CN111273311A - 一种激光三维焦平面阵列成像系统 - Google Patents

一种激光三维焦平面阵列成像系统 Download PDF

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杨凯
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Abstract

本发明公开了一种激光三维焦平面阵列成像系统，本发明包括控制电路、像素级时间信息测量阵列和通道级强度信息测量电路；其中，所述控制电路产生行选信号、列选信号以及激光脉冲开始信号；所述像素级时间信息测量阵列在激光脉冲开始信号的触发下开始测量时间信息；所述通道级强度信息测量电路在行选信号和列选信号的控制下测量强度信息并输出时间信息和强度信息。本发明能够在满足高精度的前提下尽可能的提高激光三维成像的分辨率和帧频。

Description

一种激光三维焦平面阵列成像系统
技术领域
本发明涉及激光探测成像技术领域，具体涉及一种激光三维焦平面阵列成像系统。
背景技术
激光探测成像是通过激光束对目标进行照射，目标的反射回波由探测器接收，通过信号处理获取目标至探测器的距离和速度等信息，进而获得区别于背景的距离图像和多普勒(速度)图像的一种新型探测成像技术。
激光三维成像技术的基本原理是利用照射激光脉冲从探测场景中收集反射辐射线，完成对目标的三维立体像，以达到探测为目的的技术。它将主动成像提高到一个新的层面上，除了强度和角度的标准，还包括成像的范围。三维激光成像系统的高分辨率和准确度使得它能对三维图像做出精确的测量。可以直接获取姿态等二维成像难以获取的信息，利用三维几何形状可以解决对成像区域的目标和任务的识别和鉴定，并能将目标对象进行对比。
APD阵列具有全固态结构、高量子效率等特点，且可以在高增益下保持良好的信噪比。基于APD阵列的激光三维成像采用激光对目标场景进行泛光照射，一次激光脉冲即可获得目标的三维图像。当APD的偏置电压低于其雪崩电压时，对入射光电子起到线性放大作用，这种工作状态称为线性模式。在线性模式下，反向电压越高，增益就越大。线性APD对输入的光电子进行等增益放大后形成连续电流，获得带有时间信息和强度信息的激光连续回波信号。
大面阵的线性APD探测器需要配套大面阵激光三维成像读出电路，而目前国内激光三维成像读出电路还是以分立器件或小面阵为主，分辨率及成像速率较低。随着对精度要求的不断提高，传统的时间、强度信息的检测和读出方式会以降低分辨率和帧频的方式来满足对高精度的需求。
发明内容
为了传统的时间、强度信息的检测和读出方式无法满足高精度的需求，本发明在满足高精度的前提下尽可能的提高分辨率和帧频的一种激光三维焦平面阵列成像系统。
本发明通过下述技术方案实现：
一种激光三维焦平面阵列成像系统，该系统包括控制电路、像素级时间信息测量阵列和通道级强度信息测量电路；其中，所述控制电路产生行选信号、列选信号以及激光脉冲开始信号；所述像素级时间信息测量阵列在激光脉冲开始信号的触发下开始测量时间信息；所述通道级强度信息测量电路在行选信号和列选信号的控制下测量强度信息并输出时间信息和强度信息。
优选的，本发明的控制电路包括中央时序控制模块、行选电路和列选电路；所述中央时序控制模块根据输入的主时钟信号和控制数据分别产生行选使能信号、列选使能信号以及激光脉冲开始信号；所述行选电路在行选使能信号的控制下产生依次选中每一行的行选信号；所述列选电路在列选使能信号的控制下产生依次选中每一列的列选信号。
优选的，本发明的像素时间信息测量阵列中每个像素都有其对应的时间信息测量电路，每个像素根据激光脉冲开始信号同时检测时间信息。
优选的，本发明的时间信息测量电路包括采样保持模块和ADC模块，其中，所述采样保持电路在激光脉冲开始信号的控制下开始采样Ramp的电压值，当激光脉冲回波信号到来时则停止采样并保持当前采样的Ramp电压值；所述ADC模块将Ramp电压值转换为数字信号即得到测量的时间信息。
优选的，本发明的通道级强度检测电路包括强度信息测量电路和输出电路；所述强度信息测量电路在行选信号和列选信号的控制下依次选中每一列，分列检测强度信息；所述输出电路在行选信号和列选信号的控制下将保存在时间信息测量阵列和强度检测电路中的时间数据和强度数据按要求输出。
优选的，本发明的强度信息测量电路包括积分模块、采样保持模块和列级ADC；将像元探测到的强度信息，通过积分电路将光信号转换为电信号，再通过采样保持模块得到不同强度所对应的电压值，最后模拟电压值通过ADC模块转换为数字信号即得到测量的强度信息。
优选的，本发明的输出电路采用两个通道方式输出，在一帧内分别输出强度信息和时间信息。
本发明具有如下的优点和有益效果：
