CN102914667B - 基于近红外智能相机的大尺度粒子图像测速仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于近红外智能相机的大尺度粒子图像测速仪，属于非接触式明渠测流技术领域。仪器由处理器模块、图像传感器模块、光学系统、网络通信模块和电源模块组成。处理器模块以32位定点DSP芯片为核心，代替PC完成图像的采集、处理及数据传输；图像传感器模块采用数字接口的单色CMOS图像传感器；光学系统由双滤镜切换器、电动三可变镜头、红外LED补光灯、电机驱动模块及照明控制模块构成，用于实现近红外波段或全光谱波段下光学成像的远程控制。仪器采用符合IEEE802.3协议的以太网传输图像、流场数据、状态信息及控制指令，并通过PoE方式供电，和数据传输共用一根电缆。本发明具有抗干扰能力强、时空分辨率高、系统灵活高效的特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种明渠水流监测仪器，尤其涉及一种基于近红外智能相机的大尺度粒子图像测速仪，属于非接触式明渠测流技术领域。
背景技术
洪水期间精确的流速、流场、时序信息以及总径流变化速率的高分辨率估计，是河流水文学、河流地貌学以及河流生态学研究的重要依据。然而，高洪时期的水流往往具有含沙量高，混杂物多，流速快等特点，导致传统测流仪器无法正常施测。大尺度粒子图像测速（Large-Scale Particle Image Velocimetry，LSPIV）是一种安全、高效的全场流速测量技术。它采用模式识别的方法匹配、跟踪无畸变连续视频图像中的水面示踪物，实现流场的定量表示及可视化。作为实验室环境下的粒子图像测速（PIV）技术在大尺度现场环境下的扩展，不仅可用于常规条件下天然河道水流紊动特性的研究，其非接触特性更使之成为极端条件下河流流量测量少数可行的方法之一。
在LSPIV发展与应用的十多年中，各研究团队在原型系统开发方面开展了积极的研究，构建的实验样机验证了LSPIV在现场应用的可行性。但现有系统多是水文或水利学专家采用电子消费类数码相机或监控摄像机产品和其他测量设备组合而成，没有形成产品化的专用仪器。这些基于可见光成像的系统难以满足复杂水面光学环境下可靠、稳定、连续检测水面弱小示踪物的要求，易造成流场估计误差过大；并且在图像采集能力、系统处理能力、数据传输能力以及集成度和便携性等方面都存在不足，限制了LSPIV技术的推广。因此，有必要根据LSPIV在现场环境下的应用特点以及水体和示踪物的光谱特性开发一套专用仪器。
发明内容
本发明针对现有大尺度粒子图像测速系统存在的不足，提供了一种基于近红外智能相机的大尺度粒子图像测速仪。
本发明通过以下技术方案实现：
基于近红外智能相机的大尺度粒子图像测速仪，采用智能相机的系统架构，由处理器模块、图像传感器模块、光学系统、网络通信模块和电源模块组成。其特征在于：处理器模块以一片32位定点DSP芯片TMS320DM642为核心，用于图像数据的处理及传输；图像传感器模块采用分辨率为130万像素的单色CMOS图像传感器MT9M001，用于图像数据的采集；光学系统由双滤镜切换器、电动三可变镜头、红外LED补光灯、电机驱动模块及照明控制模块构成，用于实现近红外波段或全光谱波段下光学成像的远程控制；采用PoE方式供电，和数据传输共用一根电缆。
所述的处理器模块在DSP内集成了视频口VPORT1、外部存储器接口EMIFA、增强型媒体存取控制器EMAC和I2C总线等功能模块用于连接各种外设；在DSP的CE0空间通过EMIFA接口外扩四片32M×16bit的SDRAM存储芯片MT48LC32M16A2，使数据存储器空间达到256MB；在DSP的CE1空间外扩一片4MB的FLASH存储芯片AM29LV033C作为程序存储器；采用一片CPLD芯片EPM570扩展连接外设的数字接口，包括三根译码控制线用于扩展FLASH芯片的地址总线，四路PWM信号分别用于电动三可变镜头的变焦、对焦、光圈调节和双滤镜切换器控制，一组开关信号用于照明控制模块的驱动。
