一种基于增强型电荷耦合成像器的循环步进同步控制电路

摘要

一种基于增强型电荷耦合成像器的循环步进同步控制电路，它是由激光器驱动信号模块、选通门控制模块、循环步进加法器模块、像增强器增益控制模块连接构成。激光器驱动信号模块的驱动电平信号输出端与选通门控制模块的触发信号输入端及脉冲激光器驱动信号输入端相连接，选通门控制模块的选通电平信号输出端与像增强器增益控制模块的触发信号输入端及ICCD的触发信号输入端相连接，循环步进加法器模块的数据输出端与选通门控制模块数据输入端及像增强器增益控制模块的数据输入端相连接，像增强器增益控制模块的增益控制信号输出端与像增强器增益输入端相连接。本发明解决了成像器的循环步进同步控制的问题，精度高、性能好，广泛应用于成像激光雷达中。

说明书

(一)技术领域

本发明涉及一种同步控制电路，特别是涉及一种基于增强型电荷耦合成像器(ICCD)的循环步进同步控制电路，属于激光雷达技术领域。

(二)背景技术

基于ICCD的距离选通成像激光雷达，是一种对远距离低照度目标进行探测的主动成像技术，其利用距离选通同步控制技术，同步脉冲激光器和ICCD摄像机的工作，以时间的先后分开不同距离上的散射光和目标的反射光，使被观察目标反射回来的辐射脉冲刚好在ICCD摄像机选通工作的时间内到达摄像机并成像。其中同步控制技术是实现距离选通成像激光雷达的核心技术，它直接控制着脉冲激光器和ICCD摄像机之间的同步工作，是有效地实现距离选通及精确的图像清晰度控制的关键技术。

传统同步控制电路仅同步控制了脉冲激光器、ICCD摄像机的选通门的开启，而忽视了对像增强器增益的同步控制，导致了对不同距离目标成像的照度不均匀，且整个电路使用过多离散元器件构成，导致电路易受到外界噪声干扰，以及在产生选通脉冲过程中，信号传输延迟时间大等造成的精确度不高，稳定性不够的缺点。

(三)发明内容

(1)目的

本发明的目的在于提供一种基于ICCD的循环步进同步控制电路，该电路克服了现有技术的不足，它采用现场可编程门阵列(FPGA)实现，同步控制了脉冲激光器、ICCD摄像机的选通门宽及像增强器的增益，通过循环步进技术，将照明成像的物体分段进行成像，同时通过同步控制像增强器的增益，对各段进行照度调节，使各段所成像照度均匀。同时，本电路的同步控制精确度高，稳定性好，选通脉冲可达到纳秒量级。

(2)技术方案

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种基于ICCD的循环步进同步控制电路，它是由激光器驱动信号模块、选通门控制模块、循环步进加法器模块、像增强器增益控制模块连接构成。激光器驱动信号模块的驱动电平信号输出端与选通门控制模块的触发信号输入端及脉冲激光器驱动信号输入端相连接，选通门控制模块的选通电平信号输出端与像增强器增益控制模块的触发信号输入端及ICCD的触发信号输入端相连接，循环步进加法器模块的数据输出端与选通门控制模块数据输入端及像增强器增益控制模块的数据输入端相连接，像增强器增益控制模块的增益控制信号输出端与像增强器增益输入端相连接。

所述激光器驱动信号模块，由一个16位延时计数器和一个16位脉宽计数器构成，分别通过延时值输入端和脉宽值输入端输入延时数据和门宽数据；

所述选通门控制模块，由一个16位距离延时计数器、一个16位门宽延时计数器以及一个D触发器构成。16位距离延时计数器的数据输入端与循环步进加法器模块的数据输出端相连接，16位距离延时计数器的使能信号输出端与D触发器使能端相连接，16位门宽延时计数器的使能信号端与D触发器的清零信号端相连接；

所述循环步进加法器模块，由一个16位循环加法计数器构成，分别通过距离延时初值端、最小步进时间端和步进值端输入距离延时初值、最小步进时间和步进值；

所述像增强器增益控制模块，由一个16位比较器构成。通过与距离延时计数器的数据输入端相连接，输入比较值数据；

其中，所述16位距离延时计数器、16位门宽延时计数器分别由一个低8位计数器和一个高8位计数器连接构成。输入的16位数据分成低八位和高八位，分别连接低8位计数器和高8位计数器数据输入端。

本发明通过同步控制激光器驱动信号模块、选通门控制模块和像增强器增益控制模块，并使其按照预先置入的延时数据和门宽数据，以及距离延时初值、最小步进时间和步进值进行工作，以达到分别对脉冲激光器、ICCD摄像机的选通门宽及像增强器的增益进行同步控制的目的。

(3)优点及效果

1、本循环步进同步控制电路利用FPGA处理速度快、资源丰富的优势，采用并行工作的方式，对激光器驱动信号模块、选通门控制模块、像增强器增益控制模块进行精确的同步控制，解决了传统同步控制电路仅同步控制脉冲激光器、ICCD摄像机的选通门的开启，而导致对不同距离目标成像的照度不均匀的问题；

