一种基于延时链路的时间间隔测量系统及方法与流程

1.本发明涉及激光雷达测距技术领域，具体而言，涉及一种基于延时链路的时间间隔测量系统及方法。


背景技术：

2.激光雷达是以发射激光束探测目标的位置、速度等特征量的雷达系统，由激光发射机、光学接收机和信息处理系统等组成。其工作原理是向目标发射激光束，然后将接收到的从目标反射回来的信号与发射信号进行比较，作适当处理后，就可获得目标的有关信息，如目标距离、方位、高度、速度、姿态以及形状等参数。
3.而激光雷达测距精度要求为厘米级，转换为时间间隔为皮秒ps级，传统时钟计数的方法很难达到该精度。导致激光雷达出现微小时间间隔误差，影响测量的精度。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种基于延时链路的时间间隔测量系统及方法，其能够测距工作时出现的微小时间间隔准确性的问题，提高测量的精度。
5.本发明的实施例通过以下技术方案实现：
6.一方面，提供一种基于延时链路的时间间隔测量系统，包括fpga芯片以及时间数字转换器，所述fpga芯片与所述时间数字转换器连接，所述时间数字转换器包括第一加法器、第二加法器、减法器以及多个第一时间间隔测量通道以及多个第二时间间隔测量通道，多个所述第一时间间隔测量通道的输出端分别与所述第一加法器的输入端连接，多个所述第二时间间隔测量通道的输出端分别与所述第二加法器的输入端连接，所述第一加法器与第二加法器的输出端连接所述减法器的输入端。
7.优选地，所述第一时间间隔测量通道与所述第二时间间隔测量通道结构相同，包括依次连接的进位链模块、延时链模块、编码器模块以及查找表模块；其中，
8.所述进位链模块用于将为输入的hit信号分配数值，使得hit信号输入所述延时链模块时具有两个跳变沿；
9.所述延时链模块用于测量时间间隔的细时间并向所述编码器模块输出细时间测量结果；
10.所述编码器模块用于对细时间测量结果进行编码，得到细时间编码结果；
11.所述查找表模块用于对细时间编码结果进行校正，得到校正细时间结果。
12.优选地，所述延时链模块由127位加法器构成。
13.优选地，所述查找表模块包括两个ram存储器。
14.第二方面，提供一种基于延时链路的时间间隔测量方法，包括如下步骤：
15.s1.获取输入的hit信号，其中hit信号包括start信号以及stop信号；
16.s2.将start信号分别输入多个第一时间间隔测量通道中，获取多个第一通道时间测量结果；将stop信号分别输入多个第二时间间隔测量通道中，获取多个第二通道时间测
量结果；
17.s3.将多个第一通道时间测量结果输入第一加法器中进行累加得到第一累加结果，并对第一累加结果进行移位；将多个第二通道时间测量结果输入第二加法器中进行累加得到第二累加结果，并对第二累加结果进行移位；
18.s4.将移位处理后的第一累加结果以及第二累加结果输入减法器中相减，得到时间间隔测量结果。
19.优选地，所述获取第一通道时间测量结果的方法与获取第二通道时间测量结果的方法相同，具体包括如下步骤：
20.a.hit信号输入进位链模块，进位链模块为hit信号分配数值，使得hit信号输入延时链模块时具有两个跳变沿；
21.b.hit信号输入延时链模块，并在延时链模块上进行传播，延时链模块计算传播过程中的细时间测量结果，细时间测量结果分为两路输出，一路被粗时钟寄存器采样寄存，另一路进入编码器模块进行编码；
22.c.编码器对细时间测量结果编码，编码获得细时间编码结果；
23.d.细时间编码结果进入查找表模块进行校正，校正获得校正细时间结果；
24.e.将校正细时间结果与粗时间相加得到第一通道时间测量结果或第二通道时间测量结果。
25.优选地，所述查找表模块的校正过程为：
26.a.建立编码细时间结果与测试次数的频次表；
27.b.判断测试次数是否到达预设值；若到达，则将频次表的各项数据依次累加求和，获取编码细时间结果的积分表；
28.c.查询积分表，得到校正细时间结果。
29.本发明实施例的技术方案至少具有如下优点和有益效果：
30.本技术基于fpga的延时链路来获得时间间隔的细时间值，解决测距工作时出现的微小时间间隔准确性的问题，提高测量的精度；
31.本发明设计合理、结构简单，实用性强。
附图说明
32.图1为本发明实施例1提供的基于延时链路的时间间隔测量方法的流程示意图；
33.图2为本发明实施例1提供的时间数字转换器的结构示意图；
