基于Gige相機(jī)的激光告警圖像傳輸系統(tǒng)研究*

張 鵬 杜偉豪 石 金 吳 瓊 張 瑞

（1.中北大學(xué)儀器與電子學(xué)院 太原 030051）（2.中北大學(xué)微系統(tǒng)集成研究中心 太原 030051）

（3.中北大學(xué)前沿交叉科學(xué)研究院 太原 030051）

1 引言

自從激光技術(shù)出現(xiàn)以來，一直受到各個(gè)領(lǐng)域?qū)＜覀兊闹匾?。因?yàn)榧す馑哂械奶匦?，使得它?0 世紀(jì)開始，在軍事上的應(yīng)用范圍非常廣泛，至今為止的激光裝備逐漸走向多元化。高性能光電對抗武器裝置可利用激光優(yōu)異的方向性特點(diǎn)，在某一方向上發(fā)射，進(jìn)而對敵精準(zhǔn)打擊［1～3］。激光在軍事、通信、測量等光電對抗方面有很強(qiáng)的實(shí)用性，使得現(xiàn)在全球范圍內(nèi)對激光裝備的研發(fā)更加深入，越來越多的激光裝備被運(yùn)用到了戰(zhàn)爭中，其優(yōu)勢也會逐步體現(xiàn)出來，逐步成為戰(zhàn)爭中至關(guān)重要的一環(huán)［4］。綜上所述，研制激光告警裝備以探測敵方激光信號，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)攔截是目前光電對抗領(lǐng)域的重要發(fā)展方向。

激光告警裝備是通過探測到敵方的激光信號，并對其進(jìn)行信號參數(shù)分析以獲得敵方激光裝備的方向、波長等相關(guān)參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)告警。目前已報(bào)道的激光告警裝備多數(shù)都存在探測頻譜較窄、角度分辨率低、無法實(shí)現(xiàn)綜合探測等缺點(diǎn)［5～6］，而這些缺點(diǎn)多數(shù)與探測敵方激光信號的探測器有緊密聯(lián)系，探測器的像元規(guī)格對參數(shù)分辨率有著直觀的影響。因此，本文采用Gige工業(yè)相機(jī)作為激光告警裝置的探測器件，該相機(jī)的頻譜范圍為0.4μm～1.7μm，且其內(nèi)部探測器的規(guī)格也相比于目前已有告警裝備所搭載的大，從而提高探測波長、方向等參數(shù)的分辨率；由于其內(nèi)置面陣探測器的規(guī)格為640×512，而且每個(gè)像元所包含的信息更加精確，因此在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)所得到的幀圖像的數(shù)據(jù)量較為龐大［7］，這就要求在數(shù)據(jù)傳輸中需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確傳輸，保障通過光柵衍射型激光告警系統(tǒng)所捕捉到的光斑圖像中的重要信息完整，以此來降低誤警率。因此，本文基于Gige相機(jī)設(shè)計(jì)了一種激光告警圖像傳輸系統(tǒng)。

2 基本原理

2.1 激光告警原理

光柵衍射型激光告警系統(tǒng)對敵方來襲激光信號的探測原理如圖1 所示。當(dāng)來襲激光信號被激光告警裝置捕捉到時(shí)，首先經(jīng)過光柵對激光信號進(jìn)行衍射，經(jīng)過鏡頭對光線進(jìn)行匯聚后，在面陣探測器上形成能量級次不同的光斑，通過0 級與1 級光斑的中心位置來確定激光的相關(guān)參數(shù)［8］。激光的波長信息通過0 級與1 級光斑中心位置的距離確定，方位角通過0 級光斑中心位置的橫坐標(biāo)確定，俯仰角通過0 級光斑中心位置的縱坐標(biāo)確定。形成衍射光斑圖像后進(jìn)行數(shù)據(jù)高速傳輸以及對圖像的信息處理工作，得到敵方激光信號的波長、方位角和俯仰角等參數(shù)最終實(shí)現(xiàn)激光告警，從而對其進(jìn)行精準(zhǔn)打擊。

