本发明专利技术公开一种具备实时门控功能的多通道光子计数激光雷达接收机，该接收机硬件上主要由一片大容量FPGA芯片组成，FPGA内部配置成单主波通道多回波通道模式,包括一个主波通道模块和多个回波通道模块。本发明专利技术的目的在于提供一种实现方式简明且具备实时门控功能的多通道光子计数激光雷达接收机。在FPGA内部配置成单主波和多回波通道模式，回波通道利用粗计数值完成回波信号的粗时间测量，同时利用粗计数值进行直方图统计，根据统计结果完成自动门控，再利用内插延迟链完成对多通道多脉冲回波的精确时间测量。本发明专利技术具有外围电路简单，实现方式简明，功能接口可灵活配置和性价比高等优点。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于对地观测激光雷达遥感
，具体是指一种具备实时门控功能的多通道光子计数激光雷达接收机。
技术介绍
用于飞机和卫星等平台的对地观测激光雷达是一种可以精确、快速地获取地面三维空间信息的主动遥感技术。通过测量发射与接收激光脉冲的时间间隔，可以在有限时间内获取大范围区域的高精度三维地形，而且激光脉冲能部分地穿透树林遮挡，直接获取真实地面的高精度三维地形信息，在城市、森林、山区等地貌测绘、资源调查、灾害预警等方面都可以发挥重要作用。目前已经得到广泛应用的对地观测激光雷达一般使用单波束高能量的脉冲激光器，采用雪崩光电二极管作为探测器结合线性放大电路接收目标反射回波，利用高的探测阈值来保证系统在阳光下工作时的信噪比，使得背景噪声产生的虚警很少或没有，从而获得明确的表面回波。在高空机载以及星载平台应用上，由于作用距离很远，需要激光脉冲发射能量比较高，这种情况使激光重复频率很难提高，波束数也很难提高，从而导致地面采样点密度有限，不能满足远程高精度测绘的需求。目前，国际上纷纷开始采用光子计数技术来解决远距离激光雷达中激光能量和重复频率之间的矛盾。光子计数激光雷达采用灵敏度极高(单光子量级)的光子计数探测器来探测激光回波。与传统的直接探测激光雷达不同，光子计数激光雷达探测到的不再是与回波光功率成正比的电信号，而是代表探测到的
光子的电脉冲。在光子计数激光雷达体系下，激光探测系统灵敏度已达到单光子量级，接收系统信噪比的损失将不可避免，真实的信号会完全淹没在大量由背景噪声、探测器暗计数等产生的虚假信号中，无法简单的通过阈值鉴别来有效识别回波信号，这需要对单光子探测器输出的所有脉冲信号，包括虚假信号，进行高精度时间测量和记录，然后再经过信号处理模块提取出有效距离数据。对光子计数激光雷达接收机而言，接收到的回波信号包括目标回波光子信号、背景噪声光子信号和探测器暗计数信号，接收机通过对多次回波脉冲信号计数和高精度测时来提取目标信息。由于远距离测量时，回波次数非常多，数据量庞大，一般需要进行门控处理，即接收机需要预判目标存在的大致范围，只对目标距离一定的范围内的回波信号进行高精度测时。把光子计数探测体制应用在对地观测激光雷达领域是一种新兴技术，开展此方面研究的主要集中在西方国家。美国林肯实验室多年致力于基于盖革模式(Geiger Mode)的雪崩光电二极管(Avalanche Photodiodes,APD)阵列的光子计数激光雷达研究，文献《Three-dimensional imaging laser radar with a photon-counting avalanche photodiode array and microchip laser》介绍了其开发的多元光子计数激光雷达，其中的接收机只能实现单次回波的时间测量，此外其门控功能也是通过先验知识得到的。NASA也在从事光子计数激光雷达的研发，已进行了一系列的机载验证试验，文献《Design and performance of a 3-D imaging,photon-counting,microlaser altimeter operating from aircraft cruise altitudes under day or night conditions》介绍了其开发的机载光子计数激光雷达，其接收机包含4通道(每通道可记录4次回波)，也具备门控实时调整功能。但其实现较为复杂，门控和高精度测时之间由两套机制完成，系统庞大且扩展难度大。文献《光子计数激光雷达时间-数字转换
