CN112284529A - 一种基于fpga的高精度多路激光脉宽测量装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于激光脉宽测量技术领域，具体涉及一种基于FPGA的高精度多路激光脉宽测量装置及方法，所述光电转换模块通过导线与放大电路连接，所述放大电路连接有微分电路，所述微分电路连接在FPGA‑TDC模块上，所述直流稳压供电分别与光电转换模块、放大电路、微分电路、FPGA‑TDC模块连接。本发明只采用6个滤光片加高速光电探测器组成脉宽探测装置来避免虚警、漏警引起的误判；本发明采用FPGA模块来实现高精度时间数字转换来实现激光脉宽的测量，并且可以使测量精度达到皮秒级别；本发明采用FPGA模块来同时控制6路高速光电探测器探测激光脉宽来降低激光测试系统的误测率，提高系统的可靠性。本发明用于对激光脉宽测量。

Description

一种基于FPGA的高精度多路激光脉宽测量装置及方法
技术领域
本发明属于激光脉宽测量技术领域，具体涉及一种基于FPGA的高精度多路激光脉宽测量装置及方法。
背景技术
随着反卫星武器的发展，尤其是激光武器的发展，为提高卫星的生存率，各国对激光威胁的探测和告警工作极为关注，以美俄为首的军事强国都在积极发展卫星技术的同时发展反卫星武器，并均已进行了大量激光反卫星的实验和实战。为了保护卫星，非常有必要开展星载激光告警技术研究。激光告警技术是光电对抗的重要组成，来袭激光的脉宽信息的快速精确获取是激光告警技术研究的核心内容，只有准确获取来袭激光的脉宽，才能为我方是否采取防卫或反击措施提供依据；只有准确获取了来袭激光的能量信息，判断出威胁源的位置，才能为我方采取有效措施，干扰或者摧毁对方目标提供保障。
根据报道，目前星载激光告警探测系统中，比较有效的方式是采用单通道探测的告警方法，也就是通过一个通道探测的整个波段的脉冲激光信号，进而通过时间数字转换来计算出激光脉宽。但是该方法探测波段有限、存在虚警、漏警等问题，不适合宽波段测量。
发明内容
针对上述传统星载激光告警探测系统存在探测波段有限、存在虚警、漏警的技术问题，本发明提供了一种结构紧凑、波段宽、虚警率低、漏警率低的基于FPGA的高精度多路激光脉宽测量装置及方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种基于FPGA的高精度多路激光脉宽测量装置，包括光电转换模块、放大电路、微分电路、FPGA-TDC模块、直流稳压供电，所述光电转换模块与放大电路连接，所述放大电路连接有微分电路，所述微分电路连接在FPGA-TDC模块上，所述直流稳压供电分别与光电转换模块、放大电路、微分电路、FPGA-TDC模块连接。
所述光电转换模块采用高速光电探测器阵列，所述高速光电探测器阵列包括六个高速光电探测器，所述高速光电探测器前均设置有带通滤光片，所述带通滤光片的带宽为200nm，所述带通滤光片的光谱范围为400-1600nm。
所述微分电路分别连接有同相器、反相器，所述同相器、反相器均连接在FPGA-TDC模块上。
所述FPGA-TDC模块包括FPGA模块、细时间测量模块、粗时间测量模块，所述细时间测量模块有两个，两个细时间测量模块和粗时间测量模块均设置在FPGA模块内，两个细时间测量模块和粗时间测量模块均通过FPGA模块编程实现。
所述细时间测量模块包括延时单元、D触发器，所述延时单元采用级联的方式构造进位链，所述延时单元依次与D触发器连接，所述延时单元采用加法器。
一种基于FPGA的高精度多路激光脉宽测量方法，包括下列步骤：
S1、通过光电转换模块将来袭脉冲激光信号转换为电信号；
S2、通过放大电路对电信号放大滤波并输出脉冲信号，脉冲信号经过微分电路将在上升沿和下降沿转换成两个尖峰脉冲，在上升沿转换成正脉冲信号，在下降沿转换成负脉冲信号，在微分电路后分别接入同向器和反相器，同相器和反相器分别输出Start信号和Stop信号；
S3、通过FPGA模块的粗计数时钟测量粗时间nTClk，通过细时间测量模块测量第一误差△T1和第二误差△T2，从而计算出时间测量值T。
所述S3中计算出时间测量值T的公式为：
T＝nTClk+ΔT1-ΔT2。
还包括若FPGA模块检测到高速光电探测器阵列中相应器件个数≤2个，则表示有脉冲激光，若FPGA模块检测到高速光电探测器阵列中相应器件个数>2个，则表示无效脉冲激光。
本发明与现有技术相比，具有的有益效果是：
本发明只采用6个滤光片加高速光电探测器组成脉宽探测装置来避免虚警、漏警引起的误判；本发明采用FPGA模块来实现高精度时间数字转换来实现激光脉宽的测量，并且可以使测量精度达到皮秒级别；本发明采用FPGA模块来同时控制6路高速光电探测器探测激光脉宽来降低激光测试系统的误测率，提高系统的可靠性。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明高速光电探测器阵列的结构示意图；
图3为本发明FPGA-TDC模块的结构原理图；
图4为本发明FPGA-TDC模块的时序图。
其中：1为光电转换模块，2为放大电路，3为微分电路，4为FPGA-TDC模块，5为直流稳压供电，401为FPGA模块，402为细时间测量模块，4021为延时单元，4022为D触发器，403为粗时间测量模块。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种基于FPGA的高精度多路激光脉宽测量装置，如图1所示，包括光电转换模块1、放大电路2、微分电路3、FPGA-TDC模块4、直流稳压供电5，光电转换模块1通过导线与放大电路2连接，放大电路2连接有微分电路3，微分电路3连接在FPGA-TDC模块4上，直流稳压供电5分别与光电转换模块1、放大电路2、微分电路3、FPGA-TDC模块4连接，直流稳压供电5分别为光电转换模块1、放大电路2、微分电路3、FPGA-TDC模块4供电。
