CN116859372A - 一种用于主动三维成像的apd焦平面器件计时精度测试系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于主动三维成像的APD焦平面器件计时精度测试系统，包括：控制单元、激光发射单元、高速数据采集单元、软件单元，控制单元为APD焦平面器件提供时序和功能控制信号、多通道可调电压信号、计时参考斜坡信号，激光发射单元用于输出脉冲能量可调的平顶单色激光脉冲，高速数据采集单元采集计时电压和强度电压，软件单元对计时电压和强度电压信号进行处理，分析APD焦平面器件每一个像元的计时精度，控制单元通过调整计时参考斜坡信号的斜坡时长，模拟APD焦平面器件的计时范围，通过逐步调整计时参考斜坡信号斜坡起始时刻与激光脉冲发射时刻之间的时间差，实现计时范围内不同计时时刻APD焦平面器件计时精度高精度测试。
Description
技术领域
本发明属于光电探测器件测试领域，特别是涉及一种用于主动三维成像的APD焦平面器件计时精度测试系统。
背景技术
主动三维成像技术具有探测距离远、测距精度高、成像分辨力高等优点，被广泛地应用于遥感测绘、智能感知、对地观测和军事目标探测、成像与跟踪等领域。主动三维成像技术通过主动向目标发射激光信号，采用光电探测器探测目标反射的激光回波信号，测量激光信号的飞行时间实现目标距离的测量，测量激光回波信号的强度，实现目标反射特性的测量。雪崩光电二极管(Avalanche Photodiode，APD)焦平面器件具有高内增益、高灵敏度、低噪声、高分辨力的特点，作为高性能光电探测器在主动三维成像方面具有良好的应用前景。APD焦平面器件计时方法主要分为模拟电压量化时间和数字量化时间。本发明提出的测试系统主要针对基于斜坡信号的模拟电压量化时间APD焦平面器件，该类器件的工作原理如下所述：
APD焦平面器件接收到光信号，生成光电子。在一定的反偏电压下，PN结中载流子获得动能，与晶格中原子碰撞使价带电子激发至导带，形成新的电子空穴对，耗尽层内运动的载流子因碰撞电离效应而获得雪崩倍增。从而形成光电流流入电容反馈跨阻放大器中，电容反馈跨阻放大器具有两个反馈电容：小电容C3d和大电容C2d。当光电流流入电容反馈跨阻放大器时，小电容C3d开始积分，电容反馈跨阻放大器输出电压迅速增大。电容反馈跨阻放大器输出端接到电压比较器的同相端。当电容反馈跨阻放大器输出电压大于电压比较器的阈值，触发锁存器模块一方面对当下斜坡电压值进行锁定，采样保持电路工作在保持状态，得到与时间信息相关的电压值，称为计时电压，另一方面控制大电容C2d开关闭合，此时电路进入大电容积分模式，直至积分时间结束，得到与激光能量对应的强度电压，积分时间由外部电路控制。通过对计时电压的采集，实现时间测量，基于飞行时间测距原理，实现目标距离的测量，从而实现三维成像。随着主动三维成像技术的发展，目标探测精度越来越高，计时精度是衡量激光脉冲飞行时间的测试和转换能力的重要指标，也是衡量APD焦平面器件成像精度的重要指标，因此对APD焦平面器件的计时精度的要求也相应提高。
针对APD焦平面器件的测试系统，国内外已经提出了一些方案，并研制了一些原理性测试平台。但是对于计时精度的测试尚未形成完整的测试方法和测试系统。一方面，由于在实际中所使用的脉冲激光器输出激光光束能量分布在空间上呈高斯分布的特点，APD焦平面器件的光电流大小与接收到的光信号强度成正比，导致计时电压和强度电压会随着激光光束能量而变化。因此在不对激光光束进行处理的情况下，计时精度的计算和分析会受到高斯分布的影响。此外，另一方面在实际测试过程中以电压的形式来衡量APD焦平面器件测量的飞行时间，测试系统提供的斜坡电压、电源电压，以及数据采集设备的精度将直接影响APD焦平面器件计时精度的测试精度。最后，为使测试系统的计时精度达到纳秒级，激光器的触发抖动、APD焦平面器件的时序信号和触发信号、斜坡信号与激光脉冲之间的同步精度、采集卡的采集时间控制等也会对测试精度造成影响。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于主动三维成像的APD焦平面器件计时精度测试系统，以解决上述现有技术存在的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种用于主动三维成像的APD焦平面器件计时精度测试系统，包括：
