Simulation of Smoke Echo Characteristics of Pulsed Laser Proximity Detection
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摘要: 针对脉冲激光近感探测在烟雾干扰下引起的虚警、漏警等问题，本文根据Mie散射理论，运用Monte Carlo方法建立脉冲激光近感探测模型，仿真905 nm脉冲激光获取大小目标在无干扰和烟雾干扰两种条件下的回波，分析回波的波形特征。结果表明：无干扰情况下，发射接收系统与目标之间的距离和回波幅值呈负相关；大小目标回波前沿的上升速率均呈递增趋势。烟雾干扰情况下，烟雾回波和目标回波的脉冲宽度相对于发射激光波形均有一定的展宽，但前者的展宽程度要大于后者；烟雾回波波形呈现前沿陡峭，后沿平缓的非对称特征。研究成果可以为激光近感探测抗烟雾干扰提供理论基础。
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关键词:
- 激光近感探测 /
- 烟雾 /
- Mie散射 /
- Monte Carlo方法 /
- 回波特性
Abstract: To address the problems of false and missed alarms caused by smoke interference in pulsed laser proximity detection, according to Mie scattering theory and the Monte Carlo method, this study established a pulsed laser proximity detection model, simulated a 905-nm pulsed laser to obtain echoes of large and small targets under the conditions of no interference and smoke interference, and analyzed the waveform characteristics of the echoes. The results show that there is a negative correlation between the distance from the transmitting and receiving system to the target and the echo amplitude without interference. The rising rate of the echo front of large and small targets increases. Under the condition of smoke interference, the pulse widths of the smoke and target echoes have a certain broadening compared with the transmitted laser waveform. However, the broadening degree of the former is greater than that of the latter, and the smoke echo waveform is asymmetric with a steep front edge and gentle back edge. The results provide a theoretical basis for anti-smoke interference in laser proximity detection.-
Keywords:
- laser proximity detection /
- smoke /
- Mie scattering /
- Monte Carlo /
- echo characteristics
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0. 引言
CMOS图像传感器广泛应用于通信、医疗、工业、航空、航天等民用和军用领域的图像探测器中。随着其应用越来越广泛，近年来人们对CMOS图像传感器的性能要求也越来越高，尤其在晨昏、夜间等低照度条件下进行地物探测，而常规的CMOS图像传感器的性能不能满足这样的需求。因此微光CMOS传感器应运而生，开始应用于各类航天器中，可以有效扩展其工作照度条件和时段范围，在更宽的时段内对地进行观察、对地面突发事件进行快速预警，如城市监测、重大事件变革、自然灾害、生态环境评估以及社会经济参量估算等应用场景[1-3]。目前国外微光遥感卫星主要有美国军事气象卫星（defense meteorological satellite program, DMSP）搭载的可见光成像线性扫描业务系统（operational line-scan system, OLS）和美国极轨卫星（S-NPP）搭载的可见红外成像辐射仪（visible infrared imaging radiometer suite, VIIRS）[4]；而国内长光卫星公司的“吉林一号”系列卫星具有夜光遥感功能，可以获取1 m分辨率的彩色夜光影像，与此同时，由武汉大学与长光卫星技术有限公司联合研制的“珞珈一号”科学实验卫星是全球首颗专业夜光遥感卫星[5-6]。
