王　飛，湯　偉，王挺峰，郭　勁

(中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所

激光與物質(zhì)相互作用國家重點實驗室， 吉林 長春130033)

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8×8APD陣列激光三維成像接收機研制

王飛*，湯偉，王挺峰，郭勁

(中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所

激光與物質(zhì)相互作用國家重點實驗室， 吉林 長春130033)

摘要：為了實現(xiàn)對目標的無掃描陣列激光三維成像并研究系統(tǒng)參數(shù)對三維成像距離分辨率的影響，研制了8×8 pixel激光三維成像接收機。接收機采用線性模式APD陣列，設(shè)計了模擬信號放大、閾值處理將回波光信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后，利用FPGA設(shè)計實現(xiàn)64通道高精度陣列計時系統(tǒng)，實現(xiàn)了對目標的無掃描實時三維成像功能。首先對設(shè)計完成的三維成像接收機組成及成像原理進行了介紹，對三維成像接收機中APD探測器陣列信號的模擬處理和數(shù)字處理流程和實現(xiàn)方式進行了說明。隨后分別對三維成像的核心FPGA計時系統(tǒng)及探測器整體進行了電子學測試和實驗測試。測試結(jié)果表明，F(xiàn)PGA計時子系統(tǒng)的時間分辨率優(yōu)于140 ps，三維成像系統(tǒng)整體距離分辨率在0.2 m左右。最后對分辨率的誤差進行了分析，結(jié)果表明，激光回波強度波動是影響此接收機距離分辨率的最主要因素。

關(guān)鍵詞:三維成像接收機；APD陣列探測器；高分辨測距；多抽頭延遲線

Design of 3D laser imaging receiver based on

1引言

采用陣列式焦平面探測器的無掃描激光三維成像技術(shù)[1]具有成像速度快，分辨率高的天然優(yōu)勢，尤其是具備三維姿態(tài)測量能力[2]，使得其在目標測量[3-4]、導航制導[5-6]、地形測繪[7]、安防告警[8]等多種領(lǐng)域具有極大的應用潛力。目前具備三維成像能力的焦平面陣列以雪崩二極管(APD)探測器為主。對回波時間的精確測量技術(shù)是實現(xiàn)高精度目標三維成像的核心。目前國際上多采用專用集成電路，采用光敏探測器與讀出電路直接結(jié)合的方式實現(xiàn)。此種方式可實現(xiàn)大規(guī)模的陣列集成，最高可達到256×256[9]，但受技術(shù)封鎖限制，目前此類器件較難直接獲得。研制成本也較高，極大地影響了激光三維成像技術(shù)在我國的應用。國內(nèi)目前正逐步開展此類探測器的研制，但目前尚無商用產(chǎn)品可用。而市場上存在單獨的小規(guī)模APD探測器陣列，陣列規(guī)模包含5×5，8×8等二維陣列以及25元、16元線性陣列等，通常無信號處理電路部分，不能直接用于激光三維成像，需要額外訂制電路對其輸出信號進行進一步的處理。目前已有部分單位開始了基于APD線陣和面陣探測器[10]的激光三維成像技術(shù)研究。

利用單獨的APD探測器陣列，設(shè)計實現(xiàn)陣列的高精度計時處理是解決目前探測器可用性困境的出路之一。但由于APD陣列探測器像元數(shù)多，其后續(xù)信號處理電路通道數(shù)多，尤其是陣列計時若采用分立元件進行設(shè)計將面臨極大的困難。利用大規(guī)?？删幊唐骷O(shè)計實現(xiàn)陣列計時電路則可以解決這一問題。

