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基于FPGA的远距离单光子精细化时间数字转换电路

谢达 王春阳 袁凯 卫旭阳 刘雪莲

谢达, 王春阳, 袁凯, 卫旭阳, 刘雪莲. 基于FPGA的远距离单光子精细化时间数字转换电路[J]. 红外与激光工程, 2023, 52(10): 20230094. doi: 10.3788/IRLA20230094
引用本文: 谢达, 王春阳, 袁凯, 卫旭阳, 刘雪莲. 基于FPGA的远距离单光子精细化时间数字转换电路[J]. 红外与激光工程, 2023, 52(10): 20230094. doi: 10.3788/IRLA20230094
Xie Da, Wang Chunyang, Yuan Kai, Wei Xuyang, Liu Xuelian. Long distance single photon precision time digital conversion circuit based on FPGA[J]. Infrared and Laser Engineering, 2023, 52(10): 20230094. doi: 10.3788/IRLA20230094
Citation: Xie Da, Wang Chunyang, Yuan Kai, Wei Xuyang, Liu Xuelian. Long distance single photon precision time digital conversion circuit based on FPGA[J]. Infrared and Laser Engineering, 2023, 52(10): 20230094. doi: 10.3788/IRLA20230094

基于FPGA的远距离单光子精细化时间数字转换电路

doi: 10.3788/IRLA20230094
基金项目: 国家重点研发计划项目(2022YFC3803702)
详细信息
    作者简介:

    谢达,男,博士生,主要从事单光子探测方面的研究

  • 中图分类号: TN743

Long distance single photon precision time digital conversion circuit based on FPGA

Funds: National Key Research and Development Program of China (2022YFC3803702)
  • 摘要: 针对星载GM-APD单光子测距系统难以兼顾宽量程高精度测量问题,文中设计了一种基于等效脉冲粗精两级的精细化时间数字转换电路(Time-to-Digital Converter, TDC)。该TDC首先基于分段式计数原理,设计了粗精两级的计数架构,保证了TDC宽量程测量;其次,针对精计数单元,采用时钟等相差相移π/N,生成等效高频脉冲时钟,将精计数单元的计时精度提升N倍;再次采用多计数器双沿间隔计数方法,将精计数单元计时精度进一步提升至2N倍;最后通过模拟仿真与实验验证对文中设计的TDC进行远距离单光子测距性能测试。仿真与实验结果表明:文中面向远距离单光子测距设计的精细化时间数字转换电路在参考时钟为50 MHz时,计时分辨率为416.67 ps,计时量程达1.31 ms。对室内10 m处目标进行100次测距重复实验,测距误差为5.62 cm,对室外参考距离为2 616.5 m处目标进行测距实验,测距的方差为0.001 7 m,由此可见,基于文中等效脉冲粗精两级精细化时间数字转换电路的单光子测距系统可以实现远距离目标的高精度、宽量程测量。
  • 图  1  GM-APD激光测距原理

    Figure  1.  Principle of GM-APD laser ranging

    图  2  测距系统的时序图

    Figure  2.  Timing diagram of the ranging system

    图  3  等效高频计数时钟产生原理

    Figure  3.  Generation principle of equivalent high frequency counting clock

    图  4  两级TDC时间量化原理

    Figure  4.  Principle of two-stage TDC time quantization

    图  5  粗精两级TDC时序

    Figure  5.  TDC timing of coarse and fine two stages

    图  6  等效高频计数时钟产生原理

    Figure  6.  Generation principle of equivalent high frequency counting clock

    图  7  TDC内部计数器单元结构

    Figure  7.  Internal counter unit structure of TDC

    图  8  激光测距系统的工作流程

    Figure  8.  Work flow of laser ranging system

    图  9  分频模块RTL结构图

    Figure  9.  RTL structure diagram of frequency division module

    图  10  精细化时间数字转换电路RTL结构图

    Figure  10.  RTL structure of fine time digital conversion circuit

    图  11  TDC计时结果

    Figure  11.  Timing results of TDC

    图  12  TDC计时结果

    Figure  12.  Timing results of TDC

    图  13  室内实验场景

    Figure  13.  Laboratory experiment scene

    图  14  (a) 1457 m居民楼; (b) 测距仪测距结果

    Figure  14.  (a) 1457 m residential building; (b) Ranging results of the rangefinder