34.图3为本发明实施例1提供的第一时间间隔测量通道的结构示意图。
具体实施方式
35.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
36.实施例1
37.在距离测量领域，从原理上讲激光雷达是通过发射激光信号，然后接收从目标反
射回来的回波信号，与发射信号进行比较，以获得目标的距离信息。即测量发射的激光脉冲到目标和返回到接收器的传播时间t。由于激光是以光速c传播的，光速是已知的并且受环境影响小，所以与目标的距离可以从时间间隔计算出来。
38.激光雷达设备测距精度要求为厘米级，转换为时间间隔为ps级，传统时钟计数的方法很难达到该精度。于是，本技术提出采用基于可编程逻辑器(fpga)的时间间隔测量的方法，利用芯片内部延迟链来获得时间间隔的细时间值。时间间隔测量值的计算方法为粗时间值加上细时间值。
39.激光器发射脉冲激光到目标，同时产生一个发送事件的启动信号(start信号)到时间数字转换器，代表激光脉冲飞行的起始时间。发射的激光脉冲遇到目标会产生回波，从目标反射回来的激光脉冲经接收器接收，由光电探测器转换为电信号。该信号经放大，并转换为逻辑电平信号，即停止(stop)信号。需要测量启动和停止信号之间的时间间隔并将其转换为距离结果。
40.所以，本技术提供一种基于延时链路的时间间隔测量系统，以此来解决上述问题，如图2所示，一种基于延时链路的时间间隔测量系统包括fpga芯片以及时间数字转换器，所述fpga芯片与所述时间数字转换器连接，所述时间数字转换器包括第一加法器、第二加法器、减法器以及多个第一时间间隔测量通道以及多个第二时间间隔测量通道，多个所述第一时间间隔测量通道的输出端分别与所述第一加法器的输入端连接，多个所述第二时间间隔测量通道的输出端分别与所述第二加法器的输入端连接，所述第一加法器与第二加法器的输出端连接所述减法器的输入端。在本实施例中，第一时间间隔测量通道为4个，第二时间间隔测量通道为4个。
41.所述第一时间间隔测量通道用于测量start信号，所述第二时间间隔测量通道用于测量stop信号。本技术设计多个第一时间间隔测量通道以及多个第二时间间隔测量通道，进行多次测量start信号以及stop信号，其目的在于求取多个通道的平均测量结果，从而提高测量结果的精度。
42.所述第一时间间隔测量通道与所述第二时间间隔测量通道结构相同，如图3所示，包括依次连接的进位链模块、延时链模块、编码器模块以及查找表模块；其中，
43.所述进位链模块用于将为输入的hit信号分配数值，使得hit信号输入所述延时链模块时具有两个跳变沿；在本技术中，hit信号为start信号或stop信号。
44.在fpga芯片的延时链路中，会出现突发的大延时单元，对测量精度造成较大的影响，所述本技术设计了进位链模块，进位链模块将输入的hit信号设置固定数值，使hit信号具有两个固定距离的跳变沿，且使得两个跳变沿不会同时处于一个大的延时单元中，降低大延时单元对测量精度的影响。
45.所述延时链模块用于测量时间间隔的细时间并向所述编码器模块输出细时间测量结果。
46.在本实施例中，延时链模块由127位加法器构成，随着hit波形在延时链上传播以及时间的推移，加法器输出波形，并持续向左移动，由粗时钟寄存器采样寄存，并得到细时间测量结果，细时间测量结果128位数，例如“......000111000111000......”。
47.所述编码器模块用于对细时间测量结果进行编码，得到细时间编码结果。因为细时间测量结果为128位数，处理起来不方便，所以需要对细时间测量结果进行编码，编码为
能够反映127级延时大小的8位数据。得到细时间编码结果。
48.所述查找表模块用于对细时间编码结果进行校正，得到校正细时间结果。因为延时链的延时单元值不均匀以及温度对延时值的影响，使得得到的细时间编码结果不够精准，需要通过查找表模块对细时间编码结果进行校正。其校正方法为：建立细时间编码结果与测试次数的频次表。当测试次数达到指定值时，将频次表各项数据依次累加求和，得到细时间编码结果的积分表。通过查询积分表，可以直接得到校正细时间结果。
49.且为了实现线性操作，在本实施例中，所述查找表模块包括两个ram存储器。建表与查表的过程分别在2个ram存储器内存中同时进行。当第1个ram存储器正在进行建表时，第2个ram存储器已经建好的表进行查询。当第1个ram存储器建表完成时，进行切换，第1个ram存储器进行查询，第2个ram存储器内存进行建表，如此循环。
