嵌入式照射激光光斑實時采集系統研究

楊有峰，劉智，孟慶奇

（長春理工大學 電子信息工程學院，長春 130022）

激光制導武器系統具有自主制導能力，較強的抗干擾能力和較高的命中精度，使得在現代高技術戰爭中激光制導武器的地位和作用越來越受到人們的重視。尤其在最近的幾次局部戰爭中激光制導武器展現出了極其強大的威力，是我國科技國防戰略的重點[1]。通過對采集到的激光光斑的研究，可以準確地評判出激光制導武器的工作狀態和性能，為其在作戰效能方面提供定量評估依據[2]。因其狀態和性能直接影響著整個系統的性能和戰斗任務的完成[3]，由此可見光斑的檢測在激光制導武器的重要作用。本文設計了一套以FPGA為核心的高性能、小型化的光斑圖像采集系統。為激光照射裝備性能檢測提供有效手段，為激光制導武器性能改進和優化提供技術支撐。

1 系統的組成及工作原理

1.1 系統的組成

該系統主要由FPGA、短波紅外相機、回波探測器、固態硬盤等組成。

根據系統的工作要求以及成本等的考慮，系統選用賽靈思Spartan-6系列FPGA芯片XC6SLX150作為主控單元。該系列FPGA芯片具有多達150 000個邏輯單元，完全能滿足設計需求。此外，該核心板上還集成了兩顆16位512 MByte DDR3 SDRAM，內存訪問帶寬高達25.6 Gbps。該系列核心板提供的高帶寬內存接口滿足了包括高性能視頻處理，高速通信在內的多種應用。

短波紅外相機選用XenICs公司研制的XSW-640-TE1高分辨率SWIR相機模塊，該模塊使用在900～1 700 nm波長范圍（也可選擇400～1 700 nm）進行成像的InGaAs FPA傳感器。該模塊具有體積小、重量輕和功率高等特點。一些基本的技術指標如下：

分辨率為 640×512；

像素尺寸 20 μm×20 μm；

片上模數轉換位數為14位；

ROIC輸出數為4個輸出，每個輸出10 MHz像素速率；

最大全幀速率為100 fps。

回波探測器是實驗室獨立自主研制的。其主要包括的系統模塊有：信號調節模塊、APD光電探測器、放大處理系統、GPS時統模塊、A/D轉換模塊和信號處理模塊等組成。激光回波探測器的主作用是將采集到的激光信號以電流的形式進行處理，從中獲取信號攜帶的所需信息[4]。

1.2 系統設計

該系統由核心處理器FPGA作為主控器件，當激光照射器發射激光脈沖時，回波探測器會實時檢測到該激光信號，并將生成的回波信號實時反饋到FPGA中，通過此回波信號可以計算出激光脈沖的時間間隔，以此時間產生一個積分信號，并以此積分信號作為短波紅外相機的觸發信號，完成光斑圖像的采集。將采集到的光斑圖像存儲到固態硬盤中，為后續的研究與處理做準備。本文主要研究短波紅外相機快門的最優控制和其Camera Link接口設計，使其實現FPGA與短波紅外相機的直接相連，完成FPGA與短波紅外相機數據傳輸。圖1為系統的整體框圖。

圖1 系統整體框圖

2 Camera Link接口設計

2.1 Camera Link接口介紹

實驗選用的短波紅外相機傳輸數據的接口為Camera Link接口。設計的Camera Link接口主要實現對短波紅外相機的簡單控制，以及對拍攝光斑圖像數據進行實時采集、傳輸處理。

短波紅外相機通過Camera Link接口發送過來的數據中包括24位圖像數據和4個同步信號。為方便FPGA對數據的處理，在設計時需要進行LVDS電平信號和LVTTL電平信號的轉換[5]。系統中電平信號的轉換采用國家半導體公司的DS90CR288A，DS90LV047A和DS90LV019來實現；其中，DS90CR288A芯片接收1對差分時鐘信號和4對差分信號，轉換后輸出1路時鐘信號和28位數據信號，將輸出的數據直接傳送到FPGA中完成圖像信號的轉換；DS90LV047 A芯片主要完成FPGA輸出到短波紅外相機的CC1-CC4共4組電平信號的轉換，實現對短波紅外相機的基本控制；DS90LV019芯片主要完成短波紅外相機與FPGA之間的異步串行通訊接口的電平轉換[6]。

2.2 Camera Link接口電路設計

Camera Link接口的連接器選用3M公司的MDR26。FPGA接收DS90CR288A芯片轉換的28 bit數據，并根據FVAL，LVAL和DVAL三個同步使能信號來完成數據傳輸，當FVAL、LVAL和DVAL為高時，數據是有效的；FVAL信號的上升沿表示新幀的開始，下降沿表示幀的結束。

圖2為Camera Link接口的硬件電路連接原理圖。圖中的R0-R7，B0-B7，G0-G7為圖像數據的傳輸引腳，FVAL，LVAL，DVAL和Spare是同步使能信號的傳輸引腳；Din和Rout為串行通信接口引腳；Din0-Din3是相機控制信號傳輸引腳。其中，每對差分對通過電阻相連接，以此來保證信號的完整性還可以減少信號的反射[7]。

圖2 Camera Link基本配置模式硬件實現原理圖

圖3為所設計Camera Link接口的實物圖。DS90CR288A接收器將四路LVDS（低壓差分信號）數據流轉換為28位LVCMOS/LVTTL數據。在傳輸時鐘頻率為85 MHz時，28位TTL數據以595 Mbps的速度經LVDS數據通道傳輸，數據吞吐量為 2.38 Gbit/s（297.5 Myte/s）。

