一種距離門控脈沖信號產(chǎn)生系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種距離門控脈沖信號產(chǎn)生系統(tǒng)，其包括：FPGA芯片，該FPGA芯片包括：串口模塊；倍頻模塊；主波濾波模塊；與所述GPS接收機(jī)、倍頻模塊以及主波濾波模塊連接的時(shí)鐘模塊；與所述時(shí)鐘模塊以及串口模塊連接的乘法模塊，其接收并根據(jù)所述距離門控內(nèi)插參數(shù)以及激光發(fā)射時(shí)刻信息，實(shí)時(shí)計(jì)算獲得距離門控信號輸出時(shí)刻信息；與所述乘法模塊連接的FIFO模塊；以及與所述FIFO模塊以及時(shí)鐘模塊連接的門控輸出模塊。本發(fā)明具有超高重復(fù)率、高分辨率、高實(shí)時(shí)性、高度集成等特性，可實(shí)現(xiàn)大于10kHz重復(fù)率的距離門控信號輸出，從而可滿足多種重復(fù)率的空間目標(biāo)激光測距技術(shù)需求。
【專利說明】
_種距禹門控脈沖信號產(chǎn)生系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及距離門控信號產(chǎn)生技術(shù)，尤其涉及一種應(yīng)用于超高重復(fù)率衛(wèi)星激光測距的距離門控脈沖信號產(chǎn)生系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]距離門控作為一種時(shí)間濾波技術(shù)，廣泛應(yīng)用在激光測距或雷達(dá)探測等領(lǐng)域，以實(shí)現(xiàn)背景噪聲的抑制，其基本原理在于，根據(jù)空間目標(biāo)的距離預(yù)報(bào)值，精確控制光電接收器于回波返回前的一瞬間打開，使背景噪聲的積累達(dá)到最小，高分辨率的距離門控信號可有效提高衛(wèi)星的探測成功概率。上述濾波技術(shù)是在計(jì)算機(jī)的控制下由距離門控脈沖信號產(chǎn)生系統(tǒng)來完成的。
[0003]當(dāng)前，為了提升測量性能，衛(wèi)星激光測距(Satellite Laser Ranging，SLR)技術(shù)正不斷趨于高重復(fù)率化，已由低重復(fù)率(?10Hz)到高重復(fù)率(?kHz)并向超高重復(fù)率(>1kHz)發(fā)展，旨在獲取更多的測距數(shù)據(jù)和更高的測距精度以滿足SLR的應(yīng)用需求。由于超高重復(fù)率SLR所使用激光的脈沖能量小，系統(tǒng)所獲取的信噪比較低，因此，為了提高探測成功概率，要求距離門控電路不僅具備>10kHz的輸出頻率，控制精度方面也需達(dá)納秒級。同時(shí)，對于超高重復(fù)率SLR，計(jì)算機(jī)端測距控制軟件本身需要花費(fèi)大量時(shí)間進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理等實(shí)時(shí)性強(qiáng)的操作，因此，距離門控脈沖信號產(chǎn)生系統(tǒng)與測距控制軟件之間的命令或數(shù)據(jù)傳輸不能太頻繁，應(yīng)具有獨(dú)立計(jì)算運(yùn)行能力，否則會(huì)影響測距控制軟件的工作頻率。可以說，距離門控脈沖信號產(chǎn)生系統(tǒng)是超高重復(fù)率SLR的關(guān)鍵技術(shù)之一。
[0004]傳統(tǒng)的距離門控脈沖信號產(chǎn)生系統(tǒng)利用單個(gè)計(jì)數(shù)器即可完成，采用激光發(fā)射脈沖啟動(dòng)計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)長度則根據(jù)衛(wèi)星距離預(yù)報(bào)由計(jì)算機(jī)設(shè)置，倒計(jì)數(shù)結(jié)束后即輸出門控信號。對于超高重復(fù)率SLR，由于衛(wèi)星距離要遠(yuǎn)大于激光發(fā)射周期，因此，如果門控信號產(chǎn)生系統(tǒng)使用傳統(tǒng)方法則需要應(yīng)用多組計(jì)數(shù)器并行工作，這就使得系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜且與計(jì)算機(jī)之間數(shù)據(jù)傳輸頻繁，且能夠?qū)崿F(xiàn)的工作頻率有限，不能滿足超高重復(fù)率SLR的應(yīng)用需求。
