动态可调的范围，同时尽可能的降低设计的复杂性，减少系统的物理体积。综合国内外的现状，若要对所有指标进行完全实现，单纯的使用某一种技术则很难完成。本申请采用分层次构建驱动控制信号的设计方案，在驱动控制卡内设置了范围延时模块和调相模块，通过这两个模块将延时时间分为范围延时和精度延时，即能保证延时有较大的可调范围，又能保证延时有良好的分辨率，将单一的数据接收卡和驱动控制卡分解为各模块，还可以对系统进行简化，降低其复杂度。通过优化光纤通信协议架构和相关FPGA控制电路结构，提升回波更新频率至1000Hz。本申请中的总线控制模块数据传输速度达到2.71Gbps，光纤传输模块的数据传输速度达到1.6Gbps，驱动信号的控制精度达到125ps。
本申请设计了一种采用自主设计的光纤通信协议、采用范围延时与精度延时单元相结合的技术生成高频高精度回波的激光回波仿真系统。具有高精度、大动态、实时性、高集成、低成本的优点。
附图说明
图1为高频高精度激光回波仿真系统的总体原理图；
图2为数据接收卡的原理示意图；
图3为驱动控制卡的原理示意图；
图4为收发控制模块从总线接口芯片或者从片外存储器接收延时时间的流程图；
图5为光纤传输的原理图；
图6为信号生成模块的原理示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：参照图1和图5具体说明本实施方式，本实施方式所述的高频高精度激光回波仿真系统，所述系统包括激光阵列4，所述系统还包括上位机1、数据接收卡2和多个驱动控制卡3，
上位机1，用于采用多个目标点模拟实际目标物体的三维图像，并模拟激光从每个目标点返回至激光阵列4中的每个激光探测器所用的时间，作为延时时间，将得到的多个延时时间通过USB总线发送给数据接收卡2，还用于接收配置完成信号，并输出触发信号；
数据接收卡2，用于对接收到的多个延时时间进行编码和分组处理，并将分组处理后的多个延时时间由并行转换成串行，以光信号的形式分别传递给各驱动控制卡3；
驱动控制卡3，用于以光信号的形式接收一个延时时间，将该光信号转换为电信号，并将电信号形式的延时时间由串行转为并行，用并行的延时时间除以时间周期得到时钟周期的整数倍和剩余时间，
根据时钟周期的整数倍配置目标计数器的值，同时用剩余时间除以设定的移相精度，得到配置的移相次数，配置完成后通过数据接收卡2向上位机反馈配置完成信号，
还用于通过数据接收卡2接收触发信号，触发内部的计数器开始工作，直到计数器内的计数值与目标计数器的值相等，输出采样触发信号，同时根据触发信号对剩余时间按照移相次数进行移相处理，得到同频异相时钟，
根据同频异相时钟对采样触发信号进行采样，输出驱动控制信号；
激光阵列4中的每一个激光探测器，均用于通过I/O接口3-6接收一个驱动控制信号，接收从目标点返回的激光，实现回波信号的模拟。
本实施方式中，本申请的核心设计是数据高速传输系统设计和高精度回波生成IP核设计。在数据高速传输系统设计方面，为了保证光纤通信的准确高效，深入研究现有的通信协议模型，在开放式系统互联模型和FCP协议栈的基础上，提出适用于数字光纤通信的协议架构。并对架构中的应用层、传输层和物理层进行深入探究与设计，剖析每一层架构在数据传输过程中的作用。与FCP协议相比，舍去了一些无用的功能，协议栈结构和数据流传输过程更简洁，降低了传输延时。由于系统工作在很高的工作频率下，很容易产生电磁兼容问题，为了保证系统信号板级传输的高速性和精确性，本发明针对系统的数据接收板卡和驱动控制板卡进行了系统电路板的高速信号完整性设计。
在高精度回波生成IP核设计方面，研究了FPGA高速信号传输控制技术及时序优化技术，实现激光阵列皮秒级驱动控制，以及高速传输与驱动控制之间的平衡。将延时系统分为范围延时和精度延时两个单元并结合，总控模块接收到延时时间后，将其分为范围延时量和精度延时量，分配给相应的单元，信号经过这样的延时结构输出，既能保证大范围延时，又能保证延时的高精度。其中精度延时单元采用时钟相位延时线技术，利用集成在FPGA芯片内部的高性能锁相环，对时钟周期进行细分，实现每路125ps的多路延时生成。
本实施方式中，每个驱动控制卡对应激光阵列中的一路激光通道。
