窄脉冲激光引信高速二值数字采集系统设计*

马 珩，涂建平，梁 谦

(中国空空导弹研究院，河南洛阳 471009)

0 引言

激光引信具有抗电磁干扰能力强、成本低和启动精度高等优点，但也存在着受自然环境如云雾、沙尘等影响较大的缺点[1]。

DPSSL(半导体泵浦固体激光器)具有峰值功率高、发射脉冲窄、体积小、重量轻[2]等优点，能够有效提高激光引信的探测信噪比和测距精度，从而提高激光引信的抗干扰能力。DPSSL激光引信发射脉宽很窄，一般小于3ns，相应的回波脉冲也很窄，如何对其进行信号处理是一个难点。文献[3－4]都提出了一种针对脉冲激光引信的高精度定距方法，达到了800MHz的工作频率。但对于窄脉冲激光引信来说，仅实现高速定距是不够的，因为无法提取出回波信号中所包含的其他信息。为满足窄脉冲激光引信的需要，文中设计了一种基于FPGA倍频移相技术的高速二值数字采集系统，不仅可实现高精度定距，而且可以获得回波波形、脉宽等信息。

1 高速二值数字采集系统设计

1.1 窄脉冲激光引信工作原理

图1为窄脉冲激光引信系统的原理框图。系统主要分为激光器、探测器及相应的光学系统和电路组成的探测前端、信号预处理单元及目标识别单元三个部分。

系统的工作流程为：信号预处理单元产生发射基准脉冲，控制激光器的驱动电路驱动激光器发光，发光的同时产生同步脉冲信号，激光经发射光学系统整形后向空间辐射。接收光学系统接收回波信号，经光电转换和前放放大后进入比较器与门限进行比较，然后送入信号预处理单元。信号预处理器通过高速采集得到二值化的回波数据序列，然后将数据送入目标识别单元，目标识别单元根据这些信息综合判断是否目标。

文中所设计的高速二值数字采集系统属于信号预处理单元，完成对回波脉冲二值采样的工作。

图1 窄脉冲激光引信原理框图

1.2 高速二值数字采集系统模块组成及工作原理

如图2所示，数字采集系统主要由时钟模块、数据采集模块和数据重组模块组成。时钟模块产生并分配其他模块所需的各种时钟信号。系统的片外时钟为40MHz，而数据采集需达到1GHz以上的采样率，因此采用了FPGA倍频移相的方法。文中选用Xilinx公司Virtex-5系列芯片，利用其内部的PLL_ADV模块产生系统所需的全部时钟。其中采样时钟产生过程如下：首先对40MHz的片外输入时钟信号进行倍频、分频等处理，得到450MHz的时钟。然后再对其分别进行0°、90°、180°、270°移相，得到 4 路相位相差90°的时钟信号。采样开始后，数据采集模块利用这4路时钟对回波信号进行采样，将采样数据存入4路32位移位寄存器，这样的采样过程，得到的数据量是使用单一时钟采样的4倍，等效于使用一个频率为原始时钟4倍的时钟对数据进行采样，从而实现1.8GHz的等效采样频率，移相倍频原理如图3所示。采样完成后，数据重组模块将4路移位寄存器中的采样数据取出还原成完整的采样数据，存入一路128位的移位寄存器中，完成当前探测周期的数据采集工作。

图2 采集系统模块示意图

图3 移相法实现等效高频率原理示意图

1.3 时钟模块

如图4所示，四象限发射系统以40kHz的发射频率轮流发光，发射脉冲宽度为3ns左右。发光之后，接收系统开始接收回波信号，与此同时，时钟模块产生的4路450MHz时钟信号开始分别对信号进行采样，采样时间为128ns，可以采集到10.7m内的回波数据。

图4 采集系统工作时序图

为产生采样时钟，可以使用ISE的IP核生成器生成一个PLL_ADV模块，并设置合适的倍频、分频因子，产生出所需的4路450MHz时钟。

1.4 数据采集模块实现电路

数据采集模块中采用8路32位移位寄存器存放采样数据。采样开始后，在4路采样时钟的上升沿对回波信号进行采样，将采样数据存入4路移位寄存器中。与此同时，为了在采样完成后还原出完整的回波信号，以及测定回波距离，需要对发射系统返回的同步信号也进行采样，将其采样数据同样存入4路移位寄存器中。同一采样时钟驱动的回波寄存器和同步寄存器分为一组，当采样数据充满该组移位寄存器时，移位寄存器停止移位。当4组移位寄存器全部停止移位后，数据采集过程结束。

由于这8路移位寄存器是由450MHz时钟驱动，对其时序性能要求较高，因此采用Virtex-5系列芯片中特有的SRLC32E原语来实现。SRLC32E是由芯片内部的LUT级联而成的，不占用触发器资源，并且性能很高。每个SRLC32E原语可实现一个32位的移位寄存器，正好可以满足设计需要，共需要8个SRLC32E来组成数据采集模块。图5为数据采集模块示意图。

