一種基于apd和tdc的激光成像探測系統(tǒng)的制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于激光成像雷達技術領域的具體應用，尤其涉及一種基于Aro和TDC的激光成像探測系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002]基于焦平面陣列的非掃描脈沖激光雷達成像技術與傳統(tǒng)的激光成像技術相比，激光成像技術引因其高分辨率、高幀頻以及較強的目標識別能力的特點，是各國研宄的重點。與紅外成像和微波成像相比，激光成像由于激光固有的短波長、單向性好和高相干的特點，而具有更高的分辨率，能實時獲得清晰地三維圖像(角-角-距離)。激光成像系統(tǒng)可獲得豐富的目標信息，因此易于目標的自動識別，抗干擾能力強，同時具有穿透一定遮蔽物、偽裝和植被探測目標的能力。在導彈精確制導、航天器交會對接、無人機偵察、機器人視覺、海底探測以及直升機避障的領域有廣泛的應用潛力，是當今成像技術的一個重要發(fā)展方向。
[0003]相對于國外在非掃描激光成像技術方面的迅速發(fā)展，由于基于焦平面陣列的非掃描激光成像雷達具有成像不失真和穿透一定遮蔽物探測到目標的能力，是各國研宄的重點。隨著軍事和航天領域?qū)Τ上裉綔y日益增長的需求，發(fā)展，高精度、高分辨率的成像技術是各國的研宄重點。掃描式激光成像技術已不滿足需求。本發(fā)明針對國內(nèi)在基于焦平面陣列的非掃描三維激光成像技術領域內(nèi)目前還沒有帶集成讀出CMOS計時電路的APD陣列產(chǎn)品的情況，根據(jù)非掃描三維成像原理，提出利用分立元器件作為計時核心器件設計激光回波的和信號處理模塊，設計非掃描激光成像的信號采集與處理模塊，包括主放大電路、時刻鑒別電路、精確計時電路以及數(shù)據(jù)與上位機之間傳輸所需的接口電路。采用8X8像素的APD陣列內(nèi)部集成了前置跨阻放大電路，采用ACAM公司的精度達45ps級的TDC-GP21芯片，采用Cypress公司的CY68013A芯片，設計USB2.0串行高速接口，同時采用FPGA芯片實現(xiàn)對TDC-GP21的同步初始化、控制和數(shù)據(jù)讀取功能，最終實現(xiàn)了一種基于APD和TDC的激光成像探測系統(tǒng)，該發(fā)明具有體積小，重量輕，分辨率高，成像速率快的特點。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對傳統(tǒng)的掃描式激光成像技術已不能滿足現(xiàn)實應用要求的現(xiàn)狀，本發(fā)明設計了一種基于APD和TDC的激光成像探測系統(tǒng)。本發(fā)明的目的在于，提供一種體積小，重量輕，分辨率高，成像速率快的一種基于APD和TDC的激光成像探測系統(tǒng)。
[0005]為了實現(xiàn)上述系統(tǒng)，本發(fā)明采取的技術方案是:
一種基于APD和TDC的激光成像探測系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)由APD探測陣列模塊、分立信號處理模塊組成；其中，所述分立信號處理模塊又包括了精確計時、FPGA控制電路、圖像顯示處理幾個子模塊。所述APD探測陣列模塊通過激光發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射的激光光束照射到整個目標探測區(qū)域，所述FPGA控制電路通過驅(qū)動電路控制激光器發(fā)射脈沖信號，同時，給精確計時模塊發(fā)送Start信號，待激光回波脈沖到達APD探測陣列模塊后，每像素只與其對應的目標各點的回波信號，與各像素單元一一對應精確計時模塊到Stop信號。通過計算Start與Stop的差值，即可得到目標該點到系統(tǒng)的距離值，然后通過信號處理系統(tǒng)可視化算法對陣列所有像素的輸出結(jié)果進行處理，最終獲得目標的三維距離圖像。
[0006]在該激光成像探測系統(tǒng)中，所述Aro探測陣列模塊采用分立元器件單像素計時電路，各像素間實現(xiàn)并行獨立工作，利用不帶集成讀出電路的8 X 8陣列APD進行搭建，該模塊用于陣列探測器激光回波信號并將光信號轉(zhuǎn)換為電流信號，微弱的電流信號經(jīng)過陣列內(nèi)部集成的前置放大電路進行初次放大，再經(jīng)主放大電路的二次放大后，經(jīng)過時刻鑒別電路后輸入到精確計時模塊的Stop管腳；所述分立信號處理模塊用于對接收到的信號進行分析處理并生成可視圖像信號，最終將圖像信號傳輸給上位機進行顯示。
