（光学工程专业论文）光纤阵列激光告警系统的信号处理模块的研究与实现.pdf

摘要 摘要 激光告警技术是一种特殊用途的光电侦察技术，它针对战场复杂的激光威胁 源，及时准确地探测敌方发射的激光信号，确定其入射方向，发出警报。本文主 要研究采用光纤阵列延迟测向技术原理，来研制高性能激光告警器。 数字信号处理模块是光纤阵列激光测向告警系统中重要的一个模块，对数据 采集卡采样出的数据进行处理从而解算出激光入射角度，可以使用f p g a 进行处 理。针对f p g a 时钟频率不宜过高的缺陷，利用f p g a 自身资源锁相环( p l l ) ， 使用较低的外部时钟对高速的数字信号进行处理，为激光测向告警器的改进与优 化提供了依据，并将所有程序成功下载到f p g a 的配置芯片中。此外，论文还设 计了电压转换、f p g a 配置电路等，并设计出p c b 版图。 光纤时间延迟测向技术是依据激光在光纤中传输的时间差来区分不同的激光 来袭方向，也就是通过对激光信号脉冲波形的分析与研究来计算延迟时间，进而 解算出激光辐射源的方位、角度。本文通过介绍光纤阵列激光测向告警系统的结 构及其工作原理，从理论上分析了光纤时间延迟测向技术的实现方式，并通过设 计光纤延迟测向实验系统装置来模拟实际的光纤延迟测向告警系统。同时利用实 验得出的数据，使用重心法解算出相应的激光入射方位角，并验证了其能够达到 的测向精度。 关键字：激光告警，光纤延迟线，锁相环( p l l ) ，p c b ，方位角 a b s t r a ( 玎 a b s t r a c t l a s e rw a n t i n gt e c h n o l o g yi sak i n do fp h o t o e l e c t r i cr e c o n n a i s s a n c et e c h n o l o g yw i t h s p e c i a lp u r p o s e i ta i m e da tc o m p l i c a t e dl a s e rt h r e a t e ns o u r c e sf r o mb a t t l e f i e l d ，i tc o u l d e x a c td e t e c tl a s e rs i g n a lo fe n e m ye m i s s i o no nt i m ea n da s c e r t a i nt h ed i r e c t i o no f i n c i d e n c e ，t h e ns e n do u tw a r n i n g t h i sp a p e rm a i n l yw o r k so n p r i n c i p l eo f t h e o p t i c a lf i b e ra r r a y sd i r e c t i o n a ld e t e c t i o nt od e v e l o pt h eh i g h p o w e r e dl a s e rw a r n i n g d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gm o d u l ei sai m p o r t a n tm o d u l ei nt h eo p t i c a lf i b e ra r r a y l a s e rw a r n i n gs y s t e m , w h i c hp r o c e s s e st h ed a t as a m p l e df r o mt h ed a t aa c q u i s i t i o nb o a r d , t h e nw ec a nw o r ko u tt h ei n c i d e n ta n g l eo fl a s e r , a n dw eu s ef p g at oa c h i e v et h eg o a l a i m sa tt h ed e f e c tt h a tt h ec l o c kf r e q u e n c yo ff p g ac a nn o th i l g he n o u g h , w em a k eu s eo f f p g a sr e s o u r c e - p h a s el o c kl o o p ( p l l ) ，a n dw ec a np r o c e s sh i g h - s p e e dd i g i t a ls i g n a li n al o wc l o c k rs u p p l i e st h ei m p o r t a n ta r g u m e n ts u p p o r to ft h eo p t i m i z a t i o nd e s i g no fl a s e r d i r e c t i o n a ld e t e c t i o nw a r n i n gs y s t e m a l