系统》提出了利用FPGA内部实现多通道高精度时间测量的光子计数激光雷达接收机，但其接收机未实现实时门控功能，其门控的产生依赖先验知识。中国专利CN1719353A提出了一种在FPGA内部利用进位链时间内插实现的高精度的时间数字转换方法。本专利技术将借鉴这个专利中利用FPGA内部进位链时间内插进行细时间测量的部分，提出一种仅基于FPGA芯片，具备实时门控功能的多通道光子计数激光雷达接收机。
技术实现思路
：本专利技术的目的是提供一种具备实时门控功能的多通道光子计数激光雷达接收机，从而以比较简单且容易扩展的的方式获取目标区域范围内的多通道光子计数激光雷达回波信号，供后期处理用。本专利技术的目的是通过下述技术途径实现的。本专利技术公开一种具备实时门控功能的多通道光子计数激光雷达接收机，硬件上主要由一片大容量FPGA芯片组成，FPGA内部配置成单主波通道多回波通道模式,包括一个主波通道模块和多个回波通道模块。FPGA芯片具备可生成多通道的ns级传播长度的进位链用于构建主波通道和回波通道的内插延迟链。主波通道模块组成包括主波内插延迟链子模块、主波精细测量编码子模块和主波主控子模块。主波内插延迟链子模块由FPGA中的专用进位链实现，接收主波脉冲，完成对粗计数时钟周期的时间内插，实现对主波脉冲和粗计数时钟沿之间的精细时间间隔测量。主波精细测量编码子模块由FPGA内部的逻辑资源实现，对主波内插延迟链子模块输出的精细时间间隔数据进行编码输出。主波主控子模块由FPGA内部逻辑资源实现，控制各模块按时序工作，将主波精细测量数据存储到结果寄存器中。其中一个回波通道的组成包括回波粗计数器子模块、回波内插延迟链子模块、回波精细测量编码子模块、回波直方图统计子
模块和回波主控子模块，其他回波通道配置均一致。回波粗计数器子模块由FPGA内部高速计数器实现，完成以粗计数为周期的时间测量。回波内插延迟链子模块由FPGA中的专用进位链实现，接收回波脉冲，完成对粗计数时钟周期的时间内插，实现对回波脉冲和粗计数时钟沿之间的精细时间间隔测量。回波精细测量编码子模块由FPGA内部的逻辑资源实现，对内插延迟链模块输出的精细时间间隔数据进行编码输出。回波直方图统计子模块由FPGA内部的RAM资源实现，实现对固定时间间隔内的回波数量进行累计统计，判断目标回波的存在范围，从而得到门控的范围设置。回波主控子模块由FPGA内部逻辑资源实现，主要根据直方图统计模块得到的范围设置来对回波脉冲进行过滤，将回波测量数据存入高速FIFO缓存中，实现接收机的回波门控功能。所有的粗计数器模块选用同一个高速粗计数时钟。测量时，激光发射主波脉冲进入主波通道，每路激光回波脉冲进入每个回波通道。主波主控子模块提取主波内插延迟链上的主波脉冲行走时间数据，送入主波精细测量编码子模块获得主波脉冲和粗计数时钟沿时间间隔的精细测量结果并存储在寄存器中。回波主控子模块在主波脉冲到来时将回波通道的粗计数器清零，在回波脉冲到来时，暂时缓存此时的回波粗计数器计数值，提取回波内插延迟链上的回波脉冲行走时间数据，送入回波精细测量编码子模块获得回波脉冲和粗计数时钟沿时间间隔的精细测量结果并暂时缓存。回波主控子模块将缓存的回波粗计数器计数值送入直方图统计模块进行累计统计，得到门控范围设置并对回波脉冲进行过滤，将满足条件的回波粗计数值和精细测量结果存入高速FIFO缓存供外部读取。应用这种具备实时门控功能的多通道光子计数激光雷达接收机进行数据采集的方法如下：(1)在每个粗计数时钟沿锁存主波内插延迟链上的数据，在主波脉冲到来时所有回波通道的粗计数模块计数值清零，锁存本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种具备实时门控功能的多通道光子计数激光雷达接收机，包括主波通道模块和回波通道模块，其特征在于：所述的激光雷达接收机在一片FPGA芯片上实现，所述的FPGA芯片具备可生成多通道ns级传播长度的进位链用于构建内插延迟链；所述的主波通道模块包括主波内插延迟链子模块、主波精细测量编码子模块和主波主控子模块,在主波主控子模块控制下，主波内插延迟链子模块和主波精细测量编码子模块完成对主波脉冲的精细时间测量；所述的回波通道模块包括回波粗计数器子模块、回波内插延迟链子模块、回波精细测量编码子模块、回波直方图统计子模块和回波主控子模块,在回波主控子模块控制下，回波粗计数器子模块完