光纤传输结构如图5所示。主要由FPGA、串并转换芯片和光收发模块构成。由FPGA负责对串并转换芯片进行控制，将数据在FPGA的并行形式与光收发模块的串行模式间转换。串并转换芯片选用TLK2501，最高传输速率为2.5Gbps。
一号FPGA和二号FPGA的型号为均Cyclone IV；总线控制模块采用芯片类型为Cyusb3014的EZ-USB FX3控制器；一号光收发模块和二号光收发模块的芯片类型均为AFBR5921；片外存储器采用DDR2SDRAM。
具体实施方式二：参照图3和图6具体说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的高频高精度激光回波仿真系统作进一步说明，本实施方式中，每个驱动控制卡3均包括接收模块、一号FPGA和I/O接口3-6，
一号FPGA包括收发控制模块3-3、一号总控模块3-4和信号生成模块3-5，信号生成模块3-5包括调相模块3-5-2、范围延时模块3-5-1和采样模块3-5-3，
接收模块，用于以光信号的形式接收数据接收卡2输出的一个延时时间，并将该光信息转换为电信号，并将电信号形式的延时时间由串行转为并行后，传递给收发控制模块3-3；
一号总控模块3-4，用于通过收发控制模块3-3接收并行的延时时间，用并行的延时时间除以时间周期得到时钟周期的整数倍和剩余时间，并将时钟周期的整数倍和剩余时间分别传送给范围延时模块3-5-1和调相模块3-5-2，并通过数据接收卡2和接收模块接收上位机反馈的触发信号，触发范围延时模块3-5-1和调相模块3-5-2动作；
范围延时模块3-5-1，用于将时钟周期的整数倍作为目标计数器的值，配置完成后通过一号总控模块3-4、收发控制模块3-3、接收模块和数据接收卡2向上位机反馈配置完成信号，还用于根据接收到的触发信号触发内部的计数器开始工作，直到计数器内的计数值与目标计数器的值相等，输出采样触发信号；
调相模块3-5-2，用于用剩余时间除以设定的移相精度，得到配置的移相次数，配置完成后通过一号总控模块3-4、收发控制模块3-3、接收模块和数据接收卡2向上位机反馈配置完成信号，还用于根据触发信号对剩余时间按照移相次数进行移相处理，得到同频异相时钟；
采样模块3-5-3，用于根据同频异相时钟对采样触发信号进行采样，输出驱动控制信号。
本实施方式中，驱动激光阵列产生回波的驱动信号构建过程中，将延时单元有层次地分为范围延时模块3-5-1和调相模块3-5-2，通过范围延时模块3-5-1进行范围延时，通过调相模块3-5-2进行精度延时。调相模块3-5-2采用时钟相位延迟线的方式，通过FPGA内嵌的锁相环实现。
系统中驱动控制卡结构图如图3所示。光信号形式的数据经过光纤传递到驱动控制卡上的一号光收发模块上之后，一号光收发模块将其转换为电信号并传递给串并转换芯片，FPGA内部的收发控制模块对串并转换芯片进行控制，将数据转换为并行之后读回并交给一号总控模块，一号总控模块将数据解码、处理后传递给信号生成模块，信号生成模块根据数据生成经过高精度延时后的脉冲信号，经过I/O接口输出至激光阵列，激光阵列产生模拟回波。
采样模块用移相得到的同频异相时钟，对由系统时钟产生的目标信号进行采样，实现对目标信号的时钟周期内的精度延时。这种方法主要是将一个时钟周期的长度进行N等分，并以此为基准，对系统时钟进行移相，生成与系统时钟频率相同，但相位不同的同频异相时钟，而这二者之间的相位差就是所需要的延时值。
如果目标计数器的值设定为5，在延时的时候一个周期计数器内的计数值加一，直到等于目标计数器的5，输出采样触发信号。
如果移相精度是125ps，假如剩余时间是1020ps，就相当于配置移相次数为8，剩下的20ps在125ps分辨率之内不能分辨就舍去了，由此获得移相次数。
具体实施方式三：参照图3具体说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式二所述的高频高精度激光回波仿真系统作进一步说明，本实施方式中，接收模块包括一号光收发模块3-1和串并转换芯片3-2，
一号光收发模块3-1，用于以光信号的形式接收数据接收卡2传送的延时时间，并将该光信息转换为电信号，传递给串并转换芯片3-2；