本文根据某商业航天项目对晨昏和夜晚的微光观测需求，设计了一个微光探测成像系统电路[7-10]，并满足高性能和高可靠性的要求。
1. 系统总体方案设计概述
本设计的微光成像系统电路结构如图 1所示，包括微光图像传感器、供电电源模块、主控处理单元FPGA、存储单元DDR3和eMMC、CameraLink传输接口及卫星通信传输接口模块等。其中微光图像传感器由电源模块提供所需的电源，在FPGA产生驱动控制脉冲控制下，通过光学系统耦合感知微光辐射并进行光电转换最终输出高速数字图像信号数据。该图像数据经由FPGA联合DDR3进行高速缓存与处理并存于eMMC，最后通过CameraLink接口上传至地面测试上位机进行显示。该系统电路实现了高帧频、高信噪比和微光探测的设计要求。
2. 详细硬件电路设计
2.1 图像传感器GSENSE2020简介
本文设计中采用了GSENSE2020微光图像传感器，是由国内公司长光辰芯研制的一款背照式CMOS图像传感器，具有2048×2048的分辨率，像素尺寸为6.5 μm，具有全局卷帘曝光模式。在量化位数为12 bit模式下，帧频最高高达43 frame/s，数据率可达4.8 Gbps。当配置为低增益模式时，最大SNR可达47.39 dB。
2.2 图像传感器驱动电路及电源电路设计
2.2.1 驱动电路设计
图像传感器GSENSE2020输出数字信号，具有16路LVDS输出数据通道和2对差分时钟，31个数字控制管脚以及5个配置管脚。本文采用FPGA作为控制处理单元，完成对图像传感器的驱动控制和数据采集。该FPGA选自Xilinx公司的K7系列的XC7K325T。设计中16路的数据线和2对差分时钟通过差分线与FPGA相连，36路控制线与FPGA单端相连。在PCB布局布线时，严格控制线路阻抗，16路差分数据线和2对差分时钟控制为100 Ω，36路控制线设置为50 Ω，并且16路差分数据线和2对差分时钟线走内部高速层，邻近上下层均为地层，形成屏蔽作用，同时做等长处理，从而保证信号质量，采集到低噪声图像数据。
2.2.2 电源电路设计
微光成像系统供电主要分为两大模块：图像传感器GSENSE2020供电电路和FPGA及其他模块供电电路。其中GSENSE2020需要4档供电电压，包括偏置电压，模拟电压及数字电压3类。图像传感器的供电电源对图像噪声有一定的影响，因此其电源设计应采用低噪声电源。同时考虑驱动能力和系统功耗，设计中采用DC/DC电源转换器和LDO（低压差线性稳压器）产生GSENSE2020所需的低噪声电压。其中DC/DC电源转换器采用了LINEAR公司的LTM4622A芯片，具有宽的输入电压范围，2 A的双通道输出，将输入电压转换为4.0 V、2.2 V以及1.5 V，再经过LDO产生图像传感器所需的电压：3.8 V、3.5 V、2.0 V以及0.8 V。LDO芯片采用了TI公司的TPS7A8300，具有2 A电流和低噪声6 μVrms输出，且支持软启动，便于控制上电顺序。图 2为TPS7A8300的典型设计电路，其输入输出均采用去耦电容对其进行去耦，并通过磁珠对电源线路上的高频噪声和尖峰干扰进行抑制。
另外，本设计采用了NXP公司的PMIC（电源管理集成电路）芯片MMPF0100，为FPGA提供电源电压。因为FPGA需要6档供电电压：1.0 V、1.2 V、1.8 V、1.5 V、2.5 V和3.3 V，种类比较多。同时FPGA的上电顺序有严格的要求，比如内核电压最先上电，GTX供电及其端接供电后上电，FPGA辅助供电、VCCO端口供电最后上电。MMPF0100芯片具有可配置和可编程的架构，拥有12路输出，上下电顺序灵活可控，可以满足FPGA的上电需求，保证FPGA的性能。
根据PMIC各通道输出支持的电压电流级别，以及FPGA的不同电源的需求，PMIC的硬件电路设计如图 3所示。通过OTP Configuration功能对PMIC输出电压及上电顺序进行配置，并进行烧录，完成对PMIC的控制，同时将配置信息保存为可烧录的脚本文件，便于后续多块电路板的快速配置。
由于3.3 V除了给FPGA供电，还需给其他模块供电，本电源电路还采用了TI公司的LDO芯片TPS7A8500。该芯片具有4 A大电流和低噪声4.4μVrms输出，支持软启动，便于控制上电顺序控制。利用PMIC的LDO输出控制TPS7A8500的使能EN引脚，实现该路的电源的开关，从而保证FPGA的上电顺序要求。
2.3 DDR3 SDRAM电路设计
GSENSE2020输出图像数据量大，在量化位数为12 bit模式下，数据率最高可达4.8 Gbps，因此本设计选择了两颗Micron公司的MT41K64M16TW-107的DDR3 SDRAM。MT41K64M16TW-107时钟频率最高可达933 MHz，容量为1 GB，可以满足设计要求。
设计中两颗DDR3的数据线、地址线以及控制线与FPGA之间的连接均采用了独立连接设计，互不干扰，既可以满足不同数据率下的图像缓存处理，又可以实现高速乒乓操作。图 4是单颗MT41K64M16TW-107的电路设计原理图，其中地址线和控制线均通过特定阻值的上拉电阻上拉到VTT电压，可以保证信号的质量，同时对时钟线设计了T形端接上拉并加入了隔直电容，可以能保证端接共模信号，同时使直流泄露最小，从而改善时钟波形。图像传感器输出的高速数据流，经过FPGA同时对两颗DDR3进行一读一写的操作实现缓存与处理。该电路实现了高速图像数据的缓存与处理，提高了数据吞吐量及系统性能。
