双飞秒激光测距系统数据处理平台硬件实现技术方案

本发明专利技术公开一种双飞秒激光测距系统数据处理平台，包括控制模块以及与所述控制模块连接的锁相环模块、动态阈值滤波模块、峰值检测模块、距离计算模块、通信接口模块，所述距离计算模块连接重复频率测量模块；用于实时处理采样信号，检测每个脉冲的峰值时刻，根据双飞秒激光测距原理计算距离，最后发送距离值，所述的峰值检测模块采用基于BFGS的峰值检测模块，采用BFGS‑QN求解器在超短时间间隔内完成脉冲重构，采用迭代方法计算拟合参数，得到对应于脉冲峰值的中心时刻。所有模块在FPGA平台上全硬件实现，硬件设计的最高工作频率为250MHz。

Hardware implementation of data processing platform for dual femtosecond laser ranging system

【技术实现步骤摘要】
双飞秒激光测距系统数据处理平台硬件实现
本专利技术涉及信号处理及激光测距领域，具体涉及双飞秒激光测距系统数据处理平台硬件实现。
技术介绍
双飞秒激光测距具有测量精度高、更新速度快、测距范围大等优点，是一种实现绝对距离测量的技术。其主要应用于依赖高精度、高实时性距离测量的研究领域，例如卫星编队飞行、天基合成孔径成像、激光雷达等。双飞秒激光测距系统由三个主要部分组成，包括两个独立、自由运转的被动锁模飞秒激光器，光学互相关子系统，以及数据处理平台。此外，在星载平台上使用的激光测距系统有成本、尺寸和能量限制。现场可编程门阵列(FPGA)因其集成度高，体积小，并行度高，功耗低和可重配置等特点，成为数据处理平台硬件实现的较优选择。
技术实现思路
本专利技术针对双飞秒激光测距系统数据处理平台，提出了数据处理的FPGA硬件解决方案，功能是：实时处理采样信号，检测每个脉冲的峰值时刻，根据双飞秒激光测距原理计算距离，最后发送距离值。所有模块在FPGA平台上全硬件实现，硬件设计的最高工作频率为250MHz。本专利技术具体技术方案为：第一步：生成稳定的时钟频率锁相环(PLL)模块调用Xilinx公司的IP核，用于为其他模块生成稳定的时钟频率。第二步：划分噪声区域和脉冲区域动态阈值滤波(DTF)模块，以采样信号数据的平均值上浮1.75倍作为阈值，将采样信号数据划分为噪声区域和脉冲区域，每16384个数据点更新一次。噪声区域中的数据不用于峰值检测，脉冲区域中的数据存储在存储器中用于后续峰值检测。第三步：离散采样点拟合，得到脉冲峰值时刻基于BFGS的峰值检测(PD-BFGS)模块，读取存储器中的数据，输出每个脉冲的峰值时刻。本专利技术使用BFGS-QN求解器在超短时间间隔内完成脉冲重构，采用迭代方法计算拟合参数，得到对应于脉冲峰值的中心时刻t。本专利技术提出的BFGS-QN求解器采用迭代方法计算拟合参数，k表示迭代次数，根据BFGS拟牛顿算法的计算步骤，可以将算法的硬件架构分为计算控制模块、目标函数评估模块、线性搜索模块、梯度计算模块、矩阵更新模块。具体各模块的互联关系和相关内部变量的传输关系如附图2所示。在BFGS拟牛顿算法的硬件架构中，计算控制模块通过设计有限状态机来控制所有其他模块的执行顺序，调用片上BRAM来缓存模块间内部变量的计算结果并且将数据传输给相应的模块。目标函数评估模块计算超短激光脉冲包络重构过程中高斯拟合的误差函数；线性搜索模块通过当前拟合参数向量、搜索方向和梯度确定在搜索方向上的步长；梯度计算模块计算当前目标函数的梯度，判断是否满足跳出条件并完成参数向量的更新；矩阵更新模块由BFGS校正公式更新海森矩阵的逆矩阵，结合目标函数梯度确定新的搜索方向。工作流程：(1)采样数据点(xi,yi)和初始参数p0输入计算控制模块并分配给其他四个模块；(2)采样数据点(xi,yi)和拟合参数值pk输入目标函数评估模块计算当前误差函数值EF；(3)误差函数值EF和当前迭代轮次的拟合参数向量pk、下降方向dk和梯度gk输入线性搜索模块确定搜索方向上的步长λk；(4)步长λk、误差函数值EF和当前迭代轮次的拟合参数向量pk、下降方向dk共同输入梯度计算模块，得到下一迭代轮次的拟合参数向量pk+1、梯度gk+1并输出给计算控制模块缓存；(5)下一迭代轮次的梯度gk+1和向量sk＝pk+1-pk输入矩阵更新模块，输出下一迭代轮次的下降方向dk+1；(6)计算控制模块判断是否满足跳出条件，若满足输出峰值时刻拟合结果，若不满足重复工作流程第(2)步。