控制单元，用于总控所述测试系统；
激光发射单元，用于产生宽光谱范围内的平顶单色激光脉冲，并将可见光参考光束与激光合束后输出到待测试APD焦平面器件；
高速数据采集单元，用于对计时电压和强度电压进行采集，并传输到主控计算机进行处理和存储；
所述待测试APD焦平面器件，用于接收所述单色激光脉冲，对计时参考斜坡信号进行锁存，并输出四路计时电压和强度电压；
软件单元，运行在所述主控计算机上，用于对采集到的所述计时电压和所述强度电压信号进行处理，计算所述待测试APD焦平面器件每个像元的计时误差，并通过图像或曲线显示计算结果。
可选的，所述控制单元包括：主控计算机、FPGA微处理器、时序控制单元、DAC程控电源、双通道波形生成单元。
可选的，所述主控计算机通过所述FPGA微处理器控制所述时序控制单元，输出所述待测试APD焦平面器件所需的时序和功能控制信号；
所述主控计算机还通过所述FPGA微处理器控制所述DAC程控电源，输出多通道电压信号；
所述双通道波形生成单元工作在外触发模式，用于接收所述FPGA微处理器的触发信号，并输出所述待测试APD焦平面器件所需的计时参考斜坡信号和激光触发脉冲信号。
可选的，所述激光发射单元包括：超连续谱激光器、声光可调滤波器、可见光参考光束、光纤合束器、准直扩束匀化系统。
可选的，所述超连续谱激光器接收所述激光触发脉冲信号，输出超连续谱激光脉冲；
所述声光可调滤波器用于超连续谱激光脉冲滤波，输出单色激光脉冲；
所述光纤合束器用于单色激光脉冲和可见光参考光束合束；
所述准直扩束匀化系统，一方面采用光纤准直器和扩束镜对光纤合束器输出的激光光束发散角和光斑直径进行调节，使输出激光光束覆盖待测试APD焦平面器件所有像元，另一方面采用非球面透镜组对准直扩束后的高斯光束进行匀化，形成能量均匀分布的准直平顶光束，减小待测试APD焦平面器件每个像元接收到的激光脉冲能量的不一致性。
可选的，所述主控计算机根据测试需求控制所述超连续谱激光脉冲的脉冲能量和所述单色激光脉冲的波长；
所述主控计算机根据计时范围测试要求和所述超连续谱激光器对激光触发脉冲信号的要求，控制双通道波形生成单元，分别输出斜坡时长等于计时范围的计时参考斜坡信号，以及幅值和脉宽可调的激光触发脉冲信号；
所述主控计算机通过调整计时参考斜坡信号的斜坡时长，模拟待测试APD焦平面器件的计时范围，在斜波时长范围内，通过改变计时参考斜坡信号和激光触发脉冲信号的相位，逐步调整计时参考斜坡信号起始时刻与激光触发脉冲信号上升沿之间的时间差，实现计时范围内，不同计时时刻待测试APD焦平面器件计时精度测测试。
可选的，所述软件单元包括测试数据采集部分和数据处理部分；
所述测试数据采集部分包括：FPGA微处理器和激光器接口配置模块、激光器参数配置模块、APD焦平面器件工作参数配置模块、采集数据显示模块、测试控制和状态显示模块；
所述FPGA微处理器和激光器接口配置模块用于FPGA微处理器接口和激光器接口的端口选择、波特率设置，以及FPGA微处理器接口和激光器接口发送和接收数据的显示；
所述激光器参数配置模块用于激光器的启动、关闭、恢复出厂设置和实时信息查询，以及激光器功率、温度、触发方式、脉宽设置和功率设置；
所述APD焦平面器件工作参数配置模块用于APD焦平面器件工作模式、积分时间、斜坡长度、延时步长和单次测量次数的设置，以及APD焦平面器件各引脚工作电压的设置；
所述采集数据显示模块用于将采集到的八通道计时电压和强度电压的实时显示；
所述测试控制和状态显示模块用于测试开始和停止的控制，测试进行中和测试停止状态的显示，波形触发次数、采集卡采集次数、采集数据保存个数、测试进度的实时显示。
可选的，所述数据处理部分包括单组数据分析模块和多组数据分析模块；
所述单组数据分析模块包括单组数据分析按钮，图像显示窗口，统计结果显示表格，所述单组数据分析模块实现单次延迟下，APD焦平面器件每一个像元多组强度电压值和计时电压值的读取，强度电压和计时电压均值和标准差的计算和显示，以及所有像元电压均值和标准差的统计结果显示；