lt h ep r o g r a m sa r ed o w n l o a dt ot h ec o n f i g u r a t i o n c h i ps u c c e s s f u l l y 乃ep e r i p h 唧c i r c u i t ss u c ha sp o w e rs u p p l ym o d u l e , c o n f i g u r ec i r c u i t a n ds oo nh a v eb e e nd e s i g n e d , w ea l s od e s i g nt h ep c b l a y o u t t h et e c h n i q u eo fo p t i c a lf i b e rt i m ed e l a yd i r e c t i o n a ld e t e c t i o ni sb a s e do nt h et i m e d i f f e r e n c eo ft r a n s m i s s i o ni nt h eo p t i c a lf i b e r 、7 l ，i n ld i f f e r e n tl e n g t h i no r d e rt o d i s t i n g u i s ht h ed i r e c t i o no ft h el a s e rr a d i a t i o nc o m e sf r o m t h a ti st os a yt h ed e l a yt i m e i sc a l c u l a t e db ya n a l y s i sa n ds t u d yo ft h ew a v e so ft h el a s e rp u l s e t h e nt h ea z i m u t h a n g l eo fl a s e rr a d i a t i o ni sc a l c u l a t e d t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ec o n f i g u r a t i o na n dt h e p r i n c i p l eo f t h eo p t i c a lf i b e ra r r a yl a s e rw a r n i n gs y s t e m t h em e t h o do ft h et e c h n i q u e s o fo p t i c a lf i b e rt i m ed e l a yw a sa n a l y z e dt h e o r e t i c a l l y , a sw e l la st h eo p t i c a lf i b e rd e l a y d i r e c t i o n a ld e t e c t i o ne x p e r i m e n t a ls y s t e md e v i c ew a sd e s i g n e dw h i c hw a su s e dt o s i m u l a t et h ea c t u a lo p t i c a lf i b e rd e l a yd i r e c t i o n a ld e t e c t i o nw a r n i n gs y s t e m u s i n gt h e d a t ao fe x p e r i m e n t a lr e s u l t ，t h ea z i m u t ha n g l eo fi n c i d e n c eo fl a s e rr a d i a t i o ni s c a l c u l a t e db yt h eu s eo ft h eb a r y c e n t e ra r i t h m e t i c t h ee x p e r i m e n t a ld a t ac o n f i r mt h e p r e c i s i o no f t h ed i r e c t i o n a ld e t e c t i o nt h a tt h es y s t e mc o u l db ea t t a i n e d k e yw o r d s ：l a s e rw a r n i n g , o p t i c a lf i b e rd e l a yl i n e s ，p h a s el o c kl o o p ( p l l ) ，p c b ， d i r e c t i o n a ld e t e c t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 虢鲤 日期：沙以月2 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 年莎月2 日 第一章引言 1 1 选题的意义 第一章引言 激光告警是一种拦截激光束侦察敌方威胁的行为，主要是拦截战场上特定波 长的激光束，实时地通过信号处理确定激光束的特性，包括波长，入射方向以及 重复频率等，并进行报警。