激光捕獲系統(tǒng)的信號(hào)采集與處理

劉 燕， 王 鹢， 王 棟， 孫迎萍， 高 欣， 王志斌

(1.蘭州空間技術(shù)物理研究所 真空技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730010；2.中北大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院，山西 太原 030051)

激光具有發(fā)射能力強(qiáng)、能量高度集中、方向性好的優(yōu)點(diǎn)[1]，廣泛應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，如激光測(cè)距、激光雷達(dá)、激光打擊武器等[2-3]。近年來(lái)，美、俄等軍事強(qiáng)國(guó)的激光反衛(wèi)星武器已經(jīng)完成了對(duì)在軌衛(wèi)星進(jìn)行干擾與致盲的攻擊試驗(yàn)[4]，為了對(duì)抗激光反衛(wèi)星武器的威脅，在空間領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)激光捕獲識(shí)別有重要的戰(zhàn)略意義。國(guó)內(nèi)研究者對(duì)激光捕獲識(shí)別研究起步晚，存在較多局限，例如角度分辨率較低[5]、信噪比不高、信號(hào)處理能力不夠[6]、只能探測(cè)一維方向等[7]。高分辨率、寬測(cè)量范圍、較大視場(chǎng)角度的捕獲系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確探測(cè)激光威脅源方位，并快速啟動(dòng)接收端自主防護(hù)功能，已經(jīng)成為近些年研究的熱點(diǎn)[8]?，F(xiàn)存星載激光告警系統(tǒng)探測(cè)范圍為400～1100 nm[9]或900～1700 nm[10]，采集波段單一[11-12]。

本文選用InGaAs焦平面陣列探測(cè)器，將探測(cè)范圍拓寬至400～1700 nm，能夠在可見(jiàn)光、短波紅外光譜范圍內(nèi)同時(shí)響應(yīng)[13]。設(shè)計(jì)中通過(guò)對(duì)探測(cè)器與LM98640進(jìn)行軟硬聯(lián)調(diào)，減弱雜散光對(duì)激光信號(hào)成像的影響，提高圖像對(duì)比度，以便應(yīng)用軟件對(duì)圖像快速分析，實(shí)現(xiàn)激光信號(hào)的提取。

1 成像型激光捕獲系統(tǒng)

入射激光通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)成像在面陣探測(cè)器上，探測(cè)器像元產(chǎn)生響應(yīng)形成一幀視頻圖像，利用快速ADC進(jìn)行轉(zhuǎn)換后將信號(hào)存儲(chǔ)。一幀圖像中，激光信號(hào)占據(jù)幾十到上萬(wàn)個(gè)像素點(diǎn)，通過(guò)軟件反演出光斑圖像，得到激光的落點(diǎn)位置進(jìn)行后續(xù)分析與處理。圖1為系統(tǒng)整體模塊。

圖1 系統(tǒng)整體模塊

探測(cè)器接收到激光后輸出模擬信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)調(diào)理后進(jìn)行A/D采集，電源模塊進(jìn)行供電。探測(cè)器輸出信號(hào)頻率為5～20 MHz，3種輸出通道可選，為減小采樣間誤差，選用2通道模式輸出。

本文選用LM98640作為采集芯片，結(jié)合轉(zhuǎn)換電路并配置內(nèi)部寄存器提高圖像對(duì)比度。LM98640芯片是一款雙通道14位、采樣率40 MHz的視頻采集芯片，具有耐輻射性、最高電離劑量為100 krad、抗單粒子鎖定閾值高(≥75 MeV·cm2/mg)、低噪聲(15 MHz下噪聲為-78 dB)等特點(diǎn)[14]，適用于空間成像領(lǐng)域。

2 電路設(shè)計(jì)

探測(cè)器射入400～1700 nm的激光信號(hào)，經(jīng)內(nèi)部陣列元響應(yīng)、轉(zhuǎn)換、放大后輸出電壓峰峰值為2 V的模擬視頻信號(hào)，由LM98640將該信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，ADC轉(zhuǎn)換范圍為Vref-2 V～Vref。

根據(jù)整體設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)包括前級(jí)運(yùn)放匹配、探測(cè)器與LM98640的時(shí)序匹配、ADC內(nèi)部寄存器的配置等。前級(jí)運(yùn)放匹配作為探測(cè)器與LM98640連接的橋梁、ADC內(nèi)部寄存器配置作為采集過(guò)程中關(guān)鍵部分，對(duì)這兩部分內(nèi)容進(jìn)行詳細(xì)的分析與設(shè)計(jì)。

