CN103792874A - 用于激光主动成像的嵌入式距离选通主控系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于激光主动成像的嵌入式距离选通主控系统，包括：FPGA主控；以及与所述FPGA主控相连接的：USB通信接口、激光器出光检测器件PIN光电管接口、信号放大与整形器件、参考时钟、DDR3图像缓存、图像D/A器件、VGA显示接口、图像采集和相机控制GIGA-E接口、相机触发SMA接口、激光器触发RJ-45接口、激光器控制RS232接口以及电平转换器件。本发明的用于激光主动成像的嵌入式距离选通主控系统，采用FPGA为控制核心，完成激光器和相机的精确同步，完成激光器和相机的参数设定，完成相机图像的采集、缓存和显示，完成中枢主控和主动成像系统的交互通信。

Description

用于激光主动成像的嵌入式距离选通主控系统

技术领域

本发明属于光电探测领域，具体涉及一种用于激光主动成像的嵌入式距离选通主控系统。

背景技术

成像系统按照有无人工光源施照分为被动成像系统和主动成像系统。与被动成像系统相比，主动成像系统通过人工施照提高了目标亮度，成像效果一般比被动成像系统好。但是，照明光束在大气中传输过程中会受到大气的散射，后向散射光进入系统成像后对目标图像造成了很强的水洗效果，极大地降低了系统整体的信噪比。因此，需要采用距离选通技术，以时间的先后分开不同距离上的散射光和目标反射光，使目标反射回来的辐射脉冲在相机选通的时间内到达并成像。

距离选通技术的两个关键特征是脉冲照明和选通成像。在选通成像环节，最重要的是照明脉冲和相机快门间的严格同步，通过该同步关系来确定对不同距离上的目标进行成像，该同步关系的准确控制直接决定了成像的距离分辨率和精度。

在距离选通主动成像系统中，常用的同步控制设备为时间事件发生器或信号发生器，这些设备都是通用设备，具有精度高、体积大、成本高等特点，更适于调试过程，但是不利于实验装置和最终产品的集成。

发明内容

本发明要解决现有的距离选通主动成像系统中，选通控制系统成本高、体积大、功耗高、不利于集成的问题，提供一种采用大规模集成电路作为控制核心，同时实现激光器和相机的控制和同步、图像采集、图像缓存、图像显示、系统参数通信接口等功能的，用于激光主动成像的嵌入式距离选通主控系统。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案具体如下：

一种用于激光主动成像的嵌入式距离选通主控系统，包括：

FPGA主控，其包括：键盘控制和参数设置模块、相机触发模块、激光器触发模块、PLL模块、USB通信接口控制模块、参数分配模块、相机设置模块、DDR3控制器模块、缓存管理模块、图像显示模块、图像采集模块、相机设置模块、GIGA-E接口控制模块、激光器设置模块以及RS-232接口控制模块；

与所述FPGA主控相连接的：USB通信接口、激光器出光检测器件PIN光电管接口、信号放大与整形器件、参考时钟、DDR3图像缓存、图像D/A器件、VGA显示接口、图像采集和相机控制GIGA-E接口、相机触发SMA接口、激光器触发RJ-45接口、激光器控制RS232接口以及电平转换器件；

所述FPGA主控通过USB通信接口或键盘从外界获得系统工作需要的全部参数，并把这些参数传递给ICCD相机和激光器驱动；

所述FPGA主控通过RJ-45接口控制激光器发出激光脉冲，该激光脉冲的部分能量经激光器出光检测器件拾取并转换为电信号，经放大整形后送给相机触发模块作为门控程序的时间基准；

所述相机触发模块根据预置的距离信息在特定时刻触发相机开门信号，完成一次曝光，在FPGA主控内部，该触发信号同时送给缓存管理模块；

所述缓存管理模块接到相机触发信号后，使能图像采集模块，由图像采集模块从相机读取一帧图像并存储在DDR3图像缓存中；

图像读取完成后，所述缓存管理模块使能图像显示模块，使其向DDR3缓存读取数据，并将数据送至图像D/A，转换为模拟信号后送给VGA显示接口，由外部显示器将图像显示。

上述技术方案中，所述参考时钟为25MHz晶振时钟。

本发明具有以下的有益效果：

本发明的用于激光主动成像的嵌入式距离选通主控系统，采用FPGA为控制核心，完成激光器和相机的精确同步，完成激光器和相机的参数设定，完成相机图像的采集、缓存和显示，完成中枢主控和主动成像系统的交互通信。