能完成这些行为的设备就是激光告警器 本论文主要研究来袭激光的实时探测、处理，从而快速获得激光来袭的方向 信息的有关f p g a 的技术。预期该技术在激光告警中的应用可使我们能够快速获 得目标激光的来袭方向，进而为光电对抗提供实时可靠的情报。 1 2 激光告警器概述 1 2 1 激光告警器的组成及工作原理 激光告警机组成分为激光接收系统、光电探测器、信号处理系统、显示告警 设备等。如图1 - 1 所示，激光接收系统拦截激光束，滤除大部分杂散光将激光信 号照射于光电探测器上装变为电信号，并将电信号送入信号处理系统进行处理， 最后送入显示器显示出激光信息，同时进行报警，也可以将处理过的数据送入光 电干扰设备，进行干扰或打击。 电子科技大学硕士学位论文 激光源 图卜1 激光告警设备组成示意图 激光告警设备的主要战术性能包括以下指标； ( 1 ) 告警距离：激光告警器能确认存在威胁的最大距离。 ( 2 ) 探测概率：告警设备能对威胁正确探测并发出报警的概率。 ( 3 ) 虚警与虚警率：虚警指的是实际上并不存在威胁而告警设备却认为有威胁 并错误的进行了报警。发生虚警的概率就为虚警率。 ( 4 ) 视场角：告警设备能有效侦测威胁并报警的角度范围。 ( 5 ) 角分辨率：告警设备能区分两个威胁源的最小角度。 激光告警设备的主要战术性能指标范围如表卜1 所示。 2 第一章引言 表1 - 1 激光告警设备主要战术技术性能指标范围 指标名称通常取值范围 告警距离 1 - 1 5 k m 视场角水平3 6 0 。，垂直1 8 0 。 灵敏度1 0 一1 0 - 6 w c 掰2 动态范围( 分析) 1 0 4 1 0 8 d b 动态范围( 致盲)1 0 8 1 0 1 2 d b 虚警率1 ( 1 h ) - 1 ( 2 4 h ) 探测概率 0 9 - 1 9 9 光谱分析率 0 0 1 u m 脉宽鉴别 1 0 - l o o n s 角分辨率 l o 一4 5 。 1 2 2 激光告警机分类 1 - s , n l 激光告警机按探测工作原理分为主动型和被动型两种，而被动型激光告警机 又分为光谱识别型、成像型和相干识别型三种。 一 ( 1 ) 光谱识别型激光告警接收机 光谱识别型激光告警接收机的设计依据是目前军用激光武器的工作波长仅有 有限的几个，例如o 8 5 z m 、1 0 6 t m 、1 0 6 , u m 等。那只要探测器探测到其中某个 波长的激光能量，就意味着可能存在激光武器的威胁。作为一个比较成熟的体制， 光谱识别型激光告警接收机具有技术难度小，成本比较低的优点，所以在现在各 种类型的激光告警器中，光谱识别型激光告警器是开发得比较多的。光谱识别型 激光告警接收机一般是由两个部分组成，分别是探测头和处理器。其中多个基本 的探测单元阵列按照总体性能的要求排列起来构成探测头，相邻的视场形成重叠。 当入射激光束从一个入射角度射到探测头上，进入探测头上某一个光学通道，那 么入射的方向就一定在光学通道光轴两边的一定视场范围内。当入射激光束同时 进入相邻两个光学通道，那么入射方向就一定在两个通道视场角相重叠的视场范 围内。按以上的探测原理，探测头将整个告警空域分为若干个区间。这样无论激 光束从哪个方向入射进来，探测头都能探测得到，并将接收到的激光脉冲传给光 电探测器( 一般为p i n 光电二极管) ，光电探测器通过进行光电转换将激光脉冲转 换为电脉冲，电脉冲经过放大处理后进入信号处理器进行处理，从而被实时鉴别 3 电子科技大学硕七学位论文 出有用信号，通过这些信号确定激光源参数并定向。 一 ( a ) b ， c ( a ) 接收头外形示意图；( b ) 水平方向角度关系； c ) 垂直方向角度荚系 图卜2 探测头光学通道【4 】 按照探测器探测激光能量的方式把光谱识别型激光告警接收机分为接收大气 气溶散射的激光能量的散射探测型和直接拦截探测型两种。 a ) 散射探测式激光告警系统 散射探测式激光告警系统可以通过探测目标表面、地面以及大气气溶胶等散 射的激光能量来告警。其探测器光学系统的核心是一个圆锥棱镜，该棱镜是经过 特殊处理的，内部有一个下凹的棱形。在棱镜的下方安装的依次是是窄带干涉滤 光镜和硅光电二极管探测器。在两个器件当中还安装了一块菲涅尔透镜，它将透 过滤光镜的光束聚焦在光电二极管探测器的光敏面上。这种散射探测方式可以有 效地对激光束进行告警，但是并不能确定来袭激光束的入射方向。 b ) 激光束直接拦截探测式激光告警系统 要想确定激光束的入射角度，则一般采用拦截探测的方式。拦截探测方式通 常是由若干个独立的光学通道和电路组成的。这种接收机探测的灵敏度很高，但 是角分辨率较低，只能判定大概的入射方向，此外还有视场大，结构简单，没有 复杂的光学系统，成本低等优点。例如r l l 型激光告警机的探测头如图卜2 ( a ) 所 示。它由5 个硅光电二极管探测器组成，这样总共就分为了5 个光学通道，水平 方向上平均分布了4 个通道，每个通道的水平探测视场均为1 3 5 。