基于FPGA的激光告警高速信号采集系统设计_魏默浓.pdf

第 44 卷 第 4 期2023 年 4 月 激光杂志LASER JOURNALVol.44,No.4April,2023http /收稿日期:2022-09-27基金项目:国家自然科学基金(No.62105302)、山西省创新项目(No.2019L0530)作者简介:魏默浓(1993-),男,硕士研究生,主要从事光电检测等方面的研究。E-mail:rzwdks93 通讯作者:李孟委(1975-),男,教授,博士生导师,主要从事 MEMS 传感器、射频 MEMS 器件、石墨烯传感器和微系统技术方面的研究。E-mail:lmwprew 基于 FPGA 的激光告警高速信号采集系统设计魏默浓1,2,李孟委1,2,张 瑞2,余 甜1,2,张卓奇1,2,王志斌1,21中北大学仪器与电子学院,太原 030051;2中北大学前沿交叉科学研究院,太原 030051摘 要:针对二维激光告警中对于实时采集高速军用目标图像以及处理的需求,设计了一种具有高速高精度的模数转换系统。该系统采用 LTC2175-14 模数转换芯片作为核心,设计了外围电路以及驱动控制电路将转换后的数字信号传输至 FPGA(Field Programmable Gate Array),最后在上位机实现图像显示。同时利用 532 nm波长的激光模拟可见光,1 064 nm 波长的激光模拟近红外光验证该系统可靠性。经实验证明,该系统的图像读出时间达到 ns 级,完全满足激光告警图像高速实时传输处理的需求,并且在低功耗方面也具有优异的表现。关键词:激光告警;高速采集;ADC;FPGA中图分类号:TN249 文献标识码:A doi:10.14016/ki.jgzz.2023.04.047Design of high-speed signal acquisition system for laser alarmWEI Monong1,2,LI Mengwei1,2,ZHANG Rui2,YU Tian1,2,ZHANG Zhuoqi1,2,WANG Zhibin1,21School of Instrument and Electronics,North University of China,Taiyuan 030051,China;2Academy for Advanced Interdisciplinary Research,North University of China,Taiyuan 030051,ChinaAbstract:A high-speed and high-precision analog-to-digital conversion system is designed for real-time acqui-sition and processing of high-speed military target images in two-dimensional laser alarms.The system adopts LTC2175-14 analog-to-digital converter chip as the core,and designs peripheral circuits and driver control circuits to transfer the converted digital signals to FPGA,and finally realizes image display in the host computer.At the same time,the system reliability is verified by using 532 nm laser to simulate visible light and 1 064 nm laser to simulate near-infrared light.The system is proven to meet the requirements of high-speed real-time transmission and process-ing of laser alarm images,and also has excellent performance in terms of low power consumption.Key words:laser alarm;high-speed acquisition;ADC;FPGA1 引言激光技术经过半个多世纪的发展,从基本理论、实验验证到制造工艺都已非常成熟,特别是在军事上的应用,已经改变了世界。激光武器在诸多军事领域发挥着重要作用,比如激光制导武器,战术激光武器,LIDAR 系统,激光测距仪,水下成像激光雷达等,还有正在研究中的反太空激光武器,化学激光武器等更加先进的激光技术。激光技术已成为各国军事领域最为关键的技术之一。二维激光告警作为一种新型的侦查技术,一般固定在装甲车,飞行器,重要设施甚至单兵头盔上,能够探测,识别敌方激光测距信号或者制导武器发出的激光信号,判断其威胁程度并且预先警示。选用了像元阵列规格为 640512 的短波红外 InGaAs 焦平面阵列探测器,对比现有已知的激光告警器光学探测器,精度更高,视场更大,能接收的波长范围也更广。这也http /对与其匹配的模数转换电路,运算放大电路和滤波电路的噪声和精度等指标提出了更高的要求。目前激光告警中常用的模数转换芯片多为双通道,8 位采样及以下规格,存在着处理速度较慢,采样精度较低导致虚警率偏高等不足,选用了四通道,14 位采样的模数转换芯片,极大地提升了处理转换速度,采样精度等参数指标1,可应用于激光告警系统工作过程中。2 激光告警系统基本原理激光告警的核心指标是获取准确的光斑坐标。主要用光栅衍射的 1 级和 0 级间距判断来袭激光波长,0 级位置判断来袭激光方位角和俯仰角2。