2.1 信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

通過(guò)調(diào)節(jié)探測(cè)器輸出的模擬信號(hào)范圍確保LM98640的工作區(qū)間，并使ADC轉(zhuǎn)換空間保有一定余量用于更大模擬量的轉(zhuǎn)換，并加入信號(hào)調(diào)理模塊進(jìn)行調(diào)節(jié)。

調(diào)試時(shí)，發(fā)現(xiàn)ADC參考引腳處電平不穩(wěn)定，該處電壓信號(hào)隨輸入信號(hào)發(fā)生變化，通過(guò)對(duì)ADC內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析可知，LM98640內(nèi)部寄生電容充電后在保持階段未完全放電，影響ADC下一階段的信號(hào)采集，因此需要對(duì)ADC外部添加電阻構(gòu)成排泄通道。改進(jìn)后進(jìn)行測(cè)試，在運(yùn)放輸出端接50 Ω對(duì)地電阻使ADC參考引腳電壓信號(hào)保持穩(wěn)定。圖2為電壓跟隨電路圖。

圖2 電壓跟隨電路

探測(cè)器在自然光照下的輸出和在激光射入時(shí)的輸出均為電平信號(hào)。探測(cè)器內(nèi)部中心電平為2.25 V，示波器輸出波形圖表現(xiàn)為入射信號(hào)與探測(cè)器中心電平的偏離量；當(dāng)入射信號(hào)能量越強(qiáng)時(shí)，示波器顯示電壓信號(hào)數(shù)值越小、與中心電平的偏離越大。激光能量較自然光強(qiáng)，激光入射時(shí)探測(cè)器輸出信號(hào)較自然光射入時(shí)輸出的電平信號(hào)數(shù)值更小，其與中心電平的差值變大，輸出光斑圖像越亮。

使用自然光模擬激光射入探測(cè)器，黑暗狀態(tài)模擬探測(cè)器添加光學(xué)鏡頭后的輸出狀態(tài)。圖3為電路板運(yùn)算放大器輸出引腳圖像，探測(cè)器中心電平經(jīng)運(yùn)算放大器后輸出為4.1 V，圖3(a)為探測(cè)器在自然光照下經(jīng)運(yùn)放調(diào)理后輸出圖像，輸出電壓為1.65 V；圖3(b)為探測(cè)器在黑暗環(huán)境狀態(tài)下運(yùn)算放大器輸出，電壓為4.9 V。

圖3 運(yùn)放實(shí)際輸出

當(dāng)有激光射入探測(cè)器時(shí)，探測(cè)器的輸出波形表現(xiàn)為在黑暗背景的狀態(tài)下個(gè)別像元(激光經(jīng)過(guò)光學(xué)鏡頭后所處的局部像元位置)出現(xiàn)自然光響應(yīng)時(shí)的狀態(tài)。

2.2 A/D配置

2.2.1 采集模式選擇

ADC-LM98640有采樣保持(Sample/Hold，S/H)模式和相關(guān)雙采樣(Correlated Double Sample,CDS)模式。其中，CDS模式要求輸入信號(hào)同時(shí)包含參考信號(hào)與像素信號(hào)，輸出二者的差值，適用于差分輸出的探測(cè)器；S/H模式要求像素信號(hào)與參考信號(hào)分別輸入兩個(gè)引腳，輸出參考電平與信號(hào)電平的差值。探測(cè)器只輸出像素信號(hào)，需ADC內(nèi)部提供參考電平，所以LM98640采樣芯片選擇S/H模式。圖4為L(zhǎng)M98640具體應(yīng)用電路。

圖4 采集電路

2.2.2 參考電平設(shè)置

結(jié)合選擇的采樣(S/H)模式，LM98640參考電平由內(nèi)部提供，將VCLP引腳與OSX+引腳連接，VCLP引腳提供S/H模式下像素信號(hào)的參考電平。為了采集到高對(duì)比度的圖像，即背景圖像顯示為黑色，應(yīng)使探測(cè)器在黑暗環(huán)境下的輸出信號(hào)接近參考電平，接近零比例輸出。

通過(guò)配置ADC內(nèi)部寄存器(寄存器地址0x04)，將VCLP內(nèi)部參考電平設(shè)置為2.7 V，接近運(yùn)放2.45 V的黑暗環(huán)境像素電平(4.9 V對(duì)地電阻分壓)。VCLP控制寄存器共8位，如表1所示。利用FPGA配置該引腳，確保ADC能夠完全識(shí)別信號(hào)范圍。