[0005]隨著現(xiàn)代電子技術(shù)，特別是可編程器件FPGA的發(fā)展，為我們提供了實(shí)現(xiàn)超高重復(fù)率SLR的距離門控脈沖信號產(chǎn)生系統(tǒng)的可能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明旨在提供一種基于FPGA的距離門控脈沖信號產(chǎn)生系統(tǒng)，以提供系統(tǒng)的工作頻率，且不會(huì)制約計(jì)算機(jī)端測距控制軟件的速度，從而滿足超高重復(fù)率SLR的需求。
[0007]本發(fā)明所述的一種距離門控脈沖信號產(chǎn)生系統(tǒng)，其包括:FPGA芯片，該FPGA芯片包括:
[0008]串口模塊，其一方面與外圍的上位機(jī)連接以接收其提供的距離門控內(nèi)插參數(shù)，另一方面與外圍的GPS接收機(jī)連接以接收其提供的秒信號；
[0009]倍頻模塊，其與所述GPS接收機(jī)連接以接收其提供的輸入時(shí)鐘信號并產(chǎn)生相應(yīng)的芯片內(nèi)部時(shí)鐘信號；
[0010]主波濾波模塊，其與外圍的激光取樣裝置連接以接收其提供的激光發(fā)射脈沖信號并產(chǎn)生相應(yīng)的濾波信號；
[0011]與所述GPS接收機(jī)、倍頻模塊以及主波濾波模塊連接的時(shí)鐘模塊，其接收并根據(jù)所述秒信號、芯片內(nèi)部時(shí)鐘信號和濾波信號記錄激光發(fā)射時(shí)刻信息；
[0012]與所述時(shí)鐘模塊以及串口模塊連接的乘法模塊，其接收并根據(jù)所述距離門控內(nèi)插參數(shù)以及激光發(fā)射時(shí)刻信息，實(shí)時(shí)計(jì)算獲得距離門控信號輸出時(shí)刻信息；
[0013]與所述乘法模塊連接的FIFO模塊，其存儲(chǔ)所述距離門控信號輸出時(shí)刻信息；以及
[0014]與所述FIFO模塊以及時(shí)鐘模塊連接的門控輸出模塊，其讀取所述距離門控信號輸出時(shí)刻信息，并根據(jù)所述時(shí)鐘模塊提供的當(dāng)前時(shí)刻信息，輸出相應(yīng)的距離門控脈沖信號。
[0015]在上述的距離門控脈沖信號產(chǎn)生系統(tǒng)中，所述主波濾波模塊還通過所述串口模塊與所述上位機(jī)連接，以接收該上位機(jī)傳輸?shù)闹鞑V波控制指令。
[0016]在上述的距離門控脈沖信號產(chǎn)生系統(tǒng)中，所述FPGA芯片還包括高速I/O接口，其一方面與所述GPS接收機(jī)以及激光取樣裝置連接，以向所述串口模塊和時(shí)鐘模塊傳輸所述秒信號，向所述倍頻模塊傳輸所述輸入時(shí)鐘信號，以及向所述主波濾波模塊傳輸所述激光發(fā)射脈沖信號，其另一方面與所述門控輸出模塊連接，以輸出所述距離門控脈沖信號。
[0017]在上述的距離門控脈沖信號產(chǎn)生系統(tǒng)中，所述系統(tǒng)還包括用于向所述FPGA芯片供電的電源模塊。
[0018]在上述的距離門控脈沖信號產(chǎn)生系統(tǒng)中，所述串口模塊為RS232通用異步串行接
□ O
[0019]在上述的距離門控脈沖信號產(chǎn)生系統(tǒng)中，所述輸入時(shí)鐘信號為1MHz時(shí)鐘信號，所述芯片內(nèi)部時(shí)鐘信號為200MHz時(shí)鐘信號。
[0020]由于采用了上述的技術(shù)解決方案，本發(fā)明通過采用FPGA芯片并配置外圍電路形成距離門控信號產(chǎn)生系統(tǒng)，具體來說，通過將FPGA芯片外接高頻率的輸入時(shí)鐘信號以及IPPS秒信號，通過芯片中的串口模塊獲取上位機(jī)提供的距離門控內(nèi)插參數(shù)(即，衛(wèi)星距離預(yù)報(bào)內(nèi)插參數(shù))，并通過時(shí)鐘模塊對輸入的激光發(fā)射脈沖進(jìn)行發(fā)生時(shí)刻的精確記錄，最后配合乘法模塊和門控輸出模塊完成距離門控信號輸出時(shí)刻的實(shí)時(shí)計(jì)算和自動(dòng)輸出。本發(fā)明具有超高重復(fù)率、高分辨率、高實(shí)時(shí)性、高度集成等特性，可實(shí)現(xiàn)大于1kHz重復(fù)率的距離門控信號輸出，從而可滿足多種重復(fù)率的空間目標(biāo)激光測距技術(shù)需求。