所述多组数据分析模块包括分析按钮、图像显示、统计结果显示，所述多组数据分析模块实现不同延迟时间下，计时电压数据读取与分析，计时参考斜坡信号采样值显示和线性拟合，以及拟合结果图像显示，所有像元计时误差均值和标准差图像显示，计时误差最大值和最小值统计结果表格显示。
可选的，FPGA微处理器和所述软件单元之间通过串口总线进行连接，采用主从应答模式，以字节传输的方式，实现待测试APD焦平面器件工作参数配置。
本发明的技术效果为：
本发明通过控制单元、激光发射单元、高速数据采集单元、待测试APD焦平面器件和软件单元的协同工作，能够测试和评估APD焦平面器件的计时性能，该系统具有灵活性和可调节性，并提供了计时误差和计时标准差的计算和显示功能，基于APD焦平面器件的性能特点，实现了宽光谱范围内，主动三维成像APD焦平面器件的计时精度测试，通过逐步调整计时参考斜坡信号斜坡起始时刻与激光脉冲发射时刻之间的时间差，实现计时范围内，不同计时时刻APD焦平面器件计时精度高精度测测试，为三维成像APD焦平面器件设计和研制，以及基于该器件的三维成像激光雷达研制提供支撑。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例中的用于主动三维成像的APD焦平面器件计时精度测试系统软件单元数据采集界面图；
图2为本发明实施例中的用于主动三维成像的APD焦平面器件计时精度测试系统框图；
图3为本发明实施例中的用于主动三维成像的APD焦平面器件计时精度测试系统软件单元单组数据分析界面图；
图4为本发明实施例中的用于主动三维成像的APD焦平面器件计时精度测试系统软件单元多组数据分析界面图；
图5为本发明实施例中的用于主动三维成像的APD焦平面器件计时精度测试系统工作时序图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
本发明公开了一种用于主动三维成像的APD焦平面器件计时精度测试系统，所述计时精度测试系统可以实现宽光谱范围内，用于主动三维成像的APD焦平面器件计时精度测试，所述计时精度测试系统包括控制单元、激光发射单元、高速数据采集单元、待测试APD焦平面器件和软件单元，所述控制单元包括主控计算机、FPGA微处理器、时序控制单元、DAC程控电源和双通道波形生成单元，所述激光发射单元包括超连续谱激光器、声光可调滤波器、可见光参考光束、光纤合束器、准直扩束匀化系统，所述控制单元中的主控计算机通过FPGA微处理器，控制时序控制单元输出待测试APD焦平面器件所需的时序和功能控制信号，所述时序和功能控制信号一方面为待测试APD焦平面器件提供工作所需时序信号，另一方面控制待测试APD焦平面器件开始计时时刻，所述控制单元中的主控计算机通过FPGA微处理器控制DAC程控电源输出多通道电压信号，为待测试APD焦平面器件不同引脚供电，所述控制单元中的双通道波形生成单元工作在外触发模式，接收到FPGA微处理器的触发信号后，输出待测试APD焦平面器件所需的计时参考斜坡信号和激光触发脉冲信号，所述计时参考斜坡信号的斜波长度、信号幅值和所述激光触发脉冲信号的脉冲宽度、信号幅值受所述控制单元中的主控计算机控制，所述计时参考斜坡信号的斜波开始时刻与所述激光触发脉冲信号的脉冲上升沿之间的时间差受所述控制单元中的主控计算机控制，所述激光触发脉冲信号触发激光发射单元中的超连续谱激光器输出超连续谱激光脉冲，所述超连续谱激光脉冲的脉冲能量受控制单元中的主控计算机控制，所述超连续谱激光脉冲经激光发射单元中的声光可调滤波器滤波后变为单色激光脉冲输出，所述单色激光脉冲的波长受控制单元中的主控计算机控制，所述单色激光脉冲经光纤合束器与可见光参考光束合束，合束后的激光光束经准直扩束匀化系统后变为平顶单色激光脉冲输出到待测试APD焦平面器件，所述待测试APD焦平面器件接收到单色激光脉冲后，对当前时刻的计时参考斜坡信号电压值进行锁存并作为四路计时电压输出，对单色激光脉冲能量进行测量作为四路强度电压输出，所述待测试APD焦平面器件同步输出数据有效信号，所述数据有效信号触发高速数据采集单元对计时电压和强度电压进行采集并传输到控制单元中的主控计算机上进行处理和存储，所述高速数据采集单元的采样频率、参考电压、触发采集方式、触发延迟受控制单元中的主控计算机控制，所述软件单元运行在所述控制单元中的主控计算机上，对主控计算机读取到的计时电压和强度电压信号进行处理，计算待测试APD焦平面器件每一个像元的计时标准差、所有像元的平均计时标准差，以及最小和最大计时标准差，并对计算结果以图或者曲线的形式显示；
