基于Gige相機的激光告警圖像傳輸系統(tǒng)研究*

張 鵬 杜偉豪 石 金 吳 瓊 張 瑞

（1.中北大學儀器與電子學院 太原 030051）（2.中北大學微系統(tǒng)集成研究中心 太原 030051）

（3.中北大學前沿交叉科學研究院 太原 030051）

1 引言

自從激光技術出現(xiàn)以來，一直受到各個領域專家們的重視。因為激光所具有的特性，使得它從20 世紀開始，在軍事上的應用范圍非常廣泛，至今為止的激光裝備逐漸走向多元化。高性能光電對抗武器裝置可利用激光優(yōu)異的方向性特點，在某一方向上發(fā)射，進而對敵精準打擊［1～3］。激光在軍事、通信、測量等光電對抗方面有很強的實用性，使得現(xiàn)在全球范圍內對激光裝備的研發(fā)更加深入，越來越多的激光裝備被運用到了戰(zhàn)爭中，其優(yōu)勢也會逐步體現(xiàn)出來，逐步成為戰(zhàn)爭中至關重要的一環(huán)［4］。綜上所述，研制激光告警裝備以探測敵方激光信號，進而實現(xiàn)精準攔截是目前光電對抗領域的重要發(fā)展方向。

激光告警裝備是通過探測到敵方的激光信號，并對其進行信號參數(shù)分析以獲得敵方激光裝備的方向、波長等相關參數(shù)，從而實現(xiàn)告警。目前已報道的激光告警裝備多數(shù)都存在探測頻譜較窄、角度分辨率低、無法實現(xiàn)綜合探測等缺點［5～6］，而這些缺點多數(shù)與探測敵方激光信號的探測器有緊密聯(lián)系，探測器的像元規(guī)格對參數(shù)分辨率有著直觀的影響。因此，本文采用Gige工業(yè)相機作為激光告警裝置的探測器件，該相機的頻譜范圍為0.4μm～1.7μm，且其內部探測器的規(guī)格也相比于目前已有告警裝備所搭載的大，從而提高探測波長、方向等參數(shù)的分辨率；由于其內置面陣探測器的規(guī)格為640×512，而且每個像元所包含的信息更加精確，因此在進行數(shù)據(jù)處理時所得到的幀圖像的數(shù)據(jù)量較為龐大［7］，這就要求在數(shù)據(jù)傳輸中需要對數(shù)據(jù)進行準確傳輸，保障通過光柵衍射型激光告警系統(tǒng)所捕捉到的光斑圖像中的重要信息完整，以此來降低誤警率。因此，本文基于Gige相機設計了一種激光告警圖像傳輸系統(tǒng)。

2 基本原理

2.1 激光告警原理

光柵衍射型激光告警系統(tǒng)對敵方來襲激光信號的探測原理如圖1 所示。當來襲激光信號被激光告警裝置捕捉到時，首先經(jīng)過光柵對激光信號進行衍射，經(jīng)過鏡頭對光線進行匯聚后，在面陣探測器上形成能量級次不同的光斑，通過0 級與1 級光斑的中心位置來確定激光的相關參數(shù)［8］。激光的波長信息通過0 級與1 級光斑中心位置的距離確定，方位角通過0 級光斑中心位置的橫坐標確定，俯仰角通過0 級光斑中心位置的縱坐標確定。形成衍射光斑圖像后進行數(shù)據(jù)高速傳輸以及對圖像的信息處理工作，得到敵方激光信號的波長、方位角和俯仰角等參數(shù)最終實現(xiàn)激光告警，從而對其進行精準打擊。

圖1 激光告警原理圖

2.2 激光告警圖像傳輸系統(tǒng)設計

光柵衍射型激光告警系統(tǒng)在探測到敵方來襲激光并形成光斑圖像后，需要將該圖像進行傳輸進行圖像處理，以此得到激光相關參數(shù)信息從而實現(xiàn)告警，因此Gige 相機采集到的衍射光斑圖像后，由Gnet網(wǎng)絡接口（如圖2所示）傳輸至FPGA進行圖像預處理，再通過USB接口將圖像數(shù)據(jù)傳輸至上位機進行光斑圖像顯示，實時監(jiān)測激光告警采集到的激光信息，便于對圖像數(shù)據(jù)處理算法的研究。相機的部分參數(shù)如表1所示。

表1 Gige相機部分參數(shù)

圖2 Gige相機后面板接口圖

光柵衍射型激光告警數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)硬件電路總體結構如圖3 所示。該數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)基于FPGA+DSP 架構進行圖像數(shù)據(jù)處理，F(xiàn)PGA 將通過Gnet 網(wǎng)絡接口從Gige 相機采集接收到的圖像數(shù)據(jù)通過USB 接口電路傳輸至上位機進行衍射光斑圖像還原，便于研究后續(xù)在DSP進行圖像處理的圖像參數(shù)計算算法。

圖3 激光告警圖像傳輸系統(tǒng)

3 硬件及程序設計

3.1 硬件電路設計

USB 是一種具有快速、雙向和同步傳輸特性的通用串行總線［9］。本節(jié)設計了基于FT232H 芯片的USB 接口電路。可根據(jù)實際需求對該芯片進行配置成為不同的串行或并行接口，該芯片內部置有電平轉換器，可對驅動電壓進行轉換以適用于不同的場景模式下，并且在傳輸數(shù)據(jù)時的速率可達480M/s［10～11］。

