CN107707842A - 用于高功率激光近场测量的高信噪比探测装置及探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于激光探测技术领域，具体涉及一种用于高功率激光近场测量的高信噪比探测装置及探测方法。该探测装置包括CCD传感器、前置放大与预处理单元、采样转换机构、FPGA控制器、PHY芯片和光纤网络接口。本发明探测装置主要用于高功率激光的近场测量，能够很好的探测不同强度分布的激光，从而实现精密的近场测量。同时，该探测装置针对高功率激光进行近场测量时的高信噪比要求，能够实现高动态范围，高信噪比，低非均匀性成像，并且能够稳定输出高质量激光测量图像。此外，该探测装置能够进行采样位置的灵活选取和采样数据的高效处理，使得图像信噪比提高的同时数据处理的灵活性也极大增强。

Description

用于高功率激光近场测量的高信噪比探测装置及探测方法

技术领域

本发明属于激光探测技术领域，具体涉及一种用于高功率激光近场测量的高信噪比探测装置及探测方法。

背景技术

在高功率激光装置中，激光光束截面的光强分布对激光光束的质量以及激光会聚焦斑的影响都是非常大的，为测量光束截面的大动态范围内的光强分布数据，就需要对应的大动态范围的线性探测器与之匹配。现有的很多探测装置其能探测的激光动态范围很小，当对高功率激光进行探测时探测器很容易出现局部图像饱和或探测范围小而导致部分数据失真的现象。

另外，在激光近场测量时需要得到高质量的图像信息，从而进行各种参数测量和计算，此时就需要探测装置的输出图像具有高信噪比，防止图像中混入的噪声会对探测目标产生恶劣的影响甚至淹没有效信号。探测装置的噪声水平同时也直接影响了其自身的动态范围，因此怎样有效的降低探测装置的噪声水平即实现高信噪比图像输出具有重要的现实意义。

传统的探测器在进行信号采样时在采样区域内由于随机噪声的存在导致最终AD转换后的像素数据包含一部分随机噪声，此类噪声不仅使得图像的信噪比降低同时使得探测器的响应非均匀性增大；此外，对CCD输出模拟信号进行采样转换时，AD转换器在单个像素内的不同位置进行采样对所获图像的信噪比也有一定影响。因此，迫切需要一种能够有效降低单像素周期内采样数据所包含的随机噪声同时能够灵活有效的调整采样位置的高信噪比探测装置。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种用于高功率激光近场测量的高信噪比探测装置及探测方法。

本发明的技术解决方案是：一种用于高功率激光近场测量的高信噪比探测装置，其特殊之处在于：包括CCD传感器、前置放大与预处理单元、采样转换机构、FPGA控制器、PHY芯片和光纤网络接口；

所述CCD传感器用于进行激光探测及光电转换，并向前置放大与预处理单元输出模拟电信号；

所述前置放大与预处理单元用于对CCD传感器输出的模拟电信号进行放大和预处理后传输至采样转换机构；

所述采样转换机构用于将输入的模拟电信号转化为数字格式的图像数据并传输至FPGA控制器；

所述FPGA控制器包括数据处理单元和时序产生与调节单元；所述数据处理单元用于对输入的图像数据进行处理后进行存储或输出；所述时序产生与调节单元用于产生并调节CCD驱动时序和AD驱动时序，所述CCD驱动时序用于驱动CCD传感器，所述AD驱动时序用于驱动采样转换机构；

所述光纤网络接口通过PHY芯片与FPGA控制器进行数据传输。

进一步地，上述用于高功率激光近场测量的高信噪比探测装置还包括电平转换单元，所述电平转换单元用于将FPGA控制器的时序产生与调节单元产生的CCD驱动时序进行电平转换，以满足CCD传感器对驱动信号电平的要求。

进一步地，上述用于高功率激光近场测量的高信噪比探测装置还包括DDR2存储器，所述DDR2存储器用于对FPGA控制器的数据处理单元处理后的数据进行存储。

进一步地，上述采样转换机构包括两片相同的AD转换芯片，两片AD转换芯片分别在FPGA控制器输出的两组AD驱动时序作用下对同一像素周期内的不同采样位置进行独立的数据采样与转换。

