脉冲测距高速数据处理解决方案

多周期脉冲激光测距高速数据处理解决方案0、引言激光测距相对于其他测距，如微波测距，往往具有探测距离远、测距精度高、抗干扰能力强、保密性好、体积小、重量轻的特点。使用脉冲能量高、峰值功率大的激光器，是获得较高系统测距能力的前提，同时，系统的其他模块也有相应配套要求，如数据处理部分同样要求速度快、精度高。北京坤驰科技有限公司针对激光高速脉冲测距系统的特殊应用，研制出了一款可用于激光测速的高速数据处理解决方案。1、系统简介：激光测距的原理：由激光器对被测目标发射一个光脉冲，然后接收系统接收目标反射回来的光脉冲，通过测量光脉冲往返的时间来算出目标的距离。多周期激光测距原理：理论与实践表明，近距离（如50m）测量时，单周期测量往往不能满足系统精度需求，误差太大。而多周期测量方法可成倍提高系统精度，更能满足系统设计需求：常用的方法有如下两种：一、非延时多周期脉冲激光测距通过对脉冲激光在测距仪和目标间往返多个周期累计时间求平均来提高测距精度的方法。二、固定延时多周期脉冲激光测距当测量距离很小时，则由“发射→接收→再发射……”过程中所形成的振荡回路的频率很高。解决方法为：在仪器接收到回波脉冲信号时，不马上触发2ctd下一个激光脉冲，而是增加一个固定的延时t0=m0/fT（m0为延时的时钟脉冲数）后，才触发下一个激光脉冲。如下图：系统框图：系统组成：多周期激光测距系统按照各部分用途大致分为：激光发射、激光接收、信息处理和信息传输四大部分。•激光发射部分的作用是产生峰值功率高，光束发散角小的脉冲激光。•激光接收部分是接收从被测物体反射回来的微弱激光脉冲信号，经接收光学系统聚焦后，照在光电探测器的光敏面上，使光信号转变为电信号并经过放大。•信息处理部分的主要作用是跟踪被测目标，计算被测目标轨迹、测量激光脉冲从测距系统到被测目标往返一次的时间间隔t，并准确显示和记录在计算机硬盘上，再由人工或自动方式形成标准格式。•信息传输部分的作用是通过通讯网络接收诸如轨道预报等参数和其它指令（下传），上传观测结果所形成的标准格式数据等。数据处理部分2、硬件介绍2.1光学模块依据测量距离、测量方法的不同用户功能可选用各种不同性能的激光器、发射望远镜、接受望远镜、光电倍增管等不同光学部件与仪器。用于激光测距的激光器：红宝石激光器、钕玻璃激光器、二氧化碳激光器、半导体激光器。2.2数据处理模块性能指标：10bit2GSPSADC，单通道。低噪声模拟前端，支持+/-5V~+/-200mV信号输入，50Ω阻抗BNC接口。板载128MBDDR2内存。16个可编程GPIO，可用于系统控制。高稳定度，超低低抖动时钟发生器。低噪声电源设计。LED显示，指示含有畸变信号的数量和状态。FPGA实现实时信号特征检测算法功能。FPGA目标跟踪、距离实时计算算法。USB2.0接口，用户可以通过USB进行参数配置以及接收计算结果。宽温设计-20℃~+90℃供电需求，单电源12DC输入，1A电流。外形尺寸：220mmX90mm采集系统框图：Ext.BusinterfaceTemperatureCompensatOscillatorADCinterfaceDSPAlgorithmFPGALow-noisejittercleaningCLKGeneratorData10bit2.2GSPSADCPGACalibrationModulePowerSupplyEMIFilter毛刺指示输出USBUSB示波器监视接口硬件外形：性能保证：1、量化精度等指标：Fs=2Gsps；Fin=500MHz；SNR:42dBc;ENOB:7bit;THD:45dBc；SFDR:48dBc。2.Clockjitter的消除：该方案中采用温度补偿晶体TCXO以及业内顶级的JittercleaningCLKGenerator芯片来保证clock的稳定性，Clockjitter的消除以及极低的Phasenoise。采用本时钟解决方案，其总的clockjitter在系统中完全能做到1ps。3.合理的设计方法合理的高速数模混合PCB设计，充分论证信号完整性和电源完整性，PCB版图如下：3、总结由于多周期脉冲测距相对于单个周期脉冲测距方案所具有较高的测量精度,已在多种领域得到广泛应用。其观测资料已用于地质学、地球物理学、地球动力学、大地测量学、天文学和地震预报等多种应用领域。