由于普通光栅-1 级衍射很弱,这样会导致漏报警,因此在光学系统中采用了两个多闪耀光栅反相对接,实现+1级和-1 级衍射对称。这样可避免衍射光能量集中在+1 级,提高-1 级衍射效率,提高系统探测灵敏度,降低系统的漏警率3。基于二维激光告警的理论设计,本系统按照模块划分主要由面阵探测器,模数转换模块,接口电路模块,存储模块,FPGA(Field Programma-ble Gate Array)控制模块,上位机模块几部分组成4,面阵探测器主要参数如表 1 所示,激光告警总体硬件框图如图 1 所示。探测器接收到激光信号以后,通过光栅衍射效应将包含有俯仰角,方位角及波长的模拟信号传入一级运算放大电路(跟随器)中,随后进入二级运算放大电路进行信号的滤波和放大,最后由模数转换芯片将模拟信号转为数字信号,经过 FPGA 控制接口电路传输存储后由上位机显示图像。表 1 面阵探测器主要参数型号GH-FPA15A像元阵列规格640 512像元尺寸15 m 15 m光谱响应0.4 m1.7 m外形尺寸36 mm 25.4 mm 7.2 mm系统时钟10 MHz12 MHz模拟输出范围 2.0 V图 1 激光告警系统整体框图3 高速采集系统原理及整体设计在激光告警的实际应用中,面阵探测器需要接收不同信号强弱的激光,因此,信号采样电路必须具备抗干扰,低失真,低噪音的优异性能。采用模块化系统设计,对来袭激光信号转换为数字信号之前,首先需要对模拟信号进行放大和滤波,为了实现信号的高速传输,还需要将单端信号转为差分信号,同时使得信号具有抗噪声干扰,有效抑制 EMI 的能力,故采取了前端和后端二级放大电路搭建数据采集系统,二级运放输出差分信号后输入高速 ADC(LTC2175-14),由 FPGA 控制高速 ADC 将差分信号进行后续处理,最终在上位机显示图像。高速采集系统原理框图如图 2 所示。图 2 高速采集系统原理框图4 信号采集系统设计由于面阵探测器采集到的激光信号脉冲强度强弱不同,故所设计的高速采集电路需要专为高频、宽动态范围信号数字化处理而优化。选用了 LTC2175-14 芯片实现模数转换,其直流性能包括 73.1 dB 信噪比(SNR)和 88 dB 无杂散动态范围(SFDR)。0.15 psRMS 的超低抖动实现中频(IF)频率欠采样下的优异噪声性能。数字输出为串行 LVDS,LVDS 驱动器具有可任选的内部终端和可调输出电平,以确保纯净的信号完整性。800 MHz 满功率带宽采样及保持(S/H)可满足高速测试要求。4.1 高速采集前置放大电路激光信号被探测器接收后,模拟信号首先输入一级跟随运放电路,使得系统的带负载能力得到很大的提升5-6,选用了 LT1806 芯片作为一级跟随运放电路,该芯片是一款双路低噪声轨至轨输入和输出单增益稳定运算放大器,具有 325 MHz 的增益带宽,-80 dB 的极低失真,85 mA 的输出电流,使其可用于高性能的数据采集系统。模拟信号从跟随器输出后,输入二级全差分输入和输出运算放大器7,选用 LTC6403 芯片作为二级放大电路芯片,该芯片为差分输入/输出放大器,除了正常的未滤波输出之外,还具有内置的 44.2 MHz 差分单极低通滤波器和一对额外的滤波输出,除此之外,84魏默浓,等:基于 FPGA 的激光告警高速信号采集系统设计http /为了保证输出信号摆幅最大化,还设有输出共模参考电压引脚。故经输出的信号除了转换为差分信号外,经滤波后具有更强的信号增益和更低的输入噪声。前置两级运算放大电路原理图如图 3 所示。图 3 前置两级运算放大电路4.2 高速 ADC 电路在激光告警数据采集系统中,为了适用于微弱信号采集,降低时序上的误差,并且能有效抑 EMI,LTC2175-14 采用差分模拟输入和串行差分 LVDS 输出8。数据采集主芯片采用 LTC2175-14 的四通道同时采样模式,并工作在串行编程模式。在该模式下数据输出的最大串行数据速率可达 1 Gb/s,其内部结构如图 4 所示。图 4 LTC2175-14 内部结构差分模拟信号由 Ain 引脚输入,经内部差分CMOS 采样及保持电路后输入 ADC 模块,在完成模数转换后由 FPGA 控制存储9-10,传输至上位机。外围电路如图 5 所示。5 实验结果5.1 前置运算放大电路实验利用仿真工具对前置跟随电路和单端转差分运放电路进行正弦激励,芯片仿真搭建如图 6 所示。图 5 LTC2175-14 外围电路图 6 LTC6403 仿真环境94魏默浓,等:基于 FPGA 的激光告警高速信号采集系统设计http /经过理论计算和电路仿真,确定当 R1,R2,R3,R4 分别为 402,392,402,422 时,LTC6403芯片的差分信号输出波形(n014 与 n018)和响应速度为最佳,并且偏置电压完全满足 LTC2175-14 的模拟输入电压范围。输入输出波形如图 7 所示。图 7 LTC6403 输出波形5.2 高速模数转换电路实验在激光告警系统工作开始时,首先对面阵探测器进行复位与初始化。使用了面阵探测器的 IWR 模式(边工作边传输模式),在这种模式下系统的工作效率最高,面阵探测器信号读出速度最快,也是最常用的工作模式11-12。面阵探测器的时序图如图 8 所示。总读出时间计算公式为 Tread=TmcHV/N+Trd(V-1),其中 Tmc 为主时间周期,N 为输出通道数,H 为列数,V 为行数,Trd 为每行读出后延时时间,最低为17 ns。由理论计算可知在 640512 的全分辨率下,系统总读出时间为 90 607 ns。图 8 面阵探测器工作在 IWR 模式下的时序图在光学滤光片分别为 532 nm 和 1 064 nm 的测试环境下,系统读出时间测量结果如表 2 所示。通过表2 的测量结果可知,系统读出平均时间均达到 ns 级,该实验的稳定性及精度均能满足实际应用需求。表 2 系统读出时间实验结果次数读出时间/ns532 nm1 064 nm195 12095