，垂直探测视场为 8 7 5 。( - 2 0 5 。一6 7 5 。) 。图1 - 2 ( b ) 表示它们在水平方向的角度关系，4 个视场相互 配合可以探测水平上3 6 0 。的入射激光。相邻的视场重叠的角度为4 5 。，角分辨率 为4 5 。，它们将整个3 6 0 。的水平视场均匀分成8 个象限。因此根据激光束进入的 某个或某两个光学通道就可以确定激光入射角所在的象限。第5 个探测器是垂直 方向的探测器，光轴垂直于水平面，视场为1 3 5 。，与水平方向上分布的光学通道 配合起来，可以探测垂直的1 1 0 。的空域中入射的激光束。图卜2 ( c ) 所示为探测 4 第一章引言 器关系通道的垂直面内的角度关系。在图1 - 2 ( b ) 中可以看出，当只有一个光学 通道接收到激光束时，激光入射角度一定是在以通道光轴为中心的4 5 。的视场角 中；当两个通道同时接收到激光束时，那么激光入射角一定是在两个通道相重叠 的4 5 。视场角中。在图i - 2 ( c ) 中可以看出，当只有垂直光学通道接收到激光束 时，激光入射角一定在以垂直光学通道光轴为中心的4 5 。的视场较中；当垂直光学 通道与某一个水平光学通道同时接收到激光束时，激光入射角一定在垂直通道与 该水平通道相重叠的4 5 。视场角中；当只有水平光学通道接收到激光束时，激光入 射角一定在_ 2 0 。+ 2 2 5 。的视场中。 ( 2 ) 成像型激光告警设备 由于传感器数量的限制，光谱识别非成象型激光告警器角分辨率不会很高( 通 常是十几度到几十度) ，不适于装备在要求精确角度探测的作战设备上，所以成象 型激光告警设备的研制变得很必要。成象型激光告警机的工作原理是基于广角凝 视成像体制面的，利用鱼眼透镜( 或超广角镜头) 的超大空域覆盖特性和红外电 耦合器件( c c d ) 器件。 ( 3 ) 相干识别型激光告警设备 由于激光具有高度的时间相干性，相干长度通常在毫米和厘米量级上，而非 激光的相干长度则只有几微米。因此用干涉仪作为传感器便就可以识别激光。激 光入射到传感器上便会产生相长干涉和相消干涉，而非激光入射到传感器上就不 会长生干涉，而表现为直流背影，把这两种情况区别开来。这就是相干识别型激 光告警设备的工作原理。 表卜2 是多种类型激光告警机的比较。 5 电子科技大学硕士学位论文 表卜2 激光告警机的比较【5 】 相干识别型 类型光谱识别型成象型 法一珀型迈克尔逊型 结构简单视场大灵敏度高虚警率较低 优点视场大可凝视监视虚警率低角分辨率高 灵敏度高角分辨率高能测定激光波长能测定激光波长 成本低虚警率较低视场较大 角分辨率低不能确定激光角分辨率较低视场小 缺点不能确定激光波长工艺难度大成本较高 波长成本高成本高灵敏度低 虚警率较高只能单波长工作 1 3 激光告警技术发展趋势 随着军事激光器的种类和波长范围的迅速扩大，对激光告警设备的要求也越 来越高，同时现代光电子技术也深入的发展起来，也使得有更强打大的技术背景 支持研制出更高性能的告警设备。 目前，激光探测告警技术的研究主要集中在以下几个方面嘿 ( 1 ) 探测波段更宽。 ( 2 ) 多目标处理。 ( 3 ) 更高的侧向定位精度。 ( 4 ) 激光告警机的自身防护。 1 4 课题的来源和主要解决的问题 1 4 1 课题来源 本课题来源于西南技术物理研究所( 中国兵器工业部2 0 9 所) 的科研项目“激 光测向告警系统 ，本文主要研究内容是其研制激光测向告警原理样机中数字信号 处理部分的关键技术。 1 4 2 课题的主要工作及解决的问题 6 第一章引言 论文主要研究工作如下： ( 1 ) 首先简述了激光告警器的组成和分类，并对激光告警器各类别的优缺点 进行了比较分析。 ( 2 ) 介绍了光纤阵列激光测向告警系统的结构及其工作原理，理论上分析了光 纤时间延迟测向技术的实现方式，介绍了重心法解算延迟时间的具体步骤。 ( 3 ) 应用f p g a 完成对激光测向告警原理样机中数字信号处理模块的设计，设 计芯片所需的外围电路，如电压转换电路、配置下载电路等模块，并制出p c b 板。 ( 4 ) 参与搭建了光纤延迟测向装置实验系统来进行测向实验，并对系统中关键 技术进行了分析与讨论。 ( 5 ) 通过实验中测得的激光脉冲峰值与脉冲延迟时间，通过重心解算法解算出 准确激光入射方位角度，并进行误差分析。 7 电子科技大学硕士学位论文 第二章光纤时间延迟测向原理 不同长度的光纤对接收到的激光脉冲信号延迟时间不同，通过解算出准确的 延迟时间从而计算出准确的激光入射角度，这就是光纤时间延迟侧向的原理。本 章主要介绍了光纤时间延迟测向的工作原理以及侧向系统的探测头的结构，并推 到了重心解算法的原理，通过重心法解算出入射角度。 2 1 光纤阵列激光告警探测头原理 激光告警系统组成原理如图1 - 1 所示。在设计系统的时候，首先考虑的是系 统的最前端一探测头的结构设计。在阵列型激光告警系统的探测设备中，探测头 通常是由多个按一定得组合方式排列的阵列单元组成的，这样可以保证对足够方 位空域的警戒，从而满足激光告警系统的设计要求n6 盯1 。