[0007]在該激光成像探測系統(tǒng)中，所述分立信號處理模塊包括精確計時、FPGA控制電路、圖像顯示處理幾個子模塊，所述精確計時模塊使用ACAM公司開發(fā)的高精度專用時間數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片TDC-GP21設計分立的計時單元，對激光脈沖在空中的往返飛行時間進行準確測量，計時精度最高可達45ps，理論距離分辨率可達1.35cm，用于完成精確計時功能；所述FPGA控制電路選用Altera公司的EP2S60F484C4芯片作為控制TDC-GP21的主芯片，實現(xiàn)對精確計時模塊TDC-GP21進行同步初始化、控制和數(shù)據(jù)讀取的功能，控制精確計時模塊TDC-GP21完成精確計時功能，最后通過USB高速接口，將數(shù)據(jù)傳入上位機進行圖像顯示處理；所述圖像顯示處理模塊由MATLAB以及用C語言編寫的圖像顯示UI界面組成，完成對目標三維輪廓的重現(xiàn)，呈現(xiàn)出目標的三維距離像。
[0008]在該激光成像探測系統(tǒng)中，所述的精確計時模塊其特征在于，所述精確計時模塊的控制程序流程如下所示:
步驟1、配置(測量范圍、時鐘、通道選擇)；
步驟2、初始化；
步驟3、等待start和stop脈沖；
步驟4、判斷是否超時，是則執(zhí)行步驟7，否則執(zhí)行步驟5 ;
步驟5、校準測量；
步驟6、對HITl和HIT2數(shù)據(jù)進行處理；
步驟7、中斷；
步驟8、讀取狀態(tài)寄存器；
步驟9、判斷溢出，是則執(zhí)行步驟2，否則執(zhí)行步驟10 ;
步驟10、讀數(shù)據(jù)。
[0009]本發(fā)明的有益效果是:
一種基于APD和TDC的激光成像探測系統(tǒng)，該系統(tǒng)由APD探測陣列模塊、分立信號處理模塊組成，其中，所述分立信號處理模塊又包括了精確計時、FPGA控制電路、圖像顯示處理幾個子模塊；該系統(tǒng)采用8 X 8像素的APD陣列內(nèi)部集成了前置跨阻放大電路，采用ACAM公司的精度達45ps級的TDC-GP21芯片，采用Cypress公司的CY68013A芯片，設計USB2.0串行高速接口，同時采用FPGA芯片實現(xiàn)對TDC-GP21的同步初始化、控制和數(shù)據(jù)讀取功能，最終實現(xiàn)了一種基于APD和TDC的激光成像探測系統(tǒng)，該發(fā)明具有體積小，重量輕，分辨率高，成像速率快的特點。
【附圖說明】
[0010]以下結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步的解釋說明。
[0011]圖1是激光成像探測系統(tǒng)總體框架圖；
圖2是分立信號處理模塊框圖；
圖3是主放大電路原理圖；
圖4是時刻鑒別電路簡化電路圖；
圖5是TDC-GP21電源電路圖；
圖6是FPGA數(shù)據(jù)采集與傳輸方框圖；
圖7是TDC-GP21控制程序流程圖。
【具體實施方式】
[0012]本發(fā)明的【具體實施方式】為:所述的一種基于Aro和TDC的激光成像探測系統(tǒng)，所述APD探測陣列模塊和分立信號處理模塊之間采用數(shù)據(jù)線接口連接，用于對激光信號進行采集；所述分立信號處理模塊用于對接收到的信號進行分析處理并生成可視圖像信號，最終將圖像信號傳輸給上位機進行顯示，繼而通過高速USB接口連接到上位機；具體的，所述FPGA控制電路通過驅(qū)動電路控制激光器發(fā)射脈沖信號，同時，給精確計時模塊發(fā)送Start信號，待激光回波脈沖到達AH)探測陣列模塊后，每像素只與其對應的目標各點的回波信號，與各像素單元--對應精確計時模塊到Stop信號，通過計算Start與Stop的差值，即可得到目標該點到系統(tǒng)的距離值，然后通過信號處理系統(tǒng)可視化算法對陣列所有像素的輸出結(jié)果進行處理，最終獲得目標的三維距離圖像，該發(fā)明具有體積小，分辨率高，成像速率快的特點。
[0013]圖1是分立信號處理模塊框圖，該系統(tǒng)由Aro探測陣列模塊、分立信號處理模塊組成；APD探測陣列模塊和分立信號處理模塊之間采用數(shù)據(jù)線接口連接，用于對激光信號進行采集；分立信號處理模塊包括TDC-GP21精確計時、FPGA控制電路、圖像顯示處理幾個子模塊，用于對接收到的信號進行分析處理并生成可視圖像信號，最終將圖像信號傳輸給上位機進行顯示；其中精確計時模塊與FPGA控制電路模塊之間采用SPI接口雙向連接，F(xiàn)PGA控制電路同時通過SPI接口與圖像顯示處理模塊連接，通過信號處理系統(tǒng)可視化算法對信號進行處理，最終獲得目標的三維距