FGPA是一種具有高度集成度和靈活性的可硬件編程器件，其設(shè)計方法與設(shè)計思路與專用集成芯片具有一定的通用性，相關(guān)的測量方法也可移植至未來的專用集成芯片中。利用FPGA的多通道數(shù)字化處理能力，可以實現(xiàn)對較小規(guī)模陣列探測器的回波時間測量，實現(xiàn)陣列式的激光三維成像，從而可以進一步開展陣列激光三維成像相關(guān)技術(shù)的研究。由于FPGA僅可處理數(shù)字信號，尚無法處理模擬信號，因此APD陣列探測器還需要設(shè)計信號放大、時刻鑒別電路，將APD探測到的微弱回波信號進行初步的放大和閾值處理，以便產(chǎn)生可供FPGA處理的數(shù)字脈沖信號。

通過設(shè)計APD探測器陣列信號處理電路可積累專用集成電路設(shè)計經(jīng)驗，為未來全集成化陣列探測器信號處理電路提供設(shè)計依據(jù)和參考。

2激光三維成像系統(tǒng)設(shè)計

2.1　激光三維成像系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

激光三維成像系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　3D成像系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu) Fig.1　Structure of 3D imaging system

由激光器發(fā)出脈沖光對目標進行照明，單點探測器作為計時處理的起始時間標記，由目標返回的激光信號經(jīng)接收光學系統(tǒng)成像到APD陣列，由信號處理系統(tǒng)進行相應的處理，獲取激光的停止時間標記，從而獲得目標的距離信息。

2.2　探測器信號處理

根據(jù)目前所能獲得的探測器，方案采用了具有64個像元的APD面陣列探測器，其像素單元呈8×8二維排布。模擬信號處理部分采用廠家提供的試用板，所有64路APD輸出的信號采用相同的處理方式，APD輸出信號首先經(jīng)過跨阻放大器放大后與閾值信號進行比較，當回波信號大于閾值時，認為有回波信號到達，此時比較器輸出高電平。

激光發(fā)射與回波信號高電平的上升沿之差通過FPGA進行測量，采用Xilinx公司的Kintex-7系列芯片作為主處理芯片，利用FPGA邏輯單元內(nèi)部的專用進位鏈(Carry Chain)組成延時鏈進行時間測量。同時采用粗計數(shù)與精計數(shù)結(jié)合的方式，實現(xiàn)大范圍的時間測量[9,11]。

系統(tǒng)整體功能結(jié)構(gòu)如圖2所示，采用軟核技術(shù)提高系統(tǒng)的靈活性。

圖2　FPGA 處理結(jié)構(gòu) Fig.2　Structure of FPGA processing

軟核負責將信號的飛行時間進行編碼，并通過串口/以太網(wǎng)發(fā)送到上位機進行后續(xù)信號處理。經(jīng)過實驗測量，基于FPGA的多通道時間間隔測量系統(tǒng)的測量分辨率優(yōu)于140 ps，與之對應的距離分辨率誤差可達到2 cm。

2.3　激光三維成像接收機

探測器模擬信號處理板與FPGA數(shù)字信號處理板通過板對板高速接口相連，PCB放置在一個相機盒內(nèi)，尺寸約150 mm×150 mm×60 mm。機體通過C接口，可直接或者通過轉(zhuǎn)接環(huán)與常用的相機鏡頭相連，安裝完成的3D接收機實物如圖3所示。

圖3　3D接收機實物照片 Fig.3　Photo of the 3D receiver

3實驗測量

3.1　FPGA計時電子學測量

為降低實際測量中各種因素的影響，采用直接電子學測量的方式對FPGA計時系統(tǒng)的計時分辨率進行了測試。測試采用的信號源為泰克公司的AFG3102雙通道函數(shù)信號發(fā)生器產(chǎn)生，兩路信號的延時通過信號發(fā)生器調(diào)節(jié)，測試裝置如圖4所示。

圖4　電子學測試設(shè)置照片 Fig.4　Photograph of the electrical testing setup

分別對100~900 ns的延時進行了測量，測試結(jié)果如表1所示。

表1　精度與分辨率測試

由測試結(jié)果可見，在100~900 ns時間范圍內(nèi)，多次測量的統(tǒng)計平均精度在60 ps左右，方差優(yōu)于140 ps，對應距離誤差約為2 cm。由此可見，F(xiàn)PGA計時系統(tǒng)可達到較高的計時精度，有望獲得較高的距離分辨率。

