亞皮秒級激光回波半實物仿真系統關鍵技術研究

朱 敏 ，吳 楠 ，楊春玲 ，陳海燕 ，李 睿

（1.哈爾濱工業大學 電氣工程及自動化學院，黑龍江 哈爾濱 150001；2.中國空空導彈研究院，河南 洛陽 471009）

0 引言

近年來，激光雷達由于在分辨率、抗干擾能力、隱蔽性及遠距離探測能力等方面的優良性能，逐漸在各國軍事界引起關注[1]，應用范圍也得到了很大的擴展[2-5]。

在激光雷達成像制導的過程中，半實物仿真技術是快速獲取高精度目標表面數據的重要途徑。半實物仿真是指將真實物體通過激光雷達生成的真實圖像與誘餌彈等模擬物體通過仿真系統生成的模擬圖像經過分光鏡形成一個完整的激光圖像，為后續的制導過程提供基礎。半實物仿真的方式可以降低人力物力的消耗，提高效率，加快成像制導系統的開發進程，做到快速完整地測試其性能。而生成模擬圖像的部分即為本文重點研究的激光回波仿真系統。

美國AMCOM 和AMRDEC 是最早對激光回波仿真系統開發與設計相關技術進行研究的機構[6-8]。2002 年，CORNELL M C 等人在AMCOM 的幫助下，搭建了用于測試直接探測型雷達的回波模擬系統[9]。該系統可以模擬復雜目標及背景，且陣列中的每一路回波都具有較為真實的光學模型及參數，并以亞納秒的精度傳輸。2004年，AMRDEC 完善了以上系統結構，開發出了激光回波仿真系統的模擬硬件裝置[10]，實現了對由回波構成的三維圖像成像精度達到0.075 m 的模擬，其最大測試距離遠超5 000 m。北京理工大學的徐銳等人在2016 年參照國外相關系統，搭建了一套激光回波仿真系統[11-12]，該系統成像分辨率達到1.04 m，即時間精度為6.94 ns，成像幀頻為300 Hz，成像陣列規模小，傳輸速率及精度低。本文針對現有方案存在的不足，設計了一種能提高系統傳輸速率和精度的方法。

1 回波仿真系統原理及總體設計方案

相對于傳統的激光制導系統，激光回波仿真系統省去了激光發射部分，其結構如圖1 所示。

圖1 激光回波仿真系統原理框圖

通過在上位機對目標三維物體的建模分析，獲得包含物體表面形狀信息的目標數據，由表面相對距離與光速相除得到不同的延時，生成驅動信號進而直接驅動激光陣列，產生模擬實際激光雷達的回波組脈沖[13]，脈沖信號耦到激光二極管的面陣上，點亮的激光陣列相當于一個包含距離信息的三維動態圖像。圖像經導引頭內的探測器接收后進行放大，由執行機構進行后續制導操作。

采集物體表面形狀信息建立數據庫還可以解決一些物體實測難度大的問題，有較高的實用價值。

生成模擬回波組的幀頻和精度是衡量回波仿真系統性能的關鍵。模擬回波組要在單位時間內模擬較多不同的目標情況以滿足仿真系統實時性要求。同時，由于目標形狀與回波返回探測器的時間差成正比，為了清晰獲取模擬目標的形狀，就需要提高時間差的精度。

本文采用自主設計的傳輸板卡與光纖通信協議棧配合PCI 總線實現生成回波的高頻，采用鎖相環構建時鐘相位延遲線實現生成回波的高精度[14-15]。系統總體方案設計架構如圖2 所示。

圖2 系統總體方案設計框圖

系統以FPGA 為核心，主要包含上位機、數據接收卡、驅動控制卡以及激光陣列四部分。其工作流程如下：

（1）上位機針對所需要模擬的實際物體或典型圖形進行三維建模，生成目標物體表面相關數據，包括二維通斷信息及三維延時信息。

（2）數據通過總線傳遞至數據接收卡，在此完成對這些數據的編碼、分組、存儲等操作，然后按照一定順序，將處理后的數據通過光纖傳遞給驅動控制卡。

（3）驅動控制卡上的FPGA 依照數據生成相應的驅動信號，通過I/O 接口輸出至激光陣列。可以擴展數據發送卡的光纖接口數量，使用多塊驅動控制卡來擴大陣列驅動規模。

