一種高速tdiccd遙感相機圖像采集與顯示裝置制造方法
【專利摘要】一種高速TDICCD遙感相機圖像采集與顯示裝置涉及空間高速TDICCD相機電子學系統(tǒng)研制領域，該裝置包括高速串行接口、高速串行收發(fā)器、FPGA、Cameralink發(fā)送器、Cameralink接口、RS232串口收發(fā)器、RS232串口、高速圖像采集卡、高速固態(tài)存儲卡、主控計算機和圖像顯示設備。本發(fā)明可以有效地接收高速TDICCD遙感相機所有通道的CCD原始圖像數據，并進行實時存儲、處理與顯示，利用FPGA實現多路高速圖像數據轉換輸出，硬件實現簡單，控制靈活，且硬件開銷小，集成度高，為高速TDICCD遙感相機研制提供了性能更加穩(wěn)定且便攜的地面測試系統(tǒng)。
【專利說明】一種高速TDICCD遙感相機圖像采集與顯示裝置
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及空間高速TDICCD相機電子學系統(tǒng)研制領域，具體涉及一種高速TDICXD遙感相機圖像采集與顯示裝置。
【背景技術】
[0002]時間延遲積分電荷耦合器件(TDICXD)是一種具有面陣結構、線陣輸出的新型CXD圖像傳感器，它利用多行線陣感光陣列重復對同一目標進行多次曝光，并將曝光感應信號累加，從而在不影響像元輸出速率和地面分辨力的情況下提高了探測靈敏度和成像信噪t匕。在空間對地遙感成像應用中利用TDIC⑶這一優(yōu)點，采用小相對孔徑的光學系統(tǒng)實現較高的分辨率，從而實現空間遙感相機系統(tǒng)的高分辨率、輕小型化，因此，TDICCD是空間遙感相機研制的首選探測器，所以空間光學遙感相機也稱TDICCD遙感相機。
[0003]隨著空間對地遙感成像技術的飛速發(fā)展，基于TDICXD成像技術的空間相機在視場和空間分辨率指標要求不斷提高，所采用的CCD拼接片數和讀出速率也不斷增多和提高，從而使得數字化后的CCD圖像數據量大幅增加，這給后端的高速圖像數據的采集存儲及顯示提出了越來越高的要求。在高性能空間TDICCD遙感相機研制、檢測過程中需要對相機成像性能進行評價以及對成像過程進行監(jiān)控，就必須實現高速多通道CCD圖像數據進行采集、感興趣區(qū)域圖像存儲以及實時快速圖像顯示。目前，對高速TDICCD遙感相機圖像數據采集與顯示的常規(guī)實現方法是把系統(tǒng)當作一個虛擬的網絡對象，由一臺主控計算機和多臺分控計算機組成，每個分控計算機采集相機一路TDIC⑶或一個通道圖像數據，然后通過局域網將各分控機與主控工作站連接，在主控工作站的統(tǒng)一調度和控制下與多個分控計算機協(xié)同工作，共同完成對整個相機輸出圖像數據采集與顯示控制任務。但是這種實現方案的硬件開銷較大，需要多臺計算機協(xié)同工作，工作效率低，功耗體積大，不便攜，不利于到外場進行成像試驗，使用上存在一定局限性。

【發(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種硬件開銷小、集成度高、且便攜的高速TDICCD遙感相機圖像采集與顯示裝置。
[0005]為了達到上述目的，本發(fā)明的技術方案如下:
[0006]一種高速TDIC⑶遙感相機圖像采集與顯示裝置，包括高速圖像數據轉換器、高速圖像采集卡、高速固態(tài)存儲卡、主控計算機和圖像顯示設備；所述的高速圖像數據轉換器包括高速串行接口、高速串行收發(fā)器、現場可編程門陣列(FPGA)、Cameralink發(fā)送器、Cameralink接口、RS232串口收發(fā)器和RS232串口 ；所述的高速TDICCD遙感相機輸出的四路的高速串行LVDS數據流通過高速串行接口導入高速串行收發(fā)器中，高速串行收發(fā)器將高速串行LVDS數據流恢復還原成高速并行的數據流，進而導入現場可編程門陣列(FPGA)中，由現場可編程門陣列(FPGA)同步接收和緩存四路高速并行數據流，然后根據RS232串口接收到的指令，將四路高速圖像數據進行整合輸出或選擇其中一路圖像數據輸出，輸出的圖像數據通過Cameralink發(fā)送器轉化為標準Cameralink接口數據流,經Cameralink接口送入高速圖像采集卡進行圖像數據采集，采集到的圖像數據通過PC1-X總線連接到主控計算機，主控計算機通過PC1-E總線將圖像數據送至高速固態(tài)存儲卡進行實時圖像存儲，或將所述的圖像數據送至圖像顯示設備進行實時圖像顯示，或對所述的圖像數據進行圖像處理以檢測相機成像性能。