2.4 eMMC电路设计
当微光探测成像系统装星之后，图像传感器获得的图像数据经过图像处理后，需要进行存储和延迟下传显示。因此本设计选用了4颗三星公司的eMMC芯片KLMCG4JENB-B041实现图像数据存储，阵列总存储容量高达256 GB。该eMMC集成了控制器和快闪存储器，接口简单，工作速度快，最高时钟频率可达200 MHz，可以满足图像传感器的高速存储、大容量的性能要求。
4颗eMMC与FPGA之间的连接，其中命令线CMD和数据线DAT0-DAT7是独立连接的，互不干扰，而时钟线CLK、电源线VCC、VCCQ以及地线VSS、VSSQ是共享的，可以实现4颗eMMC时钟同步和独立控制。在设计eMMC的电路时，在命令线和数据线与FPGA连接时，将其通过上拉电阻进行上拉，既可以提高芯片引脚的输出电平，也可以保证在上电配置过程中，芯片引脚为定态，还可以加大输出引脚的驱动能力。单颗KLMCG4JENB-B041的电路原理图设计如图 5所示。由于该eMMC最高时钟频率可达200 MHz，因此33 Ω的串联端接电阻既可以保证阻抗匹配，又可以减少干扰，从而改善时钟信号波形。
2.5 CameraLink电路设计
地面测试验证微光成像系统图像质量，采用了CameraLink接口作为图像数据的传输接口，通过CameraLink接口将图像数据传输到地面测试PC上位机进行显示。传统的CameraLink接口的数据发送和接收，均采用专用的串并转换芯片与成像系统进行数据传输，但是串并转换芯片占用体积大且其并行信号线会占用大量PCB布局布线资源，而且最高传输速率有限。Xilinx公司的K7系列FPGA内部集成了大量的IP核及原语如串并转换模块，可以实现CameraLink接口的低成本、小体积、更高速率、更稳定、无误码的传输并显示。
本设计基于CameraLink接口的Base模式实现微光成像系统的串行图像数据的传输。Base模式数据具有28位，包括1位帧有效位信号、1位行有效位信号、1位数据有效位信号、24位数据信号和保留信号，如表 1所示[11]。根据Base结构分析，在本系统电路输出端选用了MDR26连接器构建CameraLink接口，利用FPGA的并串转换原语模块OSERDESE2实现数据格式转换。由于K7系列FPGA的OSERDESE2支持8:1的并串转换，因此将已经经过图像处理的图像数据按照CameraLink的Base数据格式组成28位图像数据，然后分成4组，每组均以7:1方式通过一个OSERDESE2即可完成并串转换，得到4组LVDS图像信号，如图 6所示。以同样的方式对图像时钟按照CameraLink时钟格式进行并串转换得到LVDS时钟信号。最终将这4组LVDS图像信号和一组LVDS时钟信号连接至CameraLink接口，以实现图像数据在CameraLink接口的直接传输。
表 1 Base模式的端口分配Table 1. Base mode port allocationInput signal name 28-bit pin name Input signal name 28-bit pin name Strobe TxClk Out/RxClk In Port B2 TX/RX 9 LVAL TX/RX 24 Port B3 TX/RX12 FVAL TX/RX 25 Port B4 TX/RX 13 DVAL TX/RX 26 Port B5 TX/RX 14 Spare TX/RX 23 Port B6 TX/RX 10 Port A0 TX/RX 0 Port B7 TX/RX 11 Port A1 TX/RX 1 Port C0 TX/RX 15 Port A2 TX/RX 2 PortC1 TX/RX 18 Port A3 TX/RX 3 Port C2 TX/RX 19 Port A4 TX/RX 4 Port C3 TX/RX 20 Port A5 TX/RX 6 Port C4 TX/RX 21 Port A6 TX/RX 27 Port C5 TX/RX 22 Port A7 TX/RX 5 Port C6 TX/RX 16 Port B0 TX/RX 7 Port C7 TX/RX 17 Port B1 TX/RX 8 - - 3. 系统实验验证分析
根据上述描述，完成微光探测成像系统电路设计，对成像系统电路进行测试及成像实验，以验证系统电路的实际性能，实验结果如下。
硬件电路系统实物如图 7所示。首先对硬件电路进行测试调试，图 8为FPGA的1.0 V、1.2 V、1.8 V上电时序测试验证图，上电顺序及上电间隔均与设计相符。图像传感器的供电电源噪声对图像噪声质量有一定的影响，3.5 V作为GSENSE2020的偏置电压、模拟电源及像素电源主要供电电压之一，其供电电压噪声直接影响图像质量，图 9为3.5 V的电压纹波测试结果，大小为3.2 mV，这说明该电源噪声较小，可以满足低噪声设计要求。
