[发明专利]一种基于APD和TDC的激光成像探测系统

权利要求书

1.一种基于APD和TDC的激光成像探测系统，其特征在于该系统由APD探测阵列模块、分立信号处理模块组成，其中，分立信号处理模块包括精确计时、FPGA控制电路、图像显示处理3个子模块；所述APD探测阵列模块通过激光发射系统发射的激光光束照射到整个目标探测区域，所述FPGA控制电路通过驱动电路控制激光器发射脉冲信号，同时给精确计时模块发送Start信号，待激光回波脉冲到达APD探测阵列模块后，每个像素只与其对应的目标各点的回波信号，与各像素单元一一对应精确计时模块到Stop信号，通过计算Start与Stop的差值，即可得到目标该点到系统的距离值，然后通过信号处理系统可视化算法对阵列所有像素的输出结果进行处理，最终获得目标的三维距离图像；所述精确计时模块与FPGA控制电路模块之间采用SPI接口双向连接，所述FPGA控制电路同时通过SPI接口与图像显示处理模块连接，分立信号处理模块通过高速USB接口连接到上位机。

2.如权利要求1所述的激光成像探测系统，其特征在于，所述APD探测阵列模块采用分立元器件单像素计时电路，该模块包括了主放大电路、时刻鉴别电路、精确计时3个子模块，APD探测阵列模块利用不带集成读出电路的8×8阵列APD进行搭建，该模块用于阵列探测器激光回波信号并将光信号转换为电流信号，微弱的电流信号经过阵列内部集成的前置放大电路进行初次放大，再经主放大电路的二次放大后，经过时刻鉴别电路后输入到精确计时模块的Stop管脚；分立信号处理模块用于对接收到的信号进行分析处理并生成可视图像信号，最终将图像信号传输给上位机进行显示。

3.如权利要求1所述的激光成像探测系统，其特征在于，所述的分立信号处理模块包括精确计时、FPGA控制电路、图像显示处理3个子模块，所述精确计时模块使用ACAM公司开发的高精度专用时间数字转换芯片TDC-GP21设计分立的计时单元，对激光脉冲在空中的往返飞行时间进行准确测量，计时精度最高可达45ps，理论距离分辨率可达1.35cm，用于完成精确计时功能；所述FPGA控制电路选用Altera公司的EP2S60F484C4芯片作为控制TDC-GP21的主芯片，实现对精确计时模块TDC-GP21进行同步初始化、控制和数据读取的功能，控制精确计时模块TDC-GP21完成精确计时功能，最后通过USB高速接口，将数据传入上位机进行图像显示处理；所述图像显示处理模块由MATLAB以及用C语言编写的图像显示UI界面组成，完成对目标三维轮廓的重现，呈现出目标的三维距离像。

4.如权利要求1所述的激光成像探测系统，其特征在于，所述精确计时模块的控制程序流程如下所示：

步骤1、配置（测量范围、时钟、通道选择）；

步骤2、初始化；

步骤3、等待 start和stop脉冲；

步骤4、判断是否超时，是则执行步骤7，否则执行步骤5；

步骤5、校准测量；

步骤6、对HIT1和HIT2数据进行处理；

步骤7、中断；

步骤8、读取状态寄存器；

步骤9、判断溢出，是则执行步骤2，否则执行步骤10；

步骤10、读数据。