[发明专利]一种基于FPGA-TDC的三维激光成像系统

说明书

本发明提出一种基于FPGA‑TDC的三维激光成像系统。激光束经分光片分为参考光束和发射光束。参考光束经单点APD参考传感器产生参考信号。发射光束经光学镜头收集，在焦平面APD面阵传感器上成像，产生n路回波信号。参考信号和回波信号经FPGA内实现的各TDC测量模块测量，产生TDC数据。TDC数据、粗计时数据和标识一同被数据同步模块控制写入到异步FIFO中，通过通信模块将数据读出发送到上位机，由上位机利用飞行时间算法及相关矫正算法，获得目标物的深度图像。本发明适用于大面阵三维激光成像系统的低成本、快速开发，能够更快的获得高精度、高帧频的目标物深度图像。

技术领域

本发明涉及一种基于FPGA实现待测信号的时间数字转换(TDC)的激光主动照明三维成像系统，还涉及一种TDC数据同步读取的方法，属于激光成像技术领域。

背景技术

激光脉冲主动照明的三维成像系统是通过发射激光束至目标表面，通过光学系统收集目标表面漫反射的激光回波，计算每个像素位置从激光发射到返回的时间差来构建以距离为单位的深度图像的三维成像装置。由于激光的单色性、相干性、方向性和高亮度特征，激光脉冲三维成像能够实现高帧率、高分辨率，获得目标的深度信息，适用于超视距成像，并具有一定的去伪装能力。因此，激光三维成像系统在军事侦察、遥感成像、无人驾驶汽车等多领域有广泛的应用前景，是目前国际国内一个重要研究方向。

获得激光发射到返回的时间差的方法称为飞行时间法(Time ofFlight)，影响飞行时间测距精度的诸多物理量中，最为关键的参量是光的飞行时间。目前，进行飞行时间测量的方法主要有两大类，一类是在专用集成芯片(ASIC)实现时间-数字转换(TDC)功能，另一类是使用可编程逻辑门阵列(FPGA)上现有资源实现TDC功能。

虽然TDC芯片功能完善、使用方便，但单片通道数不足，在大面阵使用时需要大量芯片，并不具使用优势。目前，在大面阵成像系统，使用FPGA部署是较为快速，性价比较高的实现方案。同时FPGA可作为系统控制和数据采集处理器，无需额外增加处理器，节省开发时间和硬件成本。

发明内容

本发明设计了一种基于FPGA-TDC的激光主动照明三维成像系统，并提出一种TDC数据同步读取的方法，避免在回波信号过多时，数据量过大造成拥堵，进而产生有效数据丢失的情况。

本发明是通过以下技术方案实现的。

该系统由APD面阵传感器、单点APD参考传感器、激光脉冲发射器、FPGA板卡、上位机处理终端及电源等组成。所述FPGA板卡实现如下功能模块：待测信号TDC测量模块、反相器组、时钟管理模块(DCM)、激光发射控制模块、粗计时模块、TDC数据采集模块和上位机通讯模块等。所述待测信号TDC测量模块包括如下功能模块：延时链模块、数据采集同步模块、异步FIFO模块。光学器件包括1:9分光片、接收镜头、柱面镜等。