所述的图像传感器模块中CMOS图像传感器通过10-bit并行数字接口和DSP的视频口VPORT1相连，输出像素数据D[9:0]；通过SCL和SDA接口和DSP的I2C接口相连，用于内部寄存器的配置，实现图像大小、位置、曝光时间及亮度增益的调节；CMOS传感器的像素时钟信号PIXCLK和行同步信号LINE_VALID分别和DSP的VPORT1接口中的VP1CLK0和VP1CTL0引脚相连；CPLD向CMOS传感器提供48MHz的主时钟CLKIN，通过内嵌的可编程脉冲信号发生器输出快门触发信号TRIGGER，并接收来自CMOS传感器的补光灯触发信号STROBE。
所述的双滤镜切换器安装于CMOS传感器前，具有C型标准镜头座用于连接光学镜头；内嵌8mm（长度）×8mm（宽度）×0.5mm（厚度）、波长为850-1050nm的近红外长通滤光片和波长为400-1050nm的全光谱滤光片各一片，分别用于光照充足和光照不足的场合。
所述的电动三可变镜头具有1/2-inch的C型标准接口，焦距调节范围为8mm-80mm，对焦调节范围为1.5m-∞，光圈调节范围为F1.2-F22。
所述的红外LED补光灯采用波长为850nm的LED灯管；具有铝质及强化玻璃的防水封装；供电电源为12V直流，额定功率小于15W，有效照明距离大于50m。
所述的电机驱动模块具有四组相同且独立的带光耦隔离的H桥驱动电路；模块的输入为CPLD提供的四路脉宽为0.1s的PWM信号；模块的输出为四路放大信号，一路FILTER信号用于驱动双滤镜切换器中的旋转式磁控体产生旋转，实现双滤镜的切换，另外三路ZOOM、IRIS和FOCUS信号分别用于电动三可变镜头的变焦、光圈和对焦的调节。
所述的照明控制模块的输入为CPLD输出的3.3V开关信号，开关信号经光耦隔离后驱动12V直流继电器的初级线圈，进而控制和继电器次级线圈串联的红外LED补光灯的通断。
所述的网络通信模块采用物理层芯片RTL8201、网络传输变压器和RJ45网络接口作为物理层接口，通过EMAC接口和处理器模块中的DSP相连，通过RJ45网络接口和电源模块中的PoE分路器相连，提供一条符合IEEE802.3协议的以太网接入通道，用以传输全部图像数据、流场数据、状态信息及控制指令；
所述的电源模块包括PoE分路器和电源变换器两部分：PoE分路器从以太网电缆的空闲线对中分离出48V的直流电源，其中第4、5线为正，第7、8线为负。电源变换器中的双输出降压模块HKS014R5将PoE分路器输出的48V直流电源转换为12V/1.25A和5V/1.5A的两路电源，和光学系统相连，总输出功率为22.5W；电源变换器中的降压式DC-DC变换器AOZ1010组成两路开关电源转换HKS014R5输出的5V/1.5A电源：一路输出3.3V电压作为DSP的IO电源及整个系统的数字电源，一路输出1.4V电压给DSP的内核供电，两路的最大输出电流均为2A。
本发明具有以下有益效果：
1、抗干扰能力强。近红外波段成像，可有效抑制复杂的水面光学噪声、增强目标与背景间的亮度对比，从而提高水流示踪物运动矢量估计的准确性。仪器采用采用在单色CMOS图像传感器前加装近红外红外滤光片这种简单易行的光学滤波方法，使后续流程中原本复杂的图像增强算法得以省略或简化。
2、时空分辨率高。仪器在成像性能方面突破了现有模拟视频系统在图像分辨率和帧速率上的限制，实现了130万像素分辨率下30帧/秒的图像捕获能力，并向上兼容同系列300万像素的CMOS传感器，可在大视场下捕获更多微观尺度的水面示踪物。
3、系统灵活高效。基于智能相机的系统架构将图像采集、网络通信、双滤镜切换及镜头、和补光灯控制等任务集成在DSP和CPLD芯片内完成，实现了多任务的并行执行和各系统间的紧耦合，在提高系统可靠性的同时，仪器得以小型化和轻量化，能够满足应急测验对便携性的要求。
鉴于以上特点，本系统能够克服传统接触式测流仪器的不足，以较小的代价安全、快速地完成现场部署，可实现对关键河段的水位、流速、流量等水情信息进行常规监测，并在突发性洪水等极端条件下及时、准确地捕获测验信息，为洪水成因及季节性、区域性演进规律的科学研究提供数据积累，进而为防洪规划设计提供参考，降低洪灾损失。
附图说明
图1是本发明的硬件系统结构框图。
图2是本发明涉及的图像传感器模块的原理图。
图3是本发明涉及的电机驱动模块的原理图。
图4是本发明涉及的照明控制模块的原理图。
