CN104991242A - 一种基于apd和tdc的激光成像探测*** - Google Patents

一种基于apd和tdc的激光成像探测*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于APD和TDC的激光成像探测***，该***由APD探测阵列模块和分立信号处理模块组成；APD探测阵列模块和分立信号处理模块之间采用数据线接口连接，用于对激光信号进行采集；分立信号处理模块包括TDC-GP21精确计时、FPGA控制电路、图像显示处理3个子模块，用于对接收到的信号进行分析处理并生成可视图像信号，最终将图像信号传输给上位机进行显示；其中精确计时模块与FPGA控制电路模块之间采用SPI接口双向连接，FPGA控制电路同时通过SPI接口与图像显示处理模块连接，继而，分立信号处理模块通过高速USB接口连接到上位机；该发明具有体积小，分辨率高，成像速率快的特点。

Description

一种基于APD和TDC的激光成像探测***
技术领域
本发明属于激光成像雷达技术领域的具体应用，尤其涉及一种基于APD和TDC的激光成像探测***。
背景技术
基于焦平面阵列的非扫描脉冲激光雷达成像技术与传统的激光成像技术相比，激光成像技术引因其高分辨率、高帧频以及较强的目标识别能力的特点，是各国研究的重点。与红外成像和微波成像相比，激光成像由于激光固有的短波长、单向性好和高相干的特点，而具有更高的分辨率，能实时获得清晰地三维图像（角-角-距离）。激光成像***可获得丰富的目标信息，因此易于目标的自动识别，抗干扰能力强，同时具有穿透一定遮蔽物、伪装和植被探测目标的能力。在导弹精确制导、航天器交会对接、无人机侦察、机器人视觉、海底探测以及直升机避障的领域有广泛的应用潜力，是当今成像技术的一个重要发展方向。
相对于国外在非扫描激光成像技术方面的迅速发展，由于基于焦平面阵列的非扫描激光成像雷达具有成像不失真和穿透一定遮蔽物探测到目标的能力，是各国研究的重点。随着军事和航天领域对成像探测日益增长的需求，发展，高精度、高分辨率的成像技术是各国的研究重点。扫描式激光成像技术已不满足需求。本发明针对国内在基于焦平面阵列的非扫描三维激光成像技术领域内目前还没有带集成读出CMOS计时电路的APD阵列产品的情况，根据非扫描三维成像原理，提出利用分立元器件作为计时核心器件设计激光回波的和信号处理模块，设计非扫描激光成像的信号采集与处理模块，包括主放大电路、时刻鉴别电路、精确计时电路以及数据与上位机之间传输所需的接口电路。采用8×8像素的APD阵列内部集成了前置跨阻放大电路，采用ACAM公司的精度达45ps级的TDC-GP21芯片，采用Cypress公司的CY68013A芯片，设计USB2.0串行高速接口，同时采用FPGA芯片实现对TDC-GP21的同步初始化、控制和数据读取功能，最终实现了一种基于APD和TDC的激光成像探测***，该发明具有体积小，重量轻，分辨率高，成像速率快的特点。
发明内容
针对传统的扫描式激光成像技术已不能满足现实应用要求的现状，本发明设计了一种基于APD和TDC的激光成像探测***。本发明的目的在于，提供一种体积小，重量轻，分辨率高，成像速率快的一种基于APD和TDC的激光成像探测***。
为了实现上述***，本发明采取的技术方案是：
一种基于APD和TDC的激光成像探测***，其特征在于该***由APD探测阵列模块、分立信号处理模块组成；其中，所述分立信号处理模块又包括了精确计时、FPGA控制电路、图像显示处理几个子模块。所述APD探测阵列模块通过激光发射***发射的激光光束照射到整个目标探测区域，所述FPGA控制电路通过驱动电路控制激光器发射脉冲信号，同时，给精确计时模块发送Start信号，待激光回波脉冲到达APD探测阵列模块后，每像素只与其对应的目标各点的回波信号，与各像素单元一一对应精确计时模块到Stop信号。通过计算Start与Stop的差值，即可得到目标该点到***的距离值，然后通过信号处理***可视化算法对阵列所有像素的输出结果进行处理，最终获得目标的三维距离图像。
