CN111157976A - 一种异步高精度可调的激光距离选通信号设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种异步高精度可调的激光距离选通信号设计方法，包括利用高速光电转换器件采集激光脉冲信号，完成光电转换；对小幅值快边沿的脉冲信号进行调理；逻辑处理器基于系统时钟和FPGA内部进位链，输出延时后的前沿和后沿信号，二者经高速与门后输出最终的距离选通脉冲信号。本发明的有益效果是能够精确测量激光脉冲的发生时刻，据此产生0.5ns延时和脉宽可调精度的距离选通信号，从而避免了激光器内部抖动误差的影响，降低了后端探测器对激光器高稳定性的依赖。

Description

一种异步高精度可调的激光距离选通信号设计方法
技术领域
本发明属于激光距离选通成像技术领域，尤其涉及一种异步高精度可调的激光距离选通 信号设计方法。
背景技术
激光距离选通成像是以光电探测技术为基础，采用时间标记的方法将目标反射的激光脉 冲回波从传输介质的后向散射中区分出来，使带有目标信息的激光脉冲回波恰好在的选通型 快门开启的时间段内到达后端探测器，避免了背景光大量进入探测器造成干扰。
激光距离选通成像采用两种快门控制方式：同步方式和异步方式。同步方式以激光器出 光控制信号为基准，按照预设的延时同步输出探测器选通信号。异步方式下激光器自主发出 一定频率激光脉冲，控制器测量激光脉冲的精确出光时间，以此作为基准，按照预设的延时 输出选通信号。
由于实现原理简单，目前大部分激光距离选通成像采用同步方式产生选通信号。但由于 激光器内部对出光控制信号需进行一定处理，导致出光控制信号与输出的激光脉冲在硬件延 时基础上存在较大的抖动误差，误差范围一般为几十到几百纳秒，该误差也迭加到了同样基 于出光控制信号产生的选通信号上。若要减小该误差，需付出较高成本采用高性能激光器。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种异步高精度可调的激光距离选通信号设计方 法，目的是避免了激光器内部抖动误差的影响，降低了对激光器稳定性的依赖，有利于工程 成本控制。
本发明的技术方案为：
一种异步高精度可调的激光距离选通信号设计方法，包括以下步骤，
步骤1、利用高速光电转换器件采集激光脉冲信号，完成光电转换，产生与激光脉冲同 步的电脉冲信号；
步骤2、对小幅值快边沿的脉冲信号进行调理，在高速运放将脉冲信号放大后，将其输 入至高速比较器与阈值电平比较，比较结果作为高速触发器的触发时钟，控制触发器输出高 电平；
步骤3、逻辑处理器基于系统时钟及其内部进位链，对触发器高电平信号的上升沿的发 生时刻进行测量，根据测量结果、预设选通延时值和选通信号脉宽值计算前沿信号、后沿信 号的更新延时值；
步骤4、逻辑处理器将更新后的前沿、后沿信号延时值均分解为粗延时和细延时，粗延 时以系统时钟周期为单位进行计数延时，细延时利用逻辑处理器内部的延时逻辑控制进行小 于系统时钟周期的延时；
步骤5、逻辑处理器输出延时后的前沿和后沿信号，二者经高速与门后输出最终的距离 选通脉冲信号。
基于上述方案，本发明还做出了如下改进：
进一步地，步骤1中，采用光电二极管采集激光脉冲信号，输出幅值0.5V、脉宽与激光脉 冲脉宽相同、上升沿1-2ns的电脉冲信号。
进一步地，步骤2中，电脉冲信号的调理包括将电脉冲信号放大至幅值范围为0.8-1.3V， 放大后的脉冲信号与阈值电压比较产生差分矩形窄脉冲，差分矩形窄脉冲作为高速触发器的 时钟端信号，使高速触发器输出高电平。
进一步地，步骤3中，所述逻辑处理器为FPGA，前沿信号、后沿信号的更新延时值的计 算方法为，FPGA系统时钟与4个进位链延时单元串联等效，设每个进位链延时单元的延时时 长Δ设置为0.5ns，系统时钟的周期为2ns；当前时钟沿相比信号延迟值TΔ为0.5ns、1ns、1.5ns、 2ns，设选通延时值为Ans，选通信号脉宽为Bns，则计算出选通信号前沿更新后的延时值 T1＝A-TΔ，后沿更新后的延时值T2＝A+B-TΔ。
进一步地，步骤4中，对T1和T2分别除以系统时钟周期2ns，计算结果取整后得到前沿和 后沿的粗延时即需延时的时钟周期个数，计算结果的余数部分为FPGA内细延时逻辑的延时 值。
本技术方案的有益效果是能够精确测量异步激光脉冲的到达时间，控制产生基于激光脉 冲的延时和脉宽高精度可调的选通信号，可调精度达0.5ns；该选通信号可控制后端光学探 测器在不同时刻打开快门完成对激光脉冲的接收，可广泛拓展应用于激光雷达、选通成像、 三维测绘、激光测距等领域。
附图说明
图1是本发明的选通信号产生流程示意图；
图2是本发明的电脉冲信号调理流程图；
图3是本发明的进位链高精度测量示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合脉冲激光源并参照附图， 对本发明做进一步详细说明。
一种异步高精度可调的距离选通信号设计方法，具体步骤如下：
步骤1：采用高带宽和高灵敏度的光电二极管完成对脉冲激光的实时采集，调整二极管 的感光位置，使其输出幅值约0.5V，脉宽与激光脉冲脉宽相同，上升沿1-2ns的电脉冲信号；
步骤2：对光电二极管产生的小幅值电脉冲，按照图2所示处理流程进行放大和整形后， 提取出脉冲的前沿以驱动高速触发器的CLK管脚，触发器的D端置为常高，因此每个电脉冲 会使触发器输出完成一次低高变换。信号调理过程首先对信号进行放大，通过调节可变反馈 电阻的阻值可对信号的放大增益进行调节，使放大后的信号幅值在0.8～1.3V范围。放大后的 信号与利用电位器调节的阈值电压进行比较，产生整形后的差分矩形窄脉冲，该脉冲输入到 高速触发器的触发时钟端，从而使触发器输出信号变为高。FPGA采集到输出信号的前沿后会 置触发器复位信号有效，控制触发器输出恢复为低。
步骤3：利用FPGA内部的进位链资源对触发器输出信号的上升沿到达时刻进行高精度测 量，进位链延迟单元测量方法如图3所示。通过手动布局布线，将每个进位链延时单元的延 时时长Δ设置为0.5ns，系统时钟的周期2ns与4个延时单元串联等效。FPGA在系统时钟上 升沿时对输入信号经过的延时单元进行编码，编码为“0000”、“1000”、“1100”、“1110”、“1111” 分别表示未检测到信号，当前时钟沿相比信号延迟值TΔ为0.5ns、1ns、1.5ns、2ns。预设选 通延时值为Ans，选通信号脉宽为Bns，则计算出选通信号前沿更新后的延时值T1＝A-TΔ， 后沿更新后的延时值T2＝A+B-TΔ。
步骤4：对T1和T2分别除以系统时钟周期2ns，计算结果取整后得到前沿和后沿的粗延 时即需延时的时钟周期个数，计算结果的余数部分为FPGA内细延时逻辑的延时值。FPGA内 分别统计前沿和后沿的时钟周期个数，待与粗延时相等时，将前沿信号置高、后沿信号置低 送入对应细延时逻辑进行最终延时处理。
步骤5：FPGA将细延时后的前沿和后沿信号输出，经等长传输路径输入至高速与门的两 个输入端，输出信号即为所需的激光距离选通脉冲信号。