所述激光发射单元可以实现宽光谱范围内脉冲能量可调的平顶单色激光脉冲和可见光参考光束的同光路输出，可见光参考光束用于待测试APD焦平面器件安装位置的调整，所述激光发射单元包括超连续谱激光器、声光可调滤波器、可见光参考光束、光纤合束器、准直扩束匀化系统，所述控制单元中的主控计算机对超连续谱激光器输出激光脉冲能量和声光可调滤波器输出单色激光脉冲波长进行控制，实现宽光谱范围内脉冲能量可调的单色激光脉冲输出，所述激光发射单元中的准直扩束匀化系统，一方面采用光纤准直器和扩束镜对光纤合束器输出的激光光束发散角和光斑直径进行调节，使输出激光光束覆盖待测试APD焦平面器件所有像元，另一方面采用非球面透镜组对准直扩束后的高斯光束进行匀化，形成能量均匀分布的准直平顶光束，减小待测试APD焦平面器件每个像元接收到的激光脉冲能量的不一致性，提高待测试APD焦平面器件每个像元计时标准差的测量精度；
所述控制单元一方面可根据待测试APD焦平面器件各引脚的时序和电压要求，输出时序和功能控制信号，以及多通道可调电压信号，另一方面可输出相位可调的计时参考信号和激光触发脉冲信号，模拟不同计时范围和计时时刻的激光回波信号，所述控制单元包括主控计算机、FPGA微处理器、时序控制单元、DAC程控电源和双通道波形生成单元，所述主控计算机根据待测试APD焦平面器件各引脚的时序和电压要求，通过FPGA微处理器分别控制时序控制单元和DAC程控电源输出时序和功能控制信号，以及多通道可调电压信号，所述主控计算机根据计时范围测试要求和超连续谱激光器对激光触发脉冲信号的要求，控制双通道波形生成单元，分别输出斜坡时长等于计时范围的计时参考斜坡信号，以及幅值和脉宽可调的激光触发脉冲信号，所述主控计算机通过调整计时参考斜坡信号的斜坡时长，来模拟待测试APD焦平面器件的计时范围，在斜波时长范围内，通过改变计时参考斜坡信号和激光触发脉冲信号的相位，逐步调整计时参考斜坡信号起始时刻与激光触发脉冲信号上升沿之间的时间差，实现计时范围内，不同计时时刻待测试APD焦平面器件计时精度测测试；
所述软件单元包括测试数据采集部分和数据处理部分，所述测试数据采集部分分为5个功能模块：FPGA微处理器和激光器接口配置模块、激光器参数配置模块、APD焦平面器件工作参数配置模块、采集数据显示模块、测试控制和状态显示模块；FPGA微处理器和激光器接口配置模块实现FPGA微处理器接口和激光器接口的端口选择、波特率设置，以及FPGA微处理器接口和激光器接口发送和接收数据的显示，激光器参数配置模块实现激光器的启动、关闭、恢复出厂设置和实时信息查询，以及激光器功率、温度、触发方式、脉宽设置和功率设置，APD焦平面器件工作参数配置模块实现APD焦平面器件工作模式、积分时间、斜坡长度、延时步长和单次测量次数的设置，以及APD焦平面器件各引脚工作电压的设置，采集数据显示模块实现采集到的八通道计时电压和强度电压的实时显示，测试控制和状态显示模块实现测试开始和停止的控制，测试进行中和测试停止状态的显示，波形触发次数、采集卡采集次数、采集数据保存个数、测试进度的实时显示；所述数据处理部分包括单组数据分析模块和多组数据分析模块，所述单组数据分析模块包括单组数据分析按钮，图像显示窗口，统计结果显示表格，所述单组数据分析模块实现单次延迟下，APD焦平面器件每一个像元多组强度电压值和计时电压值的读取，强度电压和计时电压均值和标准差的计算和显示，以及所有像元电压均值和标准差的统计结果显示；所述多组数据分析模块包括分析按钮、图像显示、统计结果显示，所述多组数据分析模块实现不同延迟时间下，计时电压数据读取与分析，计时参考斜坡信号采样值显示和线性拟合，以及拟合结果图像显示，所有像元计时误差均值和标准差图像显示，计时误差最大值和最小值统计结果表格显示；
