星载激光测距仪的高精度时间间隔测量单元_图文(精)

第34卷第10期2007年10月
中国激光
CHIN ESE JOU RNA L OF LA SERS
V ol. 34, No. 10
O cto ber , 2007
05 文章编号:0258 7025(2007 10 1422
星载激光测距仪的高精度时间间隔测量单元
雷琳君
1
1, 2
, 杨燕, 陈卫标
11
(中国科学院上海光学精密机械研究所, 上海201800; 2中国科学院研究生院, 北京100039
摘要高精度时间间隔测量单元(T IU 是星载激光测距仪的关键部件。

基于现场可编程门阵列(F PGA 研制出了满足星载要求的高精度、高集成度时间间隔测量单元。

该单元采用数字计数法结合数字延迟线插入法的技术, 在0. 5~10km 的测量距
离范围内, 时间分辨率为500ps 。

通过地面检测, 在全程范围内保持了良好的线性度, 标准偏差小于270ps 。

该单元同时具备测量脉冲回波宽度的能力, 可以获取目标的脉冲展宽信息。

由于单元选用的元器件都具有航天产品性能, 因此其设计和技术指标可满足星载激光测距仪的应用。

关键词测量; 时间间隔测量单元; 星载激光测距仪; 数字延迟线插入; 现场可编程门阵列中图分类号 P 225. 2; T M 935. 15 文献标识码 A
High Accuracy Time Interval Unit for Spaceborne Laser Range Finder
LEI Lin jun
1
2
1, 2
, YANG Yan , CH EN Wei biao
11
Shanghai I nstitute of Op tics and Fine M echanics , T he Chinese A cad emy of S ciences , S hang hai 201800, China
Gr aduate Univer sity of Chinese A cademy of Sciences , Beij ing 100039, China
Abstract H ig h accuracy time interv al unit (T IU is an impo rtant component in a spacebo rne laser range finder. A
highly integ rated T IU w ith hig h accuracy is developed based on field pr og rammable g at e a rra y (FP GA for spacebo rne application by co mbining digital co unting and dig ital delay line interpolation techniques. T he t ime resolution is abo ut 500ps w hen the measurement range is fr om 0. 5km to 10km. Detect ion on the g ro und verifies that a linea r relationship is kept all t he rang e, and the standa rd er ro r is less than 270ps. T he unit also can measur e the w idth of the r et ur ned laser pulses and obtain the pulse br oadening character istics due to different ta rgets. Because every co mpo nent in the unit has candidate pr oduct of aerospace, and t he desig n and technical
par amet er s can be used in hig h accuracy r ang e measur ement fo r laser range finder. Key words measurement; time interv al unit; spacebor ne laser rang e finder ; digital delay line inter po latio n; field pr og rammable g ate arr ay
1 引言
星载激光测距仪一般通过测量卫星到照射表面的激光脉冲的飞行时间来得到距离信息。

由于地面目标特征的差异(如粗糙度、倾斜度等 , 往往会造成反射激光的脉冲展宽, 因此获取反射激光的脉冲宽度也可间接地得到目标的基本特征[1]。

高性能的时间间隔测量和回波脉冲宽度检测是星载激光测距仪的一项关键技术。

传统的时间间隔测量的方法是采用分立元件或几个功能独立的集成电路搭建电路,
收稿日期:2007 02 05; 收到修改稿日期:2007 05 09
电路复杂, 体积庞大, 分辨率低, 电路的可靠性降低。

为此, 近几年来, 国外研制出时间数字转换器(T DC 的专用集成电路(ASIC 芯片, 如德国ACAM 公司研发的TDC GP1[2], 西欧核子中心(CERN 开发的高性能时间数字转换器(H PTDC [3]等。

专用时间数字转换芯片是定型的, 目前有满足星载要求的专用时间数字转换芯片。

目前国内星载激光高度计等空间激光测距仪还停留在低精度计数器阶段, 集成度非常低。

随着现场可编
作者简介:雷琳君(1982 , 女, 浙江人, 硕士研究生, 主要从事高集成度时间间隔测量技术的研究。

E mail:siluhuay u610@163. com
导师简介:陈卫标(1969 , 男, 上海人, 研究员, 博士生导师, 主要从事激光遥感、遥测, 激光雷达方面的研究工作。

E mail:wbchen@mail. shcnc. ac. cn
10期雷琳君等:星载激光测距仪的高精度时间间隔测量单元
程门阵列(FPGA 的迅猛发展, 集成度越来越高, 功能越来越强大, 有些芯片已经达到了专用集成电路的工艺水平, 并且已有少量型号具备宇航级产品性能。

基于现场可编程门阵列的单元电路, 体积小、集成度高、可靠性强, 在航天设备中得到越来
越广泛的应用。

本文基于一款宇航级的现场可编程门阵列芯片, 设计和研制出星载激光测距仪所需的时间间隔测量单元(TIU 和脉冲宽度测量单元, 将直接应用到正在研制的星载激光测距仪中。