    图  15  (a) 2616.5 m居民楼; (b)测距仪测距结果

    Figure  15.  (a) 2616.5 m residential building; (b) Ranging results of the rangefinder

    图  16  1457 m测距结果

    Figure  16.  Ranging results at 1457 m

    图  17  2616.5 m测距结果

    Figure  17.  Ranging results at 2616.5 m

    表  1  室内实验

    Table  1.   Laboratory experiment

    L/mL_Max/mL_Min/mMean/mRMSE/mError/cm
    66.09385.90635.95120.09384.88
    77.12506.93756.96940.07683.06
    88.15637.96887.98560.05561.44
    99.09388.81258.98120.09191.88
    1010.21889.750010.05620.09675.62
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    表  2  相对位置测距实验

    Table  2.   Relative position ranging experiment

    Relative position/mTruth/mMean/mRMSE/mError/cm
    6-711.01810.10841.81
    7-811.01630.09581.63
    8-910.99560.10170.44
    9-1011.00120.10680.12
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    表  3  室外实验

    Table  3.   Outdoor experiment

    Reference range/mL_Max/mL_Min/mMean/mVar/m
    14571457.06251456.87501457.02690.0048
    2616.52616.56252616.46872616.49300.0017
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-02-26
  • 修回日期:  2023-03-20
  • 刊出日期:  2023-10-24

基于FPGA的远距离单光子精细化时间数字转换电路

doi: 10.3788/IRLA20230094
    作者简介:

    谢达,男,博士生,主要从事单光子探测方面的研究

基金项目:  国家重点研发计划项目(2022YFC3803702)
  • 中图分类号: TN743

摘要: 针对星载GM-APD单光子测距系统难以兼顾宽量程高精度测量问题,文中设计了一种基于等效脉冲粗精两级的精细化时间数字转换电路(Time-to-Digital Converter, TDC)。该TDC首先基于分段式计数原理,设计了粗精两级的计数架构,保证了TDC宽量程测量;其次,针对精计数单元,采用时钟等相差相移π/N,生成等效高频脉冲时钟,将精计数单元的计时精度提升N倍;再次采用多计数器双沿间隔计数方法,将精计数单元计时精度进一步提升至2N倍;最后通过模拟仿真与实验验证对文中设计的TDC进行远距离单光子测距性能测试。仿真与实验结果表明:文中面向远距离单光子测距设计的精细化时间数字转换电路在参考时钟为50 MHz时,计时分辨率为416.67 ps,计时量程达1.31 ms。对室内10 m处目标进行100次测距重复实验,测距误差为5.62 cm,对室外参考距离为2 616.5 m处目标进行测距实验,测距的方差为0.001 7 m,由此可见,基于文中等效脉冲粗精两级精细化时间数字转换电路的单光子测距系统可以实现远距离目标的高精度、宽量程测量。

English Abstract

    • 单光子测距系统是利用GM-APD探测器光子级探测灵敏度,基于光子飞行时间测距原理,获取远场目标距离信息的系统[1-3]。该系统具有作用距离远、测距精度高的优势,在激光成像、目标检测等领域具有巨大应用潜力[4-6]。时间数字转换电路作为单光子测距系统的核心模块,其转换量程和精度直接决定了测距系统的工作量程和测距精度。而在星载探测领域,要求测距系统具有百公里以上的测距量程和厘米级的测距精度,此时传统的时间数字转换电路,受计数器位数的限制,为了保证测距精度,往往导致系统的测量范围受限,而如果增大系统的量程,则系统的测距精度又难以满足需求,为此文中设计了一款同时满足宽量程和高精度的时间数字转换电路,实现对光子飞行时间间隔的宽量程、高精度测量[7-12]。为星载激光探测领域单光子测距提供技术支撑。