所述的FPGA微处理器和软件单元之间通过串口总线进行连接，采用主从应答模式，以字节传输的方式，实现待测试APD焦平面器件工作参数配置，多通道可调电压信号配置，每个配置参数的数据传输格式都为字节传输，第1-2个字节储存信息头，第3个字节储存命令字，第4个字节储存数据长度n，第5-(n+5)个字节储存数据，第(n+5)-(n+7)个字节储存数据校验和，待测试APD焦平面器件工作参数配置数据中，第1个字节储存工作模式和测量模式，第2-3个字节储存斜坡信号时长，第4-5个字节储存延时步长，第6-7个字节储存单次测量次数，第8个字节为停止位，多通道可调电压信号配置数据中，第1-2个字节储存通道1的电压值，第3-4个字节储存通道2的电压值，第5-6个字节储存通道3的电压值，第7-8个字节储存通道4的电压值，第9-10个字节储存通道5的电压值，第11-12个字节储存通道6的电压值，第13-14个字节储存通道7的电压值，第15个字节为停止位。
实施例一
如图1-5所示，本实施例中提供一种用于主动三维成像的APD焦平面器件计时精度测试系统，系统工作之前借助于软件单元中的数据采集部分对系统工作参数进行设置，主要完成FPGA微处理器和激光器接口配置、激光器参数配置、APD焦平面器件工作参数配置，以及采集数据的显示、测试状态的显示。图1为用于主动三维成像的APD焦平面器件计时精度测试系统软件单元的数据采集部分界面图。
软件单元的数据采集部分基于Labview平台开发，前面板界面分为：①FPGA微处理器和激光器接口配置部分，实现FPGA微处理器和激光器端口的选择、波特率的设置，以及FPGA微处理器和激光器端口发送数据和接收数据的显示；②激光器参数配置部分，实现激光器输出功率设置、温度设置、触发方式选择(内触发或者外触发)、输出激光脉冲宽度设置；③APD焦平面器件工作参数配置部分，实现APD焦平面器件工作模式和测量模式的选择。工作模式包括被动模式和主动模式，测量模式包括单次延迟测量和多次延迟测量)。实现APD焦平面器件积分时间、7个不同引脚电压的设置(VDDA、VDD、VDDO、VREF1、VREF2、VBLM、SUBPV)。实现计时参考斜坡信号斜坡时长的设置，斜坡时长对应于APD焦平面器件的最大计时范围。实现延迟步长的设置，延迟步长是指计时参考斜坡信号斜坡起始时刻与激光器发射激光脉冲之间的时间差，对应测试中APD焦平面器件的计时时刻。实现单次测量次数的设置，对应于此次对APD焦平面器件的测试次数。④采集数据显示部分，实现采集到的计时电压和强度电压的实时显示；⑤测试控制和状态显示部分，控制测试的开始与停止，并对测试的状态进行显示。测试状态显示系统处于测试中还是已经完成测试，显示发射激光脉冲的次数，显示数据采集的次数和存储数据的个数。
软件单元的数据采集部分设置完成后，点击软件单元数据采集部分软件界面上的开始测试按钮，在主控计算机的控制下，测试系统开始工作。图2为用于主动三维成像的APD焦平面器件计时精度测试系统框图。软件单元运行在主控计算机上，主控计算机接收到软件单元发出的开始测试命令后。首先，根据软件单元对激光器的配置，通过软件单元选择的数据端口对激光器的功率、温度、触发方式、发射激光脉冲宽度、激光波长进行设置，并接收激光器返回的数据，通过返回数据判断激光器配置是否成功。配置成功后，根据软件单元中设置的斜坡信号时长和延迟步长，主控计算机通过数据总线对双通道波形生成单元输出的计时参考斜坡信号斜坡时长，以及根据延迟步长，设置计时参考斜坡信号斜坡开始时刻和激光触发脉冲信号上升沿之间的延迟。其次，主控计算机根据软件单元中对APD焦平面器件工作参数的配置，通过数据总线向FPGA微处理发送配置参数。FPGA微处理器接收到主控计算机发送的参数，一方面对DAC程控电源进行设置，根据软件单元设置的待测试APD焦平面器件各引脚的电压值，输出待测试APD焦平面器件各引脚所需的多通道可调电压信号。另一方面，根据软件单元设置的待测试APD焦平面器件的工作模式和积分时间，FPGA微处理器对时序控制单元进行配置，输出待测试APD焦平面器件所需的时序和控制信号，同时FPGA微处理器根据软件单元设置的延时步长，输出波形触发信号，波形触发信号触发双通道波形生成单元根据主控计算机的配置，输出计时参考斜坡信号和激光触发脉冲信号。计时参考斜坡信号连接到待测试APD焦平面器件。