3.2　激光三維成像實驗

為驗證三維接收機的三維成像能力，利用實驗室現(xiàn)有器材，搭建了三維成像原理實驗平臺，對三維成像接收機的距離分辨率進行了測試，實驗設(shè)置如圖5所示。

光源采用脈沖式532 nm激光器，由于工作在較低功率條件下，激光脈沖寬度約為20 ns。實驗所用鏡頭為Nikon的18~105 mm變焦鏡頭。由探測器像元數(shù)較少，難以對復雜目標成像，因此采用了平板目標與背景墻，目標放置在探測系統(tǒng)前3~5 m范圍。采用105 mm焦段時成像結(jié)果如圖6所示。

圖6　成像實驗結(jié)果 Fig.6　Results of imaging experiment

圖6(a)為激光對目標處的照明效果，由于焦距長、目標距離近，實際成像范圍內(nèi)僅包含整個照明視場的一小部分。圖6(b)和圖6(c)分別為單次測量時的二維顯示與三維顯示結(jié)果。由于焦距較長，成像區(qū)域僅可包含6(a)中小部分區(qū)域，為方便選取了前方目標與墻面邊緣部分進行成像。可見，系統(tǒng)可實現(xiàn)對目標的三維成像功能。圖6(d)為多次測量后，各通道的測量方差，除少數(shù)點外，大部分通道的方差在0.2 m附近，也表明在此時的測量條件下，最終目標分辨率有望達到0.2 m。

3.3　距離誤差分析

陣列成像的距離誤差與激光測距系統(tǒng)的誤差分析一致。主要誤差源包括由激光脈沖強度引起的時刻判定誤差δp、探測器隨機游走誤差δd、電路噪聲誤差δe、計時系統(tǒng)的計時誤差δt等?？偟木嚯x誤差可表示為：

(1)

式中：探測器隨機游走誤差、電路噪聲誤差等因素相對較小(10~100 ps量級)，而計時系統(tǒng)的誤差在實驗前進行過標定，各通道的計時誤差在140 ps以內(nèi)，對應原距離分辨率約為2 cm，即使考慮最大計時誤差為0.5 ns，對應的距離分辨率也小于7.5 cm。因此導致實驗測量誤差的主要因素在于激光脈沖強度引起的時刻判定誤差。本方案采用的回波時刻確定方法為恒閾值方法，此種閾值處理電路相對簡單易行，但缺點是具有較大的定時誤差。其主要原因如圖7所示。

圖7　激光脈沖強度引起的距離測量誤差 Fig.7　Range error caused by laser pulse amplitude

隨著回波強度的變化，信號過閾值時間將在一定的范圍內(nèi)變化。引起回波強度變化的主要原因有：發(fā)射激光功率起伏、大氣傳輸特性起伏、目標特性改變等。實驗在室內(nèi)進行，目標相同，因此對本次實驗結(jié)果，引起強度起伏的主要因素為激光脈沖功率的起伏。由回波強度引起的時間誤差與強度變化幅度和激光脈沖上升沿寬度成正比，近似為兩者乘積。用示波器的余輝功能對激光脈沖輸出信號進行了測量，示波器帶寬1 GHz，測量結(jié)果如圖8所示。

圖8　激光脈沖強度變化測量結(jié)果 Fig.8　Measurement of laser energy variation

由圖8可見，回波信號上升沿寬度約為10 ns，能量穩(wěn)定性最大波動約為40%，其均方值約為13%(3δ)，因此對應的時間誤差約為10 ns×0.13=1.3 ns，基本與實驗測量0.2 m距離誤差結(jié)果一致。

