CN114895288B - 三维场景的激光回波生成系统 - Google Patents

Abstract

三维场景的激光回波生成系统，解决了如何现有将动态图像的图形信息和探测距离进行激光成像的回波生成系统的实时性和同步性不高的问题，属于激光雷达探测技术领域。本发明包括：图距分离模块接收动态图像数据进行解码，提取出图形信息与探测距离信息，将图形信息发送给DMD驱动系统，将探测距离信息发送给同步延时模块；同步延时模块，用于根据被测雷达导引头的触发信号与图距分离模块的探测距离信息，计算出DMD驱动系统的开关延时及激光器的脉冲延时；激光器的发射激光入射至DMD驱动系统的微镜DMD阵列；微镜DMD阵列根据图形信息和入射的激光进行成像，并按照成像发出激光入射至准直光学系统形成激光回波信号至雷达。

Description

三维场景的激光回波生成系统

技术领域

本发明涉及一种三维场景的激光回波生成系统，属于激光雷达探测技术领域。

背景技术

激光雷达是激光探测及测距系统的简称。激光雷达是激光技术与激光雷达技术相结合的产物。激光雷达是一种三维激光扫描系统。其工作原理就是通过不断向周围目标发射探测信号(激光束)，并接收返回的信号(目标回波)来计算和描述被测量物理的有关信息，如目标距离、方位、高度、姿态、形状等参数，以达到动态3D扫描的目的。在现有技术中，对制导武器的激光雷达进行测试时，其测试方法是将目标放到场景中，例如车辆和坦克，放在沙漠中，利用激光雷达检测沙漠中的目标，用于测试和验证激光雷达的动态性能，针对不同技术指标测试，需要提供不同的场景和目标，现有方法是真实的搭建场景和目标，这种方法复杂，成本高且不便捷。

还有一种方法是利用软件对由目标和背景组成的三维场景进行建模，将目标和背景的激光反射率转换为图形数据与探测距离信息的组合，利用距离选通技术生成特定距离的激光回波至激光雷达，现有的这种激光回波生成装置针对动态图像的实时性和同步性不高，影响测试激光雷达的性能。

发明内容

针对现有将动态图像的图形信息和探测距离进行激光成像的回波生成系统的实时性和同步性不高的问题，本发明提供一种三维场景的激光回波生成系统。

本发明的一种三维场景的激光回波生成系统，包括图距分离模块、同步延时模块、DMD驱动系统、激光器和准直光学系统；

图距分离模块，用于接收动态图像数据，所述动态图像数据是将图形信息与对应的探测距离信息组合按时序存放的图像数据；对接收的动态图像数据进行解码，按照存放时序，分别提取出图形信息与探测距离信息，将图形信息发送给DMD驱动系统，将探测距离信息发送给同步延时模块；

同步延时模块，用于接收被测激光雷达的触发信号，根据触发信号与图距分离模块的探测距离信息，计算出DMD驱动系统的开关延时及激光器的脉冲延时，分别送入DMD驱动系统和激光器；

激光器的发射激光入射至DMD驱动系统的微镜DMD阵列；

微镜DMD阵列根据接收的图形信息和激光器入射的激光进行成像，并按照成像发出激光入射至准直光学系统，准直光学系统发出激光为激光回波信号，用于发射至雷达。

作为优选，图形信息与对应的探测距离信息组合按时序存放在RGB通道中，图距分离模块通过DVI传输物理协议接收动态图像数据，所述图距分离模块包括硬件解码和软件解码，其中硬件解码采用型号为THC63DV16解码芯片进行，解码出RGB数据及视频传输所必须的相应同步信号；

软件解码采用高速FPGA作为主控芯片及VHDL硬件描述语言完成，按照存放时序，进行图形信息与探测距离信息分离。

作为优选，所述系统还包括电控柜，包括图形工作站和显示器，图形工作站通过视频电缆与图距分离模块连接；图形工作站通过通信电缆同时与微镜DMD阵列的驱动电路和激光器连接，显示器用于显示图形工作站的图像处理结果。

本发明的有益效果，本发明可将图形信息与探测距离信息的序列信息实时且同步生成激光三维成像激光雷达探测可用的目标距离回波信号，实现对激光雷达进行测试。

附图说明

图1为本发明的原理示意图；

图2为本发明电气系统原理图；

图3为硬解码时序图；

图4为软解码原理图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

本实施方式三维场景的激光回波生成系统包括图距分离模块、同步延时模块、DMD驱动系统、激光器和准直光学系统；

图距分离模块，用于接收动态图像数据，所述动态图像数据是将图形信息与对应的探测距离信息组合按时序存放的图像数据；对接收的动态图像数据进行解码，按照存放时序，分别提取出图形信息与探测距离信息，将图形信息发送给DMD驱动系统，将探测距离信息发送给同步延时模块；