的间隔以及回波脉冲的宽度。

测量发射脉冲与回波脉冲的间隔及回波脉冲的宽度都是对时间间隔的测量。

目前时间间隔测量主要有三种方法[4]:模拟法、数字法和数字插入法。

模拟法利用了电容的充放电, 测量精度非常高, 但线性度差, 测量范围小, 电路体积较大, 受温度影响大, 在大测距范围的星载激光测距仪中不宜使用; 数字法用同步时钟脉冲对时间间隔进行计时, 线性度好, 测量范围大, 但是测量精度受时钟频率所限, 即使采用
1GH z 的时钟, 精度也只在纳秒量级; 数字插入法是通过采用数字法结合各种不同插入方法来对时间进行精确测量, 可以同时得到高单脉冲测量精度和高线性, 能够适应高速、大测量范围和高精度的领域[5]。

考虑到现场可编程门阵列的特点和实现的可能性, 提出了采用数字计数法( 粗时间测量结合数字延迟线插入方法( 细时间测量来实现测量的方案[6~11], 如图1
所示。

2 时间间隔测量单元的设计和实现
2. 1 基本测量原理
无论是近距离的星间测距, 还是中低轨的激光测高, 一般采用距离选通技术, 故真正高精度测距的范围在10km 以内。

因此本文的设计目标为:测量量程达到10km , 测距精度优于0. 1m , 重复频率大于50H z, 同时希望能够测量发射脉冲与回波脉冲
图1数字计数结合数字延迟线插入的时间间隔测量方法
F ig. 1P rinciple o f T IU w ith method of dig ital co unting and digital inter po lating
起始(start 信号上升沿与停止(stop 信号上升沿之间的时间间隔T 1及停止信号
的宽度T 2可分别分为三部分进行测量。

计数器1, 2分别记录T 1, T 2内填充的参考时钟周期的整数个数N 1, N 2, 以此得到第一个时间间隔N 1T 0, N 2T 0, 其精度
由参考时钟周期T 0决定, 一般采用几百兆频率的时钟, 对应精度为几纳秒量级, 实现粗测。

待测时间间隔开始和结束处小于一个时钟周期的两个短时间间隔(T 1对应N a a , N b b ; T 2对应N b b , N c c , 则分别由量化时间为 a , b , c 的延迟插入模块转换为数字量得到,
其精度由量化时间决定, 一般可达几百皮秒甚至更
小的量级, 实现细测。

相应的, 待测的两个时间间隔分别可计算得到
T 1=N 1T 0+N a a -N b b , T 2=N 2T 0+N b b -N c c 。

(1 (2
延迟插入模块包含一条具有固定延时时间的延迟单元串连而成的延迟线和一个编码单元, 其结构如图2所示。

每个延时单元包含一个缓冲器和一个低电平触发器, 缓冲器用来对输入信号进行延时, 触发器用来锁存延迟线的状态。

假设要测量信号
中国激光 34卷
STA 上升沿与信号ST B 上升沿之间的时间间隔, 让信号STA 在延迟线上传输, 每经过一个延时单元, 延时 a , 若到达一个延时单元时ST A 上升沿在STB 上升沿之前, 则触发器锁存状态1, 反之, 若STA 上升沿在ST B 上升沿之后, 触发器锁存状态
0。

由于采用了反馈, 只有ST A 信号经过后上升沿跑到STB 上升沿之后的延迟单元锁存的状态是1,
其他延迟单元的状态为0。

如果延迟线上第N a 个延迟单元的状态为1, 则待测时间间隔为N a a 。

编
码单元将延迟线的状态码转换为二进制码。

图2延迟插入模块的组成
F ig. 2Setup of delay inter po lat ion module
2. 2 时间间隔测量单元的实现
选用Actel 公司的ProASIC Plus 系列现场可编程门阵列中的APA300芯片来实现时间间隔测量单元。

该芯片基于Flash 技术, 非挥发可重复编
程, 包含300, 000系统门, 备有符合M IL ST D 883B 级筛选标准的密封封装, 低功耗, 被列在航天优选目录内。

但它的缺点是功能少于商业芯片, 设计灵活性欠佳。

整个时间间隔测量单元的设计在Actel 公司的集成开发环境Liber o IDE 中完成, 采用Ver ilog H DL 语言结合电路图输入的方法自顶向下设计实现, 其结构如图3所示。

外部晶振提供的40M H z 时钟, 通过现场可编程门阵列内嵌的锁相环(PLL 转换
成100M H z 作为计数器1, 2粗计数的参考时钟, 因此时间间隔粗测的分辨率为参考时钟的周期10ns 。

三个实现细测的延迟插入模块结构相同, 每个模块包含24个延时单元, 由于APA300器件的逻辑元胞(lo gic tile 是其最小可编程单元, 可以被配置成除三输入异或以外的任意三输入一输出的逻辑[12], 因此用两个逻辑元胞来实现一个延时单元, 一个逻辑元胞配置成三输入与门作为延时缓冲器, 另一个逻辑元胞配置成低电平触发器。