进一步，如图2所示，光电转换模块1采用高速光电探测器阵列，高速光电探测器阵列包括六个高速光电探测器，高速光电探测器前均设置有带通滤光片，带通滤光片的带宽为200nm，带通滤光片的光谱范围为400-1600nm。
进一步，微分电路3分别连接有同相器、反相器，同相器、反相器均连接在FPGA-TDC模块4上，同相器和反相器分别输出Start信号和Stop信号。
进一步，如图3所示，FPGA-TDC模块4包括FPGA模块401、细时间测量模块402、粗时间测量模块403，细时间测量模块402有两个，两个细时间测量模块402和粗时间测量模块403均设置在FPGA模块401内，两个细时间测量模块402和粗时间测量模块403均由FPGA模块401编程实现。
进一步，细时间测量模块402包括延时单元4021、D触发器4022，延时单元4021采用级联的方式构造进位链，延时单元4021依次与D触发器4022连接，延时单元4021采用加法器。
一种基于FPGA的高精度多路激光脉宽测量方法，如图4所示，包括下列步骤：
步骤一、通过光电转换模块将来袭脉冲激光信号转换为电信号。
步骤二、通过放大电路对电信号放大滤波并输出脉冲信号，脉冲信号经过微分电路将在上升沿和下降沿转换成两个尖峰脉冲，在上升沿转换成正脉冲信号，在下降沿转换成负脉冲信号，在微分电路后分别接入同向器和反相器，同相器和反相器分别输出Start信号和Stop信号。
步骤三、通过FPGA模块的粗计数时钟测量粗时间nTClk，通过细时间测量模块测量第一误差△T1和第二误差△T2，从而计算出时间测量值T。
进一步，步骤三中计算出时间测量值T的公式为：
T＝nTClk+ΔT1-ΔT2。
进一步，还包括若FPGA模块检测到高速光电探测器阵列中相应器件个数≤2个，则表示有脉冲激光，若FPGA模块检测到高速光电探测器阵列中相应器件个数>2个，则表示无效脉冲激光。
上面仅对本发明的较佳实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化，各种变化均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于FPGA的高精度多路激光脉宽测量装置，其特征在于：包括光电转换模块(1)、放大电路(2)、微分电路(3)、FPGA-TDC模块(4)、直流稳压供电(5)，所述光电转换模块(1)与放大电路(2)连接，所述放大电路(2)连接有微分电路(3)，所述微分电路(3)连接在FPGA-TDC模块(4)上，所述直流稳压供电(5)分别与光电转换模块(1)、放大电路(2)、微分电路(3)、FPGA-TDC模块(4)连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的高精度多路激光脉宽测量装置，其特征在于：所述光电转换模块(1)采用高速光电探测器阵列，所述高速光电探测器阵列包括六个高速光电探测器，所述高速光电探测器前均设置有带通滤光片，所述带通滤光片的带宽为200nm，所述带通滤光片的光谱范围为400-1600nm。
3.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的高精度多路激光脉宽测量装置，其特征在于：所述微分电路(3)分别连接有同相器、反相器，所述同相器、反相器均连接在FPGA-TDC模块(4)上。
4.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的高精度多路激光脉宽测量装置，其特征在于：所述FPGA-TDC模块(4)包括FPGA模块(401)、细时间测量模块(402)、粗时间测量模块(403)，所述细时间测量模块(402)有两个，两个细时间测量模块(402)和粗时间测量模块(403)均设置在FPGA模块(401)内，两个细时间测量模块(402)和粗时间测量模块(403)均通过FPGA模块(401)编程实现。
5.根据权利要求4所述的一种基于FPGA的高精度多路激光脉宽测量装置，其特征在于：所述细时间测量模块(402)包括延时单元(4021)、D触发器(4022)，所述延时单元(4021)采用级联的方式构造进位链，所述延时单元(4021)依次与D触发器(4022)连接，所述延时单元(4021)采用加法器。
6.一种基于FPGA的高精度多路激光脉宽测量方法，其特征在于：包括下列步骤：
S1、通过光电转换模块将来袭脉冲激光信号转换为电信号；
S2、通过放大电路对电信号放大滤波并输出脉冲信号，脉冲信号经过微分电路将在上升沿和下降沿转换成两个尖峰脉冲，在上升沿转换成正脉冲信号，在下降沿转换成负脉冲信号，在微分电路后分别接入同向器和反相器，同相器和反相器分别输出Start信号和Stop信号；
S3、通过FPGA模块的粗计数时钟测量粗时间nTClk，通过细时间测量模块测量第一误差△T1和第二误差△T2，从而计算出时间测量值T。
7.根据权利要求6所述的一种基于FPGA的高精度多路激光脉宽测量方法，其特征在于：所述S3中计算出时间测量值T的公式为：
T＝nTClk+ΔT1-ΔT2。
8.根据权利要求6所述的一种基于FPGA的高精度多路激光脉宽测量方法，其特征在于：还包括若FPGA模块检测到高速光电探测器阵列中相应器件个数≤2个，则表示有脉冲激光，若FPGA模块检测到高速光电探测器阵列中相应器件个数>2个，则表示无效脉冲激光。
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