一种用于激光测距系统的尖峰脉冲采样装置及方法与流程

本发明涉及一种尖峰脉冲采样装置及方法，特别涉及一种用于激光测距系统的尖峰脉冲采样装置及方法，属于激光测量领域。

背景技术：

激光测距技术具有方向性强、测量精度高、抗电磁干扰能力强等优势，广泛应用于军事侦察、目标跟踪、精确制导等各类武器系统，以及汽车防撞雷达、大地测绘等民用领域。

尖峰脉冲接收处理技术是激光测距系统的核心。对于激光测距系统中的模拟脉冲信号，需要经过采样和量化才能转化为可处理的数字信号。随着人们对测距精度需求的不断提高，需要处理的脉冲信号带宽也随之增加。众所周知，对带限信号进行采样应遵循nyquist采样定理，即采样频率大于最高频率的两倍，才能避免频谱混叠。因此，为获得高精度的测距数据，必须通过增加采样速率来避免混叠。而采样速率直接决定了数据存储和传输量，也决定了系统功耗。因此，这种采样方案虽然能够达到高精度采样的要求，但需要消耗大量硬件资源，加重了功耗、成本、大量数据存储和传输的负担，成为制约高精度激光测距发展的瓶颈。因此，需要设计一种既能够满足高速率采样要求，又能降低功耗、减少存储传输数据量的激光测距系统尖峰脉冲采样装置及方法。

技术实现要素：

本发明的目的是为解决激光测距系统采样带来的大功耗、高成本、海量数据传输等问题，提供一种用于激光测距系统的尖峰脉冲采样装置及方法，能够实现尖峰脉冲的高精度采样，减少数据的存储和传输的数据量，显著减少硬件资源消耗，降低处理功耗，节省硬件成本。

本发明是通过以下技术方案实现的。

本发明公开的一种用于激光测距系统的尖峰脉冲采样装置，包括光电探测器阵列、n个限幅放大器、原子钟、频率综合模块、n个比较器、n个异或门和测距信号处理模块。光电探测器阵列分别连接n个限幅放大器，每个限幅放大器连接对应比较器，对应比较器连接对应异或门，n个异或门分别连接测距信号处理模块。原子钟连接频率综合模块，频率综合模块分别连接n个比较器和n个异或门。

所述光电探测器阵列用于将接收到的测距光信号转换为测距电信号，得到n路并行尖峰脉冲信号；

所述限幅放大器用于放大输入的尖峰脉冲电平，输出第一电信号，同时抑制过高毛刺脉冲以保护后端电路；

所述原子钟为采样系统提供时钟源；

所述频率综合模块用于对时钟源进行锁相倍频，得到n路第一时钟和n路第二时钟，分别作为比较器和异或门的输入时钟；

所述比较器用于在第一时钟的驱动下，对输入的第一电信号与参考电压进行比较，得到整形后的第二电信号；

所述异或门用于将第二电信号与第二时钟进行异或计算，得到脉冲的边沿位置信息作为第三电信号；

所述测距信号处理模块用于从第三电信号提取各路脉冲的边沿位置信息进行时间估计，得到距离测量结果。

优选地，所述光电探测器阵列采用超导纳米线单光子探测器阵列。

优选地，所述限幅放大器采用hmc750芯片。

优选地，所述比较器采用hmc875芯片。

优选地，所述异或门采用hmc851芯片。

基于所述的一种用于激光测距系统的尖峰脉冲采样装置，本发明还公开一种用于激光测距系统的尖峰脉冲采样方法，包括如下步骤：

步骤一、激光测距系统接收测距光信号；

步骤二、将步骤一得到的光信号经过光电探测器阵列进行光电转换，得到尖峰脉冲电信号；

步骤三、对步骤二得到的低电平尖峰脉冲经过限幅放大器进行功率放大，并抑制过高毛刺，得到第一电信号；

步骤四、频率综合模块对原子钟提供的低频时钟源进行锁相倍频，产生第一时钟和第二时钟；

步骤五、将步骤三得到的第一电信号和步骤四得到的第一时钟经过比较器进行整形，得到第二电信号；

步骤六、将步骤五得到的第二电信号和步骤四得到的第二时钟进行异或运算输出测距信号的边沿位置信息，得到第三电信号，异或运算的计算公式为其中s3(n)表示第三电信号，s2(n)表示第二电信号，c2(n)表示第二时钟；