【附圖說明】
[0021 ]圖1是本發(fā)明一種距離門控脈沖信號產(chǎn)生系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理圖；
[0022]圖2是本發(fā)明一種距離門控脈沖信號產(chǎn)生系統(tǒng)的工作流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0023]下面結(jié)合附圖，給出本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并予以詳細(xì)描述。
[0024]如圖1所示，本發(fā)明，即一種距離門控脈沖信號產(chǎn)生系統(tǒng)，其包括:FPGA芯片I以及用于向該FPGA芯片I和其他外圍電路供電的電源模塊(圖中未示)，其中，電源模塊可以提供穩(wěn)定的5.0￥、3.3￥、2.5￥和1.2￥的工作電壓;？?6六芯片1包括:
[0025]串口模塊11，其一方面與外圍的上位機(jī)2連接以接收其提供的距離門控內(nèi)插參數(shù)以及各種指令(例如，系統(tǒng)使能控制指令、主波濾波控制指令等)，另一方面與外圍的GPS接收機(jī)3連接以接收其提供的IPPS秒信號；
[0026]倍頻模塊12，其與GPS接收機(jī)3連接以接收其提供的1MHz的輸入時(shí)鐘信號并產(chǎn)生相應(yīng)的200MHz的芯片內(nèi)部時(shí)鐘信號；
[0027]主波濾波模塊13，其與外圍的激光取樣裝置4(例如，光電探頭)連接以接收其提供的激光發(fā)射脈沖信號(也稱為主波信號)并產(chǎn)生相應(yīng)的濾波信號，該主波濾波模塊13還與串口模塊11連接，以接收從上位機(jī)2傳輸?shù)闹鞑V波控制指令，從而對濾波條件進(jìn)行設(shè)置；
[0028]與GPS接收機(jī)3、倍頻模塊12以及主波濾波模塊13連接的時(shí)鐘模塊14，其接收并根據(jù)秒信號、芯片內(nèi)部時(shí)鐘信號和濾波信號高精度地記錄激光發(fā)射時(shí)刻信息；
[0029]與時(shí)鐘模塊H以及串口模塊11連接的乘法模塊15，其接收并根據(jù)距離門控內(nèi)插參數(shù)以及激光發(fā)射時(shí)刻信息，實(shí)時(shí)計(jì)算獲得距離門控信號輸出時(shí)刻信息；
[0030]與乘法模塊15連接的FIFO模塊16，其存儲(chǔ)距離門控信號輸出時(shí)刻信息；以及
[0031]與FIFO模塊16以及時(shí)鐘模塊14連接的門控輸出模塊17，其讀取距離門控信號輸出時(shí)刻信息，并根據(jù)時(shí)鐘模塊14提供的當(dāng)前時(shí)刻信息，輸出相應(yīng)的距離門控脈沖信號，具體來說，當(dāng)距離門控信號輸出時(shí)刻信息與當(dāng)前時(shí)刻信息一致時(shí)，則輸出距離門控脈沖信號，以用于回波探測設(shè)備5的精確開啟，從而實(shí)現(xiàn)背景噪聲的最小化。
[0032]另外，在本實(shí)施例中，F(xiàn)PGA芯片I還包括高速I/O接口 18，其中:高速I/O接口 18—方面與GPS接收機(jī)3以及激光取樣裝置4連接，以向串口模塊11和時(shí)鐘模塊14傳輸秒信號，向倍頻模塊12傳輸輸入時(shí)鐘信號，以及向主波濾波模塊13傳輸激光發(fā)射脈沖信號，另一方面與門控輸出模塊17連接，以向回波探測設(shè)備5傳輸距離門控脈沖信號。
[0033]在本實(shí)施例中，使用Xilinx公司的Spartan-3XC3S200低成本芯片作為FPGA芯片I。該芯片擁有150萬的邏輯門編程資源，完全滿足本發(fā)明的空間要求;擁有自帶的數(shù)字時(shí)鐘管理功能(DCM)，倍頻速度可以達(dá)到200MHz以上，即可以保證系統(tǒng)的運(yùn)行精度在5ns以內(nèi)；自帶12個(gè)18X18位的嵌入式硬件乘法器，理論運(yùn)行速度為每秒鐘幾萬億次，在單脈沖觸發(fā)時(shí)間內(nèi)完全可以進(jìn)行單次的乘法的運(yùn)算，滿足設(shè)計(jì)所需的速度要求；18KB塊RAM，可以用做緩存或是高速緩存，在本實(shí)施例中，被用作FIFO模塊16，以生成FIFO序列。