探测头上的每个阵列单元 都只有一定得视场范围，只能接收从一定得视角内入射的激光束；各相邻的阵列 单元都有部分重叠的视场，这样就一定会出现这样的情况：多个阵列单元同时接 收到同一个激光信号。光电探测器将接收到的激光信号转换为电信号，送入信号 处理单元进行信号处理，并通过计算确定激光的入射角度。这些探测头上的阵列 单元分为传感器阵列和光纤阵列。 2 1 1 传感器阵列激光告警探测头的结构 传感器阵列激光告警探测头是利用光电探测系统截获和跟踪对方发出的光辐 射，经分析、处理并识别计算后获得有用的信息1 9 1 。这种告警探测头的结构如图 2 - 1 所示。 编腻 图2 - 1 传感器阵列探测头部结构示意刚3 1 第二章光纤时间延迟测向原理 根据激光告警装置的重叠视场、独立视场、分辨率和光电二极管光学接收视 场等技术指标要求，将探测头表面分为刀层，每一层按一定角度把光电二极管排 列在探测头内，由公式计算出光电二极管的数量和层数。 2 1 2 光学窗口阵列激光告警探测头的结构 光学窗口阵列激光告警系统探测头是采用光学窗口阵列的方式代替传统的光 电传感器阵列【1 6 1 ，图2 2 所示是光学窗口阵列激光告警探测头的结构示意图。 图2 - 2 光纤阵列探测头部结构示意图l l 叫 光学窗口阵列探测头的形状是半球型的，在其最高点处放置了一个中心传感 器，这个中心传感器是一个全向的探测器，能够接收来自3 6 0 。方向入射的激光信 号，起到判定激光束到来时刻的作用。若干个光学窗口沿圆周均匀地排列在探测 头的半球表面上，分为多个层面，每个光学窗口只有一定得视场角度，只能接收 从一定入射角度射入的激光束。各个光学窗口按设计者设定的间隔角度排列，相 邻的光学窗口的视场有一定的重叠，这样不但可以消除探测死焦，还能降低虚警 率。每个光学窗口都与一根光纤耦合在一起，而长度不同的光纤捆在一起，把所 有光纤头耦合在一起，共同接在一个共同传感器上，又称为光纤阵列。 德国m b b 公司在获得美国转让的相关专利技术的基础上，经过多年的研究， 研制出了通用光电激光探测系统( c o l d s ) 样机 1 5 】。该样机的探测头就是采用的 是光学窗口阵列型传感器。 光纤阵列型传感器只需要设置两个探测器就足够了，大大地减小了体积，同 时也降低了成本；也可以通过增加光学窗口的数量来提高角分辨率却不会增加探 测头的体积和成本，这样也大大的弥补了传统的传感器陈列探测装置在这方面的 不足和缺陷。下面将着重介绍光学窗口阵列型激光告警系统的结构设计与工作原 理。 9 电子科技大学硕士学位论文 2 2 光纤时间延迟测向系统 2 2 1 光纤阵列激光告警系统探测头的结构设计 在光纤阵列激光告警设备中【1 6 1 ，光纤阵列激光探测头如以上分析，采用半球 的形状，在最高点设置一个中心传感器，在半球的表面上均匀设置了2 5 2 个光学 窗口，物理上是按照1 4 层，每层1 8 个的均匀排列。由于相邻视场部分相互重叠， 所以在逻辑上是为7 层，每层3 6 个光学窗口，每个光学窗口视场是2 5 。的矩形视 场，每个光学窗口按照间隔1 0 。的排列，探测头的结构如图2 - 2 所示。光学窗口后 连接的光纤的输入端放置在光学窗口的焦平面上，每个光学窗口耦合的各根光纤 长度各不相同，相邻的光纤有一定值的长度差，所有的光纤捆在一起，光纤头耦 合在一起，公共引向公用的传感器的光敏面上。如图2 - 3 所示是这种光纤阵列激 光告警系统的探测头内部结构。 图2 - 3 探测头内部结构示意图【1 6 】 2 2 2 光纤时间延迟测向基本原理 光纤时间延迟测向原理就是不同的窗口后面连接的光纤长度不同，而同一个 激光脉冲进入不同的光学窗口，通过不同长度的光纤传输得到的延迟时间并不相 同，而利用测到的多个脉冲波形和延迟时间计算出激光入射的真实光学窗口的延 迟时间，从而解算出准确的激光束入射焦度，进而达到侧向的目的【l 弛4 1 。 激光告警系统的探测头被一束激光照射到时，该探测头最高点的重心传感器 立即接收到这束激光信号，作为光学延迟时间测量的“启动信号 立即被触发， i o 第二章光纤时间延迟测向原理 进入了延迟定时的阶段；与此同时半球表面上的光学窗口也接收到同一束激光信 号，经过长度不同的光纤传输后，按不同时间前后进入共同传感器进行光电转换。 在这段时间内会受到一组脉冲信号，由于相邻光学窗口有部分视场相互重叠，所 以此时就一定有两至三个光学窗口同时接收到同一束激光信号，在这里我们假设 有三个光学窗口同时接收到这束激光信号，由于这三个光学窗口后面耦合的光纤 长度不同，该激光脉冲信号传输到共同传感器的时间也是不同的，并且在相邻的 光纤之间的时间间隔为常数，所以一定会得到三个有部分重叠的脉冲波形。如图 2 4 所示为接收到的波形，在图中可以就看到第一个脉冲波形是中心传感器接收到 的激光脉冲信号，后面三个有部分重叠的脉冲波形则是相应的三个光学窗口接收 到同一个激光脉冲而形成的原理波形。 f ( t ) 图2 4 激光脉冲波形原理图【9 】 2 3 光纤延迟时间及方位角解算原理【9 1 0 l 2 3 1 光纤延迟时间的解算 假定光纤阵列激光探测头的中心传感器接收到激光信号的时刻作为起始时间 t o ，由测向传感器接收到激光信号时刻作为停止时间，测量光强重心的光纤延 迟时间来解算激光辐射的入射角，原理如图2 - 5 所示： 电子科技大学硕士学位论文 躺7 多 氐。