圖1 激光告警原理圖

2.2 激光告警圖像傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

光柵衍射型激光告警系統(tǒng)在探測到敵方來襲激光并形成光斑圖像后，需要將該圖像進(jìn)行傳輸進(jìn)行圖像處理，以此得到激光相關(guān)參數(shù)信息從而實(shí)現(xiàn)告警，因此Gige 相機(jī)采集到的衍射光斑圖像后，由Gnet網(wǎng)絡(luò)接口（如圖2所示）傳輸至FPGA進(jìn)行圖像預(yù)處理，再通過USB接口將圖像數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)進(jìn)行光斑圖像顯示，實(shí)時(shí)監(jiān)測激光告警采集到的激光信息，便于對圖像數(shù)據(jù)處理算法的研究。相機(jī)的部分參數(shù)如表1所示。

表1 Gige相機(jī)部分參數(shù)

圖2 Gige相機(jī)后面板接口圖

光柵衍射型激光告警數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)硬件電路總體結(jié)構(gòu)如圖3 所示。該數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)基于FPGA+DSP 架構(gòu)進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)處理，F(xiàn)PGA 將通過Gnet 網(wǎng)絡(luò)接口從Gige 相機(jī)采集接收到的圖像數(shù)據(jù)通過USB 接口電路傳輸至上位機(jī)進(jìn)行衍射光斑圖像還原，便于研究后續(xù)在DSP進(jìn)行圖像處理的圖像參數(shù)計(jì)算算法。

圖3 激光告警圖像傳輸系統(tǒng)

3 硬件及程序設(shè)計(jì)

3.1 硬件電路設(shè)計(jì)

USB 是一種具有快速、雙向和同步傳輸特性的通用串行總線［9］。本節(jié)設(shè)計(jì)了基于FT232H 芯片的USB 接口電路?？筛鶕?jù)實(shí)際需求對該芯片進(jìn)行配置成為不同的串行或并行接口，該芯片內(nèi)部置有電平轉(zhuǎn)換器，可對驅(qū)動(dòng)電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換以適用于不同的場景模式下，并且在傳輸數(shù)據(jù)時(shí)的速率可達(dá)480M/s［10～11］。

該USB 接口電路所采用的芯片為FT232H，其總體設(shè)電路計(jì)原理圖如圖4 所示。該芯片為+5V電源供電工作，內(nèi)部置有電平轉(zhuǎn)換功能可將5V 電壓轉(zhuǎn)換為3.3V 供其余部分工作，數(shù)據(jù)存儲電路采用93LC56B，其工作電壓由FT232H 芯片進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換后提供；晶振兩端分別與FT232H 芯片的1、2號引腳相連，并通過非極性電容接地該芯片正常工作時(shí)，以保障該芯片的正常工作［12］。

圖4 USB接口電路

3.2 軟件程序設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)USB 模塊與上位機(jī)PC 端進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，以此方法來更好地觀測光柵衍射型激光告警系統(tǒng)所采集到的數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)觀測圖像的完整性以驗(yàn)證在傳輸過程中數(shù)據(jù)的正確性，作為后續(xù)DSP圖像處理算法研究的依據(jù)。將USB 的工作方式設(shè)置為異步FIFO 模式，根據(jù)FIFO 異步寫時(shí)序進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，端點(diǎn)EP6作為輸入，并根據(jù)8位總線AUTOIN模式工作［13］。處于這種工作狀態(tài)模式下，USB芯片不需要進(jìn)行固件相關(guān)配置，F(xiàn)PGA 芯片可以根據(jù)從FIFO 的寫入時(shí)序?qū)⒓す庋苌涔獍邤?shù)據(jù)“寫入”到FIFO 緩沖區(qū)［14］，該圖像數(shù)據(jù)將自動(dòng)打包并傳輸?shù)缴衔粰C(jī)并顯示。

