CN107907873B - 一种针对阵列apd的回波采集系统及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种针对阵列APD的回波采集系统，包括模拟放大模块、数字处理模块和上位机；模拟放大模块至少包括一个8×8阵列的跨阻放大器板卡和ADC，8×8阵列的跨阻放大器板卡包括跨阻放大器阵列和多路选择器；跨阻放大器阵列由相互独立的64个跨阻放大器构成，多路选择器为64选1多路选择器，包括9个八选一开关，8个开关并行工作作为第一级选通器，1个开关作为第二个选通器；64个跨阻放大器与多路选择器的64个输入端一一相连；多路选择器的输出与ADC的输入相连；数字处理模块包括FPGA和USB接口；ADC的输出连接至FPGA，FPGA的输出通过USB接口传输至上位机，从而实现对阵列探测器每一元的激光回波信号进行采集、存储和分析。

Description

一种针对阵列APD的回波采集系统及其方法
技术领域
本发明涉及一种在激光测量系统中，针对线阵或面阵等多元APD(avalanchephotodiode，雪崩光电二极管)探测器的回波信号采集系统及其方法。
背景技术
近年来，机载激光雷达技术快速发展，激光雷达成像系统在地球遥感中日益重要起来，激光技术与传统遥感技术相结合，可以同时给出地面影像和地形三维图像一体化信息，可以大大提高测绘效果。激光成像基于激光测距原理，激光测距通过光电探测器接收激光发射波信号和激光回波信号，通过数字电路计算激光飞行时间进而得到激光照射的目标距离。早期的激光成像系统采用单点激光束和单元探测器，采用扫描探测的方式进行成像。这类系统一般通过飞行器实现一维的扫描，通过机械扫描结构实现另一维的扫描，这就为系统带来了额外的质量、体积和功耗，而且对激光器的重复频率要求较高。随着线阵和面阵等阵列APD探测器逐渐出现，以及光纤焦平面面阵接收技术的发展，激光成像系统的探测方式也发生了变化，出现了面阵主动探测和线列推扫探测等方式，需要探测系统对阵列探测器每一单元接收到的激光回波信号进行多路并行处理，进而实现面阵或线阵成像。这类成像系统的成像效果直接受阵列探测器中每一单元探测器接收到的回波质量影响，如果探测器某一元回波信号强度太弱，说明这一元探测器的响应度较其他元低，需要适当增大后级放大器的放大倍数；如果某一元探测器回波信号信噪比较低，则需在后级电路中进行滤波操作；如果某一元始终没有回波信号，则应当被当作盲元处理。总之，要保证阵列探测器的成像质量，首先要保证阵列探测器中每一元的回波质量和整个探测器阵列的性能均匀性。
单元探测器接收到的回波信号可以通过示波器查看，而常用的阵列探测器单元数较多，如8×8、25×25、32×32甚至更多，用示波器手动依次查看每一元的回波信号是不现实的。因此为了验证阵列探测器的性能均匀性，为后续探测处理电路的设计提供便利，可以通过一个专门的波形采集系统，将阵列探测器每一元接收到的回波数据进行采集、存储和查看，在上位机对阵列探测器的性能均匀性进行分析，这对阵列激光成像系统的开发是非常有价值的。
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发明内容
针对现有技术，本发明提供的一种针对阵列APD的回波采集系统，通过一套软硬件结合的采集系统，对阵列探测器每一元的激光回波信号进行采集、存储和分析，验证阵列探测器性能均匀性，为后续激光成像系统处理电路的设计提供参考。
为了解决上述技术问题，本发明提出的一种针对阵列APD的回波采集系统，包括模拟放大模块、数字处理模块和上位机；所述模拟放大模块至少包括一个8×8阵列的跨阻放大器板卡和ADC，所述8×8阵列的跨阻放大器板卡包括跨阻放大器阵列和多路选择器；所述跨阻放大器阵列由相互独立的64个跨阻放大器构成，所述多路选择器为64选1多路选择器，包括9个八选一开关，其中，8个八选一开关并行工作作为第一级选通器，1个八选一开关作为第二级选通器；所述64个跨阻放大器与所述多路选择器的64个输入端一一相连；所述多路选择器的输出与所述ADC的输入相连；所述数字处理模块包括FPGA和USB接口；所述ADC的输出连接至所述FPGA，所述FPGA的输出通过所述USB接口传输至所述上位机。
利用上述针对阵列APD的回波采集系统进行回波采集的方法，其步骤如下：
激光器产生的多路并行的激光回波经一阵列APD探测器接收后输出多路并行的光电流信号，所述跨阻放大器阵列将所述多路并行的光电流信号转化为电压信号，所述多路选择器对跨阻放大器阵列的输出的电压信号进行选择性读出，每个时钟周期只输出一元探测器的电压信号，通过多个时钟周期连续输出，最终将阵列APD探测器所有像元点的电压信号输出至所述ADC；
