崔 伟，商 洁，范松涛， 王新伟，周 燕

(1.中国辐射防护研究院保健物理研究所,山西 太原030006;2.中国科学院半导体研究所光电系统实验室,北京100083)

基于时钟移相相或的高精度脉冲对产生方法

崔 伟1,2，商 洁1，范松涛2， 王新伟2，周 燕2

(1.中国辐射防护研究院保健物理研究所,山西 太原030006;2.中国科学院半导体研究所光电系统实验室,北京100083)

针对超分辨率三维选通成像中同步控制脉冲对精度低的问题，提出了时钟移相相或的高精度脉冲对产生方法。该方法首先对可编程器件的系统时钟进行等差相位的数字移相产生多路时钟信号，再根据脉冲对中延时值和脉宽值选择对应的两路时钟产生脉宽信号，最后将两路脉宽信号进行相或运算得到高精度的脉冲对信号。实验表明，该方法可以将延时和脉宽的控制精度提高到1 ns，优于传统脉冲产生方法的5 ns精度，使超分辨率三维选通成像系统在直径2.5 m视场内的距离分辨率达到1 cm，为对更小目标进行成像和识别提供技术基础。

超分辨率三维选通成像；脉冲对精度；时钟移相相或

0 引言

超分辨率三维选通成像技术是一种新型的三维成像技术，利用激光脉冲和选通门脉冲的卷积作用获取目标的空间能量包络，通过相邻两帧切片图像间的像素强度比与距离向能量比之间的映射关系实现目标三维空间信息的快速反演，获取目标的三维图像。该技术作用距离远、实时性好、分辨率高，在复杂环境下目标探测、隐蔽/遮挡目标探测、地形地貌测绘、智能安防监控等领域具有广泛应用[1-4]。

高精度的同步控制脉冲对的产生是超分辨率三维选通成像技术的关键技术之一，决定着成像系统获得目标的距离信息、大小和形状信息等。同步控制脉冲对的产生模块国外已研发出皮秒级模块，国内的研制水平在纳秒级别，文献[5]中的同步控制脉冲对的产生模块使用可编程逻辑器件CPLD，由传统的脉冲产生方法实现的最高精度为5 ns，受CPLD最大系统时钟频率的限制，其精度难以继续提高。系统时钟频率过高时芯片一般无法正常工作，同时还会带来电路板布线、加工等一系列问题[6]。针对上述问题，本文提出了时钟移相相或的方法来产生高精度的同步控制脉冲对信号。

1 同步控制脉冲对

同步控制脉冲对信号主要包括两路脉冲控制信号：激光器触发信号(Laser_Trig)和选通门触发信号(Gate_Trig)，如图1所示的Laser_Trig和Gate_Trig，在信号为高电平时分别控制脉冲激光器和选通ICCD打开，低电平时关断，以此实现对特定距离上目标的选通成像。其中主要参数包括激光器触发信号的脉宽tL、选通门触发信号的脉宽tg和两路信号之间的延时τ，这三个参数的精度决定了同步控制脉冲对的精度。

图1 同步控制脉冲对信号Fig.1 The synchronous control pulse-pairs

由可编程逻辑器件(FPGA/CPLD等)采用传统方法产生的同步控制脉冲对信号，因其脉宽和延时均是对系统时钟周期进行整数倍的计数，所以控制精度一般由器件的系统时钟频率决定，如系统时钟为200 MHz，则同步控制脉冲对信号的精度为5 ns。

2 时钟移相相或方法

2.1 移相

图2 数字移相的基本原理Fig.2 Principle of digital phase shift

2.2 时钟移相相或方法

时钟移相相或方法首先对可编程逻辑器件的系统时钟进行等差相位的数字移相产生多路时钟信号，再根据脉冲对内延时值和脉宽值选择对应的两路时钟产生脉宽信号，最后将两路脉宽信号进行相或运算实现脉冲对信号精度小于时钟周期T。

如图3所示为该方法的原理，以移相90°为例。图中clk_90、clk_180、clk_270分别为ckl_0相移90°、180°和270°的时钟信号，clk_equ为等效的时钟信号，Laser_Trig为时钟信号clk_0驱动脉宽发生器产生的信号，Gate_180和Gate_270分别为时钟信号clk_180和clk_270经过1个计数值的延时器后驱动脉宽发生器产生的信号，脉宽计数值也为1，即：

tg1=tg2=T。

Gate_Trig为Gate_180和Gate_270做相或运算的结果，其脉宽为：

由以上结果可知，选通门触发信号的脉宽tg和脉冲对内的延时τ均具有T/4的精度。依此推知，若将原始计数时钟按照等差相位2π/N移相，采用上述方法即可获得脉宽精度和延时精度均为T/N的信号。时钟移相相或方法可以等效提高可编程逻辑器件的时钟频率，而不要求器件工作在高频，不仅克服了器件性能的限制，也避免了高频工作下带来的一系列问题。

图3 90°等差相位时钟移相相或原理Fig.3 Principle of arithmetical 90° phase shift of clock and OR operation

3 实验验证

可编程器件采用Xilinx公司的Spartan-6系列FPGA，使用Verilog语言编写，其系统时钟频率为200MHz，即时钟周期为5ns，对系统时钟进行相等相位2π/5=72°的移动，得到5路时钟信号，脉冲对控制精度为1ns。

行为仿真结果如图4所示，仿真设置Laser_trig的脉宽为15ns，Gate_Trig的脉宽为19ns，两路信号之间的延时τ为16ns。Gate_Trig信号的产生是将图4中的Gate1和Gate5相或运算的结果，脉宽结果可有两个标签值计算得到。