50.如图1所示，第二方面，提供一种基于延时链路的时间间隔测量方法，包括如下步骤：
51.s1.获取输入的hit信号，其中hit信号包括start信号以及stop信号。
52.s2.将start信号分别输入多个第一时间间隔测量通道中，获取多个第一通道时间测量结果；将stop信号分别输入多个第二时间间隔测量通道中，获取多个第二通道时间测量结果。
53.所述获取第一通道时间测量结果的方法与获取第二通道时间测量结果的方法相同，具体包括如下步骤：
54.a.hit信号输入进位链模块，进位链模块为hit信号分配数值，使得hit信号输入延时链模块时具有两个跳变沿。
55.b.hit信号输入延时链模块，并在延时链模块上进行传播，延时链模块计算传播过程中的细时间测量结果，细时间测量结果分为两路输出，一路被粗时钟寄存器采样寄存，另一路进入编码器模块进行编码。
56.c.编码器对细时间测量结果编码，编码获得细时间编码结果；
57.因为输入的细时间测量结果是128位，太宽，不方便处理，需要进行编码到8位的细时间编码结果，具体编码方法如下：
58.输入细时间测量结果分3路，第1路不作处理，第2路左移1位，按位取反，第3路左移2位，按位取反。然后这三路按位与得到一个新的128位数据。这样做的效果是，例如原数据是这样的“......000111000111000......”，经处理后，得到这样的“......000001000001000......”。1的位置就反映了细时间的信息。
59.得到新128位数据后，分为16组，每组8位，分别进入8-4编码器进行编码。得到细时间编码结果。编码器输出信号tn表示输入数据中1的存在的位置，输出信号detectn表示输入数据是否有1存在。其8-4编码器的的映射关系如表1所示：
60.输入数据tn[3:0]detectn0000_0000000000000_0001000110000_0010001010000_0100001110000_100001001
0001_0000010110010_0000011010100_0000011111000_000010001
[0061]
表1：8-4编码器输入输出关系
[0062]
d.细时间编码结果进入查找表模块进行校正，校正获得校正细时间结果；
[0063]
所述查找表模块的校正流程具体为：从某一个时刻开始，ram1刚好开始建表，ram2开始进行查询。
[0064]
ram2进行查询时，ram2的建表已经完成，只要delaychain bin作为ram2的地址信号给出，即输出校正细时间结果。
[0065]
当ram2开始查询时，与之同时，ram1开始进行建表。首先，ram1进行初始化，把之前的表内容全部清0。然后，当delachain bin到来时，作为ram1的地址信号，进行地址次数统计。当delachain bin到来32768次后，频次表建立完成，接下来建立积分表。积分表建立过程是：把频次表内容按地址依次读出累加，再把每一次的累加结果按地址写入表中。例如，i0＝n0，i1＝n0 n1，i2＝n0 n1 n2，......
[0066]
查表得到的测量结果是经过转处理后的结果。首先，1个hit信号经过进位链模块变成2个跳变沿，所以delachain bin应除以2。其次，经过32768次的hit信号，建立频次表，然后得到积分表，每个地址的积分结果应除以128才是校正细时间结果。
[0067]
e.将校正细时间结果与粗时间相加得到第一通道时间测量结果或第二通道时间测量结果。粗时间为现有技术，在本技术中不作详细描述。
[0068]
s3.将多个第一通道时间测量结果输入第一加法器中进行累加得到第一累加结果，并对第一累加结果进行移位；将多个第二通道时间测量结果输入第二加法器中进行累加得到第二累加结果，并对第二累加结果进行移位；根据第一时间间隔测量通道的个数对第一累加结果进行移位，根据第二时间间隔测量通道的个数对第二累加结果进行移位。则，在本实施例中，需要将第一累加结果以及第二累加结果分别右移两位，相当于除以4。
[0069]
s4.将移位处理后的第一累加结果以及第二累加结果输入减法器中相减，得到时间间隔测量结果，相减则表明为计算的是start信号与stop信号之间的时间间隔。
[0070]
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。