（4）激光陣列由驅動信號驅動控制，生成反映三維信息的圖像。其中驅動控制方式根據陣列規模，可以采用掃描式、拍照式或部分掃描式，本文不做重點描述。

2 回波仿真系統數據傳輸協議優化

本文方法在現有的OSI 模型和FCP 協議棧結構基礎上進行了優化，去掉了與其他網絡協議及應用的接口，舍去了與數字通信需求不相符合，且較為繁瑣的公共服務與映射協議兩層，降低了傳輸延時，更適用于大量數據高速傳輸情況。簡化后的光纖通信協議架構圖如圖3所示，本文采用的光纖傳輸系統結構如圖4 所示。

圖3 光纖通信協議棧結構

圖4 光纖系統結構框圖

首先定義物理層相關內容。定義傳輸的物理媒介及物理接口等。方法采用單模光纖配合單模SC 插頭的方式。數據從發送端FPGA 發出后，進入發送處理模塊。控制層定義了在進行光纖通道線纜傳輸之前對數據的編碼方式。方法采用8B/10B 編碼，保證數據流能夠產生足夠多的跳變，從而保證接收方時鐘的同步，時鐘恢復較容易，同時傳輸效率高，誤碼糾錯能力強。之后將數據由低速并行數據轉換為高速串行數據。為了進一步解決時鐘信號與數據信號的同步問題，采用自同步模型進行時鐘處理。將時鐘信息嵌入到待發送的數據中，在接收端對接收數據流進行時鐘解算以恢復時鐘信息。避免了信號間的延遲、偏斜問題，同時有利于實現高速串行數據傳輸。將數據由低速并行數據轉換為高速串行數據。為了進一步解決時鐘信號與數據信號的同步問題，采用自同步模型進行時鐘處理。將時鐘信息嵌入到待發送的數據中，在接收端對接收數據流進行時鐘解算以恢復時鐘信息。這樣避免了信號間的延遲、偏斜問題，同時有利于實現高速串行數據傳輸。

協議層定義了數據傳輸機制，執行基本的信令和幀相關功能，在發送部分需要進行幀構建及幀發送。采用包含CRC 校驗位的通用FC-2 幀格式進行數據傳輸。同時進行流控制保證發送方發送數據速度可以被接收方接受。采用基于credit 的流量控制法，避免由于接收緩沖區溢出導致的幀丟失現象。接收端不發生數據溢出的最大緩存容量可表示為：

RTT 為發送接收端間的鏈路往返時延，Rpk 為鏈路帶寬峰值。取信號時延5 μs/km，L 表示鏈路長度，FS 表示FC 幀大小并考慮到8B/10B 編碼方式的影響，接收方為發送方分配的最大緩沖區數量為：

之后經過光發送機進行電光轉換，采用光耦合技術將光信號盡可能注入光纖通道傳輸至光接收機，進行光電轉換后恢復出原始電信號向后傳輸。光發送機和光接收機作為一對光調制解調器，將帶有信息的信號在電信號和光信號間相互轉換。在接收部分對經過光纖傳輸產生一定衰減和畸變的微弱光信號進行放大和整形，從而保證了數據傳輸的質量。

在接收處理模塊先通過時鐘數據恢復技術為接收數據提供穩定的同步于串行數據流的高速時鐘信號，與發送端自同步功能相對應，可以抑制時鐘抖動。然后進行數據接收及CRC 校驗等處理，最后經過串并轉換后傳遞至接收端FPGA 進行后續操作。

其中串并轉換芯片選擇TLK2501，光電轉換模塊采用AFBR5921 光纖收發器。串并轉換模塊串行傳輸速率在1.5 Gb/s 到2.5 Gb/s 之間，光電轉換模塊傳輸速率在1.062 5 Gb/s 到2.125 Gb/s 之間，可以配合使用。由于TLK2501 與AFBR5921 的接口電路電平形式不同，采用交流耦合的方式進行連接。設計硬件電路完成對目標數據的高速傳輸。

3 基于FPGA 的回波仿真系統延時電路的設計與實現

激光回波仿真系統的實時性要求其生成的回波有較高的更新頻率，也就是要保證數據在上位機和驅動控制卡間有較高的傳輸速度。國內外回波仿真系統中常采用反射內存卡作為光纖傳輸的接口，但反射內存卡與沒有PCI 接口的激光陣列無法直接相連，需要加入中間環節，增加了傳輸延時，實時性不高，傳輸協議不透明，可擴展性差。本方案自行設計了數據接收卡與驅動控制卡分別代替發射及接收端的反射內存卡，擺脫了系統對反射內存卡的依賴，提高了系統的傳輸速率和可移植性。