、 图2 - 5 光纤延迟时同解舁波形原理图 设最先到达中心传感器的时间为气，后续相继到达的激光脉冲信号到达时间 分别为、乞、岛，通过计算得出加权延迟时间，即 f l = f l t o f 2 = f 2 一f o ( 2 一1 ) f 3 = f 3 一f o f l 、f 2 、f 3 分别与相应光学窗口的方向角l 、2 、3 成正比。 加权延迟时间平均值乞为： f 工= 9 1f 1 - i - 占2f 2 + s 3f3(2-2) 其中g l 、s 2 、s 3 分别为延迟时间f l 、f 2 、岛的波形权重系数。 2 3 2 激光入射方位角的解算 通过上述的计算我们得到了接收到入射激光脉冲的加权延迟时间，激光入射 方位角也就可以相应的解出，此时就必须进行加权系数的计算。下面通过波形图 面积比重法求解延迟时间的加权系数，即 占，：善 么j l ，z i 式中 4 一第f 个脉冲波形图面积； 聊一除中心窗口波形外的脉冲波形图个数； 1 2 ( 2 3 ) 第二章光纤时间延迟测向原理 如图2 - 5 所示，由于告警器接收到的激光脉冲信号是由同一个激光源发射得 到的，因此经不同长度的光纤传输后得到的各个脉冲波形是相同的，仅仅是它们 的最大幅值不同而已。为此，可以得到波形面积的计算公式： 之之 4 = ji i f ( t ) d t = jf ( t ) d t ( 2 - 4 ) 式中厂o ) 一基本脉冲波形的函数； i f一第f 个脉冲波形的最大幅值； 口，b 一第f 个脉冲波形的起始和结束时刻。 于是式( 2 3 ) 可化简为： 占；= l = 么； = 上 窆，； q _ 5 ) 由上述各式可求得加权延迟时间重心： t 工= f x t o ( 2 6 ) 将式( 2 2 ) 代入式( 2 6 ) ，并化简得： t x = t 工一t 。= 占ft ft。(2-7) f = l 由式( 2 - 5 ) 计算出的加权系数代入式( 2 - 7 ) 得到相应的a t 工，a t j 为加权 后接收到激光信号脉冲波形的准确延迟时间，也就是上述所说的加权延迟时间重 心；而相应的z 为与a t 工成正比的，通过内插法求出的入射激光的入射方位角度。 假定取第一个光学窗口法线位置为l = 0 0 ，各窗口间隔1 0 。排列，相邻光 纤延迟线长度之差为l o m ，则由式( 2 8 ) 可得： 丁= ，旦 ( 2 8 ) 式中 刀 一光纤纤芯折射率，近似取1 5 ； f j j 一”o 一厂 厂，一6l_j口 6fl旦t ，一m 电子科技大学硕士学位论文 刖一一相邻光学窗口光纤延迟线长度之差； c 一一光速，取3 10 8 ； 相邻光纤延迟时间为： 丁= z 。了n = 10 丢斋= 50(310 州 c 5 7 于是假设中心窗口接收激光脉冲信号起始时间为t o = o n s ，与第一个光学窗 1 ：1 相连接的光纤延迟线长度为1 0 m ，各光纤延迟线长度之差均为1 0 m ，则由式( 2 4 ) 和式( 2 - 8 ) 可得： a t l = t 1 一t o = 5 on s ( a0o ) a t 2 = t 2 一t o = 1 o on s ( a10 。) ( 2 9 ) a t 3 = t 3 一t o = 1 5 o n s ( a20 。) 根据式( 2 - 9 ) 做出激光入射角与时间重心的插值图： 西。 3 0 。 2 0 。 ：一 1 0 。 o s 01 0 0 1 5 0 a t ( n s ) 图2 - 6 入射方位角插值图 在图2 - 6 中，横坐标是加权延迟时间重心a t 工，纵坐标是入射激光的入射方 位角工，根据上述推导及已知条件，图中的曲线可以由式( 2 1 0 ) 表示如- i r 工= ( a t x 一5 0 ) 0 2 ( 2 - 1 0 ) 上式就是在假设条件下，激光入射方位角与加权延迟时间重心经过插值计算 1 4 第二章光纤时间延迟测向原理 后的线性代数关系，当已知条件改变后，该代数关系也将随之改变，只是计算公 式及过程仍为以上所述，具体表达式根据相应的计算结果而定。 有关激光入射方位角计算的详细实验及结果分析参考第五章的内容。 电子科技大学硕士学位论文 第三章基于f p g a 的数字信号处理模块的设计 本章要完成的工作是：使用f p g a 对激光测向告警原理样机中数字信号处理 模块进行设计，给出了通过q u m u si i8 0 开发平台进行程序仿真的具体方案，并设 计出p c b 版图。 3 1f p g a 简介 3 1 1f p g a 的介绍以及基本结构 f p g a 是f il e dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y 的缩写，即现场可编程逻辑阵列。 f p g a 是在c p l d 的基础上发展起来的新型高性能可编程逻辑器件，它一般采用s r a m 工艺，也有一些专用器件采用f l a s h 工艺或反熔丝( a n t i - f u s e ) 工艺等。