图5是本发明涉及的电源变换器的原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：
本发明的硬件系统结构框图如图1所示。采用了一体化智能相机的体系结构，由处理器模块、图像传感器模块、光学系统、网络通信模块和电源模块组成。智能相机是一种高度集成化、智能化、可独立操作的嵌入式机器视觉系统。它将图像的采集、处理及通信功能集成于单一系统内，能够在信息获取的前端处理原始数据，并提取特征信息甚至直接获得用户关心的流场、流量结果。可大大降低高分辨率图像在远距离传输时对通信带宽的要求和监测中心的处理压力，有利于分布式水情遥测物联网的构建。
处理器模块以一片32位定点DSP芯片TMS320DM642为核心，用于图像数据的处理及传输。其内部锁相环（PLL）将外部有源晶振提供的50MHz时钟倍频到600MHz作为主时钟，每秒可执行4.8亿条指令，可高效地完成系统控制、图像采集、图像处理及数据传输的任务。利用TI提供的BIOS操作系统、DDK驱动开发包及NDK网络协议栈开发包，可优化资源配置并降低设计复杂度。相比基于FPGA和ARM的方案，具有速度快、易于控制、累加成本低等优点。TMS320DM642的片内集成了视频口VPORT1、外部存储器接口EMIFA、增强型媒体存取控制器EMAC和I2C总线等功能模块用于连接各种外设。处理器模块在TMS320DM642的CE0空间通过EMIFA接口外扩四片32M×16bit的SDRAM存储芯片MT48LC32M16A2，使数据存储器空间达到256MB；在TMS320DM642的CE1空间外扩一片4MB的FLASH存储芯片AM29LV033C作为程序存储器；并采用一片CPLD芯片EPM570扩展连接外设的数字接口，包括三根译码控制线用于扩展FLASH芯片的地址总线，四路PWM信号分别用于电动三可变镜头的变焦、对焦、光圈调节和双滤镜切换器控制，一组开关信号用于照明控制模块的驱动。
图像传感器模块采用分辨率为130万像素的单色CMOS图像传感器MT9M001，用于图像数据的采集。MT9M001通过10-bit并行接数字接口和TMS320DM642的VPORT1接口相连，输出像素数据D[9:0]；通过SCL和SDA接口和TMS320DM642的I2C接口相连，用于内部寄存器的配置，实现图像大小、位置、曝光时间及亮度增益的调节。MT9M001的像素时钟信号PIXCLK和行同步信号LINE_VALID分别和TMS320DM642的VPORT1接口中的VP1CLK0和VP1CTL0引脚相连。EPM570向MT9M001提供48MHz的主时钟CLKIN，通过内嵌的可编程脉冲信号发生器输出快门触发信号TRIGGER，并接收来自MT9M001的补光灯触发信号STROBE。
光学系统由双滤镜切换器、电动三可变镜头、红外LED补光灯、电机驱动模块及照明控制模块构成，用于实现近红外波段或全光谱波段下光学成像的远程控制。双滤镜切换器安装于CMOS传感器前，具有C型标准镜头座用于连接光学镜头；内嵌8mm（长度）×8mm（宽度）×0.5mm（厚度）、波长为850-1050nm的近红外长通滤光片和波长为400-1050nm的全光谱滤光片各一片，分别用于光照充足和光照不足的场合。电动三可变镜头的型号为H10Z0812M，具有1/2-inch的C型标准接口，焦距调节范围为8mm-80mm，对焦调节范围为1.5m-∞，光圈调节范围为F1.2-F22。红外LED补光灯采用波长为850nm的LED灯管；具有铝质及强化玻璃的防水封装；供电电源为12V直流，额定功率小于15W，有效照明距离大于50m。相比可见光，红外光不会吸引昆虫，可减少外部干扰；配合850nm的红外滤镜使用时，在同等光强下，光辐射的利用率更高；而相比红外激光光源，其功率密度小，不会对人眼造成伤害或造成光污染。电机驱动模块具有四组相同且独立的带光耦隔离的H桥放大电路，工作电压为12V；模块的输入为CPLD提供的四路脉宽为0.1s的PWM信号；模块的输出为四路放大信号，一路FILTER信号用于驱动双滤镜切换器中的旋转式磁控体产生旋转，实现双滤镜的切换，另外三路ZOOM、IRIS和FOCUS信号分别用于电动三可变镜头的变焦、光圈和对焦的调节。照明控制模块的输入为CPLD输出的3.3V开关信号，开关信号经光耦隔离后驱动12V直流继电器的初级线圈，进而控制和继电器次级线圈串联的红外LED补光灯的通断。
