基于FPGA的激光測距硬件設計研究*

劉永華

（江西師范高等專科學校，江西 鷹潭 335000）

激光測距系統的任務是利用數據采集模塊對硬件系統接收到的參考信號和回波信號進行數據采樣，之后將采樣數據送入信息處理單元解算目標距離值[1]。由于激光具有方向性強、單色性好、發散角度小等優點，對比其他測距技術和設備，激光測距儀具有測速效率高、測距遠、精度強等特點，現已被廣泛應用于航空、農業土地測量、礦山、港口等領域[2]。本文在對脈沖式激光測距進行深入研究的理論基礎上，對激光測距系統進行了相關的硬件電路設計，為后續的相關研究提供了借鑒。

1 脈沖式激光測距原理

激光發射器會向被測對象發射特定頻率的激光脈沖，同時，計時器啟動，脈沖經空氣介質進行傳輸，到達待測對象后，物體對激光的反射作用會使激光反射回激光接收器，計時器停止[3]。根據計時器所記錄的時間差，利用公式計算距離大小，即：

式中，D為測量的距離大小，ΔT為激光發射與反射到達激光接收器的時間間隔，C為光速。特別注意：是以發射和返回脈沖波的上升沿作為時間基準ΔT，可計算出被測對象的距離[4]。

2 控制系統設計

激光測距系統的系統結構設計如圖1所示，整個系統可分為四個部分。第一部分是激光發射單元，主要驅動二極管發射激光脈沖；第二部分是激光接收單元，高速AD采樣，對接收的信號進行放大、整形、濾波，形成可供FPGA處理的數字信號，從而完成回波信號的探測；第三部分是存儲器，主要用于存放程序和數據；第四部分是信息處理單元，主要是圍繞FPGA芯片，完成數據的相關處理，將計算結果傳遞給上位機進行顯示[5]。

3 基于FPGA的激光測距硬件平臺搭建

3.1 FPGA設計

根據相關性能的要求，FPGA芯片主要選擇XINLINX公司生產的Ⅴirtex-4XC4ⅤLX40-10FF668I，具有ASMBL架構、高邏輯密度、500 MHz的時鐘頻率，配置電路如圖2所示。

圖2 FPGA配置電路

3.2 激光發射單元設計

在空氣介質傳播過程中，由于漫反射的作用導致脈沖功率下降嚴重。為了滿足遠距離傳輸要求，需要提高發射功率。因此，在本次設計中選用303 MHz高重復頻率摻Er光纖飛秒激光器[6]。

設計脈沖驅動電路時，采用EL7104芯片將電路的輸出信號通過互連線與激光管相連，在互連線的兩端分別接入0.1 μF的阻抗，保證激光管和互連線的匹配。其中，芯片2號的管腳輸入電壓信號[7]，自動調整偏置電流，能夠保證激光器發射光功率的穩定。驅動電路圖如圖3所示。

圖3 驅動電路

3.3 激光接收單元設計

激光接收單元主要包括三大部分：一是光電探測器部分，主要選擇光電二極管，保證能將回波信號轉化為電信號，并根據光電探測器匹配激光器；二是匹配放大器部分，放大整形探測器輸出的電信號經過放大、整形、濾波后能增強信號性能，便于后續處理；三是AD數據模塊，能完成模數轉換，在存儲器中陸續存儲已調制的離散數據。

本系統中，激光接收單元各部分的電路模塊關系如圖4所示[8]。其中，回波光信號通過光電探測器能夠將光信號轉換成電信號，由于部分電信號比較微弱，需要經過匹配放大器，完成信號的放大、整流、過濾，為AD高速采樣做好準備。

圖4 激光接收單元各部分電路模塊關系

3.3.1 探測器部分

由于雪崩二激光具有響應速度快、倍增因子適中、噪聲小、成本低等優點，所以光電探測器選用的是AD500-9型雪崩光電二極管以及C30724光電探測[9]。

3.3.2 匹配放大器部分

主放大電路主要是利用兩個超高速電流反饋放大器AD8009進行級聯[10]，增益倍數由原先的10擴大為100，主放大電路如圖5所示。由于反饋電路采用的是電流負反饋，反饋電阻和帶寬存在反比關系，再考慮到AD8009所需的工作環境（例如175 mA以上的負載電流，440 MHz的信號帶寬），綜合判斷反饋電阻為1 kΩ。

圖5 主放大電路原理圖

3.3.3 AD數據采樣模塊

該系統模塊主要通過高速ADC進行采樣，并將模擬信號轉換成數字信號，再由FPGA控制完成數據的采集和運算處理，通過PCI數據接口將數據結果傳遞給上位機進行顯示。高速數據采集模塊系統結構如圖6所示。

圖6 AD高速數據采集模塊系統結構

其中，高速ADC模塊采用的是ADC08D1000芯片，其采樣速率能夠達到1 GHz。外部時鐘模塊，由于外部時鐘的精準性對ADC的精準采樣影響較大，實際電路中也會產生時鐘的抖動，時鐘抖動的時間間隔需低于15 ps，因此，采用IDT公司的專用時鐘芯片ICS8430-61，其具有高精度、低抖動的特點。FPGA控制模塊對ADC08D1000進行配置時，首先會將配置命令控制字寫進緩存器中，同時通過三線口對ADC的內部兩條通道進行配置，完成對數據的運算處理。

3.4 FPGA與ADC接口設計

FPGA與ADC的接口設計電路圖如圖7所示。FPGA與ADC08D1000的輸出端相連，將ADC08D1000得到的數據通過FPGA緩存到DDR3緩存器中，以便后續單元將數據取走。

4 測試系統組成

測試系統如圖8所示，主要由激光發射接收控制器件、數據采集模塊、上位機組成。本次測試主要針對2 854.35 m的待測距離，其測量結果如圖9所示。

圖8 測試系統組成

圖9 測量結果

5 結果與結論

經過十次測距，結果顯示的最大和最小誤差分別為17 cm和3 cm，誤差均在±20 cm以內，符合預期。經過小波變換的奇異值檢測算法求出其平均值，測距結果為2 854.38 m，和實際值相差3 cm。圖9中的LabⅤIEW界面上顯示的是第9次回波信號的幅值大小和時間值，測試結果為2 854.31 m。

通過對多脈沖式激光測距儀進行硬件設計，實現了測距儀的自動化測量和遠距離測量，滿足了測距技術在不同領域的要求，具有良好的研究和應用價值。