高精度回波飞行时间测量方法及实现

　　0 引言

　　飞行时间是指信号或者物体从发射端通过介质到达接收端所经历的时间间隔长度，高精度的时间间隔测量在脉冲激光测距、精密声学定位、高能物理等现代军事、航空航天及科学实验领域有着广泛应用[1 -2]。脉冲计数法具有测量范围大、线性好等优点，是高分辨测时最简单、最有效的方法，但是测时分辨率较低[3]。模拟内插法理论上可以实现高分辨率，但测量过程耗时较长，易受干扰噪声、温度和非线性的影响[3]。Bowman[4]等设计了一种类似于千分尺微差测量原理的测时系统，测时分辨率能够达到 50 ps. 但该算法获得两个高稳定度的脉冲对相当困难。延迟内插技术利用电子器件单元固定的延时作为标尺来实现对飞行时间的测量。Szplet[6]等基于0. 65 μm 的 CMOS 工艺在现场可编程逻辑门阵例( FPGA) 的内部，构建差分延迟线，得到了 LSB为 100 ～200 ps 的测时系统。Zielinski[7]等采用 Xil-inx 公司 Virtex 系列 FPGA 芯片 XCV300 实现的抽头延迟线，最小分辨率为 100 ps. 延迟线法可以实现对微小时间间隔的测量，适用于连续测量，缺点是随着测量分辨率的提高，要求延迟线长度越来越短，当测量较大时间间隔时，延迟线数量将大大增加[8]。多相采样技术利用 n 路同频率，相位均匀分布的时钟信号作为计数时钟，能够将测量分辨率提高到参考时钟 Tclk的 1/n，但该方法在 FPGA 中实现较高倍频时会导致相移分辨率的降低，高精度测量较难[2]。

　　针对以上几种方法的优缺点，本文提出了一种将脉冲计数法、相位延迟内插技术相结合的回波飞行时间测量方法，并在 Xilinx Virtex 5 平台上实现了以该方法为核心的飞行时间测量系统，具有动态测量范围大，测量过程耗时短，测时精度较高等优点。

　　1 飞行时间测量原理

　　工程上为实现飞行时间测量，通常将其转换成两个脉冲信号边沿之间的时间间隔来完成，其测量原理[8]如图 1 所示。被测时间由 3 个部分组成，1)脉冲计数法得到的参考时钟整数倍部分 NTP，2)Start 信号上升沿与紧接着的参考时钟上升沿之间的时间间隔Δt1，3) Stop 信号上升沿与紧接着的参考时钟上升沿之间的时间间隔 Δt2，设被测时间为t，有:

式中: TP为参考时钟周期; t 为精确的待测回波飞行时间; NTP为脉冲计数法实际测得的飞行时间。Δt2- Δt1为计数量化误差。

　　2 基于 FPGA 的高精度飞行时间测量

　　2. 1 总体设计思路

　　基于 FPGA 的高精度回波飞行时间测量系统以脉冲计数法为基础，通过相位延迟技术实现时间插值，提高时间测量精度，系统总体框图如图 2 所示。