本发明的用于激光主动成像的嵌入式距离选通主控系统，由于采用了芯片级和有针对性的板级设计，有效降低了激光主动照明成像系统的体积、功耗和成本，使激光主动成像技术更易于集成在对体积、功耗敏感的应用中；同时由于距离选通技术得以应用，有效提高了主动照明的能效，降低了后向散射对目标图像的影响，提高了成像系统的作用距离；由于在板上集成了图像采集、图像缓存和图像显示部件，降低了主动成像系统对上位机的依赖，使其在系统集成过程中具有更好的灵活性。

本发明的用于激光主动成像的嵌入式距离选通主控系统，可以根据实际使用场合和使用要求进行灵活定制和裁剪，具有很好的工程实用价值和经济效益。

本发明的用于激光主动成像的嵌入式距离选通主控系统，具有针对性强、体积小、成本低、灵活可定制的突出特点。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1为基于本发明的距离选通主动成像系统的结构框图。

图2为本发明的用于激光主动成像的嵌入式距离选通主控系统的结构框图。

具体实施方式

本发明的发明思想为：

本发明的用于激光主动成像的嵌入式距离选通主控系统，硬件上由FPGA主控、USB通信接口、激光器出光检测器件PIN光电管接口、信号放大与整形器件、参考时钟、DDR3图像缓存、图像D/A器件、VGA显示接口、图像采集和相机控制GIGA-E接口、相机触发SMA接口、激光器触发RJ-45接口、激光器控制RS232接口、电平转换器件等部件组成；软件上，主要由FPGA主控内部的键盘控制和参数设置模块、相机触发模块、激光器触发模块、PLL模块、USB通信接口控制模块、参数分配模块、相机设置模块、DDR3控制器模块、缓存管理模块、图像显示模块、图像采集模块、相机设置模块、GIGA-E接口控制模块、激光器设置模块、RS-232接口控制模块等部分组成。

FPGA主控通过USB通信接口或键盘从外界获得系统工作需要的全部参数，并把这些参数传递给ICCD相机和激光器驱动。FPGA主控通过RJ-45接口控制激光器发出激光脉冲，该激光脉冲的部分能量经激光器出光检测器件拾取并转换为电信号，经放大整形后送给相机触发模块作为门控程序的时间基准。相机触发模块根据预置的距离信息在特定时刻触发相机开门信号，完成一次曝光，在FPGA主控内部，该触发信号同时送给缓存管理模块。缓存管理模块接到相机触发信号后，使能图像采集模块，使其从相机读取一帧图像并存储在DDR3图像缓存中。图像读取完成后，缓存管理模块使能图像显示模块，由图像显示模块向DDR3缓存读取数据，并将数据送至图像D/A，转换为模拟信号后送给VGA显示接口，由外部显示器将图像显示。所述的参考时钟为25MHz晶振时钟，经PLL模块倍频后为主控系统提供400MHz工作时钟，在该时钟频率下，主控系统达到2.5ns的计时精度，从而使主动成像系统的距离分辨率达到0.375m。

该嵌入式主控系统中的参考时钟、PLL模块、键盘控制和参数设置模块、相机触发模块、激光器触发模块、电平转换器件、相机触发SMA接口、激光器触发RJ-45接口构成了系统的核心功能，完成距离选通成像系统控制和同步。该嵌入式主控系统中的其它部件为延展功能，用于进一步降低激光主动成像系统的总体积和成本，同时可根据实际情况进行功能上的裁剪，为激光主动成像系统的组建提供了更高的灵活性。

本发明的用于激光主动成像的嵌入式距离选通主控系统，使用FPGA作为主控核心，实现激光器出光控制；实现由PIN管拾取的发光信号的精确延时，生成相机的门控触发信号，并保证优于2.5ns的计时分辨率，高于1MHz的重复频率，对于8ns脉宽的脉冲激光器，使距离选通成像系统实现0.375m的距离分辨率，3.5m的成像景深；实现相机参数的设定、图像的采集和显示。

下面结合附图对本发明做以详细说明。

图1为基于本发明的激光主动成像系统结构框图，由ICCD相机、激光器驱动、532nm激光器、图像采集、图像缓存和图像显示系统、FPGA主控、参考时钟、通信接口、键盘、光学系统等部件构成，其中阴影部分为本发明中的功能部件。FPGA主控通过USB通信接口接收外部发送来的系统参数，这些参数包括激光器控制参数、相机控制参数、目标距离参数等，这些参数也可以通过键盘向FPGA传递。FPGA主控通过控制激光器驱动系统来控制激光器的发光，该光信号经PIN管拾取并转换为电信号，通过SMA接口送回主控系统，经放大整形后作为主控系统的时间基准。FPGA主控根据目标距离参数计算相机快门的开启时刻，当回波信号抵达相机时开启相机快门，完成一帧图像的采集，并将图像存储到DDR3图像缓存，然后将缓存中的内容发送到图像D/A和图像显示设备进行显示。常用的门控系统一般由信号发生器和时间事件发生器等通用设备构成，本发明使用自行开发的嵌入式主控系统代替上述通用设备，实现系统的小型化、低功耗，而且该系统同时考虑了图像的采集、缓存和显示、脱离上位机的参数本地化设置，能够作为完整的嵌入式距离选通主动成像控制器。