所述FPGA内部包括有多路选择器控制模块，所述FPGA接收所述ADC输出的数字信号和激光器产生的同步电信号，所述同步电信号是指激光器每一次发射激光脉冲时的电信号指示，所述同步电信号与激光回波时刻的时间间隔是A，根据所述时间间隔A设定所述FPGA数据长度T和数据长度L，T+L＝A；所述FPGA内部的多路选择器控制模块输出所述跨阻放大器阵列选通地址，每接收一次同步电信号，选通地址跳变一次，所述跨阻放大器板卡输出阵列APD探测器中的一路电压信号，直到所述阵列APD探测器中的每一像元信号全部输出；
当同步电信号到来时，所述FPGA开始接收ADC输出的波形数据，并将数据长度为T的数据舍弃，将接下来的数据长度为L的数据截取并通过USB上传至上位机，同时输出此时的跨阻放大器阵列选通地址作为波形数据的地址编号；经过数个激光发射周期后，直到阵列APD探测器每一像元点的激光回波数据全部上传至上位机，所述激光回波数据包括波形数据和波形数据的地址编号；
所述上位机对接收到的激光回波数据进行存储、查看以及数据分析，包括：
将波形数据及波形数据的地址编号存储在计算机硬盘中，波形数据的地址编号与波形数据一一对应，波形数据的地址编号作为激光回波数据的识别地址；
所述上位机显示与波形数据对应的波形图，查看过程中，通过输入波形数据的地址编号显示对应的波形数据；
所述上位机对阵列APD探测器所有像元输出的波形数据进行处理后至少得到的波形特征参数包括有波形数据的峰值、脉冲宽度、上升时间、下降时间和信噪比。
利用本发明获得的波形特征参数可以作为对整个阵列APD探测器的均匀性评价的基础，进而得出评价报告。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明涉及了一套针对阵列APD探测器的软硬件结合的激光回波采集系统架构，通过本发明，可以对多像元的线阵或面阵APD探测器所有像元的激光回波信号进行采集，对探测器阵列的性能均匀性进行评价，为激光阵列成像系统的探测器读出电路的设计提供参考。
附图说明
图1是本发明系统构架框图；
图2是本发明中模拟放大模块结构框图；
图3是本发明中数据处理模块结构框图；
图4是波形时序图；
图5是上位机软件结构框图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。
本发明提出的一种针对阵列APD的回波采集系统，如图1和图2所示，包括模拟放大模块、数字处理模块和上位机；所述模拟放大模块至少包括一个8×8阵列的跨阻放大器板卡和模数转换器(ADC)，所述8×8阵列的跨阻放大器板卡包括跨阻放大器阵列和多路选择器；所述跨阻放大器阵列由相互独立的64个跨阻放大器构成，所述多路选择器为64选1 多路选择器，包括9个八选一开关，其中，8个八选一开关并行工作作为第一级选通器，1 个八选一开关作为第二级选通器；所述64个跨阻放大器与所述多路选择器的64个输入端一一相连；所述多路选择器的输出与所述ADC的输入相连；所述多路选择器通过预留的控制接口由所述数字处理模块的FPGA进行选通控制。
阵列APD探测器每一单元需要独立的跨阻放大器，因此需要根据阵列APD探测器的单元数量设置等量的跨阻放大器阵列。本发明所述8×8阵列的跨阻放大器板卡，可以同时读出8×8阵列APD探测器的输出信号，若阵列APD探测器的像元数更多，可以根据APD 探测器阵列的像元数增加跨阻放大器板卡数量。
如图1和图3所示，本发明中，所述数字处理模块包括FPGA和USB接口；所述ADC 的输出连接至所述FPGA，所述FPGA的输出通过所述USB接口传输至所述上位机。
所述ADC要求采样率2GSPS以上，量化位数8位以上，以此保证采集到的激光回波数字波形的完整性。
所述FPGA选择XILINX公司K7系列FPGA作为数字处理核心。
所述USB通过Cypress公司USB3.0芯片作为通信芯片向上位机传输数据。
所述上位机通过LABVIEW开发平台进行软件设计。
本发明中，所述FPGA内部包括有多路选择器控制模块，利用上述针对阵列APD的回波采集系统的方法包括以下步骤：
如图1和图2所示，激光器产生的多路并行的激光回波经一阵列APD探测器接收后输出多路并行的光电流信号，所述跨阻放大器阵列将所述多路并行的光电流信号转化为电压信号，将探测器阵列每一元的光电信号全部并行读出会给后级模数转换模块和数据处理模块带来很大负担，本发明所述的回波采集系统通过采集阵列探测器的光电信号验证探测器阵列性能均匀性，对读出信号的同步性和实时性没有过高要求，因此采用所述多路选择器对跨阻放大器阵列的输出的电压信号进行选择性读出，每个时钟周期只输出一元探测器的电压信号，通过多个时钟周期连续输出，最终将阵列APD探测器所有像元点的电压信号输出至所述ADC；
