高精度時間測量芯片在激光成像系統中的應用

孟宏峰， 張浩鈞， 唐 琳， 王耀金

（上海無線電設備研究所，上海200090）

0 引言

激光三維成像系統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、姿態等信息，還包括了目標的幾何形狀、表面特性的信息。與傳統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，發射的激光脈沖在目標表面發生反射，再由接收望遠鏡對回波信息進行探測。設測量脈沖從激光發射系統到目標來回往返的飛行時間為t，根據傳輸介質中的光速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中重要的指標。

時間數字轉換技術TDC（Time to Digital Converters）廣泛用于時頻測量、衛星導航、激光測距和雷達定位等領域。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，并把時間信號轉換為數字信號；FPGA邏輯處理模塊用于協調各模塊的工作，包括配置芯片寄存器、發送開始測量信號、讀取測量結果、發送數據到上位機進行顯示與處理。文中將高精度時間測量芯片應用在激光三維成像中，系統時間測量精度小于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，Stop信號截止。測量過程中，需要計算開始信號Start和結束信號Stop之間所經過邏輯門的個數，來精確計算開始信號和結束信號之間的時間間隔。

圖1 TDC絕對時間測量系統框架

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生的測量結果；非校準值是直接讀取的測量結果，不對其進行校準。為了得到精確的時間間隔測量結果，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、工作狀態設定和數據傳輸，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為數據輸入端；SO為數據輸出端；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

激光三維成像系統原理框圖如圖4所示。

圖4 激光三維成像系統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動通過發射光學系統，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照射在APD探測器上，APD輸出信號經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，計算出測距結果后發送到上位機實現激光三維成像［6］。

3 軟件實現

系統的軟件設計主要包括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

本系統中使用TDC-GP22的測量范圍1校準模式測量75 m內的目標，使用測量范圍2測量75 m外的目標。TDC-GP22芯片是通過FPGA發送操作碼來配置實現的。首先初始化測量單元與ALU數據處理單元，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根據預先設定的自動校準模式進行數據的校準。等待中斷信號INTN為0時，即可發送讀取數據命令，從結果寄存器中讀取數據。FPGA將數據通過422接口傳輸到上位機，上位機接收到數據以后根據預先設定的掃描點坐標與測量結果的對應關系進行數據重排并實現三維成像。

4 實驗驗證

（1）TDC-GP22精度測試

圖6 TDC-GP22電路原理圖

激光三維成像系統的測距性能主要取決于時間間隔測量系統的測量精度，而精度測試方案需要一個穩定且可調節的時間間隔作為測試源。為此，專門設計了延時產生電路，該電路能產生兩個時間間隔穩定并可精密調節的窄脈沖。由FPGA產生一個脈沖信號作為觸發信號，觸發信號直接進入時間間隔測量系統的開始通道，用不同長度的同軸電纜對觸發信號延時來產生停止信號，從而獲得兩個時間間隔可調的脈沖信號，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，連續測量1 024次，記錄下來并統計，測量結果如表1所示。由表1數據可知，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，連接實驗設備，安置激光三維成像系統，并將實驗目標放置在激光三維成像系統與接收面板之間。

表1 時間間隔測量結果

圖8 測距成像實驗圖

目標選用兩塊同一材質同一顏色的泡沫板，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，上位機成像結果如圖9所示。

成像結果圖中，以激光發射處為坐標原點，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，激光三維成像系統的測距精度優于7 c m，即時間間隔測量精度不低于1 ns。

圖9 激光三維成像結果

5 結論

激光三維成像系統中，將高精度時間間隔測量芯片TDC-GP22與FPGA結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果讀取。實驗室搭建激光三維成像系統，采集分析數據，實驗結果表明基于TDC-GP22的激光三維成像系統的時間測量精度小于1 ns，滿足后續激光測距成像的要求。