三输入与门的传输延迟时间约为0. 5ns, 因此理论上细
测的分辨率约为0. 5ns 。

延迟插入模块中的编码单元在每次测量后, 将24位的延迟线状态转换为8位二进制数输出。

每次测量结束后得到两个计数器, 三个延迟插入模块共六个字节的数据, 存入存储模块先入先出存储器(FIFO 中。

外部器件可以根据
先入先出存储器的读时序来读取时间测量信息。

图3时间间隔测量单元组成结构Fig. 3Blo ck diag ram o f T IU
时间间隔测量单元内还设计了一个测量校准模块, 包括A, B, C 三个工作原理相同的部分, 以A 为例, 当mo de 为0时, 时间间隔测量单元工作在校准模式, 在ST A 和STB 之间会产生一个与参考时钟周期T 0相等的标准时间间隔, 送入延迟插入模块A 进行测量, 得到计数N 0a , 这样每个延时单元的延迟
10期雷琳君等:星载激光测距仪的高精度时间间隔测量单元
时间(即时间间隔单元的时间分辨率 a =T 0/N 0a 。

当mode 为1时, 时间间隔测量单元工作在测量模式, 在ST A 和ST B 之间产生的时间间隔是开始信号上升沿与其后最近一个时钟上升沿之间的时间间隔N a a 。

时间间隔测量单元在工作时, 延迟插入模块测量的是小于一个参考时钟周期的很短一段时间间隔, 其测量在开始信号或停止信号到达后可在很短的时间内完成(十几纳秒 , 因此单元的量程以及最高测量频率主要由计数器的位数决定。

计数器1的计数宽度为16位, 故可测量的最大时间间隔约为0. 66ms, 对应最大测量距离为
99km, 满足量程达到10km 的要求。

计数器2的计数宽度8位, 最大可测时间间隔约为2. 56 s, 对应最大脉冲宽度为2. 56 s 。

3 测试结果及分析
用SRS 公司的数字延时信号发生器DG535产生待测的时间间隔, 对研制单元进行测试。

DG535有二组可编程延时信号输出口, 分别用来输出开始信号start 和结束信号stop, 时间分辨率可达5ps 。

开始信号和结束信号之间的时间间隔和结束信号的宽度分别为可变值 T 1和 T 2。

测量得到的数据通过串口模块送入计算机进行处理。

当工作在校准模式下时, 等于参考时钟周期10ns 的固定时间间隔送入延迟插入模块, 测得三个延迟线的状态计数均为19, 由此可得时间间隔测量单元的时间分辨率均为526ps 。

当工作在测量模式下时, 首先对固定的时间间隔进行1000次测量, 并作统计分析。

设置DG535, 使得 T 1=30000. 000ns, T 2=66. 665ns 。

图4为测量结果, T 1的测
量结果标准误差为259ps, 测量值最大最小的差值为526ps 。

T 2的测量结果标准误差为260ps, 测量值最大最小之间的差值为532ps 。

其次, 检测时间间隔测量单元在量程范围内的线性度。

设置时间间隔为 T 1, 对应距离为0. 5~10km , 变化步长为500m, 每个时间间隔测量1000次, 统计测量值的标准误差并计算平均值与标称输入的差值。

结果如图5所示, 不同测量距离下的标准偏差均在210~270ps 之间, 同时存在一个变化的固定偏差, 变化范围小于237ps, 可见量程范围内的线性度很好。

设脉冲宽度 T 2为10~200ns,
变化
图4固定时间间隔和脉冲宽度的测量数据F ig. 4Results w ith cer tain time delay and pulse w idth
(a T 1=30000. 000ns ; (b T 2=66. 665
ns
图5不同时间间隔的标准偏差(a 和固定偏差(b F ig. 5Standa rd deviation (a and fixed bias (b of
different time inter val
步长为10ns, 图6给出了脉冲宽度测量范围内的标准偏差和固定偏差, 可以看出脉冲宽度的测量误差与时间间隔的误差相当, 脉冲宽度测量的固定偏差也与时间间隔的固定偏差相当。

这是由于脉冲宽度
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构, 有望将分辨率进一步提高。

另外, 由于现场可编程门阵列具有可重复编程的特性, 该时间间隔测量器还可以根据应用场合的不同灵活地更改或添加功能。

参
考
文
献
图6不同回波脉冲宽度的标准偏差(a 和固定偏差(b Fig. 6Standard dev iation (a and fix ed bias (b of
different return s pulse w idth
的测量可以等价成一个短时间间隔的测量。

引起单元标准偏差和固定偏差的主要来源是延迟插入模块的量化误差, 由于采用了延迟线插入技术, 其时间分辨率为一个延迟单元的延时时间(526ps , 因此测量的结果是离散的, 以526ps 跳变, 这也是其极限误差。

此外, 单元的测量误差还来自参考时钟的抖动误差和输入脉冲沿的抖动误差。

4 结论
基于现场可编程门阵列, 研制出了满足星载要求的高精度、高集成时间间隔测量单元。

测试结果表明, 研制的时间间隔测量单元达到了预期目标, 在10km 全程范围内测量值的标准偏差小于270ps 。

整个单元都在一片现场可编程门阵列上实现, 集成度高、体积小、功耗低, 可以适合星间测距和激光测距仪的应用。

目前时间间隔测量单元的时间分辨率约为500ps, 在以后的改进中, 通过改动延迟线的设计结
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