該USB 接口電路所采用的芯片為FT232H，其總體設電路計原理圖如圖4 所示。該芯片為+5V電源供電工作，內部置有電平轉換功能可將5V 電壓轉換為3.3V 供其余部分工作，數(shù)據(jù)存儲電路采用93LC56B，其工作電壓由FT232H 芯片進行電壓轉換后提供；晶振兩端分別與FT232H 芯片的1、2號引腳相連，并通過非極性電容接地該芯片正常工作時，以保障該芯片的正常工作［12］。

圖4 USB接口電路

3.2 軟件程序設計

設計USB 模塊與上位機PC 端進行數(shù)據(jù)傳輸，以此方法來更好地觀測光柵衍射型激光告警系統(tǒng)所采集到的數(shù)據(jù)，并實時觀測圖像的完整性以驗證在傳輸過程中數(shù)據(jù)的正確性，作為后續(xù)DSP圖像處理算法研究的依據(jù)。將USB 的工作方式設置為異步FIFO 模式，根據(jù)FIFO 異步寫時序進行數(shù)據(jù)傳輸，端點EP6作為輸入，并根據(jù)8位總線AUTOIN模式工作［13］。處于這種工作狀態(tài)模式下，USB芯片不需要進行固件相關配置，F(xiàn)PGA 芯片可以根據(jù)從FIFO 的寫入時序將激光衍射光斑數(shù)據(jù)“寫入”到FIFO 緩沖區(qū)［14］，該圖像數(shù)據(jù)將自動打包并傳輸?shù)缴衔粰C并顯示。

在USB 數(shù)據(jù)傳輸過程中，F(xiàn)PGA 芯片不斷查詢FIFO 的空滿狀態(tài)，以此實現(xiàn)激光衍射光斑圖像數(shù)據(jù)的傳輸。編寫USB 驅動程序，并編譯下載至FPGA 芯片中，驅動USB 接口電路實現(xiàn)數(shù)據(jù)向上位機的傳輸，上位機的設計可以接收并直觀觀測二維激光告警系統(tǒng)通信模塊采集傳輸?shù)降募す庋苌涔獍邎D像數(shù)據(jù)。Visual Studio 2013 軟件作為上位機采集圖像的可視化開發(fā)工具，調用控件設計出圖像直觀顯示的窗口。采用C#語言編寫相應采集程序完成來襲激光衍射光斑圖像的采集并調用控件還原圖像。將USB 驅動程序設計完成并將其下載至FPGA芯片中，連接上位機與下位機，首先點擊運行上位機程序打開圖像可視化界面，點擊連接設備，自動查找USB 設備，成功連接后，在上位機上輸入任意字符作為下位機開始采集傳輸數(shù)據(jù)的命令，在收到數(shù)據(jù)傳輸命令后，由下位機不斷向上位機傳輸Gige相機所獲取的衍射光斑圖像數(shù)據(jù)，使其在上位機設計的可視化界面中持續(xù)顯示。具體工作流程如圖5所示。

圖5 上位機采集流程圖

4 實驗結果分析

本系統(tǒng)實驗平臺裝置如圖6 所示，由復色光源氙燈、二維轉臺、光柵及Gige 相機搭建成數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)，復色光源及濾光片模擬敵方激光裝備的來襲激光，對該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸結果進行準確性分析。

圖6 圖像傳輸系統(tǒng)裝置

選用1000nm±10nm，1200nm±10nm，1400nm±10nm，1600nm±10nm 的濾光片來模擬激光，用二維轉臺轉動角度采集衍射光斑圖像數(shù)據(jù)，并進行圖像數(shù)據(jù)采集傳輸，通過USB 接口電路傳輸后，上位機顯示結果如圖7所示。

圖7 上位機圖像還原圖像

由于Gnet 網(wǎng)絡接口在數(shù)據(jù)傳輸時有相應的校驗算法，在每幀圖像完成傳輸后，會舍棄丟包的幀圖像，并且從上位機圖像還原結果可知，該圖像傳輸系統(tǒng)的數(shù)據(jù)可靠性有所保障，能夠完整得到清晰的衍射光斑信息，方便對其進行圖像算法處理研究。

Gige 相機對圖像數(shù)據(jù)采集傳輸?shù)乃俣瓤捎蓽y算工具進行測算，設置在傳輸5000 包數(shù)據(jù)之后停止圖像傳輸，其結果測試圖如圖8 所示，可知傳輸5000包數(shù)據(jù)用時0.096s，可得Gnet網(wǎng)絡接口數(shù)據(jù)吞吐量為5000×1400Byte×8bit/0.096s=583Mbps≈73MB，由此可知Gige 相機每秒輸出的圖像幀數(shù)滿足激光告警的實時監(jiān)測及數(shù)據(jù)高速傳輸?shù)囊蟆?/p>

圖8 Gige相機數(shù)據(jù)吞吐量測試

5 結語

系統(tǒng)實現(xiàn)了基于Gige 相機圖像傳輸系統(tǒng)的設計，并可以應用于光柵衍射型激光告警系統(tǒng)中，對其數(shù)據(jù)傳輸準確性進行了詳細的論述和分析。該圖像傳輸系統(tǒng)對模擬的各個波段來襲激光衍射后進行傳輸，通過上位機對接收到的圖像進行還原和顯示，沒有發(fā)生信息錯誤和重要數(shù)據(jù)的丟失。試驗結果表明，該方法具有較高的傳輸精度及可靠性，滿足了要求，能有效地減少虛警，可以在光柵衍射型激光告警系統(tǒng)中得到應用。