嵌入式照射激光光斑实时采集系统研究

杨有峰，刘智，孟庆奇

（长春理工大学 电子信息工程学院，长春 130022）

激光制导武器系统具有自主制导能力，较强的抗干扰能力和较高的命中精度，使得在现代高技术战争中激光制导武器的地位和作用越来越受到人们的重视。尤其在最近的几次局部战争中激光制导武器展现出了极其强大的威力，是我国科技国防战略的重点[1]。通过对采集到的激光光斑的研究，可以准确地评判出激光制导武器的工作状态和性能，为其在作战效能方面提供定量评估依据[2]。因其状态和性能直接影响着整个系统的性能和战斗任务的完成[3]，由此可见光斑的检测在激光制导武器的重要作用。本文设计了一套以FPGA为核心的高性能、小型化的光斑图像采集系统。为激光照射装备性能检测提供有效手段，为激光制导武器性能改进和优化提供技术支撑。

1 系统的组成及工作原理

1.1 系统的组成

该系统主要由FPGA、短波红外相机、回波探测器、固态硬盘等组成。

根据系统的工作要求以及成本等的考虑，系统选用赛灵思Spartan-6系列FPGA芯片XC6SLX150作为主控单元。该系列FPGA芯片具有多达150 000个逻辑单元，完全能满足设计需求。此外，该核心板上还集成了两颗16位512 MByte DDR3 SDRAM，内存访问带宽高达25.6 Gbps。该系列核心板提供的高带宽内存接口满足了包括高性能视频处理，高速通信在内的多种应用。

短波红外相机选用XenICs公司研制的XSW-640-TE1高分辨率SWIR相机模块，该模块使用在900～1 700 nm波长范围（也可选择400～1 700 nm）进行成像的InGaAs FPA传感器。该模块具有体积小、重量轻和功率高等特点。一些基本的技术指标如下：

分辨率为 640×512；

像素尺寸 20 μm×20 μm；

片上模数转换位数为14位；

ROIC输出数为4个输出，每个输出10 MHz像素速率；

最大全帧速率为100 fps。

回波探测器是实验室独立自主研制的。其主要包括的系统模块有：信号调节模块、APD光电探测器、放大处理系统、GPS时统模块、A/D转换模块和信号处理模块等组成。激光回波探测器的主作用是将采集到的激光信号以电流的形式进行处理，从中获取信号携带的所需信息[4]。

1.2 系统设计

该系统由核心处理器FPGA作为主控器件，当激光照射器发射激光脉冲时，回波探测器会实时检测到该激光信号，并将生成的回波信号实时反馈到FPGA中，通过此回波信号可以计算出激光脉冲的时间间隔，以此时间产生一个积分信号，并以此积分信号作为短波红外相机的触发信号，完成光斑图像的采集。将采集到的光斑图像存储到固态硬盘中，为后续的研究与处理做准备。本文主要研究短波红外相机快门的最优控制和其Camera Link接口设计，使其实现FPGA与短波红外相机的直接相连，完成FPGA与短波红外相机数据传输。图1为系统的整体框图。

图1 系统整体框图

2 Camera Link接口设计

2.1 Camera Link接口介绍

实验选用的短波红外相机传输数据的接口为Camera Link接口。设计的Camera Link接口主要实现对短波红外相机的简单控制，以及对拍摄光斑图像数据进行实时采集、传输处理。

短波红外相机通过Camera Link接口发送过来的数据中包括24位图像数据和4个同步信号。为方便FPGA对数据的处理，在设计时需要进行LVDS电平信号和LVTTL电平信号的转换[5]。系统中电平信号的转换采用国家半导体公司的DS90CR288A，DS90LV047A和DS90LV019来实现；其中，DS90CR288A芯片接收1对差分时钟信号和4对差分信号，转换后输出1路时钟信号和28位数据信号，将输出的数据直接传送到FPGA中完成图像信号的转换；DS90LV047 A芯片主要完成FPGA输出到短波红外相机的CC1-CC4共4组电平信号的转换，实现对短波红外相机的基本控制；DS90LV019芯片主要完成短波红外相机与FPGA之间的异步串行通讯接口的电平转换[6]。

2.2 Camera Link接口电路设计

Camera Link接口的连接器选用3M公司的MDR26。FPGA接收DS90CR288A芯片转换的28 bit数据，并根据FVAL，LVAL和DVAL三个同步使能信号来完成数据传输，当FVAL、LVAL和DVAL为高时，数据是有效的；FVAL信号的上升沿表示新帧的开始，下降沿表示帧的结束。

图2为Camera Link接口的硬件电路连接原理图。图中的R0-R7，B0-B7，G0-G7为图像数据的传输引脚，FVAL，LVAL，DVAL和Spare是同步使能信号的传输引脚；Din和Rout为串行通信接口引脚；Din0-Din3是相机控制信号传输引脚。其中，每对差分对通过电阻相连接，以此来保证信号的完整性还可以减少信号的反射[7]。

图2 Camera Link基本配置模式硬件实现原理图

图3为所设计Camera Link接口的实物图。DS90CR288A接收器将四路LVDS（低压差分信号）数据流转换为28位LVCMOS/LVTTL数据。在传输时钟频率为85 MHz时，28位TTL数据以595 Mbps的速度经LVDS数据通道传输，数据吞吐量为 2.38 Gbit/s（297.5 Myte/s）。