[0007]所述FPGA包括圖像數據緩存模塊、圖像數據解析模塊、圖像數據整合模塊、RS232通信收發(fā)模塊以及RS232通信解析模塊；高速TDICXD遙感相機輸出的高速串行LVDS數據流通過高速串行收發(fā)器解碼后傳輸到圖像數據緩存模塊，由圖像數據緩存模塊完成每幀圖像數據的無遺漏緩存，所述的圖像數據解析模塊順序從圖像數據緩存模塊讀取數據，判斷每幀數據有效起始時刻，并對每一幀圖像數據進行解析，將反應相機工作狀態(tài)和成像參數的輔助數據解析出來通過RS232通信收發(fā)模塊送給主控計算機，同時將每幀有效的圖像數據發(fā)給圖像數據整合模塊；所述的圖像數據整合模塊根據RS232解析模塊接收到的指令，完成圖像數據的選擇輸出和整合輸出。
[0008]所述圖像數據緩存模塊采用FPGA內部RAM資源構建雙端口 RAM進行緩存，為數據的存儲和讀取分別提供獨立通道，便于不同速率數據流的異步存?。幻柯犯咚賵D像數據的緩存采用流水線乒乓操作的雙端口 RAM，保證數據不丟失和有效緩存。
[0009]所述高速圖像采集卡是高速Cameralink圖像采集卡，總線接口為PC1-X，可配置為 Base mode、Medium mode、Full mode,最高米樣速率達 5.44Gb/s。
[0010]所述高速固態(tài)存儲卡的存儲容量大于500GB固態(tài)存儲器的存儲容量，總線接口為PC1-E，持續(xù)讀取和寫入的速度不小于800MB/S。
[0011]所述主控計算機是高速TDICXD遙感相機圖像采集與顯示的主控器，控制高速圖像數據的實時采集、儲存、顯示以及圖像處理，同時通過CAN接口向相機發(fā)出控制指令。
[0012]本發(fā)明的有益效果如下:
[0013]1、該裝置可以有效地接收高速TDIC⑶遙感相機所有通道的CXD原始圖像數據，實時存儲和顯示相機所有通道的CCD圖像數據。
[0014]2、該裝置可以根據相機研制過程中試驗需求，利用現場可編程門陣列編程實現多路高速圖像數據轉換輸出，硬件實現簡單，控制靈活。
[0015]3、該裝置的高速圖像數據轉換器將高速TDICXD遙感箱輸出的多路高速圖像數據轉換為標準的Cameralink接口輸出，通用性好，硬件開銷小，集成度高，為高速TDICXD遙感相機研制提供了性能更加穩(wěn)定且便攜的地面測試系統(tǒng)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1是本發(fā)明高速TDIC⑶遙感相機圖像采集與顯示裝置的結構框圖。
[0017]圖2是本發(fā)明中高速圖像數據轉換器的原理框圖。
[0018]圖3是本發(fā)明中現場可編程門陣列內部功能模塊的結構框圖。
[0019]圖4是本發(fā)明中高速圖像數據幀的格式。
【具體實施方式】
[0020]下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明進行做進一步的詳細說明。[0021]如圖1所示，本發(fā)明的高速TDIC⑶遙感相機圖像采集與顯示裝置包括高速圖像數據轉換器、高速圖像采集級卡、高速固態(tài)存儲卡、主控計算機和圖像顯示設備。
[0022]上述高速TDICXD遙感相機采用超高速雙向點對點數據傳輸方式進行高速圖像數據的傳輸，相機輸出多通道數為4路，最高傳輸速率達到1.2Gb/s,傳輸通道采用的是一對高速串行差分電纜，電纜的特性阻抗為100 Ω。