[0034]在本實(shí)施例中，為實(shí)現(xiàn)距離門控脈沖信號輸出的高分辨率并使設(shè)計(jì)方便，本實(shí)施案例依據(jù)FPGA芯片I，即Spartan-3XC3S200的性能，選擇將外部1MHz的輸入時(shí)鐘信號倍頻至200MHz，作為FPGA芯片I的內(nèi)部工作時(shí)鐘，從而使得激光發(fā)射時(shí)刻信息得記錄精度達(dá)到5ns，距離門控脈沖信號的分辨率達(dá)到5ns。具體來說，Xilinx公司推出的集成設(shè)計(jì)環(huán)境(ISE)中提供了DCM的IP Core，用定義好的輸入輸出信號和頻率參數(shù)即可方便地運(yùn)用DCM，本實(shí)施案例定義了DCM，即，倍頻模塊12，使1MHz的信號倍頻至200MHz。
[0035]在本實(shí)施例中，串口模塊11為RS232通用異步串行接口。RS232通用異步串行接口的協(xié)議較簡單、使用廣泛，本實(shí)施例通過該串口傳輸參數(shù)及控制指令。電路干擾會(huì)使數(shù)據(jù)的邊緣采樣發(fā)生誤判，只有在數(shù)據(jù)中央采樣時(shí)其出錯(cuò)概率為最低，因此數(shù)據(jù)采樣率一般都是波特率的數(shù)倍頻?？紤]到時(shí)鐘為200MHz，本電路波特率為38400、8倍頻采樣可以使誤碼率最小(200000000/651 = 38400*8，誤碼率僅為0.0001 %)。應(yīng)用此發(fā)明，上位機(jī)2每秒需傳輸4個(gè)48bits的內(nèi)插參數(shù)給FPGA芯片1，對于任意重復(fù)頻率SLR，數(shù)據(jù)傳輸量為192bit/s。如果按傳統(tǒng)方法，使用上位機(jī)2計(jì)算距離門控信號輸出時(shí)刻信息(60bit)并輸出至FPGA芯片，那么對于1kHz超高重復(fù)率SLR而言，數(shù)據(jù)傳輸量將大于600k bits/s，這就超出了計(jì)算機(jī)串口的傳輸能力。
[0036]在本實(shí)施例中，GPS接收機(jī)3為本發(fā)明系統(tǒng)提供了高性能的1MHz的輸入時(shí)鐘信號和IPPS秒信號，分別作為系統(tǒng)的時(shí)鐘源和同步信號。本實(shí)施例采用HP58503A型號的GPS接收機(jī)3，可提供10-12穩(wěn)定度的1MHz的輸入時(shí)鐘信號和I 1ns準(zhǔn)確度的IPPS秒信號。
[0037]在本實(shí)施例中，距離門控脈沖信號的脈沖寬度可由上位機(jī)2通過RS232對FPGA芯片進(jìn)行實(shí)時(shí)修改，并經(jīng)由驅(qū)動(dòng)放大，以滿足不同類型的回波探測裝置18的應(yīng)用需求。
[0038]本發(fā)明的工作過程可如圖2所示，當(dāng)上電準(zhǔn)備完成后，GPS接收機(jī)3輸出秒信號，串口模塊11接收距離門控內(nèi)插參數(shù)以及相應(yīng)的控制指令，以通過主波濾波模塊13接收激光發(fā)射脈沖信號，然后通過時(shí)鐘模塊14記錄激光發(fā)射時(shí)刻信息，以便乘法模塊15根據(jù)距離門控內(nèi)插參數(shù)和激光發(fā)射時(shí)刻信息進(jìn)行距離門控信號輸出時(shí)刻信息的計(jì)算，并寫入FIFO模塊16中，最后通過門控輸出模塊17對距離門控信號輸出時(shí)刻信息和當(dāng)前時(shí)刻信息進(jìn)行匹配后輸出距離門控脈沖信號。
[0039]綜上所述，在超高重復(fù)率SLR系統(tǒng)中應(yīng)用本發(fā)明的系統(tǒng)，解決了超高重復(fù)率SLR的門控輸出關(guān)鍵問題，并確保了超高重復(fù)率SLR測距控制軟件的速度和實(shí)時(shí)性，使我國在國際上首次實(shí)現(xiàn)1kHz重復(fù)頻率激光測距，最遠(yuǎn)探測距離達(dá)40000km。