同步延时模块，用于接收被测激光雷达的触发信号，根据触发信号与图距分离模块的探测距离信息，计算出数字DMD驱动系统的开关延时及激光器的脉冲延时，分别送入数字DMD驱动系统和激光器；

激光器的发射激光入射至DMD驱动系统的微镜DMD阵列；

微镜DMD阵列根据接收的图形信息和激光器入射的激光进行成像，并按照成像发出激光入射至准直光学系统，准直光学系统发出激光为激光回波信号，用于发射至激光雷达。

本实施方式的动态图像数据可采用建模软件获取，获取过程为：

(1)根据被测激光雷达检测目标及背景建立目标与背景的三维几何模型、目标表面特性模型和传输介质模型，其中几何建模主要针对典型目标与背景，使用三维建模软件(如3DMax等)生成动态三维场景几何模型；目标表面特性模型用于根据目标的表面纹理和材质，并在自然光照条件下，在激光仿真参数控制下，模拟出目标的激光反射率；传输介质模型用于根据环境背景辐射以及大气环境变化，确定激光的衰减程度，模拟出背景的激光反射率；

(2)输入场景仿真参数和激光仿真参数；场景仿真参数包括目标姿态、位置和目标速度；

(3)根据场景仿真参数及建立的模型，进行三维场景仿真，获取彩色的三维场景仿真图像；

本实施方式根据建立的模型进行原始三维场景、目标及背景激光探测的三维可视化仿真，具体为：加载目标及背景的几何模型和纹理材质，根据已建立的传输介质模型，基于三维图形引擎渲染出包含大气、光照、三维模型的逼真可视化场景。

(4)根据激光仿真参数，结合已建立的表面特性模型和传输介质模型，确定目标和背景的激光反射率，并将激光反射率划分灰度等级，对三维场景目标进行灰度仿真，获取三维场景反射率仿真图像；将三维场景反射率仿真图像进行二值化，根据发射激光的距离门对二值化后的图像进行二维切片，切片图像即为本方案中的图形信息，对切片图像分组，按时序存放在图像的RGB通道中，并将切片图像的距离信息按时序存放在RGB通道的其他通道上，切片图像和距离信息存放时序为本实施方式中的存放时序，将动态图像数据经过DVI视频接口送入至三维场景的激光回波生成系统，在被测产品同步信号控制下，本实施方式的激光回波生成系统产生特定距离目标和背景的激光回波，通过准直光学系统，将激光回波送入被测产品入瞳处。原理图如图1所示；

其中图距分离模块首先完成DVI硬件协议解码，硬件解码后，通过专用的传输协议进行软件解码。

DVI是基于TMDS技术来传输数字信号。TMDS运用先进的编码算法把8bit数据(R、G、B中的每路基色信号)通过最小转换编码为10bit数据(包含行场同步信息、时钟信息、数据DE、纠错等)，经过DC平衡后，采用差分信号传输数据，它和LVDS、TTL相比有较好的电磁兼容性能。DVI传输物理协议采用3对差分数据与1对差分时钟，最高时钟频率可达到145Mhz；数据吞吐量满足设计要求。因此本实施方式采用DVI硬件协议作为图像及距离信息传输物理介质。协议解码模块主要功能是将图形工作站通过DVI硬件协议传输来的专用数据信息进行解码。协议解码采用专用解码芯片THC63DV161。

