孟宏峰， 張浩鈞， 唐 琳， 王耀金

（上海無(wú)線電設(shè)備研究所，上海200090）

0 引言

激光三維成像系統(tǒng)可以直接獲取目標(biāo)的外形和位置信息，很容易識(shí)別目標(biāo)。針對(duì)激光三維成像雷達(dá)的各項(xiàng)外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了其在復(fù)雜背景下進(jìn)行目標(biāo)探測(cè)和識(shí)別的能力。三維圖像不僅包括位置、方位、姿態(tài)等信息，還包括了目標(biāo)的幾何形狀、表面特性的信息。與傳統(tǒng)的二維成像獲得的信息相比，目標(biāo)的三維信息能夠更加全面的、真實(shí)的反映客觀物體特征［1］。激光三維成像系統(tǒng)一般采用脈沖飛行時(shí)間法進(jìn)行掃描測(cè)距成像。

脈沖飛行時(shí)間（TOF，time of flight）法是基于激光脈沖測(cè)距的方式獲取像素點(diǎn)距離值，發(fā)射的激光脈沖在目標(biāo)表面發(fā)生反射，再由接收望遠(yuǎn)鏡對(duì)回波信息進(jìn)行探測(cè)。設(shè)測(cè)量脈沖從激光發(fā)射系統(tǒng)到目標(biāo)來(lái)回往返的飛行時(shí)間為t，根據(jù)傳輸介質(zhì)中的光速c，可以得到目標(biāo)距離R=c t/2，其中TOF的時(shí)間測(cè)量精度是激光三維成像系統(tǒng)中重要的指標(biāo)。

時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換技術(shù)TDC（Time to Digital Converters）廣泛用于時(shí)頻測(cè)量、衛(wèi)星導(dǎo)航、激光測(cè)距和雷達(dá)定位等領(lǐng)域。高精度時(shí)間間隔測(cè)量模塊包括TDC-GP22時(shí)差測(cè)量模塊和FPGA邏輯處理模塊［2］。其中，TDC-GP22時(shí)差測(cè)量模塊測(cè)量脈沖飛行時(shí)間差，并把時(shí)間信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；FPGA邏輯處理模塊用于協(xié)調(diào)各模塊的工作，包括配置芯片寄存器、發(fā)送開始測(cè)量信號(hào)、讀取測(cè)量結(jié)果、發(fā)送數(shù)據(jù)到上位機(jī)進(jìn)行顯示與處理。文中將高精度時(shí)間測(cè)量芯片應(yīng)用在激光三維成像中，系統(tǒng)時(shí)間測(cè)量精度小于1 ns，滿足激光測(cè)距成像要求。

1 TDC-GP22測(cè)時(shí)芯片基本原理

TDC-GP22是以信號(hào)通過(guò)內(nèi)部門電路的傳輸延時(shí)來(lái)進(jìn)行高精度時(shí)間間隔測(cè)量的［3］。如圖1所示，測(cè)量單元通過(guò)Start信號(hào)觸發(fā)，Stop信號(hào)截止。測(cè)量過(guò)程中，需要計(jì)算開始信號(hào)Start和結(jié)束信號(hào)Stop之間所經(jīng)過(guò)邏輯門的個(gè)數(shù)，來(lái)精確計(jì)算開始信號(hào)和結(jié)束信號(hào)之間的時(shí)間間隔。