图4 行为仿真图Fig.4 Result of behavioral simulation

为验证时钟移相相或高精度脉冲对产生方法的正确性，进行了以下测试，包括延时1ns精度示波器测试、脉宽1ns精度示波器测试和超分辨率三维反演效果实验。

3.1 延时1 ns精度示波器测试

设置延时分别为35ns，36ns，37ns，38ns，39ns，测试结果如图5所示，其延时结果分别为：37.4ns，38.6ns，39.6ns，40.8ns，42.0ns。从结果可以看出，脉冲对内延时的调节精度分别为：1.2ns，1.0ns，1.2ns，1.2ns，与理论上的1ns相比，延时可调精度存在±0.2ns的偏差，实现了延时调节精度优于5ns的设计目标。该结果与设定的延时值有2ns的差别是因为电路及器件本身存在一定的固有延时，可通过程序优化减小。

图5 延时1 ns精度时序测试结果Fig.5 Timing test drawing for delay 1ns precision

3.2 脉宽1 ns精度示波器测试

设置选通门宽分别为37ns、38ns、39ns、40ns、41ns，实际测试结果如图6所示，其脉宽结果分别为：37.2ns，37.8ns，39.0ns，40.3ns，41.1ns。从结果可以看出，脉宽调节精度分别为：0.6ns，1.2ns，1.3ns，0.8ns，与理论上的1ns相比，脉宽可调精度存在±0.4ns的偏差，实现了脉宽调节精度优于5ns的设计目标。

图6 脉宽1 ns精度时序测试结果Fig.6 Timing test drawing for pulse width 1 ns precision

3.3 超分辨率三维反演效果实验

实验以椅子和椅子上的玩偶作为成像目标，其实物图如图7(a)所示，玩偶高约38cm，鼻子直径大小约4cm，目标距离成像系统35m处，视场直径2.5m，实验在夜间进行。由选通成像系统对目标成像的相邻两帧的2D图像图7(b)和(c)可以看出不同延时值所对应的空间采样区的不同。图7(d)为超分辨率三维反演的结果，其距离分辨率约10cm，可以清楚地区分椅子的前后腿、靠背等。图7(e)为玩偶三维图显示，可简单区分玩偶的帽子、足球及鼻子，其距离分辨率约1cm[8-9]。

图7 三维选通成像实验结果Fig.7 Experiment results of 3D range-gated imaging

4 结论

本文提出了基于时钟移相相或的高精度脉冲对产生方法。该方法首先对可编程器件的系统时钟进行等差相位的数字移相产生多路时钟信号，再根据脉冲对中延时值和脉宽值选择对应的两路时钟产生脉宽信号，最后将两路脉宽信号进行相或运算得到高精度的脉冲对信号。实验表明，时钟移相相或方法可以等效提高器件的时钟频率，获得1ns精度的同步控制脉冲对信号，使超分辨率三维选通成像系统在直径2.5m视场内的距离分辨率达到1cm，为对更小目标进行成像和识别提供技术基础。

[1]Martin Laurenzis, Frank Chiristnacher, David Monnin.Long-range three-dimensional active imaging with superresolution depth mapping [J].Optics Letters, 2007, 32, (21)：3146-3148.

[2]王新伟.一种距离选通超分辨率三维成像装置及方法:中国, 201210430995.6[P].2013-02-13.

[3]WANG Xinwei, LI Youfu, ZHOU Yan.Triangular-range-intensity profile spatial-correlation method for 3D super-resolution range-gated imaging [J] .APPLIED OPTICS, 2013, 52(30)：7399-7046.

[4]王新伟.距离选通成像获取动目标3D信息的研究[D].北京：中国科学院，2011.

[5]YUAN Chaokai, CHEN Siying, ZHANG Yinchao,et al.Application of digital pulse delay device in range-gated control for range-gated imaging lidar[C]//SPIE，2009:1-10.

[6]崔景霖,荣刚,马明,等.基于时间数字转换技术的超短时间间隔测量[J].探测与控制学报，2009,31(4):19-22.

[7]郑卉卉,程少云.基于数字移相的高精度到达时间测量系统[J].计算机测量与控制,2007,15(4):429-431.

[8]王新伟, 曹忆南, 刘超, 等.2D/3D距离选通成像的低对比度目标探测[J], 红外与激光工程, 2014, 43(9): 2854-2859.

[9]WANG Xinwei, CAO Yinan, CUI Wei, et al.Three- dimensional range-gated flash LIDAR for land surface remote sensing[C]//SPIE, 2014:1-10.

本 刊 声 明

本刊编辑部

Clock Phase Shift and OR Operation for High Precision Pulse-pairs

CUI Wei1,2, SHANG Jie1,FAN Songtao2, WANG Xinwei2, ZHOU Yan2

(1. Department of Health Physics, China Institute for Radiation Protection, Taiyuan 030006, China;2. Optoelectronic System Laboratory, Institute of Semiconductors, CAS, Beijing 100083, China)

A method of clock phase shift and OR operation was put forward for high precision synchronous control pulse-pairs in 3D super-resolution range-gated imaging. Firstly, multi channel clock signals were generated by shifting phase arithmetically for the system clock. In the next place, two of the clock signals were chosen based on the pulse width and the delay for two pulse signals. Finally, high precision synchronous control signals were generated by the OR operation with the two pulse signals. Experiments results showed that the proposed method could attain the precision of 1 ns for delay and pulse width and the range resolution could reach 1 cm in field of view with 2.5 meters in diameter, which could make it possible to image and identify smaller target for 3D super-resolution range-gated imaging.

3D super-resolution range-gated imaging; the precision of pulse-pair; the clock phase shift and OR operation

2016-11-02

崔伟(1989—)，女，山西太原人，硕士，研究方向：电路与通信。E-mail:cuiweill@semi.ac.cn。

TN249

A

1008-1194(2017)02-0111-04

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