      目前,针对单光子测距系统的TDC设计主要包括游标法、双边采样法、延时线内插和分段等方法,钟宇民等人采用800 M时钟双边沿采样TDC设计方案,其时间数字转换的时间分辨率仅为625 ps[13]。侯利冰等利用延时线内插在FPGA内部实现了高精度的时间间隔测量,在125 MHz时钟周期下,时间分辨率为27 ps,系统的测时精度为421 ps[14],该方法测量精度较高,可达皮秒级,但受计数器最大计数值限制,当计数器为16位时,其计时量程难以达到毫秒级,测距量程无法突破10 km。章琪文等设计了一款游标型TDC电路,在120 MHz主频时钟下采用粗精两级的计数方法,计时量程为500 ns,时间分辨率优于300 ps[15]。该方法TDC结构较为复杂,且计时量程较低。刘煦等人设计了一款三段式TDC时间数字转换电路,在250 MHz参考时钟下,采用8位计数器,计时量程为4 μs,时间分辨率仅为0.5 ns[16]。李恩丞提出了一种多相采样的高精度时间间隔测量方法,通过同频时钟相移生成等效高频时钟,在100 MHz参考时钟下,计时精度为0.416 ns[17]。王巍等提出了一种基于FPGA的时钟相移时间数字转换器,采用16路同频时钟相移,其时间分辨率为156.25 ps[18],该方法虽然采用时钟相移的方案提升了计时精度,但计时量程受限。德国ACAM公司基于粗精两级的计数架构设计了一款TDC-GP21时间数字转换芯片,该芯片量程为4 ms,时间分辨率为90 ps,具有较宽的量程和较高的计时精度,但其精计数模块采用延时线内插法实现时间的精密测量,虽然获得了较高的时间转换精度和较大的测距量程,但该芯片内部电路结构复杂,内插的超高频计数时钟会产生非线性输出,引起测距误差。

      目前,单光子测距系统的TDC设计方法多集中于提升TDC的计时精度,针对提升TDC宽量程的研究较少,而TDC的宽量程和高精度两个指标相互制约,为解决宽量程和高精度相互矛盾的问题,文中提出了一种远距离单光子测距的精细化时间数字转换电路设计方法,该方法首先基于分段式计数原理,设计了粗精两级的计数架构,保证了TDC宽量程测量;其次,针对精计数单元,采用时钟等相差相移π/N,生成等效高频脉冲时钟,将精计数单元的计时精度提升N倍;再次采用多计数器双沿间隔计数方法,将精计数单元计时精度进一步提升至2N倍,最后基于文中所提TDC设计方案,设计了基于FPGA的远距离单光子测距系统,对文中所提TDC性能进行验证。

    • GM-APD单光子测距原理如图1所示,上位机输入激光器出射激光和GM-APD探测参数,由FPGA输出两路Start信号分别触发脉冲激光器出光和TDC开始计数,出射激光经发射光学系统整形后照射至目标区域,在目标表面发生漫反射后经超窄带滤波片滤除杂光及背景光然后经接收光学系统汇集到GM-APD感光面上,GM-APD完成光电转换,并经过信号处理电路,产生Stop信号输入至TDC,TDC停止计数。至此完成光子飞行时间$ T $的测量[19]

      图  1  GM-APD激光测距原理

      Figure 1.  Principle of GM-APD laser ranging

      采用直接计数法进行GM-APD单光子测距的工作时序图如图2所示。GM-APD接收到使能信号EN,系统进入工作状态,当TDC接收到Start信号后,开始计时,计时频率为系统的参考时钟CLK,当TDC接收到Stop信号后停止计时。TDC的计时时间为$ {t_b} $,由公式(1)解算目标的距离$ L $,可表示为:

      图  2  测距系统的时序图

      Figure 2.  Timing diagram of the ranging system

      $$ L = c\cdot{t_b}/2 $$ (1)

      式中:c为光速。

      图2可知,待测的光子飞行时间$ T $与TDC测量的时间间隔$ {t_b} $存在一定误差,其关系可表示为:

      $$ T = {t_a} + {t_b} - {t_c} $$ (2)

      通过时钟内插不断提高系统时钟的帧频可以提高测距精度,但随着时钟频率的增高会引起非线性误差,且系统只有一个最小LSB,计数器位数的限制,采用此方法系统难以做到远距离宽量程探测。

