一种基于FPGA-TDC的三维激光成像系统技术方案

本发明专利技术提出一种基于FPGA‑TDC的三维激光成像系统。激光束经分光片分为参考光束和发射光束。参考光束经单点APD参考传感器产生参考信号。发射光束经光学镜头收集，在焦平面APD面阵传感器上成像，产生n路回波信号。参考信号和回波信号经FPGA内实现的各TDC测量模块测量，产生TDC数据。TDC数据、粗计时数据和标识一同被数据同步模块控制写入到异步FIFO中，通过通信模块将数据读出发送到上位机，由上位机利用飞行时间算法及相关矫正算法，获得目标物的深度图像。本发明专利技术适用于大面阵三维激光成像系统的低成本、快速开发，能够更快的获得高精度、高帧频的目标物深度图像。

A 3D laser imaging system based on FPGA-TDC

The invention proposes a three dimensional laser imaging system based on FPGA TDC. The laser beam is divided into a reference beam and a transmitting beam. The reference beam generates reference signals through a single point APD reference sensor. The transmitted beams are collected by optical lens and imaged on the focal plane APD array sensor to generate n-channel echo signals. The reference signal and echo signal are measured by each TDC measurement module implemented in the FPGA to generate TDC data. TDC data, coarse timing data and identification are controlled by data synchronization module and written into the asynchronous FIFO. The data are read out and sent to the host computer through the communication module. The host computer obtains the depth image of the target by using the time-of-flight algorithm and related correction algorithm. The invention is suitable for the low cost and rapid development of a large area array three-dimensional laser imaging system, and can obtain the target depth image with high precision and high frame frequency more quickly.

【技术实现步骤摘要】
一种基于FPGA-TDC的三维激光成像系统
本专利技术涉及一种基于FPGA实现待测信号的时间数字转换(TDC)的激光主动照明三维成像系统，还涉及一种TDC数据同步读取的方法，属于激光成像