圖3 Camera Link接口實物圖

3 相機快門的超前預測研究

3.1 測量技術分析

XSW-640-TE1短波紅外相機有手動觸發、外部觸發和定時器觸發三種工作模式，本設計主要用到外部觸發和定時器觸發模式。當沒有激光照射時短波紅外相機工作在定時器觸發模式，按照設定的頻率工作；當有激光照射時，回波探測器檢測到激光光斑，短波紅外相機立刻切換到外觸發工作模式，其快門的控制為本文研究的重點。

激光目標指示器的照射頻率通常為10～20 Hz，且激光脈沖持續的時間非常短，為了達到要求，需要對短波紅外相機進行精準的控制。需要較小且高精確度的積分時間來控制在外觸發模式下工作的短波紅外相機，可以準確捕捉到激光光斑，提高了光斑檢測的能力和測量精度，這樣也有利于抑制背景光的干擾，提高了與背景光的對比度[8]。由于激光脈沖持續的時間短，而短波紅外相機快門響應也需要一定的時間，如在探測到光斑后再對短波紅外相機進行積分控制顯然不可能拍到完整的光斑圖像。因此，對短波紅外相機的積分控制需要提前，還要確保相機曝光時間與激光脈沖時序的精確同步，以證激光光斑被準確地捕獲到。本文采用超前預測技術對短波紅外相機快門控制方法來解決此問題。

3.2 測量方法研究設計

設激光脈沖的波長為1.064 μm，能量為90 mJ，脈沖寬為20 ns，頻率為20 Hz[9]。當有光斑信號被回波探測器檢測到時，進行實時處理并生成對應于激光脈沖上升沿和下降沿的方波信號，同時利用下降沿作為短波紅外相機快門關閉的控制信號。因為方波信號與激光脈沖是同步的，使用方波信號可以計算出激光脈沖的發射時序，根據激光脈沖的發射時序控制外觸發模式下的短波紅外相機快門的開啟時刻。

當激光指示器發射激光時，回波探測器會立刻檢測到并實時反饋到FPGA中，FPGA可以計算出前兩個脈沖之間的時間間隔，即激光脈沖的發射時序，這樣就可以明確每個脈沖的發射時刻。從第三個脈沖開始，發射前Kn時刻，FPGA輸出高電平信號以觸發短波紅外相機快門的開啟信號，開始捕獲激光光斑圖像；當檢測到方波信號下降沿后，FPGA輸出低電平脈沖以觸發短波紅外相機快門關閉信號，至此完成一個激光脈沖光斑圖像的采集[10]；第四個脈沖激光發射前Kn時刻開啟相機快門，方波下降沿關閉快門，以此類推直至無激光脈沖。當無激光照射時，短波紅外相機工作在定時觸發模式，按照設定的頻率工作。

圖4為激光光斑采集的工作時序圖。激光脈沖J1與J2的時間間隔為T2-T1，即所需計算的激光脈沖的發射時序；T1和Q1之間的間隔是激光脈沖J1的脈沖寬度；回波探測器輸出的方波信號與對應的激光脈沖信號在時序上是一致的。在激光脈沖J3發射前的K3提前開啟短波紅外相機的快門，在Q3時刻關閉短波紅外相機的快門，完成J3脈沖光斑的拍攝，后續激光光斑的拍攝以此類推。

圖4 激光光斑測量時序圖

3.3 光斑采集的軟件測試

實驗在Quartus II環境下設計實現，在第三方軟件Modelsim下仿真波形如圖5所示。jg是激光目標指示器發射的激光脈沖信號，tcq是回波探測器探測到的激光信號，xj是短波紅外相機快門控制的積分信號。脈沖寬度為20 ns。當有jg信號時，立刻就會被tcq檢測到反饋到FPGA中，根據前兩個脈沖之間的時間間隔計算出下一個脈沖到達時刻，以此來控制xj信號的開啟，從第三個jg信號開始每次都會提前開啟。當tcq信號變為零時（即jg信號為零時），xj信號立即置零即相機快門關閉。

圖5 Modelsim仿真圖

由圖5可以看出第一組脈沖之間的間隔是70 ns，第二組脈沖之間的間隔是60 ns，第三組脈沖之間的間隔是80 ns，第一組脈沖與第二組脈沖之間的間隔是560 ns，第二組脈沖與第三組脈沖之間的間隔是450 ns。當沒有激光照射時，短波紅外相機轉換為定時器觸發，工作頻率為100 MHz。該設計完全符合脈沖組之間間隔不同的要求，提高了系統的安全性。

3.4 光斑采集實驗

實驗時采用反射率為0.2的激光靶板，測試時激光照射器在遠距離照射靶板，激光光斑采集系統在距離靶板大約50 m處采集光斑，得到的圖像如圖6所示。

圖6 激光光斑采集圖像

4 結論

本文根據激光光斑采集對高精度、安全性、便捷性和實時性的要求，提出對隨機發射的激光脈沖組激光光斑的測量方案，分析并介紹了測量方案中光斑檢測、時序精準控制及數據和信號傳輸所需Camera Link接口設計等關鍵技術。該方法選用XenICs公司研制的XSW-640-TE1短波紅外相機，利用其外觸發控制模式的特性，設計了實時高精度的控制時序來控制短波紅外相機快門曝光，從而確保光斑的錄取率達到99.9%，大大提高了系統的安全性而且降低了其成本、減小了體積。對激光制導武器系統的綜合性能評價具有重要意義，為激光照射裝備性能檢測提供有效手段。