窄脈沖激光引信高速二值數字采集系統設計*

馬 珩，涂建平，梁 謙

(中國空空導彈研究院，河南洛陽 471009)

0 引言

激光引信具有抗電磁干擾能力強、成本低和啟動精度高等優點，但也存在著受自然環境如云霧、沙塵等影響較大的缺點[1]。

DPSSL(半導體泵浦固體激光器)具有峰值功率高、發射脈沖窄、體積小、重量輕[2]等優點，能夠有效提高激光引信的探測信噪比和測距精度，從而提高激光引信的抗干擾能力。DPSSL激光引信發射脈寬很窄，一般小于3ns，相應的回波脈沖也很窄，如何對其進行信號處理是一個難點。文獻[3－4]都提出了一種針對脈沖激光引信的高精度定距方法，達到了800MHz的工作頻率。但對于窄脈沖激光引信來說，僅實現高速定距是不夠的，因為無法提取出回波信號中所包含的其他信息。為滿足窄脈沖激光引信的需要，文中設計了一種基于FPGA倍頻移相技術的高速二值數字采集系統，不僅可實現高精度定距，而且可以獲得回波波形、脈寬等信息。

1 高速二值數字采集系統設計

1.1 窄脈沖激光引信工作原理

圖1為窄脈沖激光引信系統的原理框圖。系統主要分為激光器、探測器及相應的光學系統和電路組成的探測前端、信號預處理單元及目標識別單元三個部分。

系統的工作流程為：信號預處理單元產生發射基準脈沖，控制激光器的驅動電路驅動激光器發光，發光的同時產生同步脈沖信號，激光經發射光學系統整形后向空間輻射。接收光學系統接收回波信號，經光電轉換和前放放大后進入比較器與門限進行比較，然后送入信號預處理單元。信號預處理器通過高速采集得到二值化的回波數據序列，然后將數據送入目標識別單元，目標識別單元根據這些信息綜合判斷是否目標。

文中所設計的高速二值數字采集系統屬于信號預處理單元，完成對回波脈沖二值采樣的工作。

圖1 窄脈沖激光引信原理框圖

1.2 高速二值數字采集系統模塊組成及工作原理

如圖2所示，數字采集系統主要由時鐘模塊、數據采集模塊和數據重組模塊組成。時鐘模塊產生并分配其他模塊所需的各種時鐘信號。系統的片外時鐘為40MHz，而數據采集需達到1GHz以上的采樣率，因此采用了FPGA倍頻移相的方法。文中選用Xilinx公司Virtex-5系列芯片，利用其內部的PLL_ADV模塊產生系統所需的全部時鐘。其中采樣時鐘產生過程如下：首先對40MHz的片外輸入時鐘信號進行倍頻、分頻等處理，得到450MHz的時鐘。然后再對其分別進行0°、90°、180°、270°移相，得到 4 路相位相差90°的時鐘信號。采樣開始后，數據采集模塊利用這4路時鐘對回波信號進行采樣，將采樣數據存入4路32位移位寄存器，這樣的采樣過程，得到的數據量是使用單一時鐘采樣的4倍，等效于使用一個頻率為原始時鐘4倍的時鐘對數據進行采樣，從而實現1.8GHz的等效采樣頻率，移相倍頻原理如圖3所示。采樣完成后，數據重組模塊將4路移位寄存器中的采樣數據取出還原成完整的采樣數據，存入一路128位的移位寄存器中，完成當前探測周期的數據采集工作。

圖2 采集系統模塊示意圖

圖3 移相法實現等效高頻率原理示意圖

1.3 時鐘模塊

如圖4所示，四象限發射系統以40kHz的發射頻率輪流發光，發射脈沖寬度為3ns左右。發光之后，接收系統開始接收回波信號，與此同時，時鐘模塊產生的4路450MHz時鐘信號開始分別對信號進行采樣，采樣時間為128ns，可以采集到10.7m內的回波數據。

圖4 采集系統工作時序圖

為產生采樣時鐘，可以使用ISE的IP核生成器生成一個PLL_ADV模塊，并設置合適的倍頻、分頻因子，產生出所需的4路450MHz時鐘。

1.4 數據采集模塊實現電路

數據采集模塊中采用8路32位移位寄存器存放采樣數據。采樣開始后，在4路采樣時鐘的上升沿對回波信號進行采樣，將采樣數據存入4路移位寄存器中。與此同時，為了在采樣完成后還原出完整的回波信號，以及測定回波距離，需要對發射系統返回的同步信號也進行采樣，將其采樣數據同樣存入4路移位寄存器中。同一采樣時鐘驅動的回波寄存器和同步寄存器分為一組，當采樣數據充滿該組移位寄存器時，移位寄存器停止移位。當4組移位寄存器全部停止移位后，數據采集過程結束。

由于這8路移位寄存器是由450MHz時鐘驅動，對其時序性能要求較高，因此采用Virtex-5系列芯片中特有的SRLC32E原語來實現。SRLC32E是由芯片內部的LUT級聯而成的，不占用觸發器資源，并且性能很高。每個SRLC32E原語可實現一個32位的移位寄存器，正好可以滿足設計需要，共需要8個SRLC32E來組成數據采集模塊。圖5為數據采集模塊示意圖。