串并转换芯片3-2，用于将接收到的延时时间由串行转为并行后，传递给收发控制模块2-4。
具体实施方式四：参照图2具体说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的高频高精度激光回波仿真系统作进一步说明，本实施方式中，数据接收卡2包括总线接口芯片2-1、二号FPGA、并串转换芯片2-7和二号光收发模块2-8，
二号FPGA包括总线控制模块2-2、二号总控模块2-3和收发控制模块2-4，
总线控制模块2-2，用于通过总线接口芯片2-1接收上位机1输出的多个延时时间，将该多个延时间传送给二号总控模块2-3，二号总控模块2-3，用于对多个延时间进行编码、分组后，将分组后的多个延时间通过收发控制模块2-4传递给并串转换芯片2-7，
并串转换芯片2-7，用于将收到的多个延时间由并行转为串行后传给二号光收发模块2-8，
二号光收发模块2-8，用于将串行后的多个延时间由电信号转换为光信号，并经过光纤分别传递给各驱动控制卡3。
本实施方式中，系统中数据接收卡结构图如图2所示。上位机将数据发送给总线接口芯片，FPGA内部的总线控制模块对接口芯片进行控制，并将其内部的数据读回，传送给二号总控模块。二号总控模块将数据进行编码、分组后，通过存储器控制模块，将这些数据存入片外存储其等待使用。当二号总控模块接收到从总线控制模块获取的发送数据指令后，命令存储器控制模块将数据读回，并传递给收发控制模块。收发控制模块负责对并串转换芯片进行控制，将通过其将收到的数据由并行转为串行后，传递给二号光收发模块，由二号光收发模块将相关数据有电信号转换为光信号并经过光纤传递给驱动控制卡。
具体实施方式五：参照图2具体说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式四所述的高频高精度激光回波仿真系统作进一步说明，本实施方式中，二号FPGA还包括存储器控制模块2-5和片外存储器2-6，
存储器控制模块2-5，用于从二号总控模块2-3接收多个延时间，将多个延时间存入片外存储器2-6；
二号总控模块2-3，还用于接收总线控制模块2-2发送的控制信号，通过存储器控制模块2-5将片外存储器2-6内存储的多个延时间读回，将该时间发送给收发控制模块2-4；
片外存储器2-6，用于存储多个延时间。
本实施方式中，图4中，二号FPGA通过总线接口芯片接收由上位机发送来的命令，根据命令选择是接收上位机发送来的数据并将其通过并串转换芯片传递给二号光收发模块或传给片外存储器进行缓存，还是选择从片外存储器中读取数据并将其向后传递。
具体实施方式六：本实施方式是对具体实施方式三所述的高频高精度激光回波仿真系统作进一步说明，本实施方式中，串并转换芯片3-2的型号为TLK2501。
具体实施方式七：本实施方式是对具体实施方式四所述的高频高精度激光回波仿真系统作进一步说明，本实施方式中，总线接口芯片2-1为USB总线接口芯片2-1。

Claims (7)

1.高频高精度激光回波仿真系统，所述系统包括激光阵列(4)，其特征在于，所述系统还包括上位机(1)、数据接收卡(2)和多个驱动控制卡(3)，
上位机(1)，用于采用多个目标点模拟实际目标物体的三维图像，并模拟激光从每个目标点返回至激光阵列(4)中的每个激光探测器所用的时间，作为延时时间，将得到的多个延时时间通过USB总线发送给数据接收卡(2)，还用于接收配置完成信号，并输出触发信号；
数据接收卡(2)，用于对接收到的多个延时时间进行编码和分组处理，并将分组处理后的多个延时时间由并行转换成串行，以光信号的形式分别传递给各驱动控制卡(3)；
驱动控制卡(3)，用于以光信号的形式接收一个延时时间，将该光信号转换为电信号，并将电信号形式的延时时间由串行转为并行，用并行的延时时间除以时间周期得到时钟周期的整数倍和剩余时间，
根据时钟周期的整数倍配置目标计数器的值，同时用剩余时间除以设定的移相精度，得到配置的移相次数，配置完成后通过数据接收卡(2)向上位机反馈配置完成信号，
还用于通过数据接收卡(2)接收触发信号，触发内部的计数器开始工作，直到计数器内的计数值与目标计数器的值相等，输出采样触发信号，同时根据触发信号对剩余时间按照移相次数进行移相处理，得到同频异相时钟，