解码芯片在外围电路的控制下，可将高速DVI信号进行准确解码，解码出图像色度及视频传输所必须的相应同步信号。

解码后，数据生成帧同步，行同步，RGB数据。根据建模软件图像重构协议，将数据信息进行硬件解码，解码后数据时序图如图3所示；

硬件解码后，按照解码时序，将数据流进行图形与距离软件分离解码。软件解码是将建模软件的数据进行解码，解码出几何图形数据与距离数据，分别将图形数据送入DMD驱动模块及同步延时系统。系统采用高速FPGA作为主控芯片，芯片型号xilinx V5系列，此型号FPGA内部时钟频率可达1GHz，充足的逻辑单元及外围引脚。具备4个PLL时钟环，可满足高速图形处理。采用VHDL硬件描述语言，完成图形与距离软解码。图形为单灰度图像，每10组切片形成一组新的图像，将10组图像按照先后时序，分别放在{G1/G0/R7/R6/R5/R4/R3/R2/R1/R0}上。仿真T0时刻对应的切片距离信息叠加在{B7/B6/B5/B4/B3/B2/B1/B0/G7/G6/G5/G4/G3/G2}，因此解码时，采集G7/G6/G5/G4/G3/G2/B7/B6/B5/B4/B3/B2/B1/B0，生成一组距离参数存储在L0寄存器中，其中L0为14bit数据，对应T0时刻场景信息；分别采集一帧的G1/G0/R7/R6/R5/R4/R3/R2/R1/R0数据，生成10组二值的图形轮廓参数，分别存储在P0-P9是个寄存器中；完成图形与距离的软件分离。基于FPGA的并行性工作原理，图距分离可在2个系统时钟内完成分离操作，保证最小系统延时的同时，不改变原有数据传输帧频。

软解码原理图如图4所示；

DMD驱动系统由数字微镜DMD阵列、DMD驱动模块、DDR2内存及电源组件等组成。DMD工作原理：数字式微型反射镜阵列(Digital Micro-mirror Devices，英文简称DMD)是以硅为基础的微电子机械系统(Micro Electronic Mechanical System，英文简称MEMS)，是美国德州仪器公司开发的反射式光的空间调制器。它由成千上万个铝合金微反射镜组成。高反射率微型机械转镜被安置在一个标准COMS存储片上。微镜像素单元由绞链支柱、薄扭力绞链、厚镜元、地址电极与搭接电极等组成。阵列中每一个微型反射镜都能独立地控制，以便使反射光线进入或者偏离透镜的收集孔径。微镜可绕扭力臂旋转±12°。数字微镜的成像是靠微镜转动完成的，每一个微镜都可以转动，微镜的位置不同，反射光的出射角度就不同，因此每一个微镜相当于一个光开关。微镜元水平放置，投影透镜放置在微镜元的法线上，如果入射光以24°的入射角入射，则反射光与微镜法线之间的夹角为24°，此时，反射光线不能进入投影透镜的光瞳，只有很少量的光透过透镜到达投影屏，一般称这种状态为“平态”；在入射光线的入射方向和投影透镜的位置不变的情况下，当微镜元顺时针方向旋转12°(即+12°)时，则出射光线与入射光线的夹角为24°，这时的出射光线正好与投影透镜的光轴同向，于是几乎全部通过投影透镜，并投射到投影屏上，出现亮态，称为“开”态；当微镜元由水平位置逆时针方向旋转12°(即-12°)时，入射光方向和投影透镜的位置不变，则出射光线与入射光线的夹角为48°，这时的出射光线远离透镜光瞳，在投影屏上出现暗态，称为“关”态。微镜元有±12°的转动角，能有效地控制入射光的“开”态和“关”态，以保证较高的对比度。由于扭臂梁非常薄，微型反射镜的重量很轻，转动惯量极小，因此响应时间非常快，从完全的“开”态到完全的“关”态约5μs，因此利用微镜作为动态场景生成器，其帧频可以做到很高。目前，数字微镜在可见光投影领域已展现出了很多优越性。在武器系统运用方面，一般是通过更换数字微镜的窗口，以使其能透过所需波段光波，并在此基础上保持所有微镜的可操作性。数字微镜技术可用于产生可见光、紫外、红外及激光成像目标。DMD选型：微镜阵列选用美国TI公司生产的专用DMD芯片，芯片型号1076-7428，分辨率1024×768，二值最大刷新频率可达到3KHz以上。DMD芯片通过更换窗口，可实现透过激光波段的透过要求，窗口采用特殊的封装工艺，保证密封效果以及产品寿命。DMD驱动：DMD驱动模块包括两个部分：其一为硬件系统，硬件系统主要组成包括主控芯片FPGA、DMD复位驱动控制芯片DAD2000、DDR2内存。FPGA采用xilinx V5系列高速FPGA，具备多时钟输入，多PLL环，大容量片上逻辑单元，最高时钟频率可达1Ghz；DMD复位驱动控制芯片选用TI公司专用芯片DAD2000，可为DMD微镜提供高速差分工作时钟与数据。数字图像经过图距分离模块后，图形信息以一定的格式送入DMD驱动专用FPGA芯片中进行采集并且存储到DDR2内存中，根据外部同步触发信号将动态图像数据以及FPGA内部产生的DMD控制时序信号传入DAD2000芯片，由FPGA与DAD2000共同完成底层DMD驱动。其二为软件系统，软件系统采用VHDL硬件描述语言进行设计，保证控制时序的准确稳定行。首先接受图距分离模块的图形信息，将视频信号存储到DDR2内存中，根据外部同步触发，产生内存读取命令与DMD控制命令。读取动态图像数据同时配合DMD复位与翻转命令，将图像信息显示到DMD。第一代DMD驱动系统采用集成化设计，将视频解码、图像处理、DMD驱动等集成到一块电路板上，减小分立器件对产品整体稳定性影响，集成度高，稳定性好。第二代DMD驱动系统采用小型化设计，集成度更高，批量生产后成本降低，集成了动态目标激光回波生成系统对图像、控制、空间及体积所有需求。可将动态激光回波生成系统重量与体积做到极小，稳定性更好。