圖1 TDC絕對(duì)時(shí)間測(cè)量系統(tǒng)框架

TDC-GP22有兩個(gè)測(cè)量范圍：測(cè)量范圍1單通道精度為45 ps，雙通道典型精度為90 ps，測(cè)量范圍從3.5 ns到2.5 us；測(cè)量范圍2單通道典型精度為90 ps，雙精度模式為45 ps，四精度模式為22 ps，測(cè)量范圍從500 ns到4 ms［4］。TDC-GP22測(cè)量結(jié)果有校準(zhǔn)值和非校準(zhǔn)值：校準(zhǔn)值是指TDC在測(cè)量時(shí)，對(duì)由溫度和電壓變化引起的誤差進(jìn)行校準(zhǔn)之后所產(chǎn)生的測(cè)量結(jié)果；非校準(zhǔn)值是直接讀取的測(cè)量結(jié)果，不對(duì)其進(jìn)行校準(zhǔn)。為了得到精確的時(shí)間間隔測(cè)量結(jié)果，TDC-GP22一般在校準(zhǔn)模式下工作，補(bǔ)償測(cè)量中溫度和電壓變化的影響。采用四線SPI接口對(duì)其進(jìn)行寄存器的配置、工作狀態(tài)設(shè)定和數(shù)據(jù)傳輸，其讀寫時(shí)序如圖2、圖3所示。

圖2 TDC-GP22讀時(shí)序

SPI口讀寫時(shí)序中，SSN為從機(jī)使能控制端；SCK為從機(jī)時(shí)鐘信號(hào)輸入端口；SI為數(shù)據(jù)輸入端；SO為數(shù)據(jù)輸出端；TDC-GP22所支持的SPI工作模式為Clock Phase Bit=1；Clock Polarity Bit=0。在讀寫時(shí)序圖中顯示了時(shí)間限制，SSN需要強(qiáng)制置高電平，每次讀寫序列之間SSN保持高電平至少50 ns。

圖3 TDC-GP22寫時(shí)序

2 激光三維成像系統(tǒng)

激光三維成像系統(tǒng)原理框圖如圖4所示。

圖4 激光三維成像系統(tǒng)與時(shí)間間隔測(cè)量電路

上位機(jī)控制脈沖激光器輸出激光，利用二維掃描鏡的轉(zhuǎn)動(dòng)通過(guò)發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)，使激光信號(hào)在俯仰和方位上形成固定面積的矩形掃描視場(chǎng)，當(dāng)激光照射目標(biāo)，反射回波通過(guò)接收光學(xué)系統(tǒng)照射在APD探測(cè)器上，APD輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)微弱信號(hào)檢測(cè)模塊和壓控放大電路將信號(hào)進(jìn)行放大，參考APD和回波APD輸出信號(hào)分別經(jīng)時(shí)刻鑒別后進(jìn)入高精度時(shí)間間隔測(cè)量模塊［5］。其中，參考APD和回波APD的時(shí)刻鑒別輸出信號(hào)分別作為TDCGP22的啟動(dòng)和停止信號(hào)，計(jì)算出測(cè)距結(jié)果后發(fā)送到上位機(jī)實(shí)現(xiàn)激光三維成像［6］。

3 軟件實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括FPGA嵌入式程序和用MATLAB編寫的上位機(jī)程序。TDCGP22配置與上位機(jī)顯示流程圖如圖5所示，TDC-GP22電路圖如圖6所示。

圖5 TDC-GP22配置與上位機(jī)顯示流程圖

本系統(tǒng)中使用TDC-GP22的測(cè)量范圍1校準(zhǔn)模式測(cè)量75 m內(nèi)的目標(biāo)，使用測(cè)量范圍2測(cè)量75 m外的目標(biāo)。TDC-GP22芯片是通過(guò)FPGA發(fā)送操作碼來(lái)配置實(shí)現(xiàn)的。首先初始化測(cè)量單元與ALU數(shù)據(jù)處理單元，然后分別對(duì)寄存器reg0-reg6進(jìn)行配置。配置reg0選擇測(cè)量范圍，自動(dòng)校準(zhǔn)；配置reg1選擇計(jì)算通道的時(shí)間差，設(shè)置為stop2 HIT1-stop HIT1；配置reg2開啟所有中斷；配置reg3-reg6為默認(rèn)值。寄存器的配置結(jié)束后，開啟Start、Stop1、Stop2使能，TDC-GP22開始接收Start、Stop1、Stop2信號(hào)。完成信號(hào)測(cè)量以后，TDC根據(jù)預(yù)先設(shè)定的自動(dòng)校準(zhǔn)模式進(jìn)行數(shù)據(jù)的校準(zhǔn)。等待中斷信號(hào)INTN為0時(shí)，即可發(fā)送讀取數(shù)據(jù)命令，從結(jié)果寄存器中讀取數(shù)據(jù)。FPGA將數(shù)據(jù)通過(guò)422接口傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，上位機(jī)接收到數(shù)據(jù)以后根據(jù)預(yù)先設(shè)定的掃描點(diǎn)坐標(biāo)與測(cè)量結(jié)果的對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行數(shù)據(jù)重排并實(shí)現(xiàn)三維成像。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