相较于传统的激光三维成像读出电路，本发明的激光三维焦平面阵列成像系统采用像素级时间信息测量阵列，且每个像素均采用快照式积分，阵列中所有像素同时积分，时间信号先转换后输出；采用各行独立、列复用的强度信息测量电路，对强度信号逐列转换逐行输出；通过测试，本发明能够在满足高精度的前提下尽可能的提高激光三维成像的分辨率和帧频。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明的第一实施方式的系统结构示意图。
图2为本发明的第二实施方式的系统结构示意图。
图3为本发明的时间信息测量电路结构示意图。
图4为本发明的强度信息测量电路结构示意图。
具体实施方式
在下文中，可在本发明的各种实施例中使用的术语“包括”或“可包括”指示所发明的功能、操作或元件的存在，并且不限制一个或更多个功能、操作或元件的增加。此外，如在本发明的各种实施例中所使用，术语“包括”、“具有”及其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。
在本发明的各种实施例中，表述“或”或“A或/和B中的至少一个”包括同时列出的文字的任何组合或所有组合。例如，表述“A或B”或“A或/和B中的至少一个”可包括A、可包括B或可包括A和B二者。
在本发明的各种实施例中使用的表述(诸如“第一”、“第二”等)可修饰在各种实施例中的各种组成元件，不过可不限制相应组成元件。例如，以上表述并不限制所述元件的顺序和/或重要性。以上表述仅用于将一个元件与其它元件区别开的目的。例如，第一用户装置和第二用户装置指示不同用户装置，尽管二者都是用户装置。例如，在不脱离本发明的各种实施例的范围的情况下，第一元件可被称为第二元件，同样地，第二元件也可被称为第一元件。
应注意到：如果描述将一个组成元件“连接”到另一组成元件，则可将第一组成元件直接连接到第二组成元件，并且可在第一组成元件和第二组成元件之间“连接”第三组成元件。相反地，当将一个组成元件“直接连接”到另一组成元件时，可理解为在第一组成元件和第二组成元件之间不存在第三组成元件。
在本发明的各种实施例中使用的术语仅用于描述特定实施例的目的并且并非意在限制本发明的各种实施例。如在此所使用，单数形式意在也包括复数形式，除非上下文清楚地另有指示。除非另有限定，否则在这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本发明的各种实施例中被清楚地限定。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
本实施例提出了一种激光三维焦平面阵列成像系统，如图1所示，本实施例的系统包括：
控制电路，所述的控制电路在控制数据和主时钟的控制下分别产生行选信号、列选信号以及激光脉冲的开始信号。
像素级时间信息测量阵列，所述的时间信息测量阵列利用控制电路产生的激光脉冲开始信号测量时间信息。
模拟通道强度检测电路，所述模拟通道强度检测电路在行选电路和列选电路产生的行选信号和列选信号的控制下测量强度信息以及控制时间信息和强度信息的输出。
实施例2
本实施例对上述实施例1提出的一种激光三维焦平面阵列成像系统中的控制电路作了进一步优化。
具体如图2所示。本实施例的控制电路包括：
中央时序电路，所述的中央时序控制电路在控制数据和主时钟的控制下分别产生行选使能信号、列选使能信号以及激光脉冲的开始信号。
行选电路，所述的行选电路在中央时序电路产生的行选使能信号的控制下产生依次选中每一行的行选信号。
列选电路，所述的行选电路在中央时序电路产生的列选使能信号的控制下产生依次选中每一列的列选信号。
实施例3
本实施例对上述实施例提出的一种激光三维焦平面阵列成像系统中的时间信息测量阵列作了进一步优化。
本实施例的像素级时间信息测量阵列包括像素阵列，其中每个像素均有其对应的时间信息测量电路，组成像素级时间测量阵列且每一帧开始每个像素根据脉冲开始信号同时检测时间信息。
图3是本发明的时间信息测量电路的示意图。如图3所示，在激光脉冲开始信号的控制下，采样保持电路开始采样Ramp的电压值，当激光脉冲回波信号到来时，停止采样并保持当前采样的Ramp电压值，进一步将采到的模拟电压值经ADC电路转换为数字信号，得到测量的时间数据。
实施例4
本实施例对上述实施例提出的一种激光三维焦平面阵列成像系统中的通道级强度检测电路作了进一步优化。
本实施例的强度检测电路包括：
强度信息测量电路，所述强度信息测量电路在控制电路产生的行选和列选信号的控制下依次选中每一列，分列检测强度信息。即本实施例的强度信息测量电路采用各行独立、列复用的模拟通道，用于检测强度信息，如图4所示，本实施例的强度信息测量电路包括积分模块、采样保持模块和列级ADC模块。将像元探测到的强度信息，通过积分电路将光信号转化为电信号，再经过采样保持电路得到不同强度所对应的确定的电压值，进一步将采到的模拟电压值经ADC电路转换为数字信号，得到测量的强度数据。