激光脉冲触发信号触发超连续谱激光器输出超连续谱激光脉冲，输出超连续谱激光脉冲由光纤传输到声光可调滤波器，声光可调滤波器根据主控计算机的设置，对超连续谱激光脉冲进行光谱滤波，输出测试所需波长的激光脉冲，称为测试激光脉冲。测试激光脉冲和可见光参考光束经光纤合束器合束后输出到准直扩束匀化系统。由于测试激光脉冲有可能是非可见光，导致测试过程中无法看到激光光束，不利于待测试APD焦平面器件的测试。通过光纤合束器引入可见光参考光束，用于测试过程中的光路的调整和待测试APD焦平面器件的安装。由于测试激光脉冲光束横截面上的光强是高斯分布，如果将测试激光脉冲直接照射到待测试APD焦平面器件，导致待测试APD焦平面器件不同像元接收到的激光脉冲能量不同，从而引入测试误差。为了提高测试系统的精度，首先对测试激光脉冲进行准直扩束，其次采用非球面透镜组对准直扩束后的高斯光束进行匀化，形成能量均匀分布的准直平顶光束，减小待测试APD焦平面器件每个像元接收到的激光脉冲能量的不一致性，提高待测试APD焦平面器件每个像元计时标准差的测量精度；
准直匀化后的测试激光脉冲照射到待测试APD焦平面器件，APD焦平面器件接收到光信号，生成光电子。在一定的反偏电压下，PN结中载流子获得动能，与晶格中原子碰撞使价带电子激发至导带，形成新的电子空穴对，耗尽层内运动的载流子因碰撞电离效应而获得雪崩倍增。从而形成光电流流入电容反馈跨阻放大器中，电容反馈跨阻放大器具有两个反馈电容：小电容C3d和大电容C2d。当光电流流入电容反馈跨阻放大器时，小电容C3d开始积分，电容反馈跨阻放大器输出电压迅速增大。电容反馈跨阻放大器输出端接到电压比较器的同相端。当电容反馈跨阻放大器输出电压大于电压比较器的阈值，触发锁存器模块一方面对当下斜坡电压值进行锁定，采样保持电路工作在保持状态，得到与时间信息相关的电压值，称为计时电压。另一方面控制大电容C2d开关闭合，此时电路进入大电容积分模式，直至积分时间结束，得到与激光能量对应的强度电压，积分时间由FPGA微处理器控制。待测试APD焦平面器件积分结束后，输出数据有效信号。数据有效信号触发高速数据采集单元对计时电压和强度电压进行采集，采集到的数据传输到主控计算机进行显示和存储。高速数据采集单元的采样频率、参考电压、外触发延迟由主控计算机控制。
测试结束后，根据测试中延迟的次数(采集的不同延迟时间的数据组数)，分别采用软件单元中的单组数据分析和多组数据分析功能进行数据处理。当需要分析单次延迟的数据时，打开软件单元中的单组数据分析界面，如图3所示，点击单组数据分析按钮，弹出数据选择对话框，选择想要分析的数据，点击确定后，软件单元会对采集的计时电压和强度电压按照APD焦平面器件像元的排列方式，以及测量的次数，进行重新排列。并计算每一个像元的强度电压均值、强度电压标准差、计时电压均值、计时电压标准差，以灰度图的形式进行图像显示。此外，统计并以数值的方式显示所有像元的强度电压均值、计时电压均值，以及设置的延迟时间、设置的测量次数和实际测量次数。当需要分析多次延迟的数据时，打开软件单元中的多组数据分析界面，如图4所示，点击多组数据分析按钮，弹出数据选择对话框，选择想要分析的多组数据，点击确定后，软件单元首先分别针对每一次延迟的数据，分别计算每一个像元计时电压的均值和标准差，以及所有像元的计时电压均值，所有像元计时电压标准差的均值和标准差。其次，以延迟时间为自变量，以计时电压均值为因变量，对计时电压均值和延迟时间进行线性拟合，得到计时参考斜坡信号的斜率。最后，针对每一次延迟数据，所有像元计时电压标准差的均值除以计时参考斜坡信号的斜率，得到在不同延迟时间下，APD焦平面器件的计时误差均值。所有像元计时电压标准差的标准差除以计时参考斜坡信号的斜率，得到在不同延迟时间下，APD焦平面器件的计时误差标准差。并以数值和曲线的方式，对计时误差均值和计时误差标准差进行显示。针对每一次延迟，统计计时误差和计时误差标准差的最大值，最小值，以及最大值和最小值对应的像元坐标，并以数值的方式显示。