采用更窄脈沖寬度的激光器是一種較為簡便易行的提高距離分辨率的方法，同時脈沖寬度的降低可以減小激光發(fā)射平均功率，對降低系統(tǒng)功耗具有一定的優(yōu)勢。

4結(jié)論

本文采用8×8的APD陣列探測，研制了一套陣列激光三維成像探測器。探測器采用FPGA作為系統(tǒng)的陣列計時單元，實現(xiàn)了對64路加波信號的高精度計時處理。通過電子學測試實驗表明單一FPGA的計時精度優(yōu)于140 ps。激光三維成像實驗表明，綜合激光、模擬處理電路、FPGA計時電路等因素的系統(tǒng)整體分辨率可達0.2 m左右。實驗結(jié)果表明，本接收機系統(tǒng)具有較高的時間和距離分辨能力。由于FPGA的可編程特性，本三維接收機還具有一定的可升級性，系統(tǒng)的計時分辨率有望進一步提升。距離分辨率的分析結(jié)果表明，激光脈沖上升沿寬度對改善系統(tǒng)距離分辨率具有明顯，下一步將改進激光照明系統(tǒng)以及更換更窄脈沖激光器進行相應測試。同時實驗過程中，部分通道具有較大的分辨率誤差，需要對系統(tǒng)進行更深入的測試，分析其原因并加以改善。

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王　飛(1981—)，男，河北容城人，博士，助理研究員，2010年于哈爾濱工業(yè)大學獲得博士學位，主要從事光電探測與激光三維成像技術(shù)方面的研究。E-mail:felixw@163.com

湯　偉(1985—)，男，黑龍江綏棱人，博士，2009年于天津科技大學獲得學士學位，2014年于中國科學院長春光學精密機械與物理研究所獲博士學位，主要從事激光輻照效應、熱控方面的研究。E-mail:twei222@163.com

王挺峰(1977—)男，山東文登人，研究員，碩士生導師，1999年、2002年于吉林大學分別獲得學士、碩士學位，2005年于中國科學院長春光學精密機械與物理研究所獲得博士學位，主要從事光電觀測設(shè)備研制和激光應用技術(shù)方面的研究。E-mail:wangtf@sina.com

郭　勁(1964—)，男，吉林長春人，研究員，博士生導師，主要從事光電觀測設(shè)備研制、激光與物質(zhì)相互作用、激光應用技術(shù)等方面的研究。E-mail:guojin@ciomp.ac.cn

8×8 APD detector array

WANG Fei*, TANG Wei，WANG Ting-feng, GUO Jin

(StateKeyLaboratoryofLaserInteractionwithMatter,ChangchunInstituteofOptics,

FineMechanicsandPhysics,ChineseAcademyofScience,Changchun130033,China)

Abstract:In order to realize scannerless three dimensional(3D) laser imaging and analyze system parameters impact on ranging precision, a 3D imaging receiver with 8×8 elements is implemented. The receiver utilizes linear mode APD array. Analog signal amplification and threshold processing is applied to convert the optical signal to digital pulse. Then a 64 channel time to digital convertor array is implemented in FPGA, and 3D laser imaging receiver is invented which can acquire 3D information of target in real-time. First the principle of 3D imaging and construction of the receiver is introduced, including procedure and implementation of the array signal processing. Then electrical test and 3D imaging experiment are carried out for FPGA timing unit and receiver respectively, which indicate a timing resolution of 140 ps and range resolution of 0.2 m. At last, range resolution error is analyzed and we come to the conclusion that laser pulse energy fluctuation is the main error source.

Key words:3D imaging detector;APD detector array;high resolution ranging;tapped delay line

作者簡介：

*Corresponding author, E-mail:felixw@163.com

中圖分類號：TN249

文獻標識碼:A

doi:10.3788/CO.20150803.0422

文章編號2095-1531(2015)03-0422-06

基金項目：國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)資助項目(No.2013AAXXX1024X)

收稿日期:2014-12-21；

修訂日期:2015-02-23