进一步地，上述前置放大与预处理单元包括用于实现阻抗匹配的射随电路、用于实现电压放大的放大电路和和用于实现直流分量滤波的滤波电路。

进一步地，上述AD转换芯片的工作方式设置为数字相关双采样模式且对输入信号进行过采样；在时序设计时使AD转换芯片工作在SHA模式，同时使参考电平与信号电平采样点成对出现。

进一步地，上述AD转换芯片的采样时钟设置为模拟信号像素频率的N倍，N为偶数。

进一步地，上述数据处理单元对输入的图像数据进行的处理包括对输入数据进行合成、数字相关双采样、筛选和均值滤波。

本发明还提供一种基于以上任一所述的用于高功率激光近场测量的高信噪比探测装置的探测方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

1)***上电后进行初始化，探测装置在默认工作参数下运行；

FPGA控制器的时序产生与调节单元根据默认工作参数产生所需的CCD驱动时序和AD驱动时序；

FPGA控制器的数据处理单元将采样得到的数据进行处理后进行存储，然后经PHY芯片和光纤网络接口发送至上位机进行显示；

2)将探测装置工作参数配置为光路调整参数；

对光路进行调整，上位机根据外触发信号的频率进行图像显示与刷新；

3)将探测装置工作参数配置为近场测量参数；

CCD传感器对探测到的近场激光进行光电转换，并向前置放大与预处理单元输出模拟电信号；

前置放大与预处理单元对CCD传感器输出的模拟电信号进行信号放大和预处理后传输至采样转换机构；

采样转换机构将输入的模拟电信号转化为数字格式的图像数据并传输至FPGA控制器；

FPGA控制器的数据处理单元对输入的图像数据进行处理后进行存储；

上位机通过光纤网络接口向FPGA控制器发出传送指令，FPGA控制器读取存储的数据并经光纤网络接口传输至上位机进行显示。

进一步地，上述探测装置工作参数包括曝光时间、增益、偏置、触发方式和传输方式；

当探测装置工作参数配置为光路调整参数时，所述触发方式为连续外触发模式，所述传输方式为主动传输；

当探测装置工作参数配置为近场测量参数时，所述触发方式为单次外触发模式，所述传输方式为被动传输。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明探测装置主要用于高功率激光的近场测量，能够很好的探测不同强度分布的激光，从而实现精密的近场测量。同时，该探测装置针对高功率激光进行近场测量时的高信噪比要求，能够实现高动态范围，高信噪比，低非均匀性成像，并且能够稳定输出高质量激光测量图像。此外，该探测装置能够进行采样位置的灵活选取和采样数据的高效处理，使得图像信噪比提高的同时数据处理的灵活性也极大增强。

(2)本发明探测装置高信噪比的实现不同于二维图像处理的方法，不会造成图像平滑和模糊，其在提升信噪比的同时能够很好的保留图像细节。

(3)单像素周期内进行过采样，同时使用数字相关双采样技术，相比于模拟相关双采样方法时序设计空间更大，不需要AD芯片具备相关双采样电路，对AD芯片的要求更低。

(4)本发明探测装置能够实现采样位置灵活选取，不同模数转换器之间的高效互补使得采样点位置的选择更加方便高效。

(5)本发明探测装置具有***响应稳定性高、输出图像质量高的优点。

附图说明

图1为本发明用于高功率激光近场测量的高信噪比探测装置结构框图。

图2为本发明用于高功率激光近场测量的高信噪比探测方法流程图。

图3为本发明采样转换机构工作时序示意图。

具体实施方式

参见图1，本发明提供一种用于高功率激光近场测量的高信噪比探测装置，主要包括CCD传感器、前置放大与预处理单元、采样转换机构、FPGA控制器、PHY芯片、光纤网络接口、电平转换单元和DDR2存储器。

