高精度時間測量芯片在激光成像系統(tǒng)中的應(yīng)用

孟宏峰， 張浩鈞， 唐 琳， 王耀金

（上海無線電設(shè)備研究所，上海200090）

0 引言

激光三維成像系統(tǒng)可以直接獲取目標的外形和位置信息，很容易識別目標。針對激光三維成像雷達的各項外場實驗，證實了其在復(fù)雜背景下進行目標探測和識別的能力。三維圖像不僅包括位置、方位、姿態(tài)等信息，還包括了目標的幾何形狀、表面特性的信息。與傳統(tǒng)的二維成像獲得的信息相比，目標的三維信息能夠更加全面的、真實的反映客觀物體特征［1］。激光三維成像系統(tǒng)一般采用脈沖飛行時間法進行掃描測距成像。

脈沖飛行時間（TOF，time of flight）法是基于激光脈沖測距的方式獲取像素點距離值，發(fā)射的激光脈沖在目標表面發(fā)生反射，再由接收望遠鏡對回波信息進行探測。設(shè)測量脈沖從激光發(fā)射系統(tǒng)到目標來回往返的飛行時間為t，根據(jù)傳輸介質(zhì)中的光速c，可以得到目標距離R=c t/2，其中TOF的時間測量精度是激光三維成像系統(tǒng)中重要的指標。

時間數(shù)字轉(zhuǎn)換技術(shù)TDC（Time to Digital Converters）廣泛用于時頻測量、衛(wèi)星導航、激光測距和雷達定位等領(lǐng)域。高精度時間間隔測量模塊包括TDC-GP22時差測量模塊和FPGA邏輯處理模塊［2］。其中，TDC-GP22時差測量模塊測量脈沖飛行時間差，并把時間信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；FPGA邏輯處理模塊用于協(xié)調(diào)各模塊的工作，包括配置芯片寄存器、發(fā)送開始測量信號、讀取測量結(jié)果、發(fā)送數(shù)據(jù)到上位機進行顯示與處理。文中將高精度時間測量芯片應(yīng)用在激光三維成像中，系統(tǒng)時間測量精度小于1 ns，滿足激光測距成像要求。

1 TDC-GP22測時芯片基本原理

TDC-GP22是以信號通過內(nèi)部門電路的傳輸延時來進行高精度時間間隔測量的［3］。如圖1所示，測量單元通過Start信號觸發(fā)，Stop信號截止。測量過程中，需要計算開始信號Start和結(jié)束信號Stop之間所經(jīng)過邏輯門的個數(shù)，來精確計算開始信號和結(jié)束信號之間的時間間隔。

圖1 TDC絕對時間測量系統(tǒng)框架

TDC-GP22有兩個測量范圍：測量范圍1單通道精度為45 ps，雙通道典型精度為90 ps，測量范圍從3.5 ns到2.5 us；測量范圍2單通道典型精度為90 ps，雙精度模式為45 ps，四精度模式為22 ps，測量范圍從500 ns到4 ms［4］。TDC-GP22測量結(jié)果有校準值和非校準值：校準值是指TDC在測量時，對由溫度和電壓變化引起的誤差進行校準之后所產(chǎn)生的測量結(jié)果；非校準值是直接讀取的測量結(jié)果，不對其進行校準。為了得到精確的時間間隔測量結(jié)果，TDC-GP22一般在校準模式下工作，補償測量中溫度和電壓變化的影響。采用四線SPI接口對其進行寄存器的配置、工作狀態(tài)設(shè)定和數(shù)據(jù)傳輸，其讀寫時序如圖2、圖3所示。

圖2 TDC-GP22讀時序

SPI口讀寫時序中，SSN為從機使能控制端；SCK為從機時鐘信號輸入端口；SI為數(shù)據(jù)輸入端；SO為數(shù)據(jù)輸出端；TDC-GP22所支持的SPI工作模式為Clock Phase Bit=1；Clock Polarity Bit=0。在讀寫時序圖中顯示了時間限制，SSN需要強制置高電平，每次讀寫序列之間SSN保持高電平至少50 ns。

圖3 TDC-GP22寫時序

2 激光三維成像系統(tǒng)

激光三維成像系統(tǒng)原理框圖如圖4所示。

圖4 激光三維成像系統(tǒng)與時間間隔測量電路

上位機控制脈沖激光器輸出激光，利用二維掃描鏡的轉(zhuǎn)動通過發(fā)射光學系統(tǒng)，使激光信號在俯仰和方位上形成固定面積的矩形掃描視場，當激光照射目標，反射回波通過接收光學系統(tǒng)照射在APD探測器上，APD輸出信號經(jīng)過微弱信號檢測模塊和壓控放大電路將信號進行放大，參考APD和回波APD輸出信號分別經(jīng)時刻鑒別后進入高精度時間間隔測量模塊［5］。其中，參考APD和回波APD的時刻鑒別輸出信號分別作為TDCGP22的啟動和停止信號，計算出測距結(jié)果后發(fā)送到上位機實現(xiàn)激光三維成像［6］。