2、本循环步进同步控制电路通过在FPGA内部建立的循环步进加法器模块，控制选通门控制模块的步进延时，实现了对目标分段成像，进一步减少了后向散射对成像的影响；

3、本循环步进同步控制电路通过同步控制选通门控制模块和像增强器增益控制模块的工作，对各成像段进行相应的增益调节，使各段所成像照度均匀；

4、本循环步进同步控制电路中的选通门控制模块，采用两个8位计数器并行计数工作分别代替其中的16位距离延时计数器和16位门宽计数器工作，保证了选通门控制模块在高速时钟时，工作的稳定度及精确度；

5、本循环步进同步控制电路采用FPGA可编程逻辑器件，具有设计实现简便、精确度高、稳定性好的特点，尤其是开发周期短和内部资源丰富等特点，非常适合于高性能低成本的成像激光雷达应用中；

(四)附图说明

图1本发明与脉冲激光器及ICCD连接构成的成像激光雷达系统方框示意图

图2本发明选通门控制模块方框示意图

图3本发明16位距离延时计数器及16位门宽延时计数器方框示意图

(五)具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步详述：

一种基于ICCD的循环步进同步控制电路，其在基于ICCD成像激光雷达中的应用如图1所示，此电路主要由激光器驱动信号模块、选通门控制模块、循环步进加法器模块、像增强器增益控制模块构成。激光器驱动信号模块的驱动电平信号输出端与选通门控制模块的触发信号输入端及脉冲激光器驱动信号输入端相连接，选通门控制模块的选通电平信号输出端与像增强器增益控制模块的触发信号输入端及ICCD的触发信号输入端相连接，循环步进加法器模块的数据输出端与选通门控制模块数据输入端及像增强器增益控制模块的数据输入端相连接，像增强器增益控制模块的增益控制信号输出端与像增强器增益输入端相连接。

所述激光器驱动信号模块，由一个16位延时计数器和一个16位脉宽计数器构成，分别通过延时值输入端和脉宽值输入端输入延时数据和门宽数据。

所述循环步进加法器模块，由一个16位循环加法计数器构成，分别通过距离延时初值端、最小步进时间端和步进值端输入距离延时初值、最小步进时间和步进值；

所述像增强器增益控制模块，由一个16位比较器构成。通过与距离延时计数器的数据输入端相连接，输入比较值数据；

本基于ICCD的循环步进同步控制电路，能够同步控制脉冲激光器、ICCD摄像机的选通门宽及像增强器的增益，且通过循环步进技术，将照明成像的物体分段进行成像，同时通过同步控制像增强器的增益，对各段进行照度调节，使各段所成像照度均匀。同时本电路的同步控制精确度高，稳定性好，选通脉冲可达到纳秒量级。

其工作过程为：

首先向循环步进加法器里置入距离延时初值、最小步进时间值及步进次数，向激光器驱动信号模块中置入延时值及脉宽值，向选通门控制模块中的门宽计数器模块置入门宽值；接着使能脉冲激光器驱动信号模块产生脉冲驱动信号，一路输出给脉冲激光器，一路触发选通门控制模块，选通门控制模块按照循环步进加法器输出的距离延时值，通过其内部的16位距离延时计数器开始延时计数，当计数到零时，产生选通高电平信号，一路输出给ICCD将选通门打开，一路触发像增强器增益控制电路，像增强器控制电路通过比较输入的不同距离延时值，产生不同的增益控制信号，同时使能门宽延时电路工作，当计数到零时，产生低电平信号将选通门关闭，这样，一次同步选通过程结束。同时循环步进加法器将距离延时初值加上最小步进时间值做为下一次选通过程的距离延时值，而电路则等待下一次触发工作。如此反复循环工作，直到达到预置的步进次数为止。

如图2所示，所述选通门控制模块由16位距离延时计数器、16位门宽延时计数器、D触发器构成，16位距离延时计数器的数据输入端与循环步进加法器模块的数据输出端相连接，距离延时计数器的使能信号输出端与D触发器使能端相连接，16位门宽延时计数器的使能信号端与D触发器的清零信号端相连接；

其工作过程为：16位距离延时计数器接收到外部触发信号之后，开始距离延时计数，当计数到零时，输出一路信号使能D触发器产生高电平选通信号，输出另外一路信号使能16位门宽延时计数器，开始门宽延时计数，当计数到零时，输出信号使D触发器清零，即使D触发器输出低电平信号，一次选通过程结束。

如图3所示，16位距离延时计数器由一个低8位计数器和一个高8位计数器连接构成，其工作过程为：首先将16位置入的数据分成低八位和高八位，分别置入低8位计数器和高8位计数器，工作时，低八位计数器先进行计数工作，当计数到零时，产生一个进位给高8位计数器，高8位计数器则计数一次，低8位计数器则返回到8位二进制数“11111111”状态进行计数工作，当计数到零时，又产生一个进位给高8位计数器，高ε位计数器又计数一次。如此循环计数工作，直到高8位计数器达到预置值为止。