嵌入式照射激光光斑實時采集系統(tǒng)研究

楊有峰，劉智，孟慶奇

（長春理工大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，長春 130022）

激光制導(dǎo)武器系統(tǒng)具有自主制導(dǎo)能力，較強的抗干擾能力和較高的命中精度，使得在現(xiàn)代高技術(shù)戰(zhàn)爭中激光制導(dǎo)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(zhàn)爭中激光制導(dǎo)武器展現(xiàn)出了極其強大的威力，是我國科技國防戰(zhàn)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(dǎo)武器的工作狀態(tài)和性能，為其在作戰(zhàn)效能方面提供定量評估依據(jù)[2]。因其狀態(tài)和性能直接影響著整個系統(tǒng)的性能和戰(zhàn)斗任務(wù)的完成[3]，由此可見光斑的檢測在激光制導(dǎo)武器的重要作用。本文設(shè)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(tǒng)。為激光照射裝備性能檢測提供有效手段，為激光制導(dǎo)武器性能改進和優(yōu)化提供技術(shù)支撐。

1 系統(tǒng)的組成及工作原理

1.1 系統(tǒng)的組成

該系統(tǒng)主要由FPGA、短波紅外相機、回波探測器、固態(tài)硬盤等組成。

根據(jù)系統(tǒng)的工作要求以及成本等的考慮，系統(tǒng)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(shè)計需求。此外，該核心板上還集成了兩顆16位512 MByte DDR3 SDRAM，內(nèi)存訪問帶寬高達25.6 Gbps。該系列核心板提供的高帶寬內(nèi)存接口滿足了包括高性能視頻處理，高速通信在內(nèi)的多種應(yīng)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(shù)指標如下：

分辨率為 640×512；

像素尺寸 20 μm×20 μm；

片上模數(shù)轉(zhuǎn)換位數(shù)為14位；

ROIC輸出數(shù)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(tǒng)模塊有：信號調(diào)節(jié)模塊、APD光電探測器、放大處理系統(tǒng)、GPS時統(tǒng)模塊、A/D轉(zhuǎn)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(tǒng)設(shè)計

該系統(tǒng)由核心處理器FPGA作為主控器件，當(dāng)激光照射器發(fā)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(chǎn)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(fā)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(tài)硬盤中，為后續(xù)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(yōu)控制和其Camera Link接口設(shè)計，使其實現(xiàn)FPGA與短波紅外相機的直接相連，完成FPGA與短波紅外相機數(shù)據(jù)傳輸。圖1為系統(tǒng)的整體框圖。

圖1 系統(tǒng)整體框圖

2 Camera Link接口設(shè)計

2.1 Camera Link接口介紹

實驗選用的短波紅外相機傳輸數(shù)據(jù)的接口為Camera Link接口。設(shè)計的Camera Link接口主要實現(xiàn)對短波紅外相機的簡單控制，以及對拍攝光斑圖像數(shù)據(jù)進行實時采集、傳輸處理。

短波紅外相機通過Camera Link接口發(fā)送過來的數(shù)據(jù)中包括24位圖像數(shù)據(jù)和4個同步信號。為方便FPGA對數(shù)據(jù)的處理，在設(shè)計時需要進行LVDS電平信號和LVTTL電平信號的轉(zhuǎn)換[5]。系統(tǒng)中電平信號的轉(zhuǎn)換采用國家半導(dǎo)體公司的DS90CR288A，DS90LV047A和DS90LV019來實現(xiàn)；其中，DS90CR288A芯片接收1對差分時鐘信號和4對差分信號，轉(zhuǎn)換后輸出1路時鐘信號和28位數(shù)據(jù)信號，將輸出的數(shù)據(jù)直接傳送到FPGA中完成圖像信號的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換，實現(xiàn)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(zhuǎn)換[6]。

2.2 Camera Link接口電路設(shè)計

Camera Link接口的連接器選用3M公司的MDR26。FPGA接收DS90CR288A芯片轉(zhuǎn)換的28 bit數(shù)據(jù)，并根據(jù)FVAL，LVAL和DVAL三個同步使能信號來完成數(shù)據(jù)傳輸，當(dāng)FVAL、LVAL和DVAL為高時，數(shù)據(jù)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(jié)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(shù)據(jù)的傳輸引腳，F(xiàn)VAL，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(xiàn)原理圖

圖3為所設(shè)計Camera Link接口的實物圖。DS90CR288A接收器將四路LVDS（低壓差分信號）數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換為28位LVCMOS/LVTTL數(shù)據(jù)。在傳輸時鐘頻率為85 MHz時，28位TTL數(shù)據(jù)以595 Mbps的速度經(jīng)LVDS數(shù)據(jù)通道傳輸，數(shù)據(jù)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(yù)測研究

3.1 測量技術(shù)分析

XSW-640-TE1短波紅外相機有手動觸發(fā)、外部觸發(fā)和定時器觸發(fā)三種工作模式，本設(shè)計主要用到外部觸發(fā)和定時器觸發(fā)模式。當(dāng)沒有激光照射時短波紅外相機工作在定時器觸發(fā)模式，按照設(shè)定的頻率工作；當(dāng)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(fā)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(xù)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(fā)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(xù)的時間短，而短波紅外相機快門響應(yīng)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(yù)測技術(shù)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(shè)計

設(shè)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(dāng)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(yīng)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(guān)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(fā)射時序，根據(jù)激光脈沖的發(fā)射時序控制外觸發(fā)模式下的短波紅外相機快門的開啟時刻。

當(dāng)激光指示器發(fā)射激光時，回波探測器會立刻檢測到并實時反饋到FPGA中，F(xiàn)PGA可以計算出前兩個脈沖之間的時間間隔，即激光脈沖的發(fā)射時序，這樣就可以明確每個脈沖的發(fā)射時刻。從第三個脈沖開始，發(fā)射前Kn時刻，F(xiàn)PGA輸出高電平信號以觸發(fā)短波紅外相機快門的開啟信號，開始捕獲激光光斑圖像；當(dāng)檢測到方波信號下降沿后，F(xiàn)PGA輸出低電平脈沖以觸發(fā)短波紅外相機快門關(guān)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(fā)射前Kn時刻開啟相機快門，方波下降沿關(guān)閉快門，以此類推直至無激光脈沖。當(dāng)無激光照射時，短波紅外相機工作在定時觸發(fā)模式，按照設(shè)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(fā)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(yīng)的激光脈沖信號在時序上是一致的。在激光脈沖J3發(fā)射前的K3提前開啟短波紅外相機的快門，在Q3時刻關(guān)閉短波紅外相機的快門，完成J3脈沖光斑的拍攝，后續(xù)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(huán)境下設(shè)計實現(xiàn)，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(fā)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(dāng)有jg信號時，立刻就會被tcq檢測到反饋到FPGA中，根據(jù)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(dāng)tcq信號變?yōu)榱銜r（即jg信號為零時），xj信號立即置零即相機快門關(guān)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(dāng)沒有激光照射時，短波紅外相機轉(zhuǎn)換為定時器觸發(fā)，工作頻率為100 MHz。該設(shè)計完全符合脈沖組之間間隔不同的要求，提高了系統(tǒng)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(tǒng)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(jié)論

本文根據(jù)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(fā)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(shù)據(jù)和信號傳輸所需Camera Link接口設(shè)計等關(guān)鍵技術(shù)。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(fā)控制模式的特性，設(shè)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(tǒng)的安全性而且降低了其成本、減小了體積。對激光制導(dǎo)武器系統(tǒng)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。