3 軟件實現(xiàn)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要包括FPGA嵌入式程序和用MATLAB編寫的上位機程序。TDCGP22配置與上位機顯示流程圖如圖5所示，TDC-GP22電路圖如圖6所示。

圖5 TDC-GP22配置與上位機顯示流程圖

本系統(tǒng)中使用TDC-GP22的測量范圍1校準模式測量75 m內(nèi)的目標，使用測量范圍2測量75 m外的目標。TDC-GP22芯片是通過FPGA發(fā)送操作碼來配置實現(xiàn)的。首先初始化測量單元與ALU數(shù)據(jù)處理單元，然后分別對寄存器reg0-reg6進行配置。配置reg0選擇測量范圍，自動校準；配置reg1選擇計算通道的時間差，設(shè)置為stop2 HIT1-stop HIT1；配置reg2開啟所有中斷；配置reg3-reg6為默認值。寄存器的配置結(jié)束后，開啟Start、Stop1、Stop2使能，TDC-GP22開始接收Start、Stop1、Stop2信號。完成信號測量以后，TDC根據(jù)預(yù)先設(shè)定的自動校準模式進行數(shù)據(jù)的校準。等待中斷信號INTN為0時，即可發(fā)送讀取數(shù)據(jù)命令，從結(jié)果寄存器中讀取數(shù)據(jù)。FPGA將數(shù)據(jù)通過422接口傳輸?shù)缴衔粰C，上位機接收到數(shù)據(jù)以后根據(jù)預(yù)先設(shè)定的掃描點坐標與測量結(jié)果的對應(yīng)關(guān)系進行數(shù)據(jù)重排并實現(xiàn)三維成像。

4 實驗驗證

（1）TDC-GP22精度測試

圖6 TDC-GP22電路原理圖

激光三維成像系統(tǒng)的測距性能主要取決于時間間隔測量系統(tǒng)的測量精度，而精度測試方案需要一個穩(wěn)定且可調(diào)節(jié)的時間間隔作為測試源。為此，專門設(shè)計了延時產(chǎn)生電路，該電路能產(chǎn)生兩個時間間隔穩(wěn)定并可精密調(diào)節(jié)的窄脈沖。由FPGA產(chǎn)生一個脈沖信號作為觸發(fā)信號，觸發(fā)信號直接進入時間間隔測量系統(tǒng)的開始通道，用不同長度的同軸電纜對觸發(fā)信號延時來產(chǎn)生停止信號，從而獲得兩個時間間隔可調(diào)的脈沖信號，模擬脈沖激光測距中的開始和停止信號，其框圖如圖7所示。

圖7 延時產(chǎn)生電路框圖

選取3段不同長度的電纜，采用上述方法接入時間間隔測量芯片，連續(xù)測量1 024次，記錄下來并統(tǒng)計，測量結(jié)果如表1所示。由表1數(shù)據(jù)可知，TDC-GP22的測量的標準差，與測量范圍1的“單通道精度可達45 ps”相符。

（2）激光三維成像實驗

為了測試激光三維成像系統(tǒng)的測量精度，在激光暗室中，搭建實驗測試場地。如圖8所示，連接實驗設(shè)備，安置激光三維成像系統(tǒng)，并將實驗?zāi)繕朔胖迷诩す馊S成像系統(tǒng)與接收面板之間。

表1 時間間隔測量結(jié)果

圖8 測距成像實驗圖

目標選用兩塊同一材質(zhì)同一顏色的泡沫板，將其中一個7 c m厚度的泡沫疊加在另一個薄的泡沫板上，進行成像實驗，上位機成像結(jié)果如圖9所示。

成像結(jié)果圖中，以激光發(fā)射處為坐標原點，x、y為激光掃描成像視場中兩個方向坐標，單位為m；z為激光發(fā)射處與目標不同位置之間的距離測量值。由圖9可知，激光三維成像系統(tǒng)的測距精度優(yōu)于7 c m，即時間間隔測量精度不低于1 ns。

圖9 激光三維成像結(jié)果

5 結(jié)論

激光三維成像系統(tǒng)中，將高精度時間間隔測量芯片TDC-GP22與FPGA結(jié)合進行激光測距成像。介紹了FPGA配置TDC-GP22的過程，具體有芯片初始化、芯片工作方式配置和測量結(jié)果讀取。實驗室搭建激光三維成像系統(tǒng)，采集分析數(shù)據(jù)，實驗結(jié)果表明基于TDC-GP22的激光三維成像系統(tǒng)的時間測量精度小于1 ns，滿足后續(xù)激光測距成像的要求。