根据同频异相时钟对采样触发信号进行采样，输出驱动控制信号；
激光阵列(4)中的每一个激光探测器，均用于通过I/O接口(3-6)接收一个驱动控制信号，接收从目标点返回的激光，实现回波信号的模拟。
2.根据权利要求1所述的高频高精度激光回波仿真系统，其特征在于，
每个驱动控制卡(3)均包括接收模块、一号FPGA和I/O接口(3-6)，
一号FPGA包括收发控制模块(3-3)、一号总控模块(3-4)和信号生成模块(3-5)，信号生成模块(3-5)包括调相模块(3-5-2)、范围延时模块(3-5-1)和采样模块(3-5-3)，
接收模块，用于以光信号的形式接收数据接收卡(2)输出的一个延时时间，并将该光信息转换为电信号，并将电信号形式的延时时间由串行转为并行后，传递给收发控制模块(3-3)；
一号总控模块(3-4)，用于通过收发控制模块(3-3)接收并行的延时时间，用并行的延时时间除以时间周期得到时钟周期的整数倍和剩余时间，并将时钟周期的整数倍和剩余时间分别传送给范围延时模块(3-5-1)和调相模块(3-5-2)，并通过数据接收卡(2)和接收模块接收上位机反馈的触发信号，触发范围延时模块(3-5-1)和调相模块(3-5-2)动作；
范围延时模块(3-5-1)，用于将时钟周期的整数倍作为目标计数器的值，配置完成后通过一号总控模块(3-4)、收发控制模块(3-3)、接收模块和数据接收卡(2)向上位机反馈配置完成信号，还用于根据接收到的触发信号触发内部的计数器开始工作，直到计数器内的计数值与目标计数器的值相等，输出采样触发信号；
调相模块(3-5-2)，用于用剩余时间除以设定的移相精度，得到配置的移相次数，配置完成后通过一号总控模块(3-4)、收发控制模块(3-3)、接收模块和数据接收卡(2)向上位机反馈配置完成信号，还用于根据触发信号对剩余时间按照移相次数进行移相处理，得到同频异相时钟；
采样模块(3-5-3)，用于根据同频异相时钟对采样触发信号进行采样，输出驱动控制信号。
3.根据权利要求2所述的高频高精度激光回波仿真系统，其特征在于，接收模块包括一号光收发模块(3-1)和串并转换芯片(3-2)，
一号光收发模块(3-1)，用于以光信号的形式接收数据接收卡(2)传送的延时时间，并将该光信息转换为电信号，传递给串并转换芯片(3-2)；
串并转换芯片(3-2)，用于将接收到的延时时间由串行转为并行后，传递给收发控制模块(2-4)。
4.根据权利要求1所述的高频高精度激光回波仿真系统，其特征在于，数据接收卡(2)包括总线接口芯片(2-1)、二号FPGA、并串转换芯片(2-7)和二号光收发模块(2-8)，
二号FPGA包括总线控制模块(2-2)、二号总控模块(2-3)和收发控制模块(2-4)，
总线控制模块(2-2)，用于通过总线接口芯片(2-1)接收上位机(1)输出的多个延时时间，将该多个延时间传送给二号总控模块(2-3)，二号总控模块(2-3)，用于对多个延时间进行编码、分组后，将分组后的多个延时间通过收发控制模块(2-4)传递给并串转换芯片(2-7)，
并串转换芯片(2-7)，用于将收到的多个延时间由并行转为串行后传给二号光收发模块(2-8)，
二号光收发模块(2-8)，用于将串行后的多个延时间由电信号转换为光信号，并经过光纤分别传递给各驱动控制卡(3)。
5.根据权利要求4所述的高频高精度激光回波仿真系统，其特征在于，二号FPGA还包括存储器控制模块(2-5)和片外存储器(2-6)，
存储器控制模块(2-5)，用于从二号总控模块(2-3)接收多个延时间，将多个延时间存入片外存储器(2-6)；
二号总控模块(2-3)，还用于接收总线控制模块(2-2)发送的控制信号，通过存储器控制模块(2-5)将片外存储器(2-6)内存储的多个延时间读回，将该时间发送给收发控制模块(2-4)；
片外存储器(2-6)，用于存储多个延时间。
6.根据权利要求3所述的高频高精度激光回波仿真系统，其特征在于，串并转换芯片(3-2)的型号为TLK2501。
7.根据权利要求4所述的高频高精度激光回波仿真系统，其特征在于，总线接口芯片(2-1)为USB总线接口芯片(2-1)。
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