[发明专利]基于FPGA芯片的多通道激光回波时间测量系统

说明书

技术领域

本发明涉及光电测量技术领域，具体涉及一种基于FPGA芯片的多通道激光回波时间测量系统。

背景技术

阵列式激光三维成像采用阵列探测器，同时对目标进行多点采样，具有测量数据率高、测量速度快的优点，可以避免采用单点探测器时由于扫描引起的目标畸变，更好的保持目标的结构特征。目前，单点探测器的信号处理技术较为成熟，采用模拟法、数字法等多种方法，可以获得高精度的目标距离信息。但是在阵列探测时，由于探测器像元数急剧增加，将单点探测器的信号处理过程进行简单复制将大大提高系统体积、功耗、成本等，在大规模阵列应用中将变得非常不现实。在阵列探测器信号处理过程中，对各个像元的脉冲飞行时间测量是阵列激光三维成像的核心与难点技术，涉及测量的通道数、测量精度、测量时间范围、测量速度等多个方面，但是，现有采用单点探测器的测量方式与手段无法达到多通道数、高精度、宽测量范围、快速测量等要求。

发明内容

为了解决现有采用单点探测器无法达到多通道数、高精度、宽测量范围、快速测量等要求的问题，本发明提供一种基于FPGA芯片的多通道激光回波时间测量系统。

本发明为解决技术问题所采用的技术方案如下：

基于FPGA芯片的多通道激光回波时间测量系统，包括：

阵列探测器，用于将接收的激光回波信号转换为弱电流信号；

与阵列探测器像元个数相等的多个前置放大器，用于将弱电流信号放大为电压信号；

与前置放大器个数相等的多个阈值比较器，用于比较电压信号和参考电压，产生用于标记激光回波信号的计时停止脉冲信号；

具有与阈值比较器个数相等的多个通道的FPGA芯片，用于测量接收的计时停止脉冲信号与计时开始脉冲信号之间的时间差，得到脉冲飞行时间。

所述FPGA芯片包括：

与阈值比较器个数相等的多个完全一致的时间数字转换器，用于检测阈值比较器输出的计时停止脉冲信号的变化，计时停止脉冲信号发生变化的时刻对应激光回波信号时间；

软核处理器，用于采集所有时间数字转换器输出的计时数据，并打包成UDP数据包，利用软件MAC或者硬件MAC进行处理；

与以太网相连的RJ45接口，用于将UDP数据包发送到网络上进行后续处理。

所述时间数字转换器包括：

锁相环，用于将板上晶振的时钟信号调整为具有均匀相位差的多个高频时钟信号；

多个计数器，以锁相环产生的具有均匀相位差的高频时钟信号作为计数时钟进行计时；

加法器，用于将多个计数器的计数时钟相加得到计时数据。

所述阵列探测器采用线阵列探测器、面阵列探测器或者采用多个单点探测器联用形式。

所述前置放大器采用ADI公司的型号为AD8015的跨阻放大器。

所述阈值比较器采用型号为ADCMP604的高速比较器，其参考电压大小可以根据环境光强弱进行调节。

所述FPGA芯片作为系统的计时处理器，采用Xilinx公司的Virtex-5。

本发明的有益效果是：本发明的一种利用FPGA芯片实现阵列探测器高分辨率回波到达时间测量系统，采用阵列探测器和FPGA处理器，利用多相位时钟驱动多个计数器对同一时间间隔进行测量，具有简便、资源占用率低、无需后续校准与检验、可扩展性好、分辨率可在线编程等多种优点，可以应用于阵列探测器的后续信号处理，在荧光成像、高精度的激光三维成像等领域有极大应用前景，本发明可以独立的测量阵列探测器输出信号到达时间。

附图说明

图1为本发明的基于FPGA芯片的多通道激光回波时间测量系统的结构组成示意图；

图2为FPGA芯片的内部结构示意图；

图3为64路完全一致的时间数字转换器（TDC）中的1路时间数字转换器的结构示意图；

图4为多时钟计时原理示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明的基于FPGA芯片的多通道激光回波时间测量系统，主要由阵列探测器、多个前置放大器、多个阈值比较器和FPGA芯片组成，阵列探测器分别与多个前置放大器通过电缆线或者导线相连，阵列探测器的每个像元分别对应一个前置放大器，多个前置放大器分别与多个阈值比较器通过电缆线或者导线相连，每个前置放大器分别对应一个阈值比较器，多个阈值比较器均与FPGA芯片通过电缆线或者导线相连，阵列探测器的像元个数、前置放大器的个数和阈值比较器的个数相等，设为N（N＞1）。