步骤七、对步骤六得到的第三电信号提取各路脉冲的边沿位置信息进行时间估计，得到距离测量结果。

有益效果：

1、传统的尖峰脉冲采样方案采用模数转换器进行多比特采样量化，多比特采样量化操作会产生大量数据，需要消耗大量硬件资源用于数据的存储和传输，并且系统处理功耗大、高速模数转换芯片成本非常高。本发明公开的一种用于激光测距系统的尖峰脉冲采样装置和方法，将模拟信号经过比较器和异或门进行单比特采样量化，提取尖峰脉冲的边沿信息，用于测距信号处理。

2、相比于多比特采样量化方法，本发明是一种用于激光测距系统的尖峰脉冲采样装置和方法，通过比较器和异或门进行单比特采样量化，实现尖峰脉冲的高精度采样，显著减少硬件资源消耗，降低处理功耗，节省硬件成本。

3、相比于多比特采样量化方法，本发明是一种用于激光测距系统的尖峰脉冲采样装置和方法，能够以高采样率补偿采样质量，提高采样精度。

附图说明

图1是本发明实施例一种用于激光测距系统的尖峰脉冲采样装置结构图；

图2是本发明实施例一种用于激光测距系统的尖峰脉冲采样方法流程图；

图3是本发明实施例的尖峰脉冲采样方法信号时序示意图；

图4是本发明实施例的基于单比特量化的尖峰脉冲采样方法和传统基于模数转换器的尖峰脉冲采样方法误差对比图。

具体实施方式

为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。

实施例1：

以20ghz采样率、16路(n＝16)脉冲位置调制(ppm)信号、搭载fpga的信号处理模块为例，对本发明的具体实施过程进行说明。

如图1所示，本实施例公开的一种用于激光测距系统的尖峰脉冲采样装置，包括光电探测器阵列、16个限幅放大器、原子钟、频率综合模块、16个比较器、16个异或门和测距信号处理模块。光电探测器阵列分别连接16个限幅放大器，每个限幅放大器连接对应比较器，对应比较器连接对应异或门，16个异或门分别连接测距信号处理模块。原子钟连接频率综合模块，频率综合模块分别连接16个比较器和16个异或门。

所述光电探测器阵列采用超导纳米线单光子探测器阵列。

所述限幅放大器采用hmc750芯片。

所述比较器采用hmc875芯片。

所述异或门采用hmc851芯片。

所述光电探测器阵列用于将接收到的测距光信号转换为测距电信号，得到16路并行尖峰脉冲信号；

所述限幅放大器用于放大输入的尖峰脉冲电平，输出第一电信号，同时抑制过高毛刺脉冲，保护电路；

所述原子钟为采样系统提供时钟源；

所述频率综合模块用于对时钟源进行锁相倍频，得到16路第一时钟和16路第二时钟，分别作为比较器和异或门的输入时钟；

所述比较器用于在第一时钟的驱动下，对输入的第一电信号与参考电压进行比较，得到整形后的第二电信号；

所述异或门用于将第二电信号与第二时钟进行异或计算，得到脉冲的边沿位置信息作为第三电信号；

所述测距信号处理模块用于根据第三电信号进行时间估计，得到距离测量结果。

实施例2

如图2所示，基于所述的一种用于激光测距系统的尖峰脉冲采样装置，本实施例还公开一种用于激光测距系统的尖峰脉冲采样方法，激光测距系统接收端接收到的测距光信号首先需要经过光电探测器阵列进行光电转换，得到尖峰脉冲信号，然后限幅放大器对该信号进行电平放大，提高信号电平，并抑制过高毛刺；接下来频率综合模块将原子钟输出的时钟源进行锁相倍频，得到第一时钟和第二时钟；进一步比较器对第一电信号进行整形输出方波；异或门用于获取脉冲边沿信息，连续3个时钟均为低电平即可判定脉冲边沿；最后信号处理模块输出距离测量结果。

