Virtex5高性能FPGA的脈沖激光測(cè)距系統(tǒng)

　　1 引言

　　傳統(tǒng)激光脈沖時(shí)間測(cè)距系統(tǒng)常采用模擬電路閾值檢測(cè)實(shí)現(xiàn)時(shí)刻鑒別。這種方法比較簡(jiǎn)單，但受脈沖幅度變化的影響較大，且對(duì)信噪比要求很高。當(dāng)信噪比很低時(shí)，則無法實(shí)現(xiàn)測(cè)距功能。因此不用門控電路控制脈沖計(jì)數(shù)，而直接利用高速數(shù)據(jù)采集器件及計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理，可以獲得大量的回波信息。面對(duì)高速率的傳輸數(shù)據(jù)，高性能FPGA的接口設(shè)計(jì)便成為連接前端A／D與后端信號(hào)處理器的紐帶。

　　2 激光測(cè)距原理

　　在此僅討論脈沖體制的激光雷達(dá)。作為一種非相干激光雷達(dá)，它采用的是脈沖法測(cè)距，即利用脈沖激光器發(fā)射一個(gè)或一列很窄的激光脈沖，通過測(cè)量回波與發(fā)射主波之間的脈沖延遲時(shí)間來測(cè)量距離(即測(cè)量飛行時(shí)間法)。在靈敏度足夠和不產(chǎn)生測(cè)距模糊的情況下，其最大測(cè)量距離為：

　　R一=cTr/2=(C/2/fr=) (1)

　　式中：c是光速；Tr是激光往返于發(fā)射器和目標(biāo)之間的傳播時(shí)間，這里等于發(fā)射脈沖的重復(fù)周期；fc是激光發(fā)射脈沖的重復(fù)頻率，用于確定回波脈沖是否到達(dá)的同步標(biāo)志則決定了測(cè)距的準(zhǔn)確度。對(duì)于利用計(jì)數(shù)脈沖計(jì)算光脈沖傳播時(shí)間，其傳播時(shí)間為：T=Tc·N=N/fc (2)

　　式中：N為傳播時(shí)間內(nèi)計(jì)數(shù)脈沖個(gè)數(shù)；Tc為計(jì)數(shù)器時(shí)鐘周期；fc為計(jì)數(shù)器時(shí)鐘頻率。其目標(biāo)距離為：R=cN/2fc (3)

　　由式(3)可知，fc越大，測(cè)量距離R精度越小。因此脈沖激光測(cè)距法的測(cè)距精度與計(jì)數(shù)脈沖時(shí)鐘頻率成反比，即時(shí)鐘頻率越高，測(cè)距精度也越高。

　　3 AT84AS004和XCL5VLX50簡(jiǎn)介

　　AT84AS004是由1：4的DMUX組成的10位2 Gs／s模數(shù)轉(zhuǎn)換器，適用于滿足第一或第二奈奎斯特采樣定律的寬帶信號(hào)的數(shù)字化。當(dāng)它工作在2 Gs/s時(shí)，滿足奈奎斯特第一定律會(huì)有7．8位的有效位和一55 dB的SFDR；滿足奎斯特第二定律會(huì)有7．5位的有效位和54 dB的SFDR。1：4的多路數(shù)字信號(hào)輸出是與LVDS邏輯兼容的，與標(biāo)準(zhǔn)的DSP和FPGA接口匹配，AT84AS004工作在2 Gs／s。由于A/D轉(zhuǎn)換器AT84AS004集成度較高，模塊設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單。前端與運(yùn)放采用差分輸入方式，后端與FPGA內(nèi)的4個(gè)雙口RAM對(duì)應(yīng)連接。采樣速率為1 GHz，數(shù)據(jù)輸出采用1：4并行模式，輸出數(shù)據(jù)率為250 MHz,輸入時(shí)鐘和數(shù)據(jù)輸出時(shí)鐘類型可分別設(shè)置為CLK／2和DR/2，設(shè)置方法如圖1所示。PCB設(shè)計(jì)可參考AT84A—S004一EB數(shù)據(jù)手冊(cè)。