图5为用于主动三维成像的APD焦平面器件计时精度测试系统工作时序图。FPGA微处理器为APD焦平面器件提供主时钟和积分时间控制脉冲。在APD焦平面器件积分电容复位之前，FPGA微处理器输出波形触发信号触发双通道波形生成单元输出激光脉冲触发信号和计时参考斜坡信号，激光脉冲触发信号触发激光器输出测试激光脉冲，测试激光脉冲上升沿与计时参考斜坡信号斜坡开始时刻之间的延迟时间由软件单元设置。测试激光脉冲到达APD焦平面器件后，APD焦平面器件对当前时刻的计时参考斜坡信号进行锁存，得到计时电压信号。同时，C2d开始积分，到达总的积分时间后停止积分，得到强度电压信号。总积分时间完成后，APD焦平面器件对计时电压和强度电压进行转移，转移完成后，APD焦平面器件输出数据有效信号。数据有效信号触发高速数据采集单元在采样时钟的控制下采集计时电压和强度电压。
以上所述，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (9)
1.一种用于主动三维成像的APD焦平面器件计时精度测试系统，其特征在于，包括：
控制单元，用于总控所述测试系统；
激光发射单元，用于产生宽光谱范围内的平顶单色激光脉冲，并将可见光参考光束与激光合束后输出到待测试APD焦平面器件；
高速数据采集单元，用于对计时电压和强度电压进行采集，并传输到主控计算机进行处理和存储；
所述待测试APD焦平面器件，用于接收所述单色激光脉冲，对计时参考斜坡信号进行锁存，并输出四路计时电压和强度电压；
软件单元，运行在所述主控计算机上，用于对采集到的所述计时电压和所述强度电压信号进行处理，计算所述待测试APD焦平面器件每个像元的计时误差，并通过图像或曲线显示计算结果。
2.根据权利要求1所述的用于主动三维成像的APD焦平面器件计时精度测试系统，其特征在于，
所述控制单元包括：主控计算机、FPGA微处理器、时序控制单元、DAC程控电源、双通道波形生成单元。
3.根据权利要求2所述的用于主动三维成像的APD焦平面器件计时精度测试系统，其特征在于，
所述主控计算机通过所述FPGA微处理器控制所述时序控制单元，输出所述待测试APD焦平面器件所需的时序和功能控制信号；
所述主控计算机还通过所述FPGA微处理器控制所述DAC程控电源，输出多通道电压信号；
所述双通道波形生成单元工作在外触发模式，用于接收所述FPGA微处理器的触发信号，并输出所述待测试APD焦平面器件所需的计时参考斜坡信号和激光触发脉冲信号。
4.根据权利要求1所述的用于主动三维成像的APD焦平面器件计时精度测试系统，其特征在于，
所述激光发射单元包括：超连续谱激光器、声光可调滤波器、可见光参考光束、光纤合束器、准直扩束匀化系统。
5.根据权利要求4所述的用于主动三维成像的APD焦平面器件计时精度测试系统，其特征在于，
所述超连续谱激光器接收所述激光触发脉冲信号，输出超连续谱激光脉冲；
所述声光可调滤波器用于超连续谱激光脉冲滤波，输出单色激光脉冲；
所述光纤合束器用于单色激光脉冲和可见光参考光束合束；
所述准直扩束匀化系统，一方面采用光纤准直器和扩束镜对光纤合束器输出的激光光束发散角和光斑直径进行调节，使输出激光光束覆盖待测试APD焦平面器件所有像元，另一方面采用非球面透镜组对准直扩束后的高斯光束进行匀化，形成能量均匀分布的准直平顶光束，减小待测试APD焦平面器件每个像元接收到的激光脉冲能量的不一致性。
6.根据权利要求4所述的用于主动三维成像的APD焦平面器件计时精度测试系统，其特征在于，
所述主控计算机根据测试需求控制所述超连续谱激光脉冲的脉冲能量和所述单色激光脉冲的波长；
所述主控计算机根据计时范围测试要求和所述超连续谱激光器对激光触发脉冲信号的要求，控制双通道波形生成单元，分别输出斜坡时长等于计时范围的计时参考斜坡信号，以及幅值和脉宽可调的激光触发脉冲信号；
所述主控计算机通过调整计时参考斜坡信号的斜坡时长，模拟待测试APD焦平面器件的计时范围，在斜波时长范围内，通过改变计时参考斜坡信号和激光触发脉冲信号的相位，逐步调整计时参考斜坡信号起始时刻与激光触发脉冲信号上升沿之间的时间差，实现计时范围内，不同计时时刻待测试APD焦平面器件计时精度测测试。
7.根据权利要求1所述的用于主动三维成像的APD焦平面器件计时精度测试系统，其特征在于，
所述软件单元包括测试数据采集部分和数据处理部分；
所述测试数据采集部分包括：FPGA微处理器和激光器接口配置模块、激光器参数配置模块、APD焦平面器件工作参数配置模块、采集数据显示模块、测试控制和状态显示模块；
