Virtex5高性能FPGA的脈沖激光測距系統(tǒng)

　　1 引言

　　傳統(tǒng)激光脈沖時間測距系統(tǒng)常采用模擬電路閾值檢測實現(xiàn)時刻鑒別。這種方法比較簡單，但受脈沖幅度變化的影響較大，且對信噪比要求很高。當信噪比很低時，則無法實現(xiàn)測距功能。因此不用門控電路控制脈沖計數(shù)，而直接利用高速數(shù)據(jù)采集器件及計算機進行數(shù)據(jù)采集和處理，可以獲得大量的回波信息。面對高速率的傳輸數(shù)據(jù)，高性能FPGA的接口設(shè)計便成為連接前端A／D與后端信號處理器的紐帶。

　　2 激光測距原理

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

　　R一=cTr/2=(C/2/fr=) (1)

　　式中：c是光速；Tr是激光往返于發(fā)射器和目標之間的傳播時間，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的同步標志則決定了測距的準確度。對于利用計數(shù)脈沖計算光脈沖傳播時間，其傳播時間為：T=Tc·N=N/fc (2)

　　式中：N為傳播時間內(nèi)計數(shù)脈沖個數(shù)；Tc為計數(shù)器時鐘周期；fc為計數(shù)器時鐘頻率。其目標距離為：R=cN/2fc (3)

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

　　3 AT84AS004和XCL5VLX50簡介

　　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的數(shù)字化。當它工作在2 Gs/s時，滿足奈奎斯特第一定律會有7．8位的有效位和一55 dB的SFDR；滿足奎斯特第二定律會有7．5位的有效位和54 dB的SFDR。1：4的多路數(shù)字信號輸出是與LVDS邏輯兼容的，與標準的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)計相對簡單。前端與運放采用差分輸入方式，后端與FPGA內(nèi)的4個雙口RAM對應(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,輸入時鐘和數(shù)據(jù)輸出時鐘類型可分別設(shè)置為CLK／2和DR/2，設(shè)置方法如圖1所示。PCB設(shè)計可參考AT84A—S004一EB數(shù)據(jù)手冊。