技术介绍
激光脉冲主动照明的三维成像系统是通过发射激光束至目标表面，通过光学系统收集目标表面漫反射的激光回波，计算每个像素位置从激光发射到返回的时间差来构建以距离为单位的深度图像的三维成像装置。由于激光的单色性、相干性、方向性和高亮度特征，激光脉冲三维成像能够实现高帧率、高分辨率，获得目标的深度信息，适用于超视距成像，并具有一定的去伪装能力。因此，激光三维成像系统在军事侦察、遥感成像、无人驾驶汽车等多领域有广泛的应用前景，是目前国际国内一个重要研究方向。获得激光发射到返回的时间差的方法称为飞行时间法(TimeofFlight)，影响飞行时间测距精度的诸多物理量中，最为关键的参量是光的飞行时间。目前，进行飞行时间测量的方法主要有两大类，一类是在专用集成芯片(ASIC)实现时间-数字转换(TDC)功能，另一类是使用可编程逻辑门阵列(FPGA)上现有资源实现TDC功能。虽然TDC芯片功能完善、使用方便，但单片通道数不足，在大面阵使用时需要大量芯片，并不具使用优势。目前，在大面阵成像系统，使用FPGA部署是较为快速，性价比较高的实现方案。同时FPGA可作为系统控制和数据采集处理器，无需额外增加处理器，节省开发时间和硬件成本。
技术实现思路
本专利技术设计了一种基于FPGA-TDC的激光主动照明三维成像系统，并提出一种TDC数据同步读取的方法，避免在回波信号过多时，数据量过大造成拥堵，进而产生有效数据丢失的情况。本专利技术是通过以下技术方案实现的。该系统由APD面阵传感器、单点APD参考传感器、激光脉冲发射器、FPGA板卡、上位机处理终端及电源等组成。所述FPGA板卡实现如下功能模块：待测信号TDC测量模块、反相器组、时钟管理模块(DCM)、激光发射控制模块、粗计时模块、TDC数据采集模块和上位机通讯模块等。所述待测信号TDC测量模块包括如下功能模块：延时链模块、数据采集同步模块、异步FIFO模块。光学器件包括1:9分光片、接收镜头、柱面镜等。上位机通过发送控制指令，由所述激光发射控制模块控制所述激光脉冲发射器的发射或停止。控制指令还包括激光脉冲的频率和脉宽信息，所述激光发射控制模块实时提取这些信息，实时改变激光脉冲的频率和脉宽，从而达到控制激光脉冲重复频率和发射能量的目的，以适用于不同距离、不同帧率成像的使用需求。所述激光脉冲发射器发射的激光束经所述柱面镜整形后，通过1:9分光片分为参考光束和发射光束。所述参考光束被所述单点APD参考传感器收集，产生参考信号，供所述FPGA内TDC测量模块进行测量，从而获得参考TDC数据。所述发射光束，经目标表面漫反射，经系统光学镜头收集，在焦平面上APD面阵传感器上成像，产生n路回波信号，经所述TDC测量模块测量，产生回波TDC数据。需要说明，每路待测信号都有一套独立的TDC测量模块，互不相同。所述参考TDC数据和所述回波TDC数据，由所述数据采集同步模块控制将有效TDC数据、粗计时数据和标识(参考标识或者位置标识)共同存入异步FIFO。所述TDC数据采集模块通过AXI总线实时检测FIFO状态，循环读出每个FIFO的数据并通过所述上位机通讯模块发送至上位机。所述粗计时模块配置为16位的循环计时器，为每个TDC数据提供相对时间戳。所述上位机处理终端，获得参考和回波数据后，利用飞行时间算法及相应矫正算法，获得目标物的深度图像。测量获得的TDC数据通过飞行时间算法获得目标物的深度图像，具体方法描述如下。延时链将时钟周期T细分为n份，延时链每个抽头输出至D触发器，时钟上升沿时采集抽头数据。当START信号到来时，CLK时钟0上升沿采集时，信号未进入延时链，时钟1上升沿采集时，信号在延时链中已传播一段距离，抽头输出m1个比特1，与粗计时时间戳一起保存为TDC数据。之后，STOP信号到来时，CLK时钟2未采集到数据，CLK时钟3时，抽头输出m2个比特1。通过将每个脉冲周期内TDC数据进行处理，可得到每个像素点的深度信息，公式为：L＝k*T+(m1-m2)*tdelay+CC为电路延时的固定误差，可通过标定实验确定C值。另外，减运算可将信号路径上的部分误差消除掉，提高了测量精度。本专利技术的飞行时间算法只需要待测信号的前沿时间，如果输入待测信号脉宽较宽的情况下，测得的其他数据均为无效数据。由于在像素数较多的情况下，FPGA资源无法配置足够的FIFO深度，同时若读FIFO频率不足，在大量回波信号情况下，会造成数据拥堵，从而丢失掉部分有效信息。本专利技术提出一种数据同步方法，用于向FIFO写入有效的TDC数据，屏蔽无效的TDC数据。由于为避免延时链抽头输出时产生亚稳态现象，需要串联两个D触发器后，再连接到FIFO，因此，有效TDC数据需要在第三个时钟上升沿写入到FIFO。