在该激光成像探测***中，所述APD探测阵列模块采用分立元器件单像素计时电路，各像素间实现并行独立工作，利用不带集成读出电路的8×8阵列APD进行搭建，该模块用于阵列探测器激光回波信号并将光信号转换为电流信号，微弱的电流信号经过阵列内部集成的前置放大电路进行初次放大，再经主放大电路的二次放大后，经过时刻鉴别电路后输入到精确计时模块的Stop管脚；所述分立信号处理模块用于对接收到的信号进行分析处理并生成可视图像信号，最终将图像信号传输给上位机进行显示。
在该激光成像探测***中，所述分立信号处理模块包括精确计时、FPGA控制电路、图像显示处理几个子模块，所述精确计时模块使用ACAM公司开发的高精度专用时间数字转换芯片TDC-GP21设计分立的计时单元，对激光脉冲在空中的往返飞行时间进行准确测量，计时精度最高可达45ps，理论距离分辨率可达1.35cm，用于完成精确计时功能；所述FPGA控制电路选用Altera公司的EP2S60F484C4芯片作为控制TDC-GP21的主芯片，实现对精确计时模块TDC-GP21进行同步初始化、控制和数据读取的功能，控制精确计时模块TDC-GP21完成精确计时功能，最后通过USB高速接口，将数据传入上位机进行图像显示处理；所述图像显示处理模块由MATLAB以及用C语言编写的图像显示UI界面组成，完成对目标三维轮廓的重现，呈现出目标的三维距离像。
在该激光成像探测***中，所述的精确计时模块其特征在于，所述精确计时模块的控制程序流程如下所示：
步骤1、配置（测量范围、时钟、通道选择）；
步骤2、初始化；
步骤3、等待 start和stop脉冲；
步骤4、判断是否超时，是则执行步骤7，否则执行步骤5；
步骤5、校准测量；
步骤6、对HIT1和HIT2数据进行处理；
步骤7、中断；
步骤8、读取状态寄存器；
步骤9、判断溢出，是则执行步骤2，否则执行步骤10；
步骤10、读数据。
本发明的有益效果是：
一种基于APD和TDC的激光成像探测***，该***由APD探测阵列模块、分立信号处理模块组成，其中，所述分立信号处理模块又包括了精确计时、FPGA控制电路、图像显示处理几个子模块；该***采用8×8像素的APD阵列内部集成了前置跨阻放大电路，采用ACAM公司的精度达45ps级的TDC-GP21芯片，采用Cypress公司的CY68013A芯片，设计USB2.0串行高速接口，同时采用FPGA芯片实现对TDC-GP21的同步初始化、控制和数据读取功能，最终实现了一种基于APD和TDC的激光成像探测***，该发明具有体积小，重量轻，分辨率高，成像速率快的特点。
附图说明
以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的解释说明。
图1是激光成像探测***总体框架图；
图2是分立信号处理模块框图；
图3是主放大电路原理图；
图4是时刻鉴别电路简化电路图；
图5是TDC-GP21电源电路图；
图6是FPGA数据采集与传输方框图；
图7是TDC-GP21控制程序流程图。
具体实施方式
本发明的具体实施方式为：所述的一种基于APD和TDC的激光成像探测***，所述APD探测阵列模块和分立信号处理模块之间采用数据线接口连接，用于对激光信号进行采集；所述分立信号处理模块用于对接收到的信号进行分析处理并生成可视图像信号，最终将图像信号传输给上位机进行显示，继而通过高速USB接口连接到上位机；具体的，所述FPGA控制电路通过驱动电路控制激光器发射脉冲信号，同时，给精确计时模块发送Start信号，待激光回波脉冲到达APD探测阵列模块后，每像素只与其对应的目标各点的回波信号，与各像素单元一一对应精确计时模块到Stop信号，通过计算Start与Stop的差值，即可得到目标该点到***的距离值，然后通过信号处理***可视化算法对阵列所有像素的输出结果进行处理，最终获得目标的三维距离图像，该发明具有体积小，分辨率高，成像速率快的特点。