网络通信模块采用物理层芯片RTL8201、网络传输变压器和RJ45网络接口作为物理层接口，通过EMAC接口和处理器模块中的DSP相连，通过RJ45网络接口和电源模块中的PoE分路器相连，提供一条符合IEEE802.3协议的以太网接入通道，而TMS320DM642内部集成了EMAC接口用以控制物理层芯片与DSP内核之间的数据包交换。模块用于传输全部图像数据、流场数据、状态信息及控制指令，传输带宽为100Mbit，无中继传输距离可达百米。
电源模块包括PoE分路器和电源变换器两部分。首先，采用PoE分路器从以太网电缆的空闲线对中分离出48V的直流电源，其中第4、5线为正，第7、8线为负；然后采用电源变换器中的双路输出线性直流稳压模块HKS014R5将PoE分路器输出的48V直流电源转换为12V/1.25A和5V/1.5A的两路电源，和光学系统相连，总输出功率为22.5W；最后采用电源变换器中的降压式DC-DC变换器AOZ1010组成两路开关电源转换HKS014R5输出的5V/1.5A电源：一路输出3.3V电压作为DSP的IO电源及整个系统的数字电源，一路输出1.4V电压给DSP的内核供电，两路的最大输出电流均为2A。
本发明的图像传感器模块原理图如图2所示。图中U1为CMOS图像传感器MT9M001。P1、P2均为连接处理器模块和图像传感器模块的接插件，引脚数为1×12，引脚间距为2.00mm。U1的24、25、26、27、28、32、33、34、35、36引脚为10-bit并行数据输出端口，分别通过P1的4、7引脚和P2的8、7、6、5、4、3、2、1引脚与TMS320DM642视频口VPORT1的A通道数据接口D[9:0]相连；U1的45、46引脚为SDA、SCL接口，分别通过P2的10、9引脚和TMS320DM642的I2C接口相连。U1的39引脚输出补光灯触发信号STROBE，通过P2的11引脚和EPM570相连。U1的8引脚输入快门触发信号TRIGGER，通过P1的1引脚和EPM570相连。U1的31引脚为像素时钟信号PIXCLK，通过P1的10引脚和TMS320DM642视频口VPORT1的VP1CLK0相连。U1的40引脚为行同步信号LINE_VALID，通过P1的6引脚和TMS320DM642视频口VPORT1的VP1CTL0相连。U1的7引脚为待机控制接口，通过电阻R1接地使U1工作于正常状态。U1的10引脚为复位信号输入端，通过P1的引脚3接入处理器模块，并通过电阻R2接3.3V电源，使U1上电复位完成后保持高电平。U1的13引脚为芯片的使能信号输入端，通过P1的引脚9接入处理器模块，并通过电阻R3接地，使U1处于使能状态。U1的29引脚为主时钟CLKIN的输入端，通过P1的引脚8和EPM570相连，时钟频率为48MHz。电容C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7均为贴片滤波电容，用于滤除电源中的高频噪声。
本发明的电机驱动模块的原理图如图3所示。四组相同且独立的带光耦隔离的H桥驱动电路组成了电机驱动模块，一组用于驱动双滤镜切换器中的旋转式磁控体产生旋转，实现双滤镜的切换，另外三组分别用于电动三可变镜头的变焦、光圈和对焦的调节，这里仅介绍其中一组。电路的输入为两路来自CPLD的PWM信号CPLD_PWM1和CPLD_PWM2，两路信号脉宽均为0.1s但极性相反。两路信号通过U2双路光耦PC827的1、3引脚输入，经光电隔离后分别从7、5引脚输出至9013三极管Q1和Q2的基极。8550三极管Q3、Q4和8050三极管Q5、Q6共同构成H桥结构的驱动电路，R10、R11通过对5V和12V电源分压为H桥提供8.5V电源。Q3、Q4的发射极和8.5V电源相连，Q5、Q6的发射极和地相连。Q3、Q5的集电极和直流电机M1的正极相连，Q4、Q6的集电极和直流电机M1的负极相连。电机两端并联0.1uF的滤波电容C8。Q2的集电极和发射极分别通过电阻R13、R14和Q4、Q5的基极相连，Q3的集电极和发射极分别通过电阻R12、R15和Q3、Q6的基极相连。当CPLD输出的CPLD_PWM1信号为高电平时，三极管Q1、Q4、Q5导通，驱动直流电机正转；相反，当CPLD输出的CPLD_PWM2信号为高电平时，三极管Q2、Q3、Q6导通，驱动直流电机反转。