在USB 數(shù)據(jù)傳輸過程中，F(xiàn)PGA 芯片不斷查詢FIFO 的空滿狀態(tài)，以此實(shí)現(xiàn)激光衍射光斑圖像數(shù)據(jù)的傳輸。編寫USB 驅(qū)動(dòng)程序，并編譯下載至FPGA 芯片中，驅(qū)動(dòng)USB 接口電路實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)向上位機(jī)的傳輸，上位機(jī)的設(shè)計(jì)可以接收并直觀觀測二維激光告警系統(tǒng)通信模塊采集傳輸?shù)降募す庋苌涔獍邎D像數(shù)據(jù)。Visual Studio 2013 軟件作為上位機(jī)采集圖像的可視化開發(fā)工具，調(diào)用控件設(shè)計(jì)出圖像直觀顯示的窗口。采用C#語言編寫相應(yīng)采集程序完成來襲激光衍射光斑圖像的采集并調(diào)用控件還原圖像。將USB 驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)完成并將其下載至FPGA芯片中，連接上位機(jī)與下位機(jī)，首先點(diǎn)擊運(yùn)行上位機(jī)程序打開圖像可視化界面，點(diǎn)擊連接設(shè)備，自動(dòng)查找USB 設(shè)備，成功連接后，在上位機(jī)上輸入任意字符作為下位機(jī)開始采集傳輸數(shù)據(jù)的命令，在收到數(shù)據(jù)傳輸命令后，由下位機(jī)不斷向上位機(jī)傳輸Gige相機(jī)所獲取的衍射光斑圖像數(shù)據(jù)，使其在上位機(jī)設(shè)計(jì)的可視化界面中持續(xù)顯示。具體工作流程如圖5所示。

圖5 上位機(jī)采集流程圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

本系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺裝置如圖6 所示，由復(fù)色光源氙燈、二維轉(zhuǎn)臺、光柵及Gige 相機(jī)搭建成數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)，復(fù)色光源及濾光片模擬敵方激光裝備的來襲激光，對該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸結(jié)果進(jìn)行準(zhǔn)確性分析。

圖6 圖像傳輸系統(tǒng)裝置

選用1000nm±10nm，1200nm±10nm，1400nm±10nm，1600nm±10nm 的濾光片來模擬激光，用二維轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動(dòng)角度采集衍射光斑圖像數(shù)據(jù)，并進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)采集傳輸，通過USB 接口電路傳輸后，上位機(jī)顯示結(jié)果如圖7所示。

圖7 上位機(jī)圖像還原圖像

由于Gnet 網(wǎng)絡(luò)接口在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)有相應(yīng)的校驗(yàn)算法，在每幀圖像完成傳輸后，會舍棄丟包的幀圖像，并且從上位機(jī)圖像還原結(jié)果可知，該圖像傳輸系統(tǒng)的數(shù)據(jù)可靠性有所保障，能夠完整得到清晰的衍射光斑信息，方便對其進(jìn)行圖像算法處理研究。

Gige 相機(jī)對圖像數(shù)據(jù)采集傳輸?shù)乃俣瓤捎蓽y算工具進(jìn)行測算，設(shè)置在傳輸5000 包數(shù)據(jù)之后停止圖像傳輸，其結(jié)果測試圖如圖8 所示，可知傳輸5000包數(shù)據(jù)用時(shí)0.096s，可得Gnet網(wǎng)絡(luò)接口數(shù)據(jù)吞吐量為5000×1400Byte×8bit/0.096s=583Mbps≈73MB，由此可知Gige 相機(jī)每秒輸出的圖像幀數(shù)滿足激光告警的實(shí)時(shí)監(jiān)測及數(shù)據(jù)高速傳輸?shù)囊蟆?/p>

圖8 Gige相機(jī)數(shù)據(jù)吞吐量測試

5 結(jié)語

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了基于Gige 相機(jī)圖像傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并可以應(yīng)用于光柵衍射型激光告警系統(tǒng)中，對其數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確性進(jìn)行了詳細(xì)的論述和分析。該圖像傳輸系統(tǒng)對模擬的各個(gè)波段來襲激光衍射后進(jìn)行傳輸，通過上位機(jī)對接收到的圖像進(jìn)行還原和顯示，沒有發(fā)生信息錯(cuò)誤和重要數(shù)據(jù)的丟失。試驗(yàn)結(jié)果表明，該方法具有較高的傳輸精度及可靠性，滿足了要求，能有效地減少虛警，可以在光柵衍射型激光告警系統(tǒng)中得到應(yīng)用。