基于Gige相机的激光告警图像传输系统研究*

张 鹏 杜伟豪 石 金 吴 琼 张 瑞

（1.中北大学仪器与电子学院 太原 030051）（2.中北大学微系统集成研究中心 太原 030051）

（3.中北大学前沿交叉科学研究院 太原 030051）

1 引言

自从激光技术出现以来，一直受到各个领域专家们的重视。因为激光所具有的特性，使得它从20 世纪开始，在军事上的应用范围非常广泛，至今为止的激光装备逐渐走向多元化。高性能光电对抗武器装置可利用激光优异的方向性特点，在某一方向上发射，进而对敌精准打击［1～3］。激光在军事、通信、测量等光电对抗方面有很强的实用性，使得现在全球范围内对激光装备的研发更加深入，越来越多的激光装备被运用到了战争中，其优势也会逐步体现出来，逐步成为战争中至关重要的一环［4］。综上所述，研制激光告警装备以探测敌方激光信号，进而实现精准拦截是目前光电对抗领域的重要发展方向。

激光告警装备是通过探测到敌方的激光信号，并对其进行信号参数分析以获得敌方激光装备的方向、波长等相关参数，从而实现告警。目前已报道的激光告警装备多数都存在探测频谱较窄、角度分辨率低、无法实现综合探测等缺点［5～6］，而这些缺点多数与探测敌方激光信号的探测器有紧密联系，探测器的像元规格对参数分辨率有着直观的影响。因此，本文采用Gige工业相机作为激光告警装置的探测器件，该相机的频谱范围为0.4μm～1.7μm，且其内部探测器的规格也相比于目前已有告警装备所搭载的大，从而提高探测波长、方向等参数的分辨率；由于其内置面阵探测器的规格为640×512，而且每个像元所包含的信息更加精确，因此在进行数据处理时所得到的帧图像的数据量较为庞大［7］，这就要求在数据传输中需要对数据进行准确传输，保障通过光栅衍射型激光告警系统所捕捉到的光斑图像中的重要信息完整，以此来降低误警率。因此，本文基于Gige相机设计了一种激光告警图像传输系统。

2 基本原理

2.1 激光告警原理

光栅衍射型激光告警系统对敌方来袭激光信号的探测原理如图1 所示。当来袭激光信号被激光告警装置捕捉到时，首先经过光栅对激光信号进行衍射，经过镜头对光线进行汇聚后，在面阵探测器上形成能量级次不同的光斑，通过0 级与1 级光斑的中心位置来确定激光的相关参数［8］。激光的波长信息通过0 级与1 级光斑中心位置的距离确定，方位角通过0 级光斑中心位置的横坐标确定，俯仰角通过0 级光斑中心位置的纵坐标确定。形成衍射光斑图像后进行数据高速传输以及对图像的信息处理工作，得到敌方激光信号的波长、方位角和俯仰角等参数最终实现激光告警，从而对其进行精准打击。

图1 激光告警原理图

2.2 激光告警图像传输系统设计

光栅衍射型激光告警系统在探测到敌方来袭激光并形成光斑图像后，需要将该图像进行传输进行图像处理，以此得到激光相关参数信息从而实现告警，因此Gige 相机采集到的衍射光斑图像后，由Gnet网络接口（如图2所示）传输至FPGA进行图像预处理，再通过USB接口将图像数据传输至上位机进行光斑图像显示，实时监测激光告警采集到的激光信息，便于对图像数据处理算法的研究。相机的部分参数如表1所示。

表1 Gige相机部分参数

图2 Gige相机后面板接口图

光栅衍射型激光告警数据传输系统硬件电路总体结构如图3 所示。该数据传输系统基于FPGA+DSP 架构进行图像数据处理，FPGA 将通过Gnet 网络接口从Gige 相机采集接收到的图像数据通过USB 接口电路传输至上位机进行衍射光斑图像还原，便于研究后续在DSP进行图像处理的图像参数计算算法。

图3 激光告警图像传输系统

3 硬件及程序设计

3.1 硬件电路设计

USB 是一种具有快速、双向和同步传输特性的通用串行总线［9］。本节设计了基于FT232H 芯片的USB 接口电路。可根据实际需求对该芯片进行配置成为不同的串行或并行接口，该芯片内部置有电平转换器，可对驱动电压进行转换以适用于不同的场景模式下，并且在传输数据时的速率可达480M/s［10～11］。