图3 Camera Link接口实物图

3 相机快门的超前预测研究

3.1 测量技术分析

XSW-640-TE1短波红外相机有手动触发、外部触发和定时器触发三种工作模式，本设计主要用到外部触发和定时器触发模式。当没有激光照射时短波红外相机工作在定时器触发模式，按照设定的频率工作；当有激光照射时，回波探测器检测到激光光斑，短波红外相机立刻切换到外触发工作模式，其快门的控制为本文研究的重点。

激光目标指示器的照射频率通常为10～20 Hz，且激光脉冲持续的时间非常短，为了达到要求，需要对短波红外相机进行精准的控制。需要较小且高精确度的积分时间来控制在外触发模式下工作的短波红外相机，可以准确捕捉到激光光斑，提高了光斑检测的能力和测量精度，这样也有利于抑制背景光的干扰，提高了与背景光的对比度[8]。由于激光脉冲持续的时间短，而短波红外相机快门响应也需要一定的时间，如在探测到光斑后再对短波红外相机进行积分控制显然不可能拍到完整的光斑图像。因此，对短波红外相机的积分控制需要提前，还要确保相机曝光时间与激光脉冲时序的精确同步，以证激光光斑被准确地捕获到。本文采用超前预测技术对短波红外相机快门控制方法来解决此问题。

3.2 测量方法研究设计

设激光脉冲的波长为1.064 μm，能量为90 mJ，脉冲宽为20 ns，频率为20 Hz[9]。当有光斑信号被回波探测器检测到时，进行实时处理并生成对应于激光脉冲上升沿和下降沿的方波信号，同时利用下降沿作为短波红外相机快门关闭的控制信号。因为方波信号与激光脉冲是同步的，使用方波信号可以计算出激光脉冲的发射时序，根据激光脉冲的发射时序控制外触发模式下的短波红外相机快门的开启时刻。

当激光指示器发射激光时，回波探测器会立刻检测到并实时反馈到FPGA中，FPGA可以计算出前两个脉冲之间的时间间隔，即激光脉冲的发射时序，这样就可以明确每个脉冲的发射时刻。从第三个脉冲开始，发射前Kn时刻，FPGA输出高电平信号以触发短波红外相机快门的开启信号，开始捕获激光光斑图像；当检测到方波信号下降沿后，FPGA输出低电平脉冲以触发短波红外相机快门关闭信号，至此完成一个激光脉冲光斑图像的采集[10]；第四个脉冲激光发射前Kn时刻开启相机快门，方波下降沿关闭快门，以此类推直至无激光脉冲。当无激光照射时，短波红外相机工作在定时触发模式，按照设定的频率工作。

图4为激光光斑采集的工作时序图。激光脉冲J1与J2的时间间隔为T2-T1，即所需计算的激光脉冲的发射时序；T1和Q1之间的间隔是激光脉冲J1的脉冲宽度；回波探测器输出的方波信号与对应的激光脉冲信号在时序上是一致的。在激光脉冲J3发射前的K3提前开启短波红外相机的快门，在Q3时刻关闭短波红外相机的快门，完成J3脉冲光斑的拍摄，后续激光光斑的拍摄以此类推。

图4 激光光斑测量时序图

3.3 光斑采集的软件测试

实验在Quartus II环境下设计实现，在第三方软件Modelsim下仿真波形如图5所示。jg是激光目标指示器发射的激光脉冲信号，tcq是回波探测器探测到的激光信号，xj是短波红外相机快门控制的积分信号。脉冲宽度为20 ns。当有jg信号时，立刻就会被tcq检测到反馈到FPGA中，根据前两个脉冲之间的时间间隔计算出下一个脉冲到达时刻，以此来控制xj信号的开启，从第三个jg信号开始每次都会提前开启。当tcq信号变为零时（即jg信号为零时），xj信号立即置零即相机快门关闭。

图5 Modelsim仿真图

由图5可以看出第一组脉冲之间的间隔是70 ns，第二组脉冲之间的间隔是60 ns，第三组脉冲之间的间隔是80 ns，第一组脉冲与第二组脉冲之间的间隔是560 ns，第二组脉冲与第三组脉冲之间的间隔是450 ns。当没有激光照射时，短波红外相机转换为定时器触发，工作频率为100 MHz。该设计完全符合脉冲组之间间隔不同的要求，提高了系统的安全性。

3.4 光斑采集实验

实验时采用反射率为0.2的激光靶板，测试时激光照射器在远距离照射靶板，激光光斑采集系统在距离靶板大约50 m处采集光斑，得到的图像如图6所示。

图6 激光光斑采集图像

4 结论

本文根据激光光斑采集对高精度、安全性、便捷性和实时性的要求，提出对随机发射的激光脉冲组激光光斑的测量方案，分析并介绍了测量方案中光斑检测、时序精准控制及数据和信号传输所需Camera Link接口设计等关键技术。该方法选用XenICs公司研制的XSW-640-TE1短波红外相机，利用其外触发控制模式的特性，设计了实时高精度的控制时序来控制短波红外相机快门曝光，从而确保光斑的录取率达到99.9%，大大提高了系统的安全性而且降低了其成本、减小了体积。对激光制导武器系统的综合性能评价具有重要意义，为激光照射装备性能检测提供有效手段。