（1）TDC-GP22精度測(cè)試

圖6 TDC-GP22電路原理圖

激光三維成像系統(tǒng)的測(cè)距性能主要取決于時(shí)間間隔測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量精度，而精度測(cè)試方案需要一個(gè)穩(wěn)定且可調(diào)節(jié)的時(shí)間間隔作為測(cè)試源。為此，專門設(shè)計(jì)了延時(shí)產(chǎn)生電路，該電路能產(chǎn)生兩個(gè)時(shí)間間隔穩(wěn)定并可精密調(diào)節(jié)的窄脈沖。由FPGA產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)作為觸發(fā)信號(hào)，觸發(fā)信號(hào)直接進(jìn)入時(shí)間間隔測(cè)量系統(tǒng)的開始通道，用不同長(zhǎng)度的同軸電纜對(duì)觸發(fā)信號(hào)延時(shí)來(lái)產(chǎn)生停止信號(hào)，從而獲得兩個(gè)時(shí)間間隔可調(diào)的脈沖信號(hào)，模擬脈沖激光測(cè)距中的開始和停止信號(hào)，其框圖如圖7所示。

圖7 延時(shí)產(chǎn)生電路框圖

選取3段不同長(zhǎng)度的電纜，采用上述方法接入時(shí)間間隔測(cè)量芯片，連續(xù)測(cè)量1 024次，記錄下來(lái)并統(tǒng)計(jì)，測(cè)量結(jié)果如表1所示。由表1數(shù)據(jù)可知，TDC-GP22的測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)差，與測(cè)量范圍1的“單通道精度可達(dá)45 ps”相符。

（2）激光三維成像實(shí)驗(yàn)

為了測(cè)試激光三維成像系統(tǒng)的測(cè)量精度，在激光暗室中，搭建實(shí)驗(yàn)測(cè)試場(chǎng)地。如圖8所示，連接實(shí)驗(yàn)設(shè)備，安置激光三維成像系統(tǒng)，并將實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)放置在激光三維成像系統(tǒng)與接收面板之間。

表1 時(shí)間間隔測(cè)量結(jié)果

圖8 測(cè)距成像實(shí)驗(yàn)圖

目標(biāo)選用兩塊同一材質(zhì)同一顏色的泡沫板，將其中一個(gè)7 c m厚度的泡沫疊加在另一個(gè)薄的泡沫板上，進(jìn)行成像實(shí)驗(yàn)，上位機(jī)成像結(jié)果如圖9所示。

成像結(jié)果圖中，以激光發(fā)射處為坐標(biāo)原點(diǎn)，x、y為激光掃描成像視場(chǎng)中兩個(gè)方向坐標(biāo)，單位為m；z為激光發(fā)射處與目標(biāo)不同位置之間的距離測(cè)量值。由圖9可知，激光三維成像系統(tǒng)的測(cè)距精度優(yōu)于7 c m，即時(shí)間間隔測(cè)量精度不低于1 ns。

圖9 激光三維成像結(jié)果

5 結(jié)論

激光三維成像系統(tǒng)中，將高精度時(shí)間間隔測(cè)量芯片TDC-GP22與FPGA結(jié)合進(jìn)行激光測(cè)距成像。介紹了FPGA配置TDC-GP22的過(guò)程，具體有芯片初始化、芯片工作方式配置和測(cè)量結(jié)果讀取。實(shí)驗(yàn)室搭建激光三維成像系統(tǒng)，采集分析數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明基于TDC-GP22的激光三維成像系統(tǒng)的時(shí)間測(cè)量精度小于1 ns，滿足后續(xù)激光測(cè)距成像的要求。