3.1 模塊IP 總體架構設計

仿真系統中的信號生成模塊是本次的設計重點。將各路距離差值通過延時附加在該路激光二極管驅動脈沖上，即可使點亮的激光陣列包含目標的三維信息。采用時間內插法構建延遲線，常見的方法如表1 所示。

表1 延遲線構建方法優缺點

采用時鐘相位延遲線方法，通過調用FPGA 內部鎖相環動態配置端口，產生對應于每一路數據的同頻異相時鐘，實現延時的高精度。同時，采用計數器方法實現延時的大動態可調節范圍，最終設計的高精度大范圍回波生成IP 核如圖5 所示。

圖5 高精度大范圍回波生成IP 核結構框圖

3.2 鎖相環精度延時模塊設計

鎖相環用于實現目標信號的高精度延時，通過對系統時鐘的移相及采樣，生成延時值等于同頻異相時鐘與系統時鐘相位差的目標延時信號。

鎖相環是一個通過負反饋跟蹤頻率值并鎖定相位差值，最終生成同頻異相時鐘的閉環控制系統，由鑒相器、環路濾波器和壓控振蕩器三部分組成。其相位數學模型如圖6 所示。

圖6 鎖相環相位模型

設輸入信號為ui（t）=Uimsin（ωit+φi（t）），輸出信號uo（t）=Uomcos（ωot+φo（t））。由于負反饋回路對相位差的鎖定作用，鎖定后瞬時相位差為：

鑒相器（PD）用于從參考信號和反饋信號中產生相位誤差信號，其組成分為乘法器和低通濾波器兩部分，其中乘法器實現參考輸入信號與反饋輸出信號相乘的功能，乘法器輸出的電壓信號為：

鑒相器的低通濾波器部分用于消除高頻的和頻分量，只保留差頻分量通過，此時輸出的電壓信號為：

環路濾波器（LF）主要用于建立環路的動態特性，調節鎖相環的外在表現，同時濾除鑒相器輸出電壓中的高頻噪聲。在時域角度對濾波過程進行分析，以時域傳遞函數F（p）將輸入變量與輸出變量的相位相關聯，此時有：

本世紀初當以西北和海上為主體的產區戰略接替已打開局面、東部老區已開始顯示出壯年階段后期的許多特征時，一批長期從事勘探的老專家便以多種形式（包括集體向最高領導層上書）提出開展新一輪戰略性開拓的問題。鑒于中國石油工業的主體已組成上市公司，建議這項工作宜由國家主持（包括出資）動員全國產學研力量進行。中央適時地決定，由當時的國土資源部新組油氣資源發展戰略研究中心（后來由自然資源部地質調查局接手）來承擔此項工作并取得初步進展。

壓控振蕩器（VCO）對于輸出相位與輸入控制電壓相當于理想積分器，其振蕩頻率為：

壓控振蕩器輸出信號通過信號負反饋回路反饋到鑒相器，鑒相器影響uc（t）的相位而不影響頻率。對式（7）兩端取積分，有：

采用微分算子表示輸出相位，則有：

由相位數學模型分析鎖相環路頻率及相位關系，得到動態方程：

其中環路增益K=K0Ud，由式（10）得出環路瞬時頻差等于固有頻差與控制頻差的差值。當環路狀態達到鎖定時，固有頻差即為控制頻差，可表示為：

由此推出穩態相差表達式：

移相過程是改變穩態相差的過程，由表達式可知，此過程可以通過聯合控制固有頻差Δωo和環路增益K來實現。

本系統設計過程中FPGA 主控芯片采用Altera 公司生產的Cyclone IV 系列EP4CE6F17C8 芯片，芯片內置鎖相環的調相過程利用生產商提供的動態配置端口實現。通過配置端口參數對輸出時鐘相位按要求進行實時更新。系統調相過程中需要配置兩個鎖相環，其中pll1輸入時鐘為開發板配置的50 MHz 外部晶振時鐘，經過鎖相環的四倍頻輸出一個200 MHz 時鐘，作為同步時鐘應用于延時生成系統；同時輸出一個50 MHz 時鐘用于pll0 的重配置。pll0 通過配置輸入端口參數完成對輸入時鐘的移相過程。兩個鎖相環端口的動態配置圖如圖7所示。

