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马泽同，王劲松，陈雅鑫，张丽芳，张奇
（长春理工大学 光电工程学院，长春 130022）
激光回波模拟器是针对脉冲式激光测距仪在室内环境无需立靶条件下进行性能检测的一种设备，延时模块的最小分辨率决定了其回波模拟器的测量精度［1］。随着脉冲式激光测距仪产品在测量范围和精度等方面的不断优化，对回波模拟器的精度和测程要求更为严格。在对范围较大的测距仪进行检测时，需提供长距离且精准的距离目标，对环境要求较为严格。回波模拟器可以测试激光测距仪的整个测量范围，不受环境校准的影响。可在室内提供闭环可调光信号激励，可测量测距仪的测程、分辨率和精度等参数。
回波模拟器可分为电子延迟和光纤回波模拟，由于电子延迟回波模拟方法具体可操控、模拟光程连续、分辨率高等优点而应用普遍。祝现染等人［2］采用数模结合方式实现高精度延时；
2015年徐翔宇等人［3］采用主控芯片STC89C52、DS1023和AD9501的可编程延时芯片级联的方式进行50∼3 000 m距离模拟，但长距离模拟多芯片级联电路较为复杂，影响因素较多，误差较大；
2017年杨成禹、完文韬等人［4］在火控系统性能检测时采用粗延时和游标细分方式实现高精度模拟，但没有对延迟实验数据深入分析和处理；
2020年迟晨等人［5］提出了数字计数和模拟延时相结合的总体方案，采用抖动补偿技术实现抖动消除，模拟电路延时精度的提高。本文采用粗延时计数器计数和细延时相位细分调整相结合的方式，进行大范围、高分辨率且实时可调的回波模拟。
回波模拟器是通过延迟时间代替测距仪发射激光到目标物及反射回测距仪探测器时间的装置［6-7］。比较测距仪所测得的距离值与设定时间对应的距离值得出测量误差［8-9］。
激光回波模拟器的硬件组成包括激光接收模块、延迟模块、激光发射模块和控制单元［10］，原理组成框图如图1所示。硬件电路部分包括激光接收转换电路、上位机、延时系统和发射驱动电路。系统选用Cyclone IV系列FPGA（现场可编程门阵列）作为信号处理平台完成信号处理。激光回波模拟器接收测距仪发射的激光脉冲，激光脉冲经过回波模拟器的激光接收模块，包括衰减组件与光电转换处理电路，完成光信号到电信号以及电信号放大、滤波、整形等信号调理。调理后的电信号触发FPGA的延时模块工作，达到预先设置的延时，FPGA输出高电平脉冲驱动激光发射模块产生激光回波，通过准直组件进入测距仪的接收端。激光接收电路模块采用PIN光电探测器，放大电路选用跨阻式放大器OPA657，整形电路选用高速比较器TLV3501，激光发射电路模块采用驱动芯片和1 550 nm波长的发光二极管。
图1 激光回波模拟器系统组成原理框图
2.1 总延时
激光回波模拟器总延迟时间是模拟从脉冲式激光测距仪发出激光到接收激光回波的时间。设回波模拟器的模拟距离值为L，得到如下公式：
式中，c为光在真空中的传播速率，c=3×108m·s-1；
T为激光脉冲走过的时间。从系统原理可以看出，T对应回波模拟器中的三个部分［11］，即激光接收模块各器件响应时间T1，FPGA计数延时时间T2和激光发射模块各器件响应时间T3。因此，回波模拟器公式（1）可表示为：
本文主要针对T2进行优化，使其延迟时间范围、精度都得以优化。该延时系统采用粗、细延时单元相结合的方法，粗延时（T21）是通过计数器实现；
细延时（T22）是通过对粗延时信号进行同频异相采样实现的。高分辨率回波延时系统的方案原理如图2所示。
图2 延时系统设计方案原理图
2.2 粗延时
常用的延时技术包括计数器延时和存储器延时。计数器延时是通过边缘检测触发信号的上升沿或下降沿开始计数，当计数值到达设定值时输出高电平；
存储器延时是通过边缘检测后存储器读写实现延时。对于单目标信号而言，存储器延时容易出现时序不理想的情况，因此选用易实现且消耗较少资源的计数器延时。
粗延时是边缘检测到目标信号到达之后开始，粗延时时间原理如下：
式中，T21表示粗延时时间；
T0是指粗延时的时钟周期；
N0是周期延时个数。从式（4）中可以看出，粗延时时间是时钟周期的整数倍，即粗延时的最大延时精度可以达到T0。为提高回波模拟器的分辨率，计数器时钟应采用芯片的最高倍频时钟，综合目前的硬件技术，在保证系统稳定性的前提下，FPGA外接50 MHz的时钟晶振，锁相环倍频电路四倍频得到200 MHz系统时钟，延时精度5 ns，即0.75 m。采用16位二进制计数器，由公式（4）可得知N0，即：
计数器是从0开始计数的，从0计数到N0需要N0+1个周期，严格来说，计数时间会比T21多一个周期，因此计时时间等于严格的T21，需将N0减1，在程序中实现。