[0040]以上所述的，僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并非用以限定本發(fā)明的范圍，本發(fā)明的上述實(shí)施例還可以做出各種變化。即凡是依據(jù)本發(fā)明申請的權(quán)利要求書及說明書內(nèi)容所作的簡單、等效變化與修飾，皆落入本發(fā)明專利的權(quán)利要求保護(hù)范圍。本發(fā)明未詳盡描述的均為常規(guī)技術(shù)內(nèi)容。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種距離門控脈沖信號產(chǎn)生系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包括:FPGA芯片，該FPGA芯片包括: 串口模塊，其一方面與外圍的上位機(jī)連接以接收其提供的距離門控內(nèi)插參數(shù)，另一方面與外圍的GPS接收機(jī)連接以接收其提供的秒信號； 倍頻模塊，其與所述GPS接收機(jī)連接以接收其提供的輸入時(shí)鐘信號并產(chǎn)生相應(yīng)的芯片內(nèi)部時(shí)鐘信號； 主波濾波模塊，其與外圍的激光取樣裝置連接以接收其提供的激光發(fā)射脈沖信號并產(chǎn)生相應(yīng)的濾波信號； 與所述GPS接收機(jī)、倍頻模塊以及主波濾波模塊連接的時(shí)鐘模塊，其接收并根據(jù)所述秒信號、芯片內(nèi)部時(shí)鐘信號和濾波信號記錄激光發(fā)射時(shí)刻信息； 與所述時(shí)鐘模塊以及串口模塊連接的乘法模塊，其接收并根據(jù)所述距離門控內(nèi)插參數(shù)以及激光發(fā)射時(shí)刻信息，實(shí)時(shí)計(jì)算獲得距離門控信號輸出時(shí)刻信息； 與所述乘法模塊連接的FIFO模塊，其存儲(chǔ)所述距離門控信號輸出時(shí)刻信息；以及 與所述FIFO模塊以及時(shí)鐘模塊連接的門控輸出模塊，其讀取所述距離門控信號輸出時(shí)刻信息，并根據(jù)所述時(shí)鐘模塊提供的當(dāng)前時(shí)刻信息，輸出相應(yīng)的距離門控脈沖信號。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的距離門控脈沖信號產(chǎn)生系統(tǒng)，其特征在于，所述主波濾波模塊還通過所述串口模塊與所述上位機(jī)連接，以接收該上位機(jī)傳輸?shù)闹鞑V波控制指令。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的距離門控脈沖信號產(chǎn)生系統(tǒng)，其特征在于，所述FPGA芯片還包括高速I/O接口，其一方面與所述GPS接收機(jī)以及激光取樣裝置連接，以向所述串口模塊和時(shí)鐘模塊傳輸所述秒信號，向所述倍頻模塊傳輸所述輸入時(shí)鐘信號，以及向所述主波濾波模塊傳輸所述激光發(fā)射脈沖信號，其另一方面與所述門控輸出模塊連接，以輸出所述距離門控脈沖信號。4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的距離門控脈沖信號產(chǎn)生系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)還包括用于向所述FPGA芯片供電的電源模塊。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的距離門控脈沖信號產(chǎn)生系統(tǒng)，其特征在于，所述串口模塊為RS232通用異步串行接口。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的距離門控脈沖信號產(chǎn)生系統(tǒng)，其特征在于，所述輸入時(shí)鐘信號為1MHz時(shí)鐘信號，所述芯片內(nèi)部時(shí)鐘信號為200MHz時(shí)鐘信號。
【文檔編號】G01S7/282GK105954727SQ201610259624
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年4月25日
【發(fā)明人】吳志波, 張海峰, 張忠萍, 陳菊平, 孟文東, 鄧華榮, 程志恩, 丁仁杰
【申請人】中國科學(xué)院上海天文臺(tái)