[0023]如圖2所示，本發(fā)明的高速圖像數據轉換器包括高速串行接口、4片高速串行收發(fā)器、現場可編程門陣列(FPGA)、3片Cameralink發(fā)送器、Cameralink接口、RS232串口收發(fā)器和RS232串口。高速串行收發(fā)器通過高速串行接口與高速TDIC⑶遙感相機連接，Cameralink發(fā)送器通過Cameralink接口與高速圖像采集卡連接；4片高速串行收發(fā)器將高速TDICXD遙感相機輸出的4X1.2Gb/s的高速串行LVDS數據流解碼恢復還原成4X IObit高速并行數據流和120MHz的伴隨數據時鐘。所述的高速并行數據流和數據時鐘隨即導入現場可編程門陣列(FPGA)中，由現場可編程門陣列(FPGA)對4X IObit高速并行數據流分別進行同步接收和緩存，然后根據RS232串口接收到的指令，將四路高速圖像數據進行整合輸出或選擇其中一路圖像數據輸出，輸出的圖像數據通過Cameralink發(fā)送器轉化為標準Cameralink接口數據流,經Cameralink接口送入高速圖像采集卡進行圖像數據采集,采集到的圖像數據通過PC1-X總線連接到主控計算機，主控計算機通過PC1-E總線將圖像數據送至高速固態(tài)存儲卡進行實時圖像存儲，或將所述的圖像數據送至圖像顯示設備進行實時圖像顯示，或對所述的圖像數據進行圖像處理以檢測相機成像性能。
[0024]如圖3所示，本發(fā)明的現場可編程門陣列(FPGA)包括圖像數據緩存模塊、圖像數據解析模塊、圖像數據整合模塊、RS232通信收發(fā)模塊以及RS232通信解析模塊；高速TDICCD遙感相機輸出的高速串行LVDS數據流通過高速串行收發(fā)器解碼后傳輸到現場可編程門陣列(FPGA)內部首先送入傳輸到圖像數據緩存模塊，由圖像數據緩存模塊完成4X IObit高速并行數據流的無遺漏緩存，圖像數據是按照如圖4所示的數據幀格式進行緩存；所述的圖像數據解析模塊通過流水線乒乓操作方式順序從圖像數據緩存模塊中按幀格式讀取數據，判斷每幀數據的有效起始時刻，并對每一幀圖像數據進行解析，將反應相機工作狀態(tài)和成像參數的輔助數據解析出來通過RS232通信收發(fā)模塊送給主控計算機，同時將每幀有效的圖像數據發(fā)給圖像數據整合模塊。所述的圖像數據整合模塊根據RS232解析模塊接收到的指令，將4X IObit高速并行數據流無縫拼接并轉換為8X8bit位寬的Cameralink Full mode格式圖像數據輸出，或選擇4X IObit高速并行數據流中的一路轉換為2X IObit位寬的Cameralink Base mode格式圖像數據輸出。所述圖像數據緩存模塊采用內部RAM資源構建4對乒乓結構雙端口 RAM進行緩存，為數據的存儲和讀取分別提供獨立通道，便于不同速率數據流的異步存取。每路高速圖像數據的緩存采用流水線乒乓方式操作的雙端口 RAM，保證數據不丟失和有效緩存。
[0025]本發(fā)明的主控計算機是高速TDIC⑶遙感相機圖像采集與顯示的主控器，其功能通過計算機軟件編程實現，主控軟件系統(tǒng)通過調用Matrox公司采集卡的應用程序接口庫(API)實現高速圖像數據的實時采集、儲存、顯示以及圖像處理，同時通過CAN接口向相機發(fā)出控制指令與控制參數，實現對高速TDICXD遙感相機開始拍照和停止拍照以及對相機成像積分時間、級數以及增益等成像參數的調節(jié)。
[0026]本實施方式所述的高速串行收發(fā)器可采用TI公司的G比特級串行收發(fā)器作為核心器件；所述的Cameralink發(fā)送器可采用NS公司的DS90CR287作為核心器件；所述的現場可編程門陣列可采用XILINX公司Virtex-4系列FPGA XC4VFX60作為核心器件，FPGA配置芯片采用XCF32P。
[0027]本實施方式所述的高速圖像采集卡可采用Matrix公司的Helios XCL系列帶有強大預處理功能的高速Cameralink圖像采集卡,總線接口為PC1-X,可配置為Base mode、Medium mode、Full mode,最高米樣速率達5.44Gb/s ;所述的高速固態(tài)存儲卡可米用OCZ公司的Vector PC1-E存儲卡，存儲容量960GB，持續(xù)讀取速度超過900MB/s，持續(xù)寫入速度超過 900MB/s。
[0028]本實施方式所述的主控計算機采用IBM System X3400服務器，內存32G，操作系統(tǒng)Microsoft Windows Server2003 ;所述的主控計算機上運行的主控軟件可采用MicrosoftVisualC++6.0開發(fā)的計算機應用程序；所述的圖像顯示可為普通計算機顯示器。
