水下激光成像距離選通同步控制電路設(shè)計(jì)
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本設(shè)計(jì)對上述問題提出解決方案，其工作原理圖如圖2所示。工作時(shí)，激光器首先向水下目標(biāo)發(fā)射脈沖激光束，由2個(gè)PIN管探測到的信號分別作為選通的起始信號和結(jié)束信號，該計(jì)數(shù)值可以通過電路中的數(shù)碼管直觀看出。當(dāng)?shù)诙伟l(fā)射激光柬時(shí)，以第一次測得的距離延遲為計(jì)數(shù)初值，還應(yīng)考慮PIN管的響應(yīng)時(shí)間、觸發(fā)電路的延時(shí)和像增強(qiáng)器驅(qū)動(dòng)電路的延時(shí)，提前輸出選通脈沖。由于在水下傳輸過程中激光脈沖發(fā)生展寬，對于門延遲時(shí)間置數(shù)在未經(jīng)傳輸前激光脈寬的基礎(chǔ)上，不斷增加門延遲計(jì)數(shù)初值，當(dāng)?shù)玫綕M意的選通圖像時(shí)，系統(tǒng)復(fù)位。
3．2 設(shè)計(jì)過程
根據(jù)上述的設(shè)計(jì)思路，在實(shí)現(xiàn)過程中，選用了脈沖寬度為6 ns，重復(fù)頻率為1 kHz的激光器，有效選通脈寬小于等于40 ns的像增強(qiáng)器，通過光錐耦合方式與CCD相連的IC-CD，速率可達(dá)到500 MHz的Ahera Stratix III系列的FPGA，它是一種低功耗高性能的FPGA，步長可達(dá)到2 ns。同步控制的原理圖如圖3所示，該設(shè)計(jì)包含2個(gè)模塊，第1個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)測距和定時(shí)計(jì)數(shù)的功能并且輸出門開啟脈沖，第2個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)定時(shí)功能產(chǎn)生門關(guān)閉脈沖。本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/162966.htm
當(dāng)激光器發(fā)射第一個(gè)脈沖激光束時(shí)，經(jīng)分光器分光后一小部分光被PIN管接收，將光信號經(jīng)觸發(fā)電路形成高電平信號，開始啟動(dòng)第一個(gè)模塊的測距功能，其中一個(gè)計(jì)數(shù)器進(jìn)行加計(jì)數(shù)而另一個(gè)計(jì)數(shù)器暫不工作。當(dāng)從目標(biāo)反射回來的光剛到達(dá)接收端時(shí)，放置在接收端的PIN管接收到信號，并通過觸發(fā)產(chǎn)生測距停止的信號，測距的結(jié)果可通過數(shù)碼管直觀看出。
當(dāng)激光脈沖發(fā)射第二個(gè)脈沖激光束時(shí)，由觸發(fā)電路產(chǎn)生的高電平信號繼續(xù)啟動(dòng)第一個(gè)模塊工作，其中一個(gè)計(jì)數(shù)器以第一次計(jì)數(shù)值為初值開始做遞減計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)器減到零時(shí)，輸出高電平脈沖作為選通脈沖，打開ICCD選通門，而另外一個(gè)計(jì)數(shù)器將做第二次測距工作，進(jìn)行遞加計(jì)數(shù)，作為下一次選通計(jì)數(shù)的初值。
當(dāng)選通脈沖到來的同時(shí)啟動(dòng)第二個(gè)模塊，由程序控制設(shè)定的計(jì)數(shù)初值作為起始值，計(jì)數(shù)器進(jìn)行減計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)減到零時(shí)，輸出高電平脈沖關(guān)閉ICCD選通門，一次選通過程結(jié)束，等待下一個(gè)脈沖的到來。
3．3 仿真與分析
本設(shè)計(jì)仿真在Ahera公司的開發(fā)軟件QuartersⅡ8．0中完成，使用Verilog語言對模塊進(jìn)行編輯。本文分別對兩個(gè)模塊進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖4所示。時(shí)鐘周期為2 ns，pulse為觸發(fā)脈沖，cnt為模塊中一個(gè)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值，cntl為模塊中另一個(gè)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值。o_pulse為選通脈沖。程序中假定測出的距離延遲時(shí)間為8個(gè)周期。由圖4可看出，cnt和cntl不斷實(shí)現(xiàn)測距和計(jì)時(shí)功能，第一個(gè)觸發(fā)脈沖到來，cnt計(jì)數(shù)完成測距功能而cnt1不工作，當(dāng)接收到目標(biāo)反射回來的觸發(fā)脈沖時(shí)，cnt實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)功能而cntl完成測距工作。此功能在程序中采用的狀態(tài)機(jī)的方法實(shí)現(xiàn)。此仿真還考慮到觸發(fā)延時(shí)和ICCD的開機(jī)延時(shí)，這些延時(shí)都可通過實(shí)驗(yàn)測得，在這里假定延遲為一個(gè)周期，如果沒有考慮延遲，當(dāng)cnt等于O時(shí)刻將輸出一個(gè)開機(jī)脈沖，由圖4可看出：該脈沖提前一個(gè)周期輸出，實(shí)現(xiàn)精確計(jì)時(shí)。
圖5為門延遲模塊仿真圖。從圖5可以看出，Pulse為開機(jī)脈沖，cntl為門延遲計(jì)時(shí)，當(dāng)脈沖來，計(jì)數(shù)器開始計(jì)時(shí)。在仿真中考慮到脈沖在水下傳輸?shù)难舆t問題，因此門延遲的計(jì)數(shù)初值為基準(zhǔn)，每來一個(gè)脈沖，計(jì)數(shù)初值加l，直到得到滿意的選通圖像為止。為了更加精確，程序中可采用阻塞賦值的方法產(chǎn)生微小延遲。
該設(shè)計(jì)將預(yù)置初值和計(jì)時(shí)統(tǒng)一起來，簡化在實(shí)際過程中的人為操作，一旦脈沖激光束發(fā)射將自動(dòng)完成選通工作。設(shè)計(jì)中使用的邏輯資源少，可以大大減小信號傳輸延時(shí)，對電路的穩(wěn)定性能有較大提高。
4 結(jié)論
距離選通技術(shù)可以減小因后向散射產(chǎn)生的背景噪聲，提高成像系統(tǒng)的信噪比，使成像質(zhì)量得到較大提高，但需要嚴(yán)格控制時(shí)序才能有效實(shí)現(xiàn)。通過水下環(huán)境對成像質(zhì)量的分析，闡述了在水下對激光成像中存在的問題。為了提高同步控制的精確度，采用了高性能的FPGA，產(chǎn)生納秒級選通脈沖選通ICCD攝像機(jī)。傳統(tǒng)的同步控制電路中，常采用預(yù)置和計(jì)數(shù)分開，將理論計(jì)算值作為延遲計(jì)數(shù)值等，對于環(huán)境比較復(fù)雜的情況下將出現(xiàn)較大誤差。
本設(shè)計(jì)將測距思想引入該裝置中，對于未知距離的目標(biāo)以及不定距離的目標(biāo)均能自動(dòng)成像，廣泛應(yīng)用于對水下目標(biāo)的探測和成像系統(tǒng)中。
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