***工作时通过CCD传感器对高功率激光进行探测并进行光电转换，然后经过前置放大与预处理单元对CCD传感器输出信号进行放大与预处理，处理完成后进入采样转换机构进行数字相关双采样和模数转换，然后数字格式的图像数据进入FPGA控制器中的数据处理单元对不同AD转换芯片输出的数据进行处理，处理后的数据进行缓存或存储于DDR2存储器中，然后数据经过PHY芯片传送至光纤网络接口，之后再通过光纤将数据传送至上位机进行显示。

探测装置可从光纤网络接口接收上位机发来的命令对***工作模式或操作参数进行调整。

以下对各个模块分别进行介绍：

1)CCD传感器：CCD传感器主要进行激光的探测以及光电转换，最终输出模拟电信号，进入后级进行处理。其具有高信噪比，高动态范围和很小的响应非均匀性，非常适用于高功率激光的近场测量。

2)电平转换单元：此单元主要负责将FPGA芯片输出的驱动信号进行电平转换，以满足CCD传感器工作时对输入驱动信号电平的要求。

3)前置放大与预处理单元：此部分主要负责将CCD输出端的模拟信号进行放大和预处理。其由射随电路、放大电路和滤波电路组成，分别实现阻抗匹配，电压放大和直流分量滤波的作用。由于CCD输出端读出的模拟信号很微弱且其输出电平和AD转换芯片输入端电平要求不匹配，在送入采样转换机构前必须将其进行放大和预处理后才能满足采样机构对输入信号的要求。

4)采样转换机构：此部分是实现高信噪比的核心环节，其由2片相同的AD转换芯片构成。通过FPGA对不同AD转换芯片分别进行控制，在同一像素周期内对模拟信号独立进行采样。采样时两片AD转换芯片对同一像素周期内的不同采样位置进行采样，可通过FPGA控制器调节各自的工作时序分别实现采样位置的灵活调整，这样使得两片AD转换芯片均实现较好区域采样。

5)FPGA控制器：此部分为整个探测装置的中央控制单元，负责对***中其他附件进行控制以及对从网口获得的上位机命令进行响应并执行。***的模式设置和工作参数调整都是在FPGA控制器中实现的。其根据***命令的设置来控制片外CCD传感器、采样转换机构、PHY芯片、DDR2存储器来执行特定的工作。为了实现高信噪比，FPGA控制器中特别设计了时序产生与调整单元和数据处理单元。以下分别进行介绍：

a)时序产生与调节单元：此单元主要负责产生与调节CCD驱动时序、AD驱动时序。为了获取高信噪比图像，此单元中对采样转换机构中的AD驱动时序进行了特别设计。如图3所示，其中AD驱动时序由两组不同的AD采样时钟组成(包括AD1采样时钟和AD2采样时钟)，驱动时序输出至采样转换机构分别控制两片AD转换芯片进行独立的数据采样与转换。此模块可针对需要对不同AD转换芯片的采样位置和采样方式分别进行调整。为了实现高信噪比的数据输出，AD转换芯片工作方式设置为数字相关双采样模式且对输入信号进行过采样，在时序设计时使其工作在SHA模式；同时使得参考电平与信号电平采样点成对出现，这样便于得到对应的像素数据，而如果不成对出现则在数据处理时需要对其中一个数据进行舍弃。另外，采样时钟设置为模拟信号像素频率的N倍，N一般为偶数倍。具体设计需针对AD转换芯片的工作速率与CCD像素频率进行实际考虑。

b)数据处理单元：此单元主要负责对AD转换芯片输出的数据进行合成，数字相关双采样，筛选，均值滤波。由于AD转换芯片工作在SHA模式下，因此对参考电平的采样和信号电平的采样最终均得到与其对应的数字数据，然后在数据处理单元中对二者进行差值得到真实像素数据；得到像素数据后应进行一定的筛选，去掉模拟信号剧烈变化区域的采样值以及复位信号区域的采样值；然后先对每片AD转换芯片在单个像素周期内的多个像素数据进行均值滤波，然后再将两片不同AD转换芯片各自均值滤波后的数据再进行取均值操作。完成以上步骤后即可将处理好的数据送至后级进行后续操作。