    • GM-APD激光测距系统基于光子飞行时间TOF(Time-of-Flight)原理实现对目标的距离探测,时间数字转换器TDC作为测距系统的核心模块其计时量程和计时精度直接决定了GM-APD激光测距系统的性能。采用时钟等相差相移结构生成等效的高频脉冲取代脉冲计数法中的高频计数时钟,在提升TDC测量精度的同时,避免了延时线内插产生的非线性误差,其等效的高频计数时钟产生原理如图3所示。

      图  3  等效高频计数时钟产生原理

      Figure 3.  Generation principle of equivalent high frequency counting clock

      CLK为系统的参考时钟,Clock_1~Clock_N为CLK经过同频等相差相移后的低频时钟,使每个时钟分别连入N个计数器Counter,Clock_Eq为本系统等效的TDC高频计数时钟。当参考时钟CLK的初始频率为f时,经过相差相移后的时钟相位分别为$0,2\pi /N,4\pi /N,\cdots, 2(N-1)\pi /N$,每路Clock上升沿均会驱动相应的Counter计数,将计数器结果相加即等效为单计数器被倍频为N倍,此时的脉冲等效时钟频率为$ Nf $。采用等效脉冲计数法的最终等效计数频率Clock_Eq可以表示为:

      $$ {\rm{Clock}}\_{\rm{Eq}} = Nf $$ (3)

      因此采用时钟等相差相移的等效脉冲计数法可以替换直接计数法中的高频计数时钟,相较于延时线内插方法,结构更为简单。

    • 为实现GM-APD单光子测距系统的远距离宽量程高精度探测,基于2.1节等效脉冲TDC工作原理,文中提出了一种基于等效脉冲粗精两级的精细化TDC设计方案。首先将待测的时间间隔分为粗计数和精计数两部分,如图4所示。

      图  4  两级TDC时间量化原理

      Figure 4.  Principle of two-stage TDC time quantization

      其中Start为启动计数的触发信号,Stop为停止计数的触发信号,两个信号之间的时间段$ {T_{actual}} $即为待测的TOF时间。对于待测时间量$ {T_{actual}} $,首先通过时间间隔为$ {T_{LS B1}} $的周期性时钟对待测时间进行粗量化,即为粗计数,所得髙段位量化值$ {T_1} = m{T_{LS B1}} $,其中m为计数器粗测量的计数值,粗量化产生的量化误差为$ {T_{e1}} $。

      $$ {T_{e1}} = {T_{actual}} - m{T_{LS B1}} $$ (4)

      再将粗计数量化产生的量化误差$ {T_{e1}} $,采用等效脉冲的高频时钟周期进行精量化,即为精计数,量化值$ {T_2} = n{T_{LS B2}} $,其中n为精测量的计数值,精量化产生的误差为$ {T_{e2}} $。

      $$ {T_{e2}} = {T_{e1}} - n{T_{LS B2}} $$ (5)

      总的量化时间$ {T_{actual}} $的表达式如下:

      $$ {T_{actual}} = {T_1} + {T_2} + {T_{e2}} = m{T_{LS B1}} + n{T_{LS B2}} + {T_{e2}} $$ (6)

      两段式TDC总的量化误差为$ {T_{e2}} $,且$ {T_{e2}} $满足:

      $$ 0 \leqslant \left| {{T_{e2}}} \right| \leqslant {T_{LS B2}} $$ (7)

      量化时间$ T $主要由$ m{T_{LS B1}} $构成,即粗量化决定其量程。当TDC参考时钟为CL Hz时,其粗量化的最小LSB为1/CL,假定计数器的位数为M,则粗计数的量程为:

      $$ \Delta T = {2^M}\times\frac{1}{{\rm{{CL}}}} $$ (8)

      此时GM-APD单光子测距的距离量程为:

      $$ \Delta L = {2^M}\times\frac{1}{{{\rm{CL}}}}\times3 \times {10^8}\times\frac{1}{2} $$ (9)

      分段TDC的最终分辨率$ LS B $由$ LS {B_2} $决定,即$ LS B = LS {B_2} $。粗精两级的时间数字转换工作时序如图5所示。

      图  5  粗精两级TDC时序

      Figure 5.  TDC timing of coarse and fine two stages

      当激光器出射激光后同时发送Start信号至TDC,此时粗量化Coarse TDC开始计时,其测量精度为参考时钟信号周期,同时精量化Fine TDC模块也量化出Start信号与CLK信号的余量;当GM-APD接收到目标回波信号后,通过光电转换,将其转换为Stop信号输入至TDC当中,Coarse TDC停止计数,与此同时Fine TDC量化出Stop信号与CLK信号的余量,主机读取Coarse TDC和Fine TDC的数据,处理得到目标距离。