圖7 鎖相環動態配置端口圖

相位動態調整精度為壓控振蕩器周期的1/8，如式（13）所示。

查找數據手冊得到本系統所用FPGA 的壓控振蕩器頻率范圍為600～1 300 MHz，對應相位調整精度范圍為96～208 ps。在綜合考慮了系統的穩定性和精度之后，將相位調整的最小步長設置為125 ps。

之后根據鎖相環動態調整的步驟，編寫狀態機，控制生成的鎖相環，并得到目標的同頻異相時鐘。該狀態機的狀態轉移圖如圖8 所示。

圖8 鎖相環重配置狀態轉移圖

在Modelsim 中對該模塊進行仿真，將移相次數設置為15，移相得到的同頻異相時鐘與參考時鐘間的相位差為1.875 ns，該值是移相次數與最小步長的乘積，該模塊功能實現。

4 測試結果及分析

為驗證設計的正確性，搭建測試平臺，對各模塊進行驗證。

首先運用Labwindows 完成上位機部分對圖像的處理、顯示及數據的轉化。離散化圖像每一點的像素深度信息與64×64 規模激光陣列的驅動數據一一對應。上位機界面及輸出后的數據結果如圖9、圖10 所示。

圖9 圖像生成及顯示界面

圖10 像素深度信息輸出結果

搭建板卡硬件電路對數據傳輸模塊進行實測。對光纖進行環路測試、板卡間數據傳輸以及誤碼率測試。搭建系統實物測試電路如圖11 所示。

圖11 光纖傳輸系統實物測試圖

通過上位機軟件向FPGA 發送連續數的方式，檢驗數據的一致性及傳輸速度，測試結果如圖12 所示。

圖12 光纖傳輸系統測試結果

由圖可見數據在收發端保持一致，且經過長時間測試，沒有出現誤碼情況，傳輸準確性較高，模塊功能可以正常實現。且由于系統的時鐘為100 MHz，數據為16 位二進制數，因此其傳輸速度約為1.6 Gb/s。

由于每個激光二極管需要兩個字節的范圍延時數據和一個字節的精度延時數據進行驅動，激光陣列中4 096 個像素點共需要的數據量為1.2×104個字節，要達到1 kHz 的刷新頻率，每秒要傳輸的數字量為1.2×107字節，傳輸速率最小約100 Mb/s。考慮到數據的存儲處理等時間，傳輸速率要提升幾倍。本文方法傳輸速度可以保證1 kHz 刷新頻率。

最后對高精度延時生成系統進行測試，方式為在Modelsim 中進行門級仿真。以范圍延時10 個時鐘周期，精度延時6 個基本單元為例，此時測得的實際目標延時值為60.804 ns，得到仿真結果如圖13 所示。

圖13 三維圖像生成模塊門級仿真結果1

再將精度延時值改為7 個單元進行仿真，仿真結構如圖14 所示。可以看出，兩者之間的延時差為125 ps，與鎖相環中設定的最小延遲步長相同，分辨率達到預定要求。

圖14 三維圖像生成模塊門級仿真結果2

記錄多次改變精度延時值時仿真得到的實際延時值，將數據匯成表格，結果如表2 所示。

由表2 中的數據可以看出，對于不同的目標延時值，實際生成的延時值總存在一定的誤差，這是由于范圍延時模塊的采樣問題、芯片內部的走線延時等多種因素造成。但此誤差并不會隨著延時值的不同而發生變化，而是始終固定在10.054 ns，因此可以通過前端或后端的誤差補償來消除這一誤差，使系統的精度達到分辨率的要求。

表2 時序仿真延時量實測數據（ns）

5 結論

本文在現有的激光回波仿真系統架構的基礎上提出了傳輸速度更快、精度更高的設計方案。提出一種新的基于FPGA 的光纖通信的方案，解決了現有反射內存卡傳輸速度慢的問題。光纖傳輸模塊的數據傳輸速度達到1.6 Gb/s，回波刷新頻率超過了1 kHz。開發了高精度延時電路，通過對鎖相環的動態配置，達到每路125 ps的多路延時生成。仿真結果證明，本文方法可以滿足激光回波仿真系統高傳輸速率、高精度的實際需求。