GSENSE2020在量化位数为12 bit模式下，图像数据只通过8个通道输出，为了保证这些数据高速输出，其输入时钟需要一个高频率时钟。当输入时钟设置为典型值600 MHz时，其输出频率理论上可达300 MHz，利用Vivado的ILA（在线逻辑分析仪）对其速率进行实时监测。实测结果表明，其单通道速率可达500 Mb(ddr)，因此数据率约为：
$$ 500×8＝4\;\mathrm{Gbps} $$ (1) 由于受电路的布局布线的影响，且测试过程中图像传感器电路板和控制电路板之间的时钟线及数据线是通过普通的软排线连接，因此传感器的实测数据率会略低于理论值。
为测试验证整个成像系统的实际成像性能，在完成硬件系统电路调试后进行光机结构装调，然后对景物进行实际成像，通过CameraLink接口传输到PC图像采集上位机进行实时显示。由于上位机的CameraLink接收接口显示速率受限，因此配置图像传感器的输入时钟为375 MHz，通过ILA测得实际单通道速率约为300 Mb(ddr)。因此系统电路数据率可达：
$$ 300×8＝2.4\;\mathrm{Gbps} $$ (2) 与此同时根据公式(3)(4)(5)可计算得出理论的帧频为27.2 fps。在实验过程中上位机实际显示图像帧频为25 fps，如图 10所示，接近理论值。
$$ f_{\mathrm{clk{\_}seq}}＝f_{\mathrm{clk{\_}INTER}}/12 $$ (3) $$ T_{\mathrm{line}}＝560×T_{\mathrm{clk{\_}seq}} $$ (4) $$ T_{\mathrm{frame}}＝K×T_{\mathrm{line}} $$ (5) 式中：fclk_INTER等于输入时钟频率；K为输出的行数，K≤2048 rows。
为了测试成像系统的信噪比，固定设置图像传感器积分时间，并设置增益为低增益，利用积分球进行辐照度，根据公式(6)[12]计算得到成像系统的信噪比为45.5 dB，与理论值相近。
$$ \mathrm{SNR} = \frac{{{S_\mathrm{e}}}}{{{N_\mathrm{e}}}} = \frac{{\frac{{\sum\limits_{i = 1}^n {{x_i}} }}{n}}}{{\sqrt {\frac{{\sum\limits_{i = 1}^n {{{({x_i} - \bar x)}^2}} }}{n}} }} $$ (6) 式中：xi为像元i的响应灰度值；$ \bar x $为所有像元响应均值；n为总像元个数。
最终在低照度情况下，对实景进行探测成像，得到了清晰图像，如图 11所示。
4. 结论
本文基于微光图像传感器GSENSE2020设计了成像系统电路，利用FPGA驱动控制图像传感器的输出，实现了微光探测成像。同时该成像系统电路兼顾了控制双图像传感器扩展接口，为后续多波段同时探测成像设计如可见光加红外探测奠定了技术基础。经过实验验证，该成像系统电路功能和性能良好，电源供电纹波噪声低至3.2 mV，通过CameraLink接口传输图像到PC图像采集上位机进行实时显示，速率为300 Mb(ddr)，数据率高达2.4 Gbps，帧频可达25 fps，系统的信噪比为45.5 dB。这说明微光探测成像系统电路性能指标与理论分析值相近，且在低照度情况下得到了清晰图像，达到了预期设计要求。
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图 2 不同相对折射率消光系数随尺度参数分布
Figure 2. Distribution of extinction coefficient of different relative refractive indices with scale parameter
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图 3 粒子散射相位函数与散射角关系
Figure 3. Relationship between scattering phase function and scattering angle of particles
表 1 仿真参数
Table 1 Simulation parameters
Simulation parameters Value Laser wavelength/nm 905 Emission pulse width/ns 30 Emission beam divergence angle/mrad 5 Receiving field of view angle/mrad 21 Launching system diameter/mm 10 Receiving lens diameter/mm 30 Transmit-receive spacing/mm 35 Simulated photon number 106 Smoke particle size range/μm 3-18 Smoke complex index 1.75-0.43i Target surface Bloom Target reflectance 0.3(small target)
0.9(big target)Target distance/m 3(small target)
7(big target)
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