      为了进一步提升系统的计时精度,提高资源利用率,采用时钟双沿计数方法,即将各时钟分别连接两个计数器Counter,分别为上升沿触发和下降沿触发,当TDC的原始输入时钟频率为f时,经过相差相移后的时钟相位分别为$0,\pi /N, 2\pi /N, \cdot \cdot \cdot, (N-1)\pi /N$,时钟间的相位差为$ \pi /N $,此时,等效脉冲的高频时钟频率为:

      $$ {\rm{Clock}}\_{\rm{Eq}} = 2Nf $$ (10)

      其原理如图6所示。

      图  6  等效高频计数时钟产生原理

      Figure 6.  Generation principle of equivalent high frequency counting clock

      CLK为TDC的原始相位时钟,Clock_1~Clock_N为经过同频等相差相移后的计数时钟,从Clock_1~Clock_N每个时钟后分别连接两个Counter,Clock_Eq代表着该设计TDC的等效高频计数时钟,其结构如图7所示。

      图  7  TDC内部计数器单元结构

      Figure 7.  Internal counter unit structure of TDC

      因此使用时钟等相差相移取代直接计数法中的高频计数时钟、多计数器双沿间隔计数取代进位延时线复杂结构,不但减小TDC模块非线性误差,同时将TDC的精计时的时间分辨率提升了2N倍。

    • 文中采用的FPGA芯片型号xc7 z100 ffg900-2,其参考时钟为50 MHz,首先,文中将参考时钟作为该测距系统的粗计数时钟,此时粗计数(Coarse TDC)周期为20 ns(50 MHz);其次,并采用FPGA内部自带的MMCM模块配置IP,输出多路同频等相差相移时钟,该FPGA的MMCM模块最大输出时钟路数为7,最大工作频率为709.723 MHz。为提升测距系统的精度,采用倍频模块将系统的参考时钟倍频为200 M,通过配置MMCM模块,输出6路同频等相差相移$ \pi /6 $的时钟,即6路相移分别为0°、30°、60°、90°、125°、150°,周期为200 MHz的时钟。每路时钟分别与两个计数器相连接,分别为上升沿和下降沿触发,其等效时钟为2400 MHz,此时精计数(Fine_TDC)周期为416.67 ps (2400 MHz),系统的距离分辨率可表示为:

      $$ \Delta L = \frac{{416.67\; {\rm{ps}} \times 3 \times {{10}^8}\;{\rm{m}}/{\rm{s}}}}{2} = 0.062\;5\;{\rm{m}} $$ (11)

      每个计数器的存储为16 bit,TDC的最大量程为:

      $$ \Delta T = 20\;{\rm{ns}} \times {2^{16}} = 1.310\;72\;{\rm{ms}} $$ (12)

      此时,GM-APD单光子测距系统的最大探测距离为:

      $$ L = \frac{1}{2} \times 1.310\;72\;{\rm{ms}} \times 3 \times {10^8}\;{\rm{m}}/{\rm{s}} = 196.608\;{\rm{km}} $$ (13)

      GM-APD激光测距系统的工作时序由FPGA提供,系统的整体工作时序见图8,系统上电后首先完成系统的初始化,配置GM-APD、激光器以及TDC模块的参数,初始化完成后,FPGA分别发送两路Start信号分别触发激光器出射激光和TDC开始计数,激光在目标表面发生漫反射后经接收光学镜组汇集到GM-APD焦平面,通过读出电路生成Stop信号发送至TDC,TDC接收到停止信号,停止计时。TDC未接收到Stop信号其会持续计数直至计数器计满,并将计时数据进行输出,同时系统复位准备下一次探测。