实施例3

以20ghz采样率、16路(n＝16)脉冲位置调制(ppm)信号、搭载fpga的信号处理模块为例，对本发明的具体实施过程进行说明。

基于所述的一种用于激光测距系统的尖峰脉冲采样装置，如图2所示，本实施例还公开一种用于激光测距系统的尖峰脉冲采样方法，具体实施步骤如下：

步骤一、4×4光电探测器阵列将测距光信号进行光电转换，输出16路20ghz单端尖峰脉冲信号；

步骤二、将步骤一得到的各路脉冲信号分别经过限幅放大器hmc750芯片进行电平放大，使脉冲信号达到适合采样的电平幅值，得到第一电信号。需要注意的是单端尖峰脉冲信号为16ppm脉冲信号，即以16个时隙为一个符号，其中只在一个时隙出现尖峰脉冲，其余时隙均为零电平，因此尖峰脉冲信号时隙速率为20gslot/s，而符号速率为1.25gbps；

步骤三、原子钟提供10mhz低频参考时钟源，频率综合模块对10mhz低频时钟进行锁相倍频，输出16路并行20ghz时钟作为第一时钟，以及16路并行10ghz时钟作为第二时钟；

步骤四、比较器hmc875芯片在步骤三得到的20ghz时钟驱动下，对步骤二得到的第一电信号进行整形，输出第二电信号，其脉冲宽度为50ps，符号周期为800ps；

步骤五、将步骤四得到的第二电信号和步骤三得到的10ghz第二时钟进入单比特异或器hmc851芯片进行异或运算，输出连续3个时钟均为低电平即判定脉冲边沿；

步骤六、信号处理算法根据步骤五得到的脉冲边沿信息，在xilinx公司的xc7v325t芯片中完成距离测量信息的估计。

实验结果

针对上述实施例，以传统高速数模转换芯片ev10aq190a采样方法为参照，从采样速率、资源消耗和采样精度三个方面进行对比。

图3表示10ghz高速时钟与20gbps单端尖峰脉冲进行异或运算。传统ev10aq190a芯片有效量化位数为10bit，最高能达到的采样速率为5gbps，根据奈奎斯特采样定律，被采样信号速率低于2.5gbps才能实现完整采样；基于1bit量化的高速尖峰脉冲采样方法最高采样速率由采样时钟速率决定，本实施例中高速尖峰脉冲速率达到20gbps，脉宽窄至50ps，需要周期为10ghz、脉宽为100ps的采样时钟进行1bit异或运算，而时钟锁相源能够将低频时钟倍频高达20ghz以上，因此能够采样5至10gbps的高速信号。

对于上述实施例，表1为使用传统ev10aq190a采样芯片采样方法和本实施例的尖峰脉冲采样方法分别对高速脉冲信号采样的fpga资源消耗对比。

表1传统ev10aq190a采样芯片采样方法和本实施例的尖峰脉冲采样方法分别对高速脉冲信号采样的fpga资源消耗对比表

由上表可知，传统采样方法需要消耗大量的逻辑资源和寄存器资源，而本实施例的尖峰脉冲采样方法能够大大减少逻辑资源和寄存器资源的消耗。

如图4所示是本实施例的基于单比特量化的尖峰脉冲采样方法和传统基于模数转换器的尖峰脉冲采样方法误差对比图。采样数据为40帧，每帧数据包含256bit固定数据帧头和60736bit随机数据帧，共60480bit高速数据。从图4中能够看出，对于每一帧数据采样，两种采样方式采样误差均较低，而本实施例的基于单比特量化的采样方法平均采样误差明显低于传统基于模数转换器的采样误差，表明本发明基于单比特量化的高速尖峰脉冲采样方法能够以高采样率补偿采样质量，提高采样精度。

综上所示，应用本实施例进行对激光测距系统中的尖峰脉冲进行高速差异处理，能够在保证采样精度的情况下容纳更高的脉冲速率，节约大量硬件资源，降低处理功耗。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。