本发明中，所述FPGA内部包括有多路选择器控制模块，如图3所示，所述FPGA接收所述ADC输出的数字信号和激光器产生的同步电信号，所述同步电信号是指激光器每一次发射激光脉冲时的电信号指示，所述同步电信号与激光回波时刻的时间间隔是A，根据所述时间间隔A设定所述FPGA数据长度T和数据长度L，T+L＝A；所述FPGA内部的多路选择器控制模块输出所述跨阻放大器阵列选通地址，每接收一次同步电信号，选通地址跳变一次，所述跨阻放大器板卡输出阵列APD探测器中的一路电压信号，直到所述阵列 APD探测器中的每一像元信号全部输出。
当同步电信号到来时，所述FPGA开始接收ADC输出的波形数据，如果将所有数据全部上传上位机，会给数据通信部分带来很大负担，且会上传大量无用数据，因此采用上传部分数据的方式，如图4所示，并将数据长度为T的数据舍弃，将接下来的数据长度为L 的数据截取并通过USB上传至上位机，同时输出此时的跨阻放大器阵列选通地址作为波形数据的地址编号；经过数个激光发射周期后，直到阵列APD探测器每一像元点的激光回波数据全部上传至上位机，所述激光回波数据包括波形数据和波形数据的地址编号。
所述上位机对接收到的激光回波数据进行存储、查看以及数据分析，包括：
首先，将波形数据及波形数据的地址编号存储在计算机硬盘中，波形数据的地址编号与波形数据一一对应，波形数据的地址编号作为激光回波数据的识别地址；所述上位机显示与波形数据对应的波形图，如图5所示，查看过程中，通过输入波形数据的地址编号显示对应的波形数据；所述上位机对阵列APD探测器所有像元输出的波形数据进行处理后至少得到的波形特征参数包括有波形数据的峰值、脉冲宽度、上升时间、下降时间和信噪比。将获得的波形特征参数作为对整个阵列APD探测器的均匀性评价的基础，如图1和图5所示，通过波形分析可以得出阵列APD探测器的评价结果，具体采用哪种具体的评价方案在本发明中并不受限制。
尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (2)

1.一种针对阵列APD的回波采集方法，所采用的针对阵列APD的回波采集系统，包括模拟放大模块、数字处理模块和上位机；所述模拟放大模块至少包括一个8×8阵列的跨阻放大器板卡和ADC，所述8×8阵列的跨阻放大器板卡包括跨阻放大器阵列和多路选择器；所述跨阻放大器阵列由相互独立的64个跨阻放大器构成，所述多路选择器为64选1多路选择器，包括9个八选一开关，其中，8个八选一开关并行工作作为第一级选通器，1个八选一开关作为第二级选通器；所述64个跨阻放大器与所述多路选择器的64个输入端一一相连；所述多路选择器的输出与所述ADC的输入相连；所述数字处理模块包括FPGA和USB接口；所述ADC的输出连接至所述FPGA，所述FPGA的输出通过所述USB接口传输至所述上位机；
其特征在于，所述FPGA内部包括有多路选择器控制模块，并包括以下步骤：
激光器产生的多路并行的激光回波经一阵列APD探测器接收后输出多路并行的光电流信号，所述跨阻放大器阵列将所述多路并行的光电流信号转化为电压信号，所述多路选择器对跨阻放大器阵列的输出的电压信号进行选择性读出，每个时钟周期只输出一元探测器的电压信号，通过多个时钟周期连续输出，最终将阵列APD探测器所有像元点的电压信号输出至所述ADC；
所述FPGA接收所述ADC输出的数字信号和激光器产生的同步电信号，所述同步电信号是指激光器每一次发射激光脉冲时的电信号指示，所述同步电信号与激光回波时刻的时间间隔是A，根据所述时间间隔A设定所述FPGA数据长度T和数据长度L，T+L＝A；所述FPGA内部的多路选择器控制模块输出所述跨阻放大器阵列选通地址，每接收一次同步电信号，选通地址跳变一次，所述跨阻放大器板卡输出阵列APD探测器中的一路电压信号，直到所述阵列APD探测器中的每一像元信号全部输出；
当同步电信号到来时，所述FPGA开始接收ADC输出的波形数据，并将数据长度为T的数据舍弃，将接下来的数据长度为L的数据截取并通过USB上传至上位机，同时输出此时的跨阻放大器阵列选通地址作为波形数据的地址编号；经过数个激光发射周期后，直到阵列APD探测器每一像元点的激光回波数据全部上传至上位机，所述激光回波数据包括波形数据和波形数据的地址编号；
所述上位机对接收到的激光回波数据进行存储、查看以及数据分析，包括：
将波形数据及波形数据的地址编号存储在计算机硬盘中，波形数据的地址编号与波形数据一一对应，波形数据的地址编号作为激光回波数据的识别地址；
所述上位机显示与波形数据对应的波形图，查看过程中，通过输入波形数据的地址编号显示对应的波形数据；
所述上位机对阵列APD探测器所有像元输出的波形数据进行处理后至少得到的波形特征参数包括有波形数据的峰值、脉冲宽度、上升时间、下降时间和信噪比。
2.根据权利要求1所述针对阵列APD的回波采集方法，其特征在于，将获得的波形特征参数作为对整个阵列APD探测器的均匀性评价的基础。
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