图1是分立信号处理模块框图，该***由APD探测阵列模块、分立信号处理模块组成；APD探测阵列模块和分立信号处理模块之间采用数据线接口连接，用于对激光信号进行采集；分立信号处理模块包括TDC-GP21精确计时、FPGA控制电路、图像显示处理几个子模块，用于对接收到的信号进行分析处理并生成可视图像信号，最终将图像信号传输给上位机进行显示；其中精确计时模块与FPGA控制电路模块之间采用SPI接口双向连接，FPGA控制电路同时通过SPI接口与图像显示处理模块连接，通过信号处理***可视化算法对信号进行处理，最终获得目标的三维距离图像，继而，分立信号处理模块通过高速USB接口连接到上位机对图像进行显示。
图2是分立信号处理模块框图，该模块包括精确计时、FPGA控制电路、图像显示处理几个子模块，所述精确计时模块使用ACAM公司开发的高精度专用时间数字转换芯片TDC-GP21设计分立的计时单元，对激光脉冲在空中的往返飞行时间进行准确测量，计时精度最高可达45ps，理论距离分辨率可达1.35cm，用于完成精确计时功能；所述FPGA控制电路选用Altera公司的EP2S60F484C4芯片作为控制TDC-GP21的主芯片，实现对精确计时模块TDC-GP21进行同步初始化、控制和数据读取的功能，控制精确计时模块TDC-GP21完成精确计时功能，最后通过USB高速接口，将数据传入上位机进行图像显示处理；所述图像显示处理模块由MATLAB以及用C语言编写的图像显示UI界面组成，完成对目标三维轮廓的重现，呈现出目标的三维距离像。
图3是主放大电路原理图，APD阵列探测器内部集成有前置放大电路，并选择跨阻放大电路作为前置放大电路。主放大电路采用Analog Devices公司的AD8367放大器作为主放大电路的核心器件，此放大器的压控放大器，并带有自动增益控制功能，可实现精确的线性增益控制，最大增益为45dB，增益带宽积100GB，带宽最大为500MHz，主放大电路为单端输入单端输出结构。C52、C64为去耦电容，C6用于控制偏置回路的角频率，-600mv~+600mv范围内的输入电压，增益控制电压由C60和R326共同决定，C16用于消除输出电压纹波，最大可输出电压为4.5V。
图4是时刻鉴别电路简化电路图，***采用高速比较器AD8561作为时刻鉴别电路的核心器件，该芯片可工作在+5V、-5V两种模式下，延迟时间为7ns，如将衰减电路输出端与AD8561的同相输入端相连，延迟电路输出端与AD8561的反相输入端相连。由于高速比较器 AD8561 具有锁存功能，能够保证鉴别信号的准确输出，即保证计时芯片TDC-GP21能够准确到停止信号，降低整个***的虚警概率。
图5是TDC-GP21电源电路图，TDC-GP21工作所需的3.3V电源由常用的线性电压调节器ASM1117提供，ASM1117是低压差线性稳压器，具有成本低，功耗小，噪音低，良好的线性特性以及***电路简单的特点。ASM1117芯片最大输出电流为800mA，可以满足TDC-GP21供电需求。
图6是FPGA数据采集与传输方框图，该***采用两个FPGA的异步FIFO，记为FIFO_0、FIFO_1。将编号为奇数的计时电路核心器件TDC-GP21中的32位数据通过SPI接口被FPGA写入FIFO_0中，编号为偶数的计时电路核心器件TDC-GP21中的32位数据通过SPI接口被FPGA写入FIFO_1中。然后FPGA将存入两FIFO中的数据通过编程整理成一个数据列，通过16为数据线传入USB高速接口电路的核心器件CY68013A芯片内，又CY68013A将数据传入上位机。
图7是TDC-GP21控制程序流程图，所述精确计时模块的控制程序流程如下所示：