Claims (5)

1.一种异步高精度可调的激光距离选通信号设计方法，其特征在于：包括以下步骤，
步骤1、利用高速光电转换器件采集激光脉冲信号，完成光电转换，产生与激光脉冲同步的电脉冲信号；
步骤2、对小幅值快边沿的脉冲信号进行调理，在高速运放将脉冲信号放大后，将其输入至高速比较器与阈值电平比较，比较结果作为高速触发器的触发时钟，控制触发器输出高电平；
步骤3、逻辑处理器基于系统时钟及其内部进位链，对触发器高电平信号的上升沿的发生时刻进行测量，根据测量结果、预设选通延时值和选通信号脉宽值计算前沿信号、后沿信号的更新延时值；
步骤4、逻辑处理器将更新后的前沿、后沿信号延时值均分解为粗延时和细延时，粗延时以系统时钟周期为单位进行计数延时，细延时利用逻辑处理器内部的延时逻辑控制进行小于系统时钟周期的延时；
步骤5、逻辑处理器输出延时后的前沿和后沿信号，二者经高速与门后输出最终的距离选通脉冲信号。
2.根据权利要求1所述的激光距离选通信号设计方法，其特征在于：步骤1中，采用光电二极管采集激光脉冲信号，输出幅值0.5V、脉宽与激光脉冲脉宽相同、上升沿1-2ns的电脉冲信号。
3.根据权利要求1所述的激光距离选通信号设计方法，其特征在于：步骤2中，电脉冲信号的调理包括将电脉冲信号放大至幅值范围为0.8-1.3V，放大后的脉冲信号与阈值电压比较产生差分矩形窄脉冲，差分矩形窄脉冲作为高速触发器的时钟端信号，使高速触发器输出高电平。
4.根据权利要求1所述的激光距离选通信号设计方法，其特征在于：步骤3中，所述逻辑处理器为FPGA，前沿信号、后沿信号的更新延时值的计算方法为，FPGA系统时钟与4个进位链延时单元串联等效，设每个进位链延时单元的延时时长Δ设置为0.5ns，系统时钟的周期为2ns；当前时钟沿相比信号延迟值TΔ为0.5ns、1ns、1.5ns、2ns，设选通延时值为Ans，选通信号脉宽为Bns，则计算出选通信号前沿更新后的延时值T1＝A-TΔ，后沿更新后的延时值T2＝A+B-TΔ。
5.根据权利要求4所述的激光距离选通信号设计方法，其特征在于：步骤4中，对T1和T2分别除以系统时钟周期2ns，计算结果取整后得到前沿和后沿的粗延时即需延时的时钟周期个数，计算结果的余数部分为FPGA内细延时逻辑的延时值。
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