所述FPGA微处理器和激光器接口配置模块用于FPGA微处理器接口和激光器接口的端口选择、波特率设置，以及FPGA微处理器接口和激光器接口发送和接收数据的显示；
所述激光器参数配置模块用于激光器的启动、关闭、恢复出厂设置和实时信息查询，以及激光器功率、温度、触发方式、脉宽设置和功率设置；
所述APD焦平面器件工作参数配置模块用于APD焦平面器件工作模式、积分时间、斜坡长度、延时步长和单次测量次数的设置，以及APD焦平面器件各引脚工作电压的设置；
所述采集数据显示模块用于将采集到的八通道计时电压和强度电压的实时显示；
所述测试控制和状态显示模块用于测试开始和停止的控制，测试进行中和测试停止状态的显示，波形触发次数、采集卡采集次数、采集数据保存个数、测试进度的实时显示。
8.根据权利要求7所述的用于主动三维成像的APD焦平面器件计时精度测试系统，其特征在于，
所述数据处理部分包括单组数据分析模块和多组数据分析模块；
所述单组数据分析模块包括单组数据分析按钮，图像显示窗口，统计结果显示表格，所述单组数据分析模块实现单次延迟下，APD焦平面器件每一个像元多组强度电压值和计时电压值的读取，强度电压和计时电压均值和标准差的计算和显示，以及所有像元电压均值和标准差的统计结果显示；
所述多组数据分析模块包括分析按钮、图像显示、统计结果显示，所述多组数据分析模块实现不同延迟时间下，计时电压数据读取与分析，计时参考斜坡信号采样值显示和线性拟合，以及拟合结果图像显示，所有像元计时误差均值和标准差图像显示，计时误差最大值和最小值统计结果表格显示。
9.根据权利要求1所述的用于主动三维成像的APD焦平面器件计时精度测试系统，其特征在于，
FPGA微处理器和所述软件单元之间通过串口总线进行连接，采用主从应答模式，以字节传输的方式，实现待测试APD焦平面器件工作参数配置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310826337.7A CN116859372A (zh) | 2023-07-06 | 2023-07-06 | 一种用于主动三维成像的apd焦平面器件计时精度测试系统 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310826337.7A CN116859372A (zh) | 2023-07-06 | 2023-07-06 | 一种用于主动三维成像的apd焦平面器件计时精度测试系统 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116859372A true CN116859372A (zh) | 2023-10-10 |
Family
ID=88231676
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310826337.7A Pending CN116859372A (zh) | 2023-07-06 | 2023-07-06 | 一种用于主动三维成像的apd焦平面器件计时精度测试系统 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116859372A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117389200A (zh) * | 2023-12-08 | 2024-01-12 | 迈为技术(珠海)有限公司 | 基于声光偏转器的激光控制系统、方法和计算机设备 |
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2023
- 2023-07-06 CN CN202310826337.7A patent/CN116859372A/zh active Pending
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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