圖5 數據采集模塊示意圖

1.5 數據重組模塊實現電路

采樣完成后，4路時鐘的采樣數據分別存入了各自對應的回波寄存器中，需要將這些數據還原成一路完整采樣數據。需要注意的一點是，在采樣時，哪一個時鐘最先采集到有效數據完全是隨機的。因此，要還原數據，必須確定各個時鐘的采樣順序。由于數據采集過程是高速進行的，如何設計一種既能夠滿足時序要求，又能正確判斷出時鐘采樣順序的方法是設計中的一大難點。為此，設置了4個標識位，每路時鐘對應一個標識位，設 0°、90°、180°、270°時鐘對應的標識位分別為flag1、flag2、flag3、flag4。在采集數據的同時，將4路同步寄存器的最高位分別輸出到對應的標識位中，并且flag1的輸出作為它自身和flag3的使能端，flag2的輸出作為它自身和flag4的使能端(低電平有效)。采用這種交叉控制的方式，放寬了對標識位的時序要求，從而確保了標識位可以正確反映出真實的采樣順序。數據采集結束后，根據flag3和flag4的狀態就可以判斷出4路時鐘的采樣順序。如表1所示。

表1 根據標識位判斷時鐘采樣順序

表中的1－2－3－4表示時鐘采樣順序為0°、90°、180°、270°，依此類推。時鐘采樣順序確定后，從第一個采樣時鐘對應的回波寄存器開始，依次取出4路回波寄存器中的數據存入1路128位的移位寄存器中，即可還原出完整的采樣數據。圖6是數據重組模塊示意圖。

圖6 數據重組模塊結構圖

2 仿真驗證

為驗證系統的正確性，用Modelsim進行了時序仿真。如圖7所示，第1行PAD_SYN_IN為同步信號，第2行PAD_ECHO_IN為回波信號，第5行echo_sampled為重組后的采樣數據。在鼠標所指時間點完成了數據重組，圖中下方顯示的一串0、1序列即為最終得到的采樣數據，0代表低電平，1代表高電平。可以看出序列代表的波形與回波信號是一致的。

為了進一步驗證采樣效果，任意編輯一些回波波形，每段波形中的脈沖寬度都是納秒量級。時序仿真后，將得到的采樣數據與原波形進行對比，其中兩段波形(a)和(b)與它們各自的采樣數據對比結果如圖8所示。

從圖上可以看出，兩段波形的采樣數據都與輸入波形一致，說明設計是正確的。由于等效采樣頻率為1.8GHz，所以每位采樣數據代表 0.56ns。如波形(a)中第一個脈沖對應13位“1”，則說明該脈沖寬度約為7ns。此外，這種采樣方法保證了回波采樣數據與同步采樣數據的首位對齊，只需查找回波采樣數據的第一個“1”在第幾位，就可計算出回波時間。根據測距公式：

可得到回波距離，式中c為光速，t為光在空中的傳播時間。由于采樣精度為0.56ns，所以定距精度約為0.08m，可以獲得較精確的目標距離信息。因此，這種二值化采樣數據可以反映出回波信號的回波距離、脈寬、波形等許多特征信息。

圖7 數據采集仿真結果

圖8 輸入波形與采樣數據對比

3 實驗驗證

為了進一步對系統進行驗證，進行了數據采集實驗。為方便觀察采樣數據，采用了自制的顯示電路板作為顯示輸出設備。顯示電路板由移位寄存器、鎖存器和LED燈組成。LED燈共有128個，每個燈對應一位采樣數據。每個周期的數據采樣重組結束后，FPGA將128位的采樣數據串行輸出到顯示電路板的移位寄存器，并給出鎖存信號，這樣LED就顯示出本周期的采樣數據。

實驗時，FPGA輸出觸發脈沖給信號發生器，信號發生器輸出模擬的同步信號和回波信號，經FPGA采樣后輸出采樣數據到顯示板，觀察采樣數據與信號發生器上設置的回波信號是否一致。

經過實驗，系統能夠以1.8GHz的等效采樣率正常工作，得到正確的采樣結果。

4 結論

文中設計了一種高速二值數字采集的方法，并在Xilinx公司Virtex-5系列的XC5VLX20T芯片上采用此方法實現了一個高速二值采集系統，通過仿真和實驗，驗證了該系統可以正常工作，實現高速采集功能。等效采樣頻率達到1.8GHz，可對窄脈沖激光引信的回波數據進行高速采樣，并可據此進行精確定距，定距精度為0.08m。與傳統的激光引信的信號處理方法相比，該系統可采集到真實反映回波信號波形特征的數據，為后續的目標識別單元提供足夠的信息，如距離信息、寬度信息、甚至是單次探測出現的回波脈沖分裂信息，有助于提高激光引信的目標識別能力。

[1]袁正，孫志杰.空空導彈引戰系統設計[M].北京：國防工業出版社，2007.

[2]張翼飛，鄧方林，陳衛標.適用于彈道導彈激光引信的DPSSL研究[J].激光與紅外，2004，34(3)：165－168.

[3]桑會平，鄧甲昊，胡秀娟.基于現場可編程門陣列的脈沖激光引信高精度實時定距技術研究[J].探測與控制學報，2006，28(4)：19－22.

[4]陳慧敏，郭渭榮，劉鵬，等.提高脈沖激光引信定距精度的仿真研究[J].光學技術，2008，34(5)：721－723.