6)DDR2存储器：此部件主要完成探测装置的数据存储功能。通过FPGA控制器对采样转换机构输出的数据进行处理后将图像数据存储在DDR2存储器中。在需要时，可以通过FPGA控制器将DDR2存储器中存储的图像数据读出并进行其他操作。

7)PHY芯片：主要实现以太网传输相关的物理层处理工作，经过此部件后的数据就可以直接通过物理网络接口传送出去。

8)光纤网络接口：此部件为物理光纤网络接口，由于光纤传输具有稳定性高，速度快，抗干扰能力强且可以进行远距离传输等特点，因此探测装置配有光纤接口，使得所得图像数据可以通过光纤传输到上位机上。

本发明探测装置的各个模块有机配合，其核心控制部分为FPGA控制器，可实现对高功率激光的近场测量。其中采样转换机构与FPGA控制器中的数据处理单元紧密配合最终实现高信噪比图像输出。

参见图2，本发明用于高功率激光近场测量的高信噪比探测方法的具体流程如下：

1)***上电后先进行初始化，探测装置处于默认工作参数下运行。FPGA控制器中的时序产生与调整单元根据***默认工作参数产生所需的CCD传感器驱动时序以及采样转换机构中不同的AD转换芯片的工作时序，同时将采样得到的数据送入数据处理单元进行数据处理，数据处理部分主要是对不同AD转换芯片所得到的数据进行滤波处理，数据处理单元处理完的图像数据进入缓存或存储单元进行存储，之后经过千兆以太网口发送至上位机进行显示。激光近场测量时如需调节***工作参数(如曝光时间、增益、偏置、触发方式、传输方式等)，则可以通过上位机进行工作参数配置，然后将配置命令发送至以太网接口，之后经过PHY芯片进入FPGA控制器进行***工作参数配置。

2)当进行高功率激光的近场测量时，一开始***需要调整光路，将探测装置工作参数配置为光路调整参数，具体的：触发方式为连续外触发模式、传输方式为主动传输，***曝光时间、增益以及偏置等参数根据调光时光源情况进行针对性进行设置。此时图像在上位机上根据外触发信号的频率进行图像显示与刷新。

3)调整好光路后，将探测装置工作参数配置为近场测量参数，具体的：工作模式为帧存采集模式、触发方式为单次外触发模式、传输方式为被动传输，根据正式测量时光源情况设置好***曝光时间等参数。此步骤完成后即开始进行高功率激光的近场探测。

4)设置好激光近场测量参数后，探测装置处于等待外触发信号状态；当外触发信号来临时，CCD传感器对探测到的近场激光进行光电转换后通过前置放大与预处理单元进行信号放大和预处理后送入采样转换机构，之后将2个AD转换芯片所得的数据送入FPGA控制器，然后在FPGA控制器上数据处理单元中进行采样数据处理(按照特定的滤波算法进行处理)，之后将图像数据直接存入片外DDR2存储器。

4)当上位机发送重传命令后，FPGA控制器将从光纤网络接口接收到的命令进行译码控制DDR2存储器进行图像读出并经PHY芯片发送至光纤网络接口，最终传输至上位机上进行显示。

以上便是高功率激光近场探测的一次完整过程，使用中可进行工作参数调整以适应现场不同的场景需要，调整完后***在新的参数下继续工作。

Claims (10)

1.一种用于高功率激光近场测量的高信噪比探测装置，其特征在于：包括CCD传感器、前置放大与预处理单元、采样转换机构、FPGA控制器、PHY芯片和光纤网络接口；

所述CCD传感器用于进行激光探测及光电转换，并向前置放大与预处理单元输出模拟电信号；

所述前置放大与预处理单元用于对CCD传感器输出的模拟电信号进行放大和预处理后传输至采样转换机构；

所述采样转换机构用于将输入的模拟电信号转化为数字格式的图像数据并传输至FPGA控制器；

所述FPGA控制器包括数据处理单元和时序产生与调节单元；所述数据处理单元用于对输入的图像数据进行处理后进行存储或输出；所述时序产生与调节单元用于产生并调节CCD驱动时序和AD驱动时序，所述CCD驱动时序用于驱动CCD传感器，所述AD驱动时序用于驱动采样转换机构；