图5 数据采集模块示意图

1.5 数据重组模块实现电路

采样完成后，4路时钟的采样数据分别存入了各自对应的回波寄存器中，需要将这些数据还原成一路完整采样数据。需要注意的一点是，在采样时，哪一个时钟最先采集到有效数据完全是随机的。因此，要还原数据，必须确定各个时钟的采样顺序。由于数据采集过程是高速进行的，如何设计一种既能够满足时序要求，又能正确判断出时钟采样顺序的方法是设计中的一大难点。为此，设置了4个标识位，每路时钟对应一个标识位，设 0°、90°、180°、270°时钟对应的标识位分别为flag1、flag2、flag3、flag4。在采集数据的同时，将4路同步寄存器的最高位分别输出到对应的标识位中，并且flag1的输出作为它自身和flag3的使能端，flag2的输出作为它自身和flag4的使能端(低电平有效)。采用这种交叉控制的方式，放宽了对标识位的时序要求，从而确保了标识位可以正确反映出真实的采样顺序。数据采集结束后，根据flag3和flag4的状态就可以判断出4路时钟的采样顺序。如表1所示。

表1 根据标识位判断时钟采样顺序

表中的1－2－3－4表示时钟采样顺序为0°、90°、180°、270°，依此类推。时钟采样顺序确定后，从第一个采样时钟对应的回波寄存器开始，依次取出4路回波寄存器中的数据存入1路128位的移位寄存器中，即可还原出完整的采样数据。图6是数据重组模块示意图。

图6 数据重组模块结构图

2 仿真验证

为验证系统的正确性，用Modelsim进行了时序仿真。如图7所示，第1行PAD_SYN_IN为同步信号，第2行PAD_ECHO_IN为回波信号，第5行echo_sampled为重组后的采样数据。在鼠标所指时间点完成了数据重组，图中下方显示的一串0、1序列即为最终得到的采样数据，0代表低电平，1代表高电平。可以看出序列代表的波形与回波信号是一致的。

为了进一步验证采样效果，任意编辑一些回波波形，每段波形中的脉冲宽度都是纳秒量级。时序仿真后，将得到的采样数据与原波形进行对比，其中两段波形(a)和(b)与它们各自的采样数据对比结果如图8所示。

从图上可以看出，两段波形的采样数据都与输入波形一致，说明设计是正确的。由于等效采样频率为1.8GHz，所以每位采样数据代表 0.56ns。如波形(a)中第一个脉冲对应13位“1”，则说明该脉冲宽度约为7ns。此外，这种采样方法保证了回波采样数据与同步采样数据的首位对齐，只需查找回波采样数据的第一个“1”在第几位，就可计算出回波时间。根据测距公式：

可得到回波距离，式中c为光速，t为光在空中的传播时间。由于采样精度为0.56ns，所以定距精度约为0.08m，可以获得较精确的目标距离信息。因此，这种二值化采样数据可以反映出回波信号的回波距离、脉宽、波形等许多特征信息。

图7 数据采集仿真结果

图8 输入波形与采样数据对比

3 实验验证

为了进一步对系统进行验证，进行了数据采集实验。为方便观察采样数据，采用了自制的显示电路板作为显示输出设备。显示电路板由移位寄存器、锁存器和LED灯组成。LED灯共有128个，每个灯对应一位采样数据。每个周期的数据采样重组结束后，FPGA将128位的采样数据串行输出到显示电路板的移位寄存器，并给出锁存信号，这样LED就显示出本周期的采样数据。

实验时，FPGA输出触发脉冲给信号发生器，信号发生器输出模拟的同步信号和回波信号，经FPGA采样后输出采样数据到显示板，观察采样数据与信号发生器上设置的回波信号是否一致。

经过实验，系统能够以1.8GHz的等效采样率正常工作，得到正确的采样结果。

4 结论

文中设计了一种高速二值数字采集的方法，并在Xilinx公司Virtex-5系列的XC5VLX20T芯片上采用此方法实现了一个高速二值采集系统，通过仿真和实验，验证了该系统可以正常工作，实现高速采集功能。等效采样频率达到1.8GHz，可对窄脉冲激光引信的回波数据进行高速采样，并可据此进行精确定距，定距精度为0.08m。与传统的激光引信的信号处理方法相比，该系统可采集到真实反映回波信号波形特征的数据，为后续的目标识别单元提供足够的信息，如距离信息、宽度信息、甚至是单次探测出现的回波脉冲分裂信息，有助于提高激光引信的目标识别能力。

[1]袁正，孙志杰.空空导弹引战系统设计[M].北京：国防工业出版社，2007.

[2]张翼飞，邓方林，陈卫标.适用于弹道导弹激光引信的DPSSL研究[J].激光与红外，2004，34(3)：165－168.

[3]桑会平，邓甲昊，胡秀娟.基于现场可编程门阵列的脉冲激光引信高精度实时定距技术研究[J].探测与控制学报，2006，28(4)：19－22.

[4]陈慧敏，郭渭荣，刘鹏，等.提高脉冲激光引信定距精度的仿真研究[J].光学技术，2008，34(5)：721－723.