同步延时模块主要功能是接收导引头的触发信号，根据触发信号与图距分离模块给出的建模距离信息，计算出DMD开关延时及激光器脉冲延时，分别送入激光器及DMD驱动电路。控制DMD翻转和激光发射。同步延时控制模块采用xilinx公司V7系列FPGA作为主控芯片，本款FPGA最高时钟频率可达1000Mhz，最高可实现精度1s的稳定延时。模块采用VerilogHDL语言进行底层门级操作，提高系统整体实时性能。

激光器系统采用LD泵浦风冷激光器，具备两种工作模式，内控和外控。工作于内控模式时，可以发射固定频率、固定脉宽的激光脉冲。而工作于外控模式时，激光器可接收TTL外出发信号，由激光频率控制器对激光器进行触发，发射激光脉冲。

根据光纤末端单脉冲能量>0.1mJ的要求，通过逆向推算及稳定性考虑，采用LD泵浦及风冷方式，在达到能量要求的同时保持能量抖动在±5％RMS以内。激光器冷却后重新启动需要一个激光稳定预热过程，即预热时间为10分钟。以100Hz固定频率发射脉冲，连续工作1小时后，激光器输出能量稳定度不超过±5％RMS可以实现。半导体激光器体积小、重量轻、直接电注入使其有高的量子效率，因此，二极管泵浦的固体激光器可以有效选择泵浦波长，使其与激光介质的吸收谱线相对应。通常灯泵浦的Nd:YAG激光器的总效率低于3％，且在大功率下热效应明显，光束质量和稳定性差。一般说来(以Nd:YAG激光器为例)，LD/LDA的电光转化效率为30％-50％，至ND:YAG上的光-光转换效率为40％左右。这样，LD/LDA泵浦的ND:YAG激光器的总效率在10％以上。其次，由于不存在液体或气体工作物质的流动起伏噪声以及泵浦灯的等离子体波动噪声，使得LD泵浦的固体激光器的噪声特性比灯泵浦要好一阶以上，且频率稳定。LD/LDA泵浦作泵浦源的全固态激光器，还具有其它类型激光器所不能比拟的特点，比如：(1)寿命长。LD寿命可达5k小时或更长，不需经常更换。(2)热光畸变小。(3)光束质量好。(4)可靠性强。比灯泵浦提高100倍。(5)重量轻。(6)结构简单。等等优点。能量及能量抖动，可通过观察能量计读值确定，能量计可检测。通过各光学部件参数或使用性能的选择，最终将脉宽控制在15ns±2ns之间；决定脉宽的因素主要有：晶体棒自身的储能高低；谐振腔长度的确定；输出透过率的高低；消光比高低；Q开关的快慢。在开发过程中将通过以上几个因素，综合稳定性及效率来确定组合内容。激光频率控制器外同步器控制，主要由电路板及壳体组成。电路板包含电源模块、主控模块、信号发送与接收模块、通讯模块四部分构成。电源模块功能描述：整个电路板必须提供稳定的12V DC 3A供电环境，电源模块包含主系统部分供电电源方案，隔离系统部分供电电源方案。主系统部分供电电源方案12V输入转换成5V、3.3V、1.2V电压，其中5V电压是2级转换电压，在这里可以提高整个供电系统的稳定性，3.3V给主控芯片FPGA_VCCIO,FPGA_AUX供电，及信号发送与接收模块、通讯模块隔离端内部供电，1.2V给主控芯片FPGA_INT供电。隔离系统部分供电电源方案12V输入转换成5V、3.3V电压，其中5V电压是2级转换电压，在这里可以提高整个供电系统的稳定性，3.3V给信号发送与接收模块、通讯模块隔离端外部供电。主控模块功能描述：主控模块是由Xilinx生产的Spartan-6类的FPGA芯片，Spartan-6类的FPGA主要特点是低成本、低功耗FPGA。第六代Spartan系列基于低功耗45nm、9金属铜层、双栅极氧化层工艺技术，以及高级功耗管理技术。此系列含150000个逻辑单元、集成式PCI Express模块、高级储存器支持、250Mhz DSP Slice和3.125Gbps低功耗收发器。芯片管脚选用Spartan-6芯片，144PIN管脚。从逻辑单元与管脚角度分析，已经满足产品功能设计。主控系统包含了FPGA芯片、LED组、复位电路、32PIN_IO、JTAG烧写口、FLASH芯片、晶振电路共计7个部分组成。信号发送与接收模块功能描述：信号发送与接收模块功能是FPGA_IO PIN经过TLP183光耦隔离，接收激光TTL信号，或发送激光TTL信号，信号发送与接收模块经过光耦，光耦起到光耦隔离作用。通讯模块功能描述：通讯模块功能是通过接收上位机发送命令，制定串口协议，根据串口协议发送命令，发送命令的不同从而调节激光器的占空比；通讯模块采用的是ADI公司的出厂的ADM2687E，产品的特性如下：ADM2682E是具备±15kV ESD保护功能的完全集成式5kV rm信号和电源隔离数据收发器，适合多点传输线路上的高速通信应用。ADM2682E集成了一个5kV rms隔离DC/DC电源，省去了外部DC/DC隔离模块。器件针对平衡传输线路而设计，符合ANSI TIA/EIA-485-A-98和ISO 8482:1987(E)标准。该器件集成ADI公司的