数据同步模块采用类似前沿检测的方法，在有效TDC时钟到来后，检测到状态变化，下一时钟产生一个周期的FIFO写信号，则第三个时钟将有效TDC数据同步写入FIFO，之后不产生写信号，屏蔽掉无效数据。本专利技术的有益效果是：本专利技术的三维成像系统通过采用FPGA实现TDC功能，能够实现高精度的深度图像测量，如采用Kintex-7系列，一个延时单元延时70ps，因此理论上可达70ps的测量精度。同时，整个系统结构简单实用，单路信号占用FPGA资源不多，非常适合大面阵三维激光成像装置的快速开发。本专利技术的数据同步方法，能够有效避免在大面阵应用时，由于数据量过多造成的数据拥堵、丢失情况，同时也减少了上位机处理的数据量，能够更快的获得深度图像。附图说明图1激光三维成像系统原理框图图2FPGA功能模块组成框图图3时间飞行算法时序图图4TDC测量模块内部组成框图具体实施方式依据本专利技术的技术方案，本领域的一般技术人员可以想象出本专利技术的基于FPGA的三维激光成像系统的诸多实施方式。因此，以下具体实施方式和附图仅是本专利技术的技术方案的示例性说明，而不应当视为本专利技术的全部或者视为对本专利技术技术方案的限制或限定。本专利技术的具体实施例如下：面阵传感器采用8x8像素的905nm波段的APD面阵。后端电路采用电流运放、电压运放和比较器，产生可被FPGA接受的数字信号。单点APD采用AD500-9，后端电路与面阵传感器相同。激光器采用PL90-3，75W峰值功率的905nm红外脉冲激光管，电路包括功率MOS管、MOS管驱动芯片、高速电容等。FPGA平台采用XilinxKintex-7XC7K325T-2FFG900。光学器件包括9:1分光片、接收镜头、柱面镜等。上位机通过发送控制指令，所述激光脉冲发射器控制所述激光脉冲发射器开始或停止工作。上位机发送的指令信息还包括激光驱动信号的频率和脉冲宽度信息，所述激光发射控制模块实时读取这些信息，进而实时改变驱动信号的频率和脉冲宽度，从而控制激光的重复频率和发射能量。可实现的驱动信号频率和脉宽如下表所示，表中频率和脉宽并非一一对应：表1激光驱动信号所述激光脉冲发射器发射的激光束经所述柱面镜整形后，通过1:9分光片分为参考光束和发射光束。所述参考光束被本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于FPGA‑TDC的三维激光成像系统，其特征在于：上位机通过发送控制指令，由所述激光发射控制模块控制所述激光脉冲发射器的发射或停止；所述激光脉冲发射器发射的激光束经所述柱面镜整形后，通过1:9分光片分为参考光束和发射光束；所述参考光束被所述单点APD参考传感器收集，产生参考信号，供所述FPGA内TDC测量模块进行测量，从而获得参考TDC数据；所述发射光束，经目标表面漫反射，经系统光学镜头收集，在焦平面上APD面阵传感器上成像，产生n路回波信号，经所述TDC测量模块测量，产生回波TDC数据；需要说明，每路待测信号都有一套独立的TDC测量模块，互不相同；所述参考TDC数据和所述回波TDC数据，由所述数据采集同步模块控制将有效TDC数据、粗计时数据和标识(参考标识或者位置标识)共同存入异步FIFO；所述TDC数据采集模块通过AXI总线实时检测FIFO状态，循环读出每个FIFO的数据并通过所述上位机通讯模块发送至上位机；所述上位机处理终端，获得参考和回波数据后，利用飞行时间算法及相应矫正算法，获得目标物的深度图像。

【技术特征摘要】
1.一种基于FPGA-TDC的三维激光成像系统，其特征在于：上位机通过发送控制指令，由所述激光发射控制模块控制所述激光脉冲发射器的发射或停止；所述激光脉冲发射器发射的激光束经所述柱面镜整形后，通过1:9分光片分为参考光束和发射光束；所述参考光束被所述单点APD参考传感器收集，产生参考信号，供所述FPGA内TDC测量模块进行测量，从而获得参考TDC数据；所述发射光束，经目标表面漫反射，经系统光学镜头收集，在焦平面上APD面阵传感器上成像，产生n路回波信号，经所述TDC测量模块测量，产生回波TDC数据；需要说明，每路待测信号都有一套独立的TDC测量模块，互不相同；所述参考TDC数据和所述回波TDC数据，由所述数据采集同步模块控制将有效TDC数据、粗计时数据和标识(参考标识或者位置标识)共同存入异步FIFO；所述TDC数据采集模块通过AXI总线...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩绍坤，刘菲，翟宇，曹京亚，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京,11