整体数据通路中各模块电路采用IP复用技术设计，通过XilinxVivado软件中IPCatalog调用Float-Point、BlockMemoryGenerator和FIFOGenerator。Float-Point是浮点IP核，主要使用浮点加法器、浮点减法器、浮点乘法器、浮点除法器以及浮点平方根运算，完成各功能模块中的数学运算；BlockMemoryGenerator是片上存储器IP核，FIFOGenerator是先进先出存储器队列IP核。本专利技术选用双端口RAM和FIFO作为缓冲器，存储模块与模块间以及模块内部变量的运算结果。各模块电路内部采用有限状态机控制，通过状态的转换来控制每个步骤的数据的读入、读出和存储。以下将详细介绍在FPGA平台上实现各功能模块的硬件架构。具体硬件实现方案如下：1)误差函数评估(EF)模块。误差函数EF的硬件结构如附图3所示，分为两部分实现：第一部分根据拟合参数向量pk获得高斯函数值，第二部分计算拟合误差EF(pk)。硬件架构上半部分是高斯函数值计算单元的硬件设计。其中，(xi-μ)2和-2σ2是并行计算的。为加速高斯函数拟合的计算过程，尽可能地并行计算单个脉冲包络的所有采样数据点的拟合值。该硬件架构使用单个脉冲上8个采样数据点进行高斯拟合，可以同时计算8组高斯函数值，计算结果存在RAM中。硬件架构下半部分是误差函数计算单元的硬件设计。高斯函数值计算单元完成计算后，误差函数计算单元开始计算。使用多路选择器依次选择拟合值和对应采样数据点的幅值流入减法器相减，得到二者的差值。其中，深度流水结构的向量与向量乘法(VVM)单元被用于平方和运算，VVM单元硬件结构如图3所示。最后结果经过平方根运算，得到误差函数值。该模块由33个乘法器，9个加法器，9个减法器，8个指数运算(exp)，8个除法器和一个平方根运算(sqrt)构成，互连关系如附图3所示。2)步长λk计算模块。采用线性搜索计算(LS)方法，附图4为LS方法硬件实现，包括两部分：比较判断部分和步长更新部分。比较判断部分执行比较运算，并且判断步骤跳转。并行计算EF(pk+λkdk)和EF(pk)+ρλkgkTdk，并通过比较器进行比较。若比较结果输出为1，则多路选择器选择(1-ρ)参与计算，计算EF(pk)+(1-ρ)λkgkTdk，否则跳转至步长更新部分。EF(pk)+(1-ρ)λkgkTdk与EF(pk)+ρλkgkTdk复用同一组硬件资源进行计算，通过多路选择器根据sel0选择ρ和(1-ρ)参与运算。步长更新单元中的不同更新公式复用相同的加法器和乘法器，以充分利用硬件资源。所有数学运算都尽可能采用流水线结构设计，以提高电路整体的工作频率，实现更高的运算性能。3)梯度gk计算(GC)模块。附图5是梯度计算的流水线硬件结构，采用并行结构设计是运算速度和硬件资源之间的折衷。pk是输入参数向量，通过多路选择器控制向量pk的每个元素pkr分别加或减得到4组新的向量，并将计算结果存储在各自的RAM中。调用两组目标函数评估模块并行计算，两组计算结果序列依次对应传输到减法器两端，最后流水输入到乘法器与相乘得到目标函数的梯度。并行结构的设计是运算速度和硬件资源之间的折衷。4)Bk矩阵更新(BU)模块。该模块通过迭代生成海森逆矩阵的近似矩阵。Bk矩阵通过以下公式更新：sk＝pk+1-pkz本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.双飞秒激光测距系统数据处理平台，包括控制模块以及与所述控制模块连接的锁相环模块、动态阈值滤波模块、峰值检测模块、距离计算模块、通信接口模块，所述距离计算模块连接重复频率测量模块；用于实时处理采样信号，检测每个脉冲的峰值时刻，根据双飞秒激光测距原理计算距离，最后发送距离值，其特征在于，所述的峰值检测模块采用基于BFGS的峰值检测模块，采用BFGS-QN求解器在超短时间间隔内完成脉冲重构，采用迭代方法计算拟合参数，得到对应于脉冲峰值的中心时刻；/n所述基于BFGS的峰值检测模块的硬件结构包括：/n计算控制模块，,通过设计有限状态机来控制所有其他模块的执行顺序，调用片上BRAM来缓存模块间内部变量的计算结果并且将数据传输给相应的模块；/n目标函数评估模块，计算超短激光脉冲包络重构过程中高斯拟合的误差函数；/n步长计算模块，通过当前拟合参数向量、搜索方向和梯度确定在搜索方向上的步长；/n梯度计算模块，计算当前目标函数的梯度，判断是否满足跳出条件并完成参数向量的更新；/n矩阵更新模块，由BFGS校正公式更新海森矩阵的逆矩阵，结合目标函数梯度确定新的搜索方向。/n