所述光纤网络接口通过PHY芯片与FPGA控制器进行数据传输。

2.根据权利要求1所述的用于高功率激光近场测量的高信噪比探测装置，其特征在于：还包括电平转换单元，所述电平转换单元用于将FPGA控制器的时序产生与调节单元产生的CCD驱动时序进行电平转换，以满足CCD传感器对驱动信号电平的要求。

3.根据权利要求1所述的用于高功率激光近场测量的高信噪比探测装置，其特征在于：还包括DDR2存储器，所述DDR2存储器用于对FPGA控制器的数据处理单元处理后的数据进行存储。

4.根据权利要求1-3中任一所述的用于高功率激光近场测量的高信噪比探测装置，其特征在于：所述采样转换机构包括两片相同的AD转换芯片，两片AD转换芯片分别在FPGA控制器输出的两组AD驱动时序作用下对同一像素周期内的不同采样位置进行独立的数据采样与转换。

5.根据权利要求1所述的用于高功率激光近场测量的高信噪比探测装置，其特征在于：所述前置放大与预处理单元包括用于实现阻抗匹配的射随电路、用于实现电压放大的放大电路和用于实现直流分量滤波的滤波电路。

6.根据权利要求4所述的用于高功率激光近场测量的高信噪比探测装置，其特征在于：AD转换芯片的工作方式设置为数字相关双采样模式且对输入信号进行过采样；在时序设计时使AD转换芯片工作在SHA模式，同时使参考电平与信号电平采样点成对出现。

7.根据权利要求6所述的用于高功率激光近场测量的高信噪比探测装置，其特征在于：AD转换芯片的采样时钟设置为模拟信号像素频率的N倍，N为偶数。

8.根据权利要求4所述的用于高功率激光近场测量的高信噪比探测装置，其特征在于：所述数据处理单元对输入的图像数据进行的处理包括对输入数据进行合成、数字相关双采样、筛选和均值滤波。

9.一种基于权利要求1-8中任一所述的用于高功率激光近场测量的高信噪比探测装置的探测方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)***上电后进行初始化，探测装置在默认工作参数下运行；

FPGA控制器的时序产生与调节单元根据默认工作参数产生所需的CCD驱动时序和AD驱动时序；

FPGA控制器的数据处理单元将采样得到的数据进行处理后进行存储，然后经PHY芯片和光纤网络接口发送至上位机进行显示；

2)将探测装置工作参数配置为光路调整参数；

对光路进行调整，上位机根据外触发信号的频率进行图像显示与刷新；

3)将探测装置工作参数配置为近场测量参数；

CCD传感器对探测到的近场激光进行光电转换，并向前置放大与预处理单元输出模拟电信号；

前置放大与预处理单元对CCD传感器输出的模拟电信号进行信号放大和预处理后传输至采样转换机构；

采样转换机构将输入的模拟电信号转化为数字格式的图像数据并传输至FPGA控制器；

FPGA控制器的数据处理单元对输入的图像数据进行处理后进行存储；

上位机通过光纤网络接口向FPGA控制器发出传送指令，FPGA控制器读取存储的数据并经光纤网络接口传输至上位机进行显示。

10.根据权利要求9所述的用于高功率激光近场测量的高信噪比探测装置的探测方法，其特征在于：

所述探测装置工作参数包括曝光时间、增益、偏置、触发方式和传输方式；

当探测装置工作参数配置为光路调整参数时，所述触发方式为连续外触发模式，所述传输方式为主动传输；

当探测装置工作参数配置为近场测量参数时，所述触发方式为单次外触发模式，所述传输方式为被动传输。