表1 VCLP Control寄存器

表2所示數(shù)據(jù)為系統(tǒng)在不同VCLP電平下的測(cè)試結(jié)果，由表2可知，不同的VCLP配置下ADC可采樣的電平范圍有明顯區(qū)別。運(yùn)放輸出經(jīng)對(duì)地電阻分壓后對(duì)應(yīng)黑暗環(huán)境下像素電平為2.45 V，自然光下像素電平為0.825 V，在具體應(yīng)用背景下激光的光功率強(qiáng)度高于自然光的強(qiáng)度，設(shè)計(jì)上留有一定余量來(lái)滿足實(shí)際應(yīng)用，VCLP電平選用0x79。

表2 參考電平配置

2.3 探測(cè)器與ADC采樣匹配

LM98640在S/H模式下采樣點(diǎn)應(yīng)完全覆蓋像素點(diǎn)，但由于系統(tǒng)中存在延遲，實(shí)際像素點(diǎn)會(huì)超出采樣點(diǎn)，即探測(cè)器單個(gè)像素未完全輸出時(shí)其對(duì)應(yīng)的單個(gè)采集脈沖已結(jié)束。A/D帶有采樣調(diào)節(jié)寄存器，通過(guò)調(diào)節(jié)采樣開(kāi)始與結(jié)束寄存器，使采樣脈沖能覆蓋像素點(diǎn)。調(diào)整后通過(guò)示波器觀察，探測(cè)器與LM98640波形結(jié)果如圖5所示，針對(duì)單個(gè)像素采集，采樣脈沖基本覆蓋像素周期，達(dá)到消除延遲和精確采樣的目的。

圖5 探測(cè)器與LM98640波形

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與分析

圖6為采集電路板，其中利用AD811設(shè)計(jì)的信號(hào)調(diào)理電路分布在電路板正面如圖6(a)所示，LM98640位于電路板背面如圖6(b)所示。

圖6 采集電路板

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)系統(tǒng)的效果，對(duì)探測(cè)器射入激光，獲得寬范圍測(cè)量的光斑圖像并提高圖像對(duì)比度如圖7所示。圖7(a)為系統(tǒng)默認(rèn)參考電平下探測(cè)器的輸出；圖7(b)為配置合適的參考電平后獲得的圖像。對(duì)比圖7(a)與圖7(b)，圖像對(duì)比度得到提高。

圖7 探測(cè)器背景圖像

使用FPGA作為主處理器，將波長(zhǎng)為532 nm、1064 nm和1550 nm的激光分別射入探測(cè)器，經(jīng)信號(hào)調(diào)理、LM98640采集、數(shù)據(jù)處理，得出光斑圖像。

利用軟件將原始圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，確定圖像光暈范圍和光斑中心，光斑圖像如圖8所示。圖8(a)為532 nm激光射入探測(cè)器后得到的光斑圖像。重復(fù)上述步驟進(jìn)行1064 nm和1550 nm激光入射實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)可捕獲到激光信號(hào)并獲得相應(yīng)的光斑圖像，如圖8(b)和圖8(c)所示。光斑圖像清晰明確，滿足后續(xù)激光信號(hào)特征分析的要求。

圖8 光斑圖像

通過(guò)設(shè)計(jì)信號(hào)調(diào)理電路與信號(hào)采集電路，對(duì)LM98640進(jìn)行寄存器配置，并調(diào)試確定LM98640參考電平為2.7 V，使探測(cè)器輸出視頻信號(hào)處于ADC轉(zhuǎn)換范圍，并保留一定模數(shù)轉(zhuǎn)換余量應(yīng)用于實(shí)際的大功率激光背景(上限留有0.177 V，對(duì)應(yīng)背景更加黑暗的狀態(tài)；下限留有0.3 V，對(duì)應(yīng)激光能量更強(qiáng)的狀態(tài))。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過(guò)寄存器配置使圖像背景處于黑色狀態(tài)，不但增加了光斑圖像的對(duì)比度以提高圖像信噪比，而且更加清晰地反映出光斑位置，可用于后續(xù)提取光斑位置信息對(duì)激光進(jìn)行溯源，完全滿足捕獲系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

采用InGaAs焦平面探測(cè)器與ADC-LM98640配合使用的方法，設(shè)計(jì)激光捕獲系統(tǒng)并進(jìn)行激光信號(hào)的識(shí)別與處理。通過(guò)分析設(shè)計(jì)，系統(tǒng)利用一個(gè)探測(cè)器解決了采集波段單一的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)400～1700 nm波段激光的采集，通過(guò)對(duì)ADC-LM98640進(jìn)行各項(xiàng)硬件設(shè)計(jì)與寄存器配置，提高了光斑圖像對(duì)比度，減小了由于光斑不清晰引起的后續(xù)信號(hào)分析誤差，提高了系統(tǒng)精度。同時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)也可用于海陸空等領(lǐng)域進(jìn)行激光捕獲與識(shí)別，其應(yīng)用具有廣泛性。