【技术特征摘要】
1.双飞秒激光测距系统数据处理平台，包括控制模块以及与所述控制模块连接的锁相环模块、动态阈值滤波模块、峰值检测模块、距离计算模块、通信接口模块，所述距离计算模块连接重复频率测量模块；用于实时处理采样信号，检测每个脉冲的峰值时刻，根据双飞秒激光测距原理计算距离，最后发送距离值，其特征在于，所述的峰值检测模块采用基于BFGS的峰值检测模块，采用BFGS-QN求解器在超短时间间隔内完成脉冲重构，采用迭代方法计算拟合参数，得到对应于脉冲峰值的中心时刻；
所述基于BFGS的峰值检测模块的硬件结构包括：
计算控制模块，,通过设计有限状态机来控制所有其他模块的执行顺序，调用片上BRAM来缓存模块间内部变量的计算结果并且将数据传输给相应的模块；
目标函数评估模块，计算超短激光脉冲包络重构过程中高斯拟合的误差函数；
步长计算模块，通过当前拟合参数向量、搜索方向和梯度确定在搜索方向上的步长；
梯度计算模块，计算当前目标函数的梯度，判断是否满足跳出条件并完成参数向量的更新；
矩阵更新模块，由BFGS校正公式更新海森矩阵的逆矩阵，结合目标函数梯度确定新的搜索方向。


2.根据权利要求1所述的双飞秒激光测距系统数据处理平台，其特征在于，所述的目标函数评估模块包括：
高斯函数值计算单元，并行计算单个脉冲包络的所有采样数据点的拟合值，使用单个脉冲上8个采样数据点进行高斯拟合，同时计算8组高斯函数值，计算结果存在RAM中；
误差函数计算单元，使用多路选择器依次选择拟合值和对应采样数据点的幅值流入减法器相减，得到二者的差值；深度流水结构的向量与向量乘法单元被用于平方和运算，最后结果经过平方根运算，得到误差函数值。


3.根据权利要求1所述的双飞秒激光测距系统数据处理平台，其特征在于，所述的基于BFGS的峰值检测模块，使用两个BFGS-QN求解器并行处理参考信号脉冲和目...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘强，姜宇，曹辉，宋有建，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12