为实现高精度航天设备时序信号的地面检测, 设计了一套基于现场可编程逻辑门阵列 (FPGA) 的专用地面检测系统, 时间数字转换电路 (TDC) 是该系统的关键部件。该电路采用数字内插技术, 使用高频时钟直接计数进行“粗”测保证检测系统量程, 再利用待测信号跳变沿锁存移相时钟电平状态进行“细”测提高测量精度。分析了测量误差来源并提出了相应解决办法。实验结果表明, 该电路测量分辨率满足 0.2 ns 设计值, 重复性引起的测量不确定度小于 0.1 ns。

阐述了激光雷达系统中脉冲整形电路的作用,设计了基于恒比定时法和基于脉冲峰值检波法的脉冲整形电路,在实验室及室外条件下对两种脉冲整形电路的性能进行分析,验证了不同脉冲整形电路在激光雷达系统中的性能。结果表明,恒比定时电路与峰值检波电路都拥有亚ns级的时间鉴别能力,恒比定时电路的时间鉴别能力受距离、回波脉冲幅度影响很小,检测精度仍需继续优化。本研究为激光雷达系统的测距精度优化提供了参考。

为满足激光测距领域大量程、高精度、高分辨率的应用需求, 设计了一种高精度脉冲激光测距系统。系统基于最小可分辨45ps的专用计时芯片TDC-GP22实现高精度、高分辨率的时间间隔测量, 并采用高带宽放大电路及恒比定时时刻鉴别方法提高系统精度。详细论述了TDC-GP22时间间隔测量模块的硬件设计及软件流程。实验结果表明, 该系统的测量分辨率达45ps, 对时间间隔1μs内的测量精度可达60ps, 对应150m测距精度可达1cm; 对时间间隔1μs以上的测量精度可达1ns, 对应千米级测距精度可达0.15m, 满足高精度距离测量的应用需求。

研究了基于FPGA的数字大量程高精度测距信息处理技术, 应用于国内首台对地高程测量星载激光测距仪, 并于国内首次实现星载激光测距仪测距精度达到优于1 m@(平坦地形)的测距水平。

在脉冲激光测距系统中,设计实现了基于FPGA和TDC-GP21的高速精密时间间隔测量系统.采用TDC-GP21的高精度测量模式,配置TDC-GP21完成了时间间隔测量,通过校准测量对测量结果进行补偿修正,提高了系统的测量精度;设计了多级嵌套状态机实现高速SPI通信,减小了系统单次测量周期;分析了影响测量精度的因素,比较分析了3种时刻鉴别方法的漂移误差,设计了高通阻容时刻鉴别模块,减小了系统的非线性误差.实验分别进行了基于FPGA脉冲信号的时间间隔测量和激光测距试验,对比验证了系统的测量误差,分析了系统在测量区间的线性度.实验结果表明,系统可以实现高速稳定测量,线性度良好,重复测量频率达1 kHz,测量精度在±100 ps内.

基于FPGA的时间间隔测量, 由于其精度高、成本低、系统结构简单等突出优点, 在时间间隔测量领域已成为主要研究方向之一。介绍了一种基于FPGA延迟链差值的时间间隔测量方法, 利用片内单元缓冲器与触发器组成的延迟链形成的延迟链差值进行时间间隔测量, 整个系统占用了较少的芯片资源。此方法既可为功能电路独立使用, 也可通过FPGA中Logic Lock反标注进行系统的移植。此次研究建立在Altera公司的Cyclone系列二代芯片上, 时序仿真表明时间间隔测量误差小于1 ns, 硬件测试精度优于2 ns。

提出了脉冲激光测距中基于多点平均原理的高精度飞行时间间隔测量新方法，该方法以参考正弦信号作为测量基准。在脉冲计数法的基础上，应用多点平均法原理消除由于正弦曲线的非线性产生的时间累积误差，对正弦信号时间进行高精度细分测量。建立了高精度脉冲激光测距系统，利用线性调频技术对参考正弦信号在一个周期内进行伪随机采样，实现高精度时间间隔测量。测距系统原理结构简单、成本低。实验获得的单次距离测量误差稳定在±3 mm以内。

激光测距中，时间间隔的测量精度对测距精度起决定作用。针对时间间隔的测量精度问题提出了一种基于TDC-GP1计数芯片高精度测量方法，把时间间隔直接转化为高精度的数字，并结合软硬件的实现方法，通过DSP芯片控制TDC-GP1进行单通道的时间间隔测量，由内部粗计数器和精延时通道合作完成时间间隔测量，直接将待测时间间隔转换成数字量读出。实验结果表明，该模块测量频率快，单脉冲测量精度可达100 ps以内，线性度良好，可满足不同应用中的测速和精度要求。

为了提高激光近炸引信的定距精度，减小脉冲激光回波幅度变化引起的时刻判别误差和起止信号时间间隔测量产生的误差，设计了有源CR双阈过零时刻判别方法和基于FPGA内部专用进位链构成的延迟线插入法的时间间隔测量方法，将其应用于脉冲激光引信系统，进行了测距实验研究，给出了实验数据和测量误差分析，最终得到0.17 m的定距精度。实验结果表明，在不增加脉冲激光近炸引信系统功耗、体积和重量的前提下，该方法有效地提高了系统定距的精度，满足实际需要。