该USB 接口电路所采用的芯片为FT232H，其总体设电路计原理图如图4 所示。该芯片为+5V电源供电工作，内部置有电平转换功能可将5V 电压转换为3.3V 供其余部分工作，数据存储电路采用93LC56B，其工作电压由FT232H 芯片进行电压转换后提供；晶振两端分别与FT232H 芯片的1、2号引脚相连，并通过非极性电容接地该芯片正常工作时，以保障该芯片的正常工作［12］。

图4 USB接口电路

3.2 软件程序设计

设计USB 模块与上位机PC 端进行数据传输，以此方法来更好地观测光栅衍射型激光告警系统所采集到的数据，并实时观测图像的完整性以验证在传输过程中数据的正确性，作为后续DSP图像处理算法研究的依据。将USB 的工作方式设置为异步FIFO 模式，根据FIFO 异步写时序进行数据传输，端点EP6作为输入，并根据8位总线AUTOIN模式工作［13］。处于这种工作状态模式下，USB芯片不需要进行固件相关配置，FPGA 芯片可以根据从FIFO 的写入时序将激光衍射光斑数据“写入”到FIFO 缓冲区［14］，该图像数据将自动打包并传输到上位机并显示。

在USB 数据传输过程中，FPGA 芯片不断查询FIFO 的空满状态，以此实现激光衍射光斑图像数据的传输。编写USB 驱动程序，并编译下载至FPGA 芯片中，驱动USB 接口电路实现数据向上位机的传输，上位机的设计可以接收并直观观测二维激光告警系统通信模块采集传输到的激光衍射光斑图像数据。Visual Studio 2013 软件作为上位机采集图像的可视化开发工具，调用控件设计出图像直观显示的窗口。采用C#语言编写相应采集程序完成来袭激光衍射光斑图像的采集并调用控件还原图像。将USB 驱动程序设计完成并将其下载至FPGA芯片中，连接上位机与下位机，首先点击运行上位机程序打开图像可视化界面，点击连接设备，自动查找USB 设备，成功连接后，在上位机上输入任意字符作为下位机开始采集传输数据的命令，在收到数据传输命令后，由下位机不断向上位机传输Gige相机所获取的衍射光斑图像数据，使其在上位机设计的可视化界面中持续显示。具体工作流程如图5所示。

图5 上位机采集流程图

4 实验结果分析

本系统实验平台装置如图6 所示，由复色光源氙灯、二维转台、光栅及Gige 相机搭建成数据采集传输系统，复色光源及滤光片模拟敌方激光装备的来袭激光，对该系统的数据传输结果进行准确性分析。

图6 图像传输系统装置

选用1000nm±10nm，1200nm±10nm，1400nm±10nm，1600nm±10nm 的滤光片来模拟激光，用二维转台转动角度采集衍射光斑图像数据，并进行图像数据采集传输，通过USB 接口电路传输后，上位机显示结果如图7所示。

图7 上位机图像还原图像

由于Gnet 网络接口在数据传输时有相应的校验算法，在每帧图像完成传输后，会舍弃丢包的帧图像，并且从上位机图像还原结果可知，该图像传输系统的数据可靠性有所保障，能够完整得到清晰的衍射光斑信息，方便对其进行图像算法处理研究。

Gige 相机对图像数据采集传输的速度可由测算工具进行测算，设置在传输5000 包数据之后停止图像传输，其结果测试图如图8 所示，可知传输5000包数据用时0.096s，可得Gnet网络接口数据吞吐量为5000×1400Byte×8bit/0.096s=583Mbps≈73MB，由此可知Gige 相机每秒输出的图像帧数满足激光告警的实时监测及数据高速传输的要求。

图8 Gige相机数据吞吐量测试

5 结语

系统实现了基于Gige 相机图像传输系统的设计，并可以应用于光栅衍射型激光告警系统中，对其数据传输准确性进行了详细的论述和分析。该图像传输系统对模拟的各个波段来袭激光衍射后进行传输，通过上位机对接收到的图像进行还原和显示，没有发生信息错误和重要数据的丢失。试验结果表明，该方法具有较高的传输精度及可靠性，满足了要求，能有效地减少虚警，可以在光栅衍射型激光告警系统中得到应用。