[发明专利]一种基于APD和TDC的激光成像探测系统

说明书

技术领域

本发明属于激光成像雷达技术领域的具体应用，尤其涉及一种基于APD和TDC的激光成像探测系统。

背景技术

基于焦平面阵列的非扫描脉冲激光雷达成像技术与传统的激光成像技术相比，激光成像技术引因其高分辨率、高帧频以及较强的目标识别能力的特点，是各国研究的重点。与红外成像和微波成像相比，激光成像由于激光固有的短波长、单向性好和高相干的特点，而具有更高的分辨率，能实时获得清晰地三维图像（角-角-距离）。激光成像系统可获得丰富的目标信息，因此易于目标的自动识别，抗干扰能力强，同时具有穿透一定遮蔽物、伪装和植被探测目标的能力。在导弹精确制导、航天器交会对接、无人机侦察、机器人视觉、海底探测以及直升机避障的领域有广泛的应用潜力，是当今成像技术的一个重要发展方向。

相对于国外在非扫描激光成像技术方面的迅速发展，由于基于焦平面阵列的非扫描激光成像雷达具有成像不失真和穿透一定遮蔽物探测到目标的能力，是各国研究的重点。随着军事和航天领域对成像探测日益增长的需求，发展，高精度、高分辨率的成像技术是各国的研究重点。扫描式激光成像技术已不满足需求。本发明针对国内在基于焦平面阵列的非扫描三维激光成像技术领域内目前还没有带集成读出CMOS计时电路的APD阵列产品的情况，根据非扫描三维成像原理，提出利用分立元器件作为计时核心器件设计激光回波的和信号处理模块，设计非扫描激光成像的信号采集与处理模块，包括主放大电路、时刻鉴别电路、精确计时电路以及数据与上位机之间传输所需的接口电路。采用8×8像素的APD阵列内部集成了前置跨阻放大电路，采用ACAM公司的精度达45ps级的TDC-GP21芯片，采用Cypress公司的CY68013A芯片，设计USB2.0串行高速接口，同时采用FPGA芯片实现对TDC-GP21的同步初始化、控制和数据读取功能，最终实现了一种基于APD和TDC的激光成像探测系统，该发明具有体积小，重量轻，分辨率高，成像速率快的特点。

发明内容

针对传统的扫描式激光成像技术已不能满足现实应用要求的现状，本发明设计了一种基于APD和TDC的激光成像探测系统。本发明的目的在于，提供一种体积小，重量轻，分辨率高，成像速率快的一种基于APD和TDC的激光成像探测系统。

为了实现上述系统，本发明采取的技术方案是：

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，所述分立信号处理模块又包括了精确计时、FPGA控制电路、图像显示处理几个子模块。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。

在该激光成像探测系统中，所述APD探测阵列模块采用分立元器件单像素计时电路，各像素间实现并行独立工作，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；所述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。

在该激光成像探测系统中，所述分立信号处理模块包括精确计时、FPGA控制电路、图像显示处理几个子模块，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。

在该激光成像探测系统中，所述的精确计时模块其特征在于，所述精确计时模块的控制程序流程如下所示：