f f g a 的 集成度很高，其器件密度从数万系统f - j 至u 数千万系统门不等，可以完成极其复杂 的时序与组合逻辑电路功能，适用于高速、高密度的高端数字逻辑电路设计领域。 f p g a 的主要器件供应商有x i l i n x 、a l t e r a 、l a t t i c e 、a c t e l 和a t m e l 等。 简化的f p g a 基本由6 部分组成，分别为可编程输入输出单元、基本可编程 逻辑单元、嵌入式块r a m 、丰富的布线资源、底层嵌入功能单元、内嵌专用硬核等。 每个单元的基本概念介绍如下。 ( 1 ) 可编程输入输出单元 输入输出( i n p u t o u t p u t ) 单元简称i o 单元，它们是芯片与外界电路的接 口部分，完成不同电气特性下对输入输出信号的驱动与匹配需求。为了使f p g a 有更灵活的应用，目前大多数f p g a 的i o 单元被设计为可编程模式，即通过软件 的灵活配置，可以适配不同的电气标准与i o 物理特性；可以调整匹配阻抗特性， 上下拉电阻；可以调整输出驱动电流的大小等。 可编程i o 单元支持的电气标准因工艺而异，不同器件商不同器件族的f p g a 支持的i 0 标准也不同，一般说来，常见的电气标准有l v t t l 、l v c o m s 、s s t l 、h s t l 、 l v d s 、l v p e c l 和p c l 等。值得一提的是。随着a s i c 工艺的飞速发展，目前可编程 i 0 支持的最高频率越来越高，一些高端f p g a 通过d d r 寄存器技术，甚至可以支 持高达2 g b i t s 的数据速率。 1 6 第三章基于f p g a 的数字信号处理模块的设计 ( 2 ) 基本可编程逻辑单元 基本可编程逻辑单元是可编程逻辑的主体，可以根据设计灵活地改变其内部 连接与配置，完成不同的逻辑功能。f p g a 一般是基于s r a m 工艺的，其基本可编程 逻辑单元几乎都是由查找表( l u t ，l o o ku pt a b l e ) 和寄存器( r e g i s t e r ) 组成的。 f p g a 内部查找表一般为4 输入( 注：a l t e r as t r a t i xi i 的自适应逻辑模块a l m 结构比较特殊) ，查找表一般完成纯组合逻辑功能。f p g a 内部寄存器结构相当灵活， 可以配置为带同步异步复位或置位、时钟使能的触发器( f f ，f l i pf l o p ) ，也可 以配置成为锁存器( l a t c h ) 。f p 6 a 一般依赖寄存器完成同步时序逻辑设计。一般 来说，比较经典的基本可编程单元的配置是一个寄存器加一个查找表，但是不通 厂商的寄存器和查找表的内部结构有一定的差异，而且寄存器和查找表的组合模 式也不同。例如，a l t e r a 可编程逻辑单元通常被称为l e ( l o g i ce l e m e n t ，逻辑 单元) ，由一个r e g i s t e r 加一个l u t 构成。a l t e r 大多数f p g a 将1 0 个l e 有机组 合起来，构成更大功能单元逻辑阵列模块( l a b ，l o g i ca r r a yb l o c k ) ，l a b 中除了l e 还包含l e 间的进位链、l a b 控制信号、局部互联线资源、l u t 级联链寄 存器级联链等连线与控制资源。 ( 3 ) 嵌入式快r a m 目前大多数f p g a 都有内嵌的块r a m ( b l o c kr a m ) 。f p g a 内部嵌入可编程r a m 模块，大大的扩展了f p g a 的应用范围和使用灵活性。f p g a 内嵌的块r a m 一般可以 灵活配置为单口r a m ( s p r a m ，s i n g l ep o r tr a m ) 、双端口r a m ( d p r a m ，d o u b l ep o r t r a m ) 、伪双端口r a m ( p s e u d od p r a m ) 、c a m ( c o n t e n ta d d r e s s a b l em e m o r y ) 、f i f o ( f i r s ti nf i r s to u t ) 等常用存储结构。f p g a 中其实并没有专用的r o m 硬件资 源，实现r o m 的思路是对r a m 赋予初值，并保持初始值。所谓c a m ，即内容地址储 存器。c a m 这种储存器在其每个存储单元都包含了一个内嵌的比较逻辑，写入c a m 的数据会和其内部存储的每一个数据进行比较，并返回与端口数据相同的所有内 部数据的地址。概括地讲，r a m 是一种根据地址读、写数据的存储单元；而c a m 和 r a m 恰恰相反，它返回的是与端口数据相匹配的内部地址。c a m 的应用也非常广泛， 比如在路由器中的地址交换表等。f i f o 是“先进先出队列”式存储结构。f p g a 内 部实现r a m 、r o m 、c a m 、f i f o 等存储结构都可以基于嵌入式块r a m 单元，并根据 需求自动生成相应的粘合逻辑( g l u el o g i c ) 以完成地址和片选等控制逻辑。 ( 4 ) 丰富的布线资源 布线资源连通f p g a 内部所有单元，连线的长度和工艺决定着信号在连线上的 驱动能力和传输速度。f p g a 内部有着非常丰富的布线资源，这些布线资源根据工 1 7 电子科技大学硕士学位论文 艺、长度、宽度和分布位置的不同而被划分为不同的等级，有一些是全局性的专 用布线资源，用以完成器件内部的全局时钟和全局复位置位的布线；一些叫做长 线资源，用以完成器件b a n k ( 分区) 间的一些高速信号和一些第二全局时钟信号 ( 有时也被称为l o ws k e w 信号) 的布线，还有一些叫做短线资源，用以完成基本 逻辑单元之间的逻辑互联和布线；另外，在基本逻辑单元内部还有着各式各样的 布线资源和专用时钟、复位等控制线。 ( 5 ) 底层嵌入功能单元 底层嵌入功能单元的概念比较笼统，这里我们指的是那些通用程度较高的嵌 入功能模块，比如p l l ( p h a s el o c k e dl o o p ) 、d l l ( d e l a yl o c k e dl o o p ) 、d s p 、 c p u 等。目前大多数f p g a 厂商都在f p g a 内部集成了d l l 或者p l l 硬件电路，用以 完成时钟的高精度。低抖动的倍频、分频、占空比调整、移相等功能。目前，高 端f p g a 产品集成的d l l 和p l l 资源越来越丰富，功能越来越复杂，精度越来越高 ( 一般在p s 的数量级) ，a l t e r a 芯片集成的是p l l ，x i l i n x 芯片主要集成的是d l l ， l a t t i c e 的新型f p g a 同时集成了p l l 和d l l 以适应不同的需求。a l t e r a 芯片的p l l 模块分为增强型p l l ( e n h a n c e dp l l ) 和快速p l l ( f a s tp l l ) 等。x i l i n x 芯片 d l l 的模块名称为c l k d l l ，在高端f p g a 中，c l k d l l 的增强型模块为d c m ( d i g i t a l c l o c km a n a g e r ，数字时钟管理模块) 。这些时钟模块的生成和配置方法一般分为 两种，一种是在h d l 代码和原理图中直接实例化，另一种方法是在i p 核生成器中 配置相关参数，自动生成i p 。a l t e r a 的i p 核生成器叫做m e g aw i z a r d ，x i l i n x 的i p 核生成器叫做c o r eg e n e r a t o r ，l a t t i c e 的i p 核生成器被称为m o d u l e i p m a n a g e r 。另外可以通过在综合、实现步骤的约束文件中编写约束属性来完成时钟 模块的约束。 ( 6 ) 内嵌专用硬核 这里的内嵌专用硬核与前面的“底层嵌入单元 是有区别的，这里讲的内嵌 专用硬核主要指那些通用性相对较弱，不是所有f p g a 器件都包含硬核( h a r d c o r e ) 。 3 1 2 f p g a 的设计流程 一般来说，完整的f p g a 设计流程包括电路设计与输入、功能仿真、综合、综 合后仿真、实现、布线后仿真与验证、板级仿真验证与调试等主要步骤，如图3 - 1 所示。 1 8 第三章基于f p g a 的数字信号处理模块的设计 ( 1 ) 电路设计与输入 图3 - 1 完整的f p g a 设计流程 1 9 电子科技大学硕士学位论文 电路设计与输入是指通过某些规范的描述方式，将工程师电路构思输入给e d a 工具。常用的设计输入方法有硬件描述语言( h d l ) 和原理图设计输入方法等。 ( 2 ) 功能仿真 电路设计完成后，要用专用的仿真工具对设计进行功能仿真，验证电路功能 是否符合设计要求。 ( 3 ) 综合优化 综合优化( s y n t h e s i z e ) 是指将h d l 语言、原理图等设计输入翻译成由与、 或、非门，r a m ，触发器等基本逻辑单元组成的逻辑连接( 网表) ，并根据目标与 要求( 约束条件) 优化所生成的逻辑连接，输出e d f 和e d n 等标准格式的网表文 件，供f p g a 厂家的布局布线器进行实现。 ( 4 ) 综合后仿真 综合后仿真把综合生成的标准延时文件反标到综合仿真模型中去，可估计门 延时带来的影响。 ( 5 ) 实现与布局布线 布局( p l a c e ) 是指将逻辑网表中的硬件原语或者底层单元合理地适配到f p g a 内部的固有硬件结构上；布线( r o u t e ) 是指根据布局的拓扑结构，利用f p g a 内 部的各种连线资源，合理正确连接各个元件的过程。 ( 6 ) 时序仿真与验证 将布局布线的时延信息反标注到设计网表中，所进行的仿真就叫时序仿真或 布局布线后仿真，简称后仿真。布局布线后仿真的主要目的在于发现时序违规 ( t i m i n gv i o l a t i o n ) ，即不满足时序约束条件或者器件固有时序规则( 建