技术，将一个3通道隔离器、一个三态差分线路驱动器，一个差分输入接收器和ADI公司的isoPoweDC-DC转换器集成于单封装中。它们采用5V或者3.3V单电源供电，实现完全集成的信号和电源隔离RS-485解决方案。ADM2682E具有高电平有效使能特性。此外具有低电平有效接收器使能特性，禁用时可使接收器输出进入高阻态。这些器件具有限流和热关断特性，可防止发生输出短路以及总线竞争导致功耗过大的情况。额定温度范围为工业温度。

本实施方式还包括电气系统，主要功能是为激光回波生成系统提供供电及其他相应控制功能。如图2所示，电气系统采用立式电控柜承载，图形工作站及显示器集成安装在电控柜内部。电控柜内部集成开关、指示灯、噪声滤波器、继电器、断路器、直流电源等组件；电控柜通过专用的通信和供电电缆，与激光回波生成系统主机相连。由于整体系统工作在高频下，因此，有关图像处理部分采用专用电路板完成，为缩短传输距离，将图距分离电路板、同步延时电路板、DMD驱动电路板及激光器等组件集成在激光回波生成系统主机内部。本实施方式还包括辅助电控，依据设备用途及技术指标要求，对其他辅助电控系统进行设计，主要包含开关，指示灯，电源，继电器，电控柜走线，航空插头等进行系统设计。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (3)

1.三维场景的激光回波生成系统，其特征在于，包括图距分离模块、同步延时模块、DMD驱动系统、激光器和准直光学系统；

图距分离模块，用于接收动态图像数据，所述动态图像数据是将图形信息与对应的探测距离信息组合按时序存放的图像数据；对接收的动态图像数据进行解码，按照存放时序，分别提取出图形信息与探测距离信息，将图形信息发送给DMD驱动系统，将探测距离信息发送给同步延时模块；

同步延时模块，用于接收被测雷达导引头的触发信号，根据触发信号与图距分离模块的探测距离信息，计算出DMD驱动系统的开关延时及激光器的脉冲延时，分别送入DMD驱动系统和激光器；

激光器的发射激光入射至DMD驱动系统的微镜DMD阵列；

微镜DMD阵列根据接收的图形信息和激光器入射的激光进行成像，并按照成像发出激光入射至准直光学系统，准直光学系统发出激光为激光回波信号，用于发射至雷达。

2.根据权利要求1所述的三维场景的激光回波生成系统，其特征在于，图形信息与对应的探测距离信息组合按时序存放在RGB通道中，图距分离模块通过DVI传输物理协议接收动态图像数据，所述图距分离模块包括硬件解码和软件解码，其中硬件解码采用型号为THC63DV16解码芯片进行，解码出RGB数据及视频传输所必须的相应同步信号；

软件解码采用高速FPGA作为主控芯片及VHDL硬件描述语言完成，按照存放时序，进行图形信息与探测距离信息分离。

3.根据权利要求1所述的三维场景的激光回波生成系统，其特征在于，所述系统还包括电控柜，包括图形工作站和显示器，图形工作站通过视频电缆与图距分离模块连接；图形工作站通过通信电缆同时与微镜DMD阵列的驱动电路和激光器连接，显示器用于显示图形工作站的图像处理结果。

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