[0029]上述【具體實施方式】僅僅是為了對本發(fā)明作出詳細說明而描述的優(yōu)選實施方式，但本發(fā)明不限于上述實施方式。例如，高速圖像數據轉換器中的Cameralink發(fā)送器還可以采用其他型號的芯片；主控計算機還可以采用其他高性能圖像處理計算機，主控計算機上運行的主控軟件還可以采用其它的編程工具開發(fā)。對于所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或變動。而由此引伸出的顯而易見的變化或變動仍處于本發(fā)明創(chuàng)造的保護范圍以內。
【權利要求】
1.一種高速TDIC⑶遙感相機圖像采集與顯示裝置，其特征在于，該裝置包括高速圖像數據轉換器、高速圖像采集卡、高速固態(tài)存儲卡、主控計算機和圖像顯示設備；所述高速圖像數據轉換器包括高速串行接口、高速串行收發(fā)器、FPGA> Cameralink發(fā)送器、Cameralink接口、RS232串口收發(fā)器和RS232串口 ；高速TDIC⑶遙感相機輸出的四路的高速串行LVDS數據流通過高速串行接口導入高速串行收發(fā)器中，高速串行收發(fā)器將高速串行LVDS數據流恢復還原成高速并行的數據流,進而導入FPGA中，由FPGA同步接收和緩存四路高速并行數據流，然后根據RS232串口接收到的指令，將四路高速圖像數據進行整合輸出或選擇其中一路圖像數據輸出，輸出的圖像數據通過Cameralink發(fā)送器轉化為標準Cameralink接口數據流，經Cameralink接口送入高速圖像采集卡進行圖像數據采集，采集到的圖像數據通過PC1-X總線連接到主控計算機；主控計算機通過PC1-E總線將圖像數據送至高速固態(tài)存儲卡進行實時圖像存儲，或將所述的圖像數據送至圖像顯示設備進行實時圖像顯示，或對所述的圖像數據進行圖像處理以檢測相機成像性能。
2.根據權利要求1所述的一種高速TDIC⑶遙感相機圖像采集與顯示裝置，其特征在于，所述FPGA包括圖像數據緩存模塊、圖像數據解析模塊、圖像數據整合模塊、RS232通信收發(fā)模塊以及RS232通信解析模塊；高速TDICCD遙感相機輸出的高速串行LVDS數據流通過高速串行收發(fā)器解碼后傳輸到圖像數據緩存模塊，由圖像數據緩存模塊完成每幀圖像數據的無遺漏緩存，所述的圖像數據解析模塊順序從圖像數據緩存模塊讀取數據，判斷每幀數據的有效起始時刻，并對每一幀圖像數據進行解析，將反應相機工作狀態(tài)和成像參數的輔助數據解析出來通過RS232通信收發(fā)模塊送給主控計算機，同時將每幀有效的圖像數據發(fā)給圖像數據整合模塊；所述的圖像數據整合模塊根據RS232解析模塊接收到的指令，完成圖像數據的選擇輸出和整合輸出。
3.根據權利要求2所述的一種高速TDIC⑶遙感相機圖像采集與顯示裝置，其特征在于，所述圖像數據緩存模塊采用FPGA內部RAM資源構建雙端口 RAM進行緩存，為數據的存儲和讀取分別提供獨立通道，便于不同速率數據流的異步存取；每路高速圖像數據的緩存采用流水線乒乓操作的雙端口 RAM，保證數據不丟失和有效緩存。
4.根據權利要求1所述的一種高速TDIC⑶遙感相機圖像采集與顯示裝置，其特征在于，所述高速圖像采集卡是高速Cameralink圖像采集卡，總線接口為PC1-X，可配置為Basemode、Medium mode、Full mode,最高米樣速率達 5.44Gb/s。
5.根據權利要求1所述的一種高速TDIC⑶遙感相機圖像采集與顯示裝置，其特征在于，所述高速固態(tài)存儲卡的存儲容量為大于500GB固態(tài)存儲器的存儲容量，總線接口為PC1-E，持續(xù)讀取和寫入的速度不小于800MB/S。
6.根據權利要求1所述的一種高速TDIC⑶遙感相機圖像采集與顯示裝置，其特征在于，所述主控計算機是高速TDIC⑶遙感相機圖像采集與顯示的主控器，控制高速圖像數據的實時采集、儲存、顯示以及圖像處理，同時通過CAN接口向相機發(fā)出控制指令。
【文檔編號】H04N5/77GK103986869SQ201410219151
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2014年5月22日 優(yōu)先權日:2014年5月22日
【發(fā)明者】張貴祥, 金光, 曲宏松, 鄭亮亮, 賀小軍, 陶淑蘋 申請人:中國科學院長春光學精密機械與物理研究所