      图  8  激光测距系统的工作流程

      Figure 8.  Work flow of laser ranging system

    • 文中基于Vivado软件仿真验证基于等效脉冲粗精两级时间数字转换电路性能。设置TDC电路参考时钟为50 MHz,此时粗计数(Coarse TDC)周期为20 ns,将系统50 MHz参考时钟倍频为200 MHz输入至分频模块,分频模块分别输出0°、30°、60°、90°、120°、150°相位延时周期为200 MHz的时钟。其RTL结构图如图9所示。

      图  9  分频模块RTL结构图

      Figure 9.  RTL structure diagram of frequency division module

      每一路时钟信号分别连接两个计数器,分别为上升沿触发和下降沿触发,最后将所有计数器结果进行累加输出,即为精计数值。结合粗计数结果,即可实现高精度计时。基于等效脉冲粗精两级精细化时间数字转换电路RTL结构图如图10所示。

      图  10  精细化时间数字转换电路RTL结构图

      Figure 10.  RTL structure of fine time digital conversion circuit

      设置起始信号Start到达时间为19980 ns,停止信号Stop到达时间为20474 ns。其中精计数(Fine)周期为416.67 ps,对单通道计数单元计时结果进行仿真,如图11所示。

      图  11  TDC计时结果

      Figure 11.  Timing results of TDC

      由此可见,Start信号触发TDC开始计时,时刻t1为19 980 ns,Stop信号触发TDC结束计时,时刻t2为20 474 ns,粗计数值N为25,n1与n2为精计数值分别为98、156,结合计时分辨率,可得到光子飞行时间为:

      $$ t = (n1 - n2)\times 0.416\;7 + N \times 20 = 494.166\;2\;{\rm{ns}} $$ (14)

      仿真输入Start信号与Stop信号上升沿之间的时间间隔为494 ns,TDC的最小有效单元LSB为1 s/(200 12)=0.4167 ns,因此计数结果为494.1662 ns,总误差为0.1662 ns,此时的TDC模块的测量结果与设计相符。

    • 为验证文中设计的基于等效脉冲粗精两级时间数字转换(TDC)电路量程,采用16 bit计数器,设置Start信号到达时间为10010 ns,Stop信号到达时间为1400000 ns,基于Vivado软件进行仿真,计时结果如图12所示。

      可见计数器的最大计数值为65535,计时时间为1320730 ns,则TDC的计时量程为:

      $$ M = 1\;320\;730 - 10\;010 = 1\;310\;720\;{\rm{ns}} $$ (15)

      与理论值相符,此时测距系统的最大测距量程可表示为:

      $$ \begin{split} \\ L = \frac{{1\;310\;720\;{\rm{ns}} \times 3 \times {{10}^8}\;{\rm{m}}/{\rm{s}}}}{2} = 1\;966\;08\;{\rm{m}} \end{split} $$ (16)

      图  12  TDC计时结果

      Figure 12.  Timing results of TDC

    • 为进一步验证文中设计的基于等效脉冲两级时间数字转换的GM-APD激光测距系统性能,分别进行室内、室外测距实验,由于GM-APD为概率统计型器件,需要多帧统计获得目标的距离值,文中采用100帧探测数据进行关联,通过直方统计法获得一次探测的距离值[20]

    • 为验证基于文中所提TDC的单光子测距系统的距离测量精度,将目标分别置于6、7、8、9、10 m位置,目标场景如图13所示。

      图  13  室内实验场景

      Figure 13.  Laboratory experiment scene

      采用文中设计的测距系统进行测距实验,针对每一个距离值,分别进行100次探测,取均值作为该位置的探测距离,测距结果如表1所示。

      表 1  室内实验

      Table 1.  Laboratory experiment

      L/mL_Max/mL_Min/mMean/mRMSE/mError/cm
      66.09385.90635.95120.09384.88
      77.12506.93756.96940.07683.06
      88.15637.96887.98560.05561.44
      99.09388.81258.98120.09191.88
      1010.21889.750010.05620.09675.62

      可见室内实验最大均方根误差为0.0938 m,表明测距系统测距结果较为稳定;最大测距误差为5.62 cm,该误差主要来源于激光器出光抖动、激光器脉宽和GM-APD的统计特性,实测的平均测距误差均小于测距系统的距离分辨率6.25 cm,与设计结果相符,说明基于文中设计TDC的单光子测距系统可以较为准确的测得目标的距离信息。