步骤1、配置（测量范围、时钟、通道选择）；
步骤2、初始化；
步骤3、等待 start和stop脉冲；
步骤4、判断是否超时，是则执行步骤7，否则执行步骤5；
步骤5、校准测量；
步骤6、对HIT1和HIT2数据进行处理；
步骤7、中断；
步骤8、读取状态寄存器；
步骤9、判断溢出，是则执行步骤2，否则执行步骤10；
步骤10、读数据。
除了上述以外本发明所属技术领域的普通技术人员也都能理解到，在此说明和图示的具体实施例都可以进一步变动结合。虽然本发明是就其较佳实施例予以示图说明的，但是熟悉本技术的人都可理解到，在所述权利要求书中所限定的本发明的精神和范围内，还可对本发明做出多种改动和变动。

Claims (4)

1.一种基于APD和TDC的激光成像探测***，其特征在于该***由APD探测阵列模块、分立信号处理模块组成，其中，分立信号处理模块包括精确计时、FPGA控制电路、图像显示处理3个子模块；所述APD探测阵列模块通过激光发射***发射的激光光束照射到整个目标探测区域，所述FPGA控制电路通过驱动电路控制激光器发射脉冲信号，同时给精确计时模块发送Start信号，待激光回波脉冲到达APD探测阵列模块后，每个像素只与其对应的目标各点的回波信号，与各像素单元一一对应精确计时模块到Stop信号，通过计算Start与Stop的差值，即可得到目标该点到***的距离值，然后通过信号处理***可视化算法对阵列所有像素的输出结果进行处理，最终获得目标的三维距离图像；所述精确计时模块与FPGA控制电路模块之间采用SPI接口双向连接，所述FPGA控制电路同时通过SPI接口与图像显示处理模块连接，分立信号处理模块通过高速USB接口连接到上位机。
2.如权利要求1所述的激光成像探测***，其特征在于，所述APD探测阵列模块采用分立元器件单像素计时电路，该模块包括了主放大电路、时刻鉴别电路、精确计时3个子模块，APD探测阵列模块利用不带集成读出电路的8×8阵列APD进行搭建，该模块用于阵列探测器激光回波信号并将光信号转换为电流信号，微弱的电流信号经过阵列内部集成的前置放大电路进行初次放大，再经主放大电路的二次放大后，经过时刻鉴别电路后输入到精确计时模块的Stop管脚；分立信号处理模块用于对接收到的信号进行分析处理并生成可视图像信号，最终将图像信号传输给上位机进行显示。
3.如权利要求1所述的激光成像探测***，其特征在于，所述的分立信号处理模块包括精确计时、FPGA控制电路、图像显示处理3个子模块，所述精确计时模块使用ACAM公司开发的高精度专用时间数字转换芯片TDC-GP21设计分立的计时单元，对激光脉冲在空中的往返飞行时间进行准确测量，计时精度最高可达45ps，理论距离分辨率可达1.35cm，用于完成精确计时功能；所述FPGA控制电路选用Altera公司的EP2S60F484C4芯片作为控制TDC-GP21的主芯片，实现对精确计时模块TDC-GP21进行同步初始化、控制和数据读取的功能，控制精确计时模块TDC-GP21完成精确计时功能，最后通过USB高速接口，将数据传入上位机进行图像显示处理；所述图像显示处理模块由MATLAB以及用C语言编写的图像显示UI界面组成，完成对目标三维轮廓的重现，呈现出目标的三维距离像。
4.如权利要求1所述的激光成像探测***，其特征在于，所述精确计时模块的控制程序流程如下所示：
步骤1、配置（测量范围、时钟、通道选择）；
步骤2、初始化；
步骤3、等待 start和stop脉冲；
步骤4、判断是否超时，是则执行步骤7，否则执行步骤5；
步骤5、校准测量；
步骤6、对HIT1和HIT2数据进行处理；
步骤7、中断；
步骤8、读取状态寄存器；
步骤9、判断溢出，是则执行步骤2，否则执行步骤10；
步骤10、读数据。
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