图2为本发明的距离选通主控系统结构框图。图中给出了包括FPGA主控在内的硬件结构，也给出了FPGA主控内部的软件结构。该嵌入式主控系统硬件上由FPGA主控、USB通信接口、激光器出光检测器件PIN光电管接口、信号放大与整形器件、参考时钟、DDR3图像缓存、图像D/A器件、VGA显示接口、图像采集和相机控制GIGA-E接口、相机触发SMA接口、激光器触发RJ-45接口、激光器控制RS232接口、电平转换器件等部件组成。软件上，主要由FPGA主控内部的键盘控制和参数设置模块、相机触发模块、激光器触发模块、PLL模块、USB通信接口控制模块、参数分配模块、相机设置模块、DDR3控制器模块、缓存管理模块、图像显示模块、图像采集模块、相机设置模块、GIGA-E接口控制模块、激光器设置模块、RS-232接口控制模块等部分组成。

FPGA主控通过USB通信接口或键盘从外界获得系统工作需要的全部参数，并把这些参数按照参数类型分配给相机设置模块、激光器设置模块、键盘控制和参数设置模块。相机设置模块通过GIGA-E接口将相机参数传递给ICCD相机，激光器设置模块通过RS-232接口将激光器参数传递给激光器驱动。激光器触发模块通过RJ-45接口控制激光器发出激光脉冲，该激光脉冲的部分能量经PIN管拾取转换为电信号，经过信号放大整形后送给相机触发模块，该模块根据预置的距离信息在特定时刻通过SMA接口触发相机开门信号。在FPGA主控内部，相机触发信号同时送给缓存管理模块。缓存管理模块接到相机触发信号后，使能图像采集模块，由图像采集模块通过GIGA-E接口从相机读取一帧图像并存储在DDR3图像缓存中。图像读取完成后，缓存管理模块使能图像显示模块，使其向DDR3图像缓存读取数据，并将数据送至图像D/A，转换为模拟信号后送给VGA显示接口，由外部显示器将图像显示。图中阴影部分构成了系统的核心功能，完成距离选通主动成像系统控制和同步，图中非阴影部分为主控系统的延展功能，用于进一步降低激光主动成像系统的总体积和成本，同时可根据实际情况进行功能上的裁剪，为激光主动成像系统的组建提供更高的灵活性。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (2)

1.一种用于激光主动成像的嵌入式距离选通主控系统，其特征在于，包括：

FPGA主控，其包括：键盘控制和参数设置模块、相机触发模块、激光器触发模块、PLL模块、USB通信接口控制模块、参数分配模块、相机设置模块、DDR3控制器模块、缓存管理模块、图像显示模块、图像采集模块、相机设置模块、GIGA-E接口控制模块、激光器设置模块以及RS-232接口控制模块；

与所述FPGA主控相连接的：USB通信接口、激光器出光检测器件PIN光电管接口、信号放大与整形器件、参考时钟、DDR3图像缓存、图像D/A器件、VGA显示接口、图像采集和相机控制GIGA-E接口、相机触发SMA接口、激光器触发RJ-45接口、激光器控制RS232接口以及电平转换器件；

所述FPGA主控通过USB通信接口或键盘从外界获得系统工作需要的全部参数，并把这些参数传递给ICCD相机和激光器驱动；

所述FPGA主控通过RJ-45接口控制激光器发出激光脉冲，该激光脉冲的部分能量经激光器出光检测器件拾取并转换为电信号，经放大整形后送给相机触发模块作为门控程序的时间基准；

所述相机触发模块根据预置的距离信息在特定时刻触发相机开门信号，完成一次曝光，在FPGA主控内部，该触发信号同时送给缓存管理模块；

所述缓存管理模块接到相机触发信号后，使能图像采集模块，由图像采集模块从相机读取一帧图像并存储在DDR3图像缓存中；

图像读取完成后，所述缓存管理模块使能图像显示模块，使其向DDR3缓存读取数据，并将数据送至图像D/A，转换为模拟信号后送给VGA显示接口，由外部显示器将图像显示。

2.根据权利要求1所述的嵌入式距离选通主控系统，其特征在于，所述参考时钟为25MHz晶振时钟。

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