      为进一步分析文中所提两级时间数字转换电路的稳定性,分别对6、7、8、9、10 m处目标的100次相对位置测距进行分析,如表2所示。

      表 2  相对位置测距实验

      Table 2.  Relative position ranging experiment

      Relative position/mTruth/mMean/mRMSE/mError/cm
      6-711.01810.10841.81
      7-811.01630.09581.63
      8-910.99560.10170.44
      9-1011.00120.10680.12

      对目标相对位置进行测量时,其最大的测距误差为1.81 cm,小于对各个位置距离测量的绝对误差,其主要原因为对各个位置测量时,测距系统的各个模块对测距结果均有影响,而相对位置测量的误差主要来源于文中设计的时间数字转换电路。该误差小于时间分辨率6.25 cm,证明文中设计的TDC具有较强的稳定性。

    • 为验证文中设计时间数字转换电路在远距离测距的性能,对两处居民楼进行测距实验。首先采用Onick 10000 CI测距仪对两处居民楼距离进行初步测量,作为文中设计的单光子测距系统实测距离值的参考。两处居民楼的距离值约为1457 m和2616.5 m,实验场景如图14~15所示。

      图  14  (a) 1457 m居民楼; (b) 测距仪测距结果

      Figure 14.  (a) 1457 m residential building; (b) Ranging results of the rangefinder

      图  15  (a) 2616.5 m居民楼; (b)测距仪测距结果

      Figure 15.  (a) 2616.5 m residential building; (b) Ranging results of the rangefinder

      采用文中设计的测距系统分别对两处居民楼进行行距离探测,重复实验100次,获得测距结果图16~17所示。对探测的数据进行分析,如表3所示。

      实验表明:文中搭建的单光子测距系统对两处居民楼的测距结果分别为1457.0269 m和2616.4930 m,与参考距离较为接近;且测距系统的方差分别为0.0048 m和0.0017 m,表明测距系统获得的距离值波动较小。综上,文中基于等效脉冲粗精两级精细化时间数字转换电路的单光子测距系统具备远距离探测能力,若进一步增加激光器的出射能量,测距系统可以完成最大196.608 km目标的距离探测。

      图  16  1457 m测距结果

      Figure 16.  Ranging results at 1457 m

      图  17  2616.5 m测距结果

      Figure 17.  Ranging results at 2616.5 m

      表 3  室外实验

      Table 3.  Outdoor experiment

      Reference range/mL_Max/mL_Min/mMean/mVar/m
      14571457.06251456.87501457.02690.0048
      2616.52616.56252616.46872616.49300.0017
    • 为实现GM-APD激光测距系统的高精度、宽量程探测,文中设计了一种远距离单光子测距的精细化时间数字转换电路,并在FPGA上实现了一个高精度、高稳定性、易扩展的TDC模块。该方法采用粗精两级计数、同频相移等相位差时钟信号、双边沿精密时间计数的TDC设计方法,实现对光子飞行时间的宽量程、高精度测量。实验结果表明:采用粗精两级计数体制后,可有效地降低TDC计时精度对其量程的限制,解决了宽量程与高精度矛盾的问题;经等相差相移结构生成等效高频脉冲时钟可以有效地取代FPGA系统内部的高频时钟,当参考时钟为50 MHz,精计数采用6路时钟等相差相移$ \pi /6 $时,TDC的计时分辨率为416.67 ps,计时量程达1.31 ms,即距离分辨率为6.25 cm,测距量程为196.608 km。对室内10 m处目标进行100次测距重复实验,测距误差为5.62 m,对室外参考距离为2616.5 m处目标进行测距实验,测距的方差为0.0017 m,表明基于文中等效脉冲粗精两级精细化时间数字转换电路的单光子测距系统具备远距离探测能力,可以实现远距离目标的高精度、宽量程测量。

      此外,文中所提精细化时间数字转换电路结构相对简单灵活,采用的计数器位数为16位,同频等相差相移的时钟个数为6,通过提升计数器位数和相移的时钟个数可进一步提升TDC转换量程和计时精度,因此,在其他高精度时间间隔测量领域均具有广泛的应用前景。

参考文献 (20)

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