计数器模块的原理如图3所示，延时模块的计数器对触发信号的上升沿和下降沿进行边缘检测和计数延时，并输出相应的电平信号，该计数延迟时的劣势在于当计数值未达到设定值时，触发信号的下一个边缘已经来到，这时系统不会输出相应的高电平［12-13］。因此将触发信号检测到上升下降沿之后置于高电平解决设定延迟时间大于触发信号脉宽的问题。
图3 计数器模块方案原理图
2.3 细延时
细延时的延时精度决定了延时系统的精度，它是对小于粗延时周期的细延时，精细延迟实现高精度延迟的原理如下：
式中，T22是小于一个粗延时周期的延时量；
T′0是细延时单元中最小相移延时量，其值等于延时系统的精度；
N′0是细延时相位调整次数。为了提高延时精度，将粗延时时钟进行N等分。示例：N=10时时钟时序示意图如图4所示。
图4 时钟10等分时序
相位细分是指对时钟相位的等分，相位差就是延时精度，本文使用的FPGA为EP4CE10系列开发板，由Quartus软件可知该系列的芯片最小相位差为7.5°，因此将最后一个周期进行48细分，相位差 7.5°，即 104 ps（0.015 6 m）。相位调整次数由公式（6）可得，具体计算如下：
2.4 粗细延时单元的时钟关系
粗延时采用计数器延时，实现整数时钟周期的延时；
细延时采用相位细分后的同频异相时钟去采样粗延时输出信号，实现不足一个周期的延时。通过改变时钟相位来控制低于一个时钟周期的延时量，相位的分辨率就是延时系统分辨率，因此细延时单元的延时精度决定了整个系统的延时精度。
对于高精度的延时系统，如果时钟的输出相位不稳定，则无法保证系统的稳定性。因此，精确高效地控制精细延迟单元的时钟相位是实现高精度延迟系统的关键。本文粗延时单元的计数器时钟频率为200 MHz，粗延时精度为5 ns（0.75 m），精细延时的时钟相位将5 ns细分，相位延时104 ps（0.015 6 m）。
3.1 系统逻辑设计
图5为FPGA的内部结构框图。根据功能不同，延时系统主要由串口接收模块、数据寄存器模块、边缘检测模块、计数器延时模块、时钟PLL环倍频模块、细延时相移模块及数码管显示模块组成［14］。
图5 内部结构框图
采用Verilog语言：在Quartus中对程序进行设计。内部结构框图中：sys_clk为系统时钟50 MHz；
sys_rst_n为系统复位信号；
sclk为采样时钟；
根据Nyquist定理，sclk至少必须是触发脉冲的两倍；
trigger为输入脉冲信号；
seg_sel、seg_led分别为数码管的位选端和段选端；
uart_data为模拟延时距离值；
N、A为16位周期计数值和8位相位调整次数；
delay为最终延时输出信号。
3.2 实验系统设计
根据实验要求，系统的控制流程大致为：系统上电后，系统初始化，例化顶层模块，通过串口模块接收模拟距离值，经数据寄存器得出计数器延长16位周期数和8位相位调整次数，待计数器延迟结束后输出时钟，相位调整后的时钟采样计数器输出时钟最终输出延迟信号，至此完成一次模拟距离延迟。由此系统的功能框图如图6所示。
图6 激光回波模拟器实验系统框图
4.1 基于Modelsim数据仿真
仿真软件使用Modelsim，测试文件模拟串口发送数据，图7以距离18 m为例，计数器延时23个周期，相位调整0次，输出delay脉冲以驱动发射模块。
图7 模拟距离18 m的延时仿真图
4.2 实验验证延时系统
根据设备主控板和高频示波器搭建实验平台，如图8所示，为精确测量延时模块的响应时间，采用主控板产生脉冲代替激光接收模块输出的脉冲信号。图9为几组测量结果，两路通道分别对触发信号和延迟信号进行采样测量。实验对15～6 000 m采样15、18、30、50、100等 15组距离进行多次仿真和实验，表1为模拟距离仿真及实验数据。实验采用KEYSIGHT示波器采样测量，1 GHz采样率/8 Bit双通道示波器，最小的度为1 ns。
图8 回波模拟器实验平台
图9 示波器测量实验结果
如表1所示，测量误差与测量距离有着近似正比的关系，但对于较小距离时，由于信号之间的影响误差较大，经数据分析可知延时系统在18～6 000 m延时仿真误差≤100 ps，即0.015 m，实验误差≤800 ps，即0.12 m。
表1 模拟仿真及实验数据
以FPGA为操作平台的激光回波模拟器的延时系统设计，采用粗细延时相结合的方法，对大范围延迟量进行计数器粗延时，对于小于一个计数周期的延迟量进行相移采样延迟，较大地提高了系统的延时精度。通过仿真及实验验证了此设计可对15～6 000 m的距离进行模拟，延时模块仿真精度可达100 ps，即0.015 m，实验验证18～6 000 m延时精度可达800 ps，即0.12 m。仿真和实验均证明采用相位调整的方法对脉冲式激光测距仪可实现大范围模拟，利于测距仪的性能检测。
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