成对回波脉冲的粗时间测量，回波内插延迟链子模块和回波精细测量编码子模块完成对回波脉冲的精细时间测量，回波直方图统计子模块完成对回波脉冲的实时门控；所述的主波主控子模块由FPGA内部状态机逻辑实现，所述的主波内插延迟链子模块由FPGA中的专用进位链实现，所述的主波精细测量编码子模块由FPGA内部的逻辑资源实现；所述的回波主控子模块由FPGA内部状态机逻辑实现，所述的回波粗计数器子模块由FPGA内部高速计数器实现，完成以粗计数为周期的时间测量，所述的回波内插延迟链子模块由FPGA中的专用进位链实现，所述的回波精细测量编码子模块由FPGA内部的逻辑资源实现，所述的回波直方图统计子模块由FPGA内部的RAM资源实现，实现对固定时间间隔内的回波数量进行累计统计，得到门控的范围设置；测量时，激光发射主波脉冲进入主波通道，每路激光回波脉冲进入每个回波通道；主波主控子模块提取主波内插延迟链上的主波脉冲行走时间数据，送入主波精细测量编码子模块获得主波脉冲和粗计数时钟沿时间间隔的精细测量结果并存储在寄存器中；回波主控子模块在主波脉冲到来时将回波通道的粗计数器清零，在回波脉冲到来时，暂时缓存此时的回波粗计数器计数值，提取回波内插延迟链上的回波脉冲行走时间数据，送入回波精细测量编码子模块获得回波脉冲和粗计数时钟沿时间间隔的精细测量结果并暂时缓存。回波主控子模块将缓存的回波粗计数器计数值送入直方图统计模块进行累计统计，得到门控范围设置并对回波脉冲进行过滤，将满足条件的回波粗计数值和精细测量结果存入高速FIFO缓存供外部读取。...
【技术特征摘要】
1.一种具备实时门控功能的多通道光子计数激光雷达接收机，包括主波通道模块和回波通道模块，其特征在于：所述的激光雷达接收机在一片FPGA芯片上实现，所述的FPGA芯片具备可生成多通道ns级传播长度的进位链用于构建内插延迟链；所述的主波通道模块包括主波内插延迟链子模块、主波精细测量编码子模块和主波主控子模块,在主波主控子模块控制下，主波内插延迟链子模块和主波精细测量编码子模块完成对主波脉冲的精细时间测量；所述的回波通道模块包括回波粗计数器子模块、回波内插延迟链子模块、回波精细测量编码子模块、回波直方图统计子模块和回波主控子模块,在回波主控子模块控制下，回波粗计数器子模块完成对回波脉冲的粗时间测量，回波内插延迟链子模块和回波精细测量编码子模块完成对回波脉冲的精细时间测量，回波直方图统计子模块完成对回波脉冲的实时门控；所述的主波主控子模块由FPGA内部状态机逻辑实现，所述的主波内插延迟链子模块由FPGA中的专用进位链实现，所述的主波精细测量编码子模块由FPGA内部的逻辑资源实现；所述的回波主控子模块由FPGA内部状态机逻辑实现，所述的回波粗计数器子模块由FPGA内部高速计数器实现，完成以粗计数为周期的时间测量，所述的回波内插延迟链子模块由FPGA中的专用进位链实现，所述的回波精细测量编码子模块由FPGA内部的逻辑资源实现，所述的回波直方图统计子模块由FPGA内部的RAM资源实现，实现对固定时间间隔内的回波数量进行累计统计，得到门控的范围设置；测量时，激光发射主波脉冲进入主波通道，每路激光回波脉冲进入每个回波通道；主波主控子模块提取主波内插延迟链上的主波脉冲行走时间数据，送入主波精细测量编码子模块获得主波脉冲和粗计数时钟沿时间间隔的精细测
\t量结果并存储在寄存器中；回波主控子模块在主波脉冲到来时将回波通道的粗计数器清零，在回波脉冲到来时，暂时缓存此时的回波粗计数器计数值，提取回波内插延迟链上的回波脉冲行走时间数据，送入回波精细测量编码子模块获得回波脉冲和粗计数时钟沿时间间隔的精细测量结果并暂时缓存。回波主控子模块将缓存的回波粗计数器计数值送入直方图统计模块进行累计统计，得到门控范围设置并对回波脉冲进行过滤，将满足条件的回波粗计数值和精细测量结果存入高速FIFO缓存供外部读取。2.根据权利要求1所述的具备实时门控功能的多通道光子计数激光雷达接收机，其特征在于，所述的激光雷达接收...
【专利技术属性】
技术研发人员：郭颖，舒嵘，徐敏，
申请(专利权)人：中国科学院上海技术物理研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31
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