输出电路，所述的输出电路在控制电路产生的行选和列选信号的控制下将保存在时间信息测量阵列和强度检测电路的时间数据和强度数据按要求输出。具体如图1和2所示，本实施例的输出电路采用两个通道方式读出数据，在一帧内分别输出强度信号和时间信号。
实施例5
本实施例以测距误差△S为15cm，测距量程S为5km的精度来具体说明上述实施例提出的激光三维焦平面阵列成像系统的优势：
Figure BDA0002453434340000051
ΔS＝3×108×1TLSB＝0.15m
则时间T≈33us，时间分辨率TLSB＝0.5ns
T＝TLSB×2nTLSB＝33μs
则n＝16，需要使用16位的ADC才能满足精度的要求。
在采用100MHz主频面阵大小为32×32的情况下，
若采用传统的分行分列检测方式，1行时间信息的ADC转换时间T16ADC为：
Figure BDA0002453434340000052
32行时间信息的ADC转换时间为：0.655×32＝20.96ms
Figure BDA0002453434340000053
若采用此发明的像素级时间检测方式，时间信息的ADC转换时间T16ADC为：
Figure BDA0002453434340000054
Figure BDA0002453434340000055
这样，利用上述实施例的系统可实现在满足高精度的前提下尽可能的提高激光三维成像的分辨率和帧频。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种激光三维焦平面阵列成像系统，其特征在于，该系统包括控制电路、像素级时间信息测量阵列和通道级强度信息测量电路；其中，所述控制电路产生行选信号、列选信号以及激光脉冲开始信号；所述像素级时间信息测量阵列在激光脉冲开始信号的触发下开始测量时间信息；所述通道级强度信息测量电路在行选信号和列选信号的控制下测量强度信息并输出时间信息和强度信息。
2.根据权利要求1所述的一种激光三维焦平面阵列成像系统，其特征在于，所述控制电路包括中央时序控制模块、行选电路和列选电路；所述中央时序控制模块根据输入的主时钟信号和控制数据分别产生行选使能信号、列选使能信号以及激光脉冲开始信号；所述行选电路在行选使能信号的控制下产生依次选中每一行的行选信号；所述列选电路在列选使能信号的控制下产生依次选中每一列的列选信号。
3.根据权利要求1所述的一种激光三维焦平面阵列成像系统，其特征在于，所述像素时间信息测量阵列中每个像素都有其对应的时间信息测量电路，每个像素根据激光脉冲开始信号同时检测时间信息。
4.根据权利要求3所述的一种激光三维焦平面阵列成像系统，其特征在于，所述时间信息测量电路包括采样保持模块和ADC模块，其中，所述采样保持电路在激光脉冲开始信号的控制下开始采样Ramp的电压值，当激光脉冲回波信号到来时则停止采样并保持当前采样的Ramp电压值；所述ADC模块将Ramp电压值转换为数字信号即得到测量的时间信息。
5.根据权利要求1所述的一种激光三维焦平面阵列成像系统，其特征在于，所述通道级强度检测电路包括强度信息测量电路和输出电路；所述强度信息测量电路在行选信号和列选信号的控制下依次选中每一列，分列检测强度信息；所述输出电路在行选信号和列选信号的控制下将保存在时间信息测量阵列和强度检测电路中的时间数据和强度数据按要求输出。
6.根据权利要求5所述的一种激光三维焦平面阵列成像系统，其特征在于，所述强度信息测量电路包括积分模块、采样保持模块和列级ADC；将像元探测到的强度信息，通过积分电路将光信号转换为电信号，再通过采样保持模块得到不同强度所对应的电压值，最后模拟电压值通过ADC模块转换为数字信号即得到测量的强度信息。
7.根据权利要求5所述的一种激光三维焦平面阵列成像系统，其特征在于，所述输出电路采用两个通道方式输出，在一帧内分别输出强度信息和时间信息。
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PB01 Publication
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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RJ01 Rejection of invention patent application after publication

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