本发明的照明控制模块的原理图如图4所示。P3为模块的输入接口，1引脚接地，3引脚接入来自电源模块的12V直流电源，2引脚接入CPLD输出的3.3V开关信号。U3为单路光耦PC817。LED1和LED2分别为光耦隔离前后的工作状态指示灯。R16、R17和R18分别为LED1、三极管Q7和LED2的限流电阻。K1为12V直流继电器，D1为与K1的初级线圈并联的二极管，用于消除反向耦合电压。P4为模块的输出接口，和红外LED补光灯串联。当P3的2引脚输入高电平时，U3的发射端处于导通状态，与R16和LED1形成闭合回路，LED1点亮，U3的接收端受到光照后使Q7反相导通处于低电位，LED2被点亮，同时K1的线圈上电吸合开关，红外LED补光灯处于开启状态；反之则处于关闭状态。
本发明的电源变换器的原理图如图5所示。P5为48V电源输入接口，和电源模块中PoE分路器的输出相连，1引脚接48V，2引脚接地。铝电解电容C9、陶瓷电容C10均为输入端的滤波电容，和48V电源并联。U4为双输出降压模块HKS014R5；U4的1引脚接48V；2、3引脚接地；4引脚和信号地间并联铝电解电容C11、陶瓷电容C12，输出5V/1.5A的直流电源；5引脚和信号地间并联铝电解电容C13、陶瓷电容C14，输出12V/1.25A的直流电源，总输出功率为22.5W。U5、U6为降压式DC-DC变换器AOZ1010，将HKS014R5输出的5V/1.5A电源转换为两路输出：一路输出3.3V电压作为DSP的IO电源及整个系统的数字电源，一路输出1.4V电压给DSP的内核供电，两路的最大输出电流均为2A。
Claims (5)
1.一种基于近红外智能相机的大尺度粒子图像测速仪，采用智能相机的系统架构，由处理器模块、图像传感器模块、光学系统、网络通信模块和电源模块组成，其特征在于：处理器模块以一片32位定点DSP芯片TMS320DM642为核心，用于图像数据的处理及传输；图像传感器模块采用分辨率为130万像素的单色CMOS图像传感器MT9M001，用于图像数据的采集；光学系统由双滤镜切换器、电动三可变镜头、红外LED补光灯、电机驱动模块及照明控制模块构成，用于实现近红外波段或全光谱波段下光学成像的远程控制；采用PoE方式供电，和数据传输共用一根电缆；
所述的图像传感器模块中CMOS图像传感器通过10-bit并行数字接口和DSP的视频口VPORT1相连，输出像素数据D[9∶0]；通过SCL和SDA接口和DSP的I2C接口相连，用于内部寄存器的配置，实现图像大小、位置、曝光时间及亮度增益的调节；CMOS传感器的像素时钟信号PIXCLK和行同步信号LINE_VALID分别和DSP的VPORT1接口中的VP1CLK0和VP1CTL0引脚相连；CPLD向CMOS传感器提供48MHz的主时钟CLKIN，通过内嵌的可编程脉冲信号发生器输出快门触发信号TRIGGER，并接收来自CMOS传感器的补光灯触发信号STROBE；
所述的电机驱动模块具有四组相同且独立的带光耦隔离的H桥驱动电路；模块的输入为CPLD提供的四路脉宽为0.1s的PWM信号；模块的输出为四路放大信号，一路FILTER信号用于驱动双滤镜切换器中的旋转式磁控体产生旋转，实现双滤镜的切换，另外三路ZOOM、IRIS和FOCUS信号分别用于电动三可变镜头的变焦、光圈和对焦的调节；
所述的照明控制模块的输入为CPLD输出的3.3V开关信号，开关信号经光耦隔离后驱动12V直流继电器的初级线圈，进而控制和继电器次级线圈串联的红外LED补光灯的通断；
所述的网络通信模块采用物理层芯片RTL8201、网络传输变压器和RJ45网络接口作为物理层接口，通过EMAC接口和处理器模块中的DSP相连，通过RJ45网络接口和电源模块中的PoE分路器相连，提供一条符合IEEE 802.3协议的以太网接入通道，用以传输全部图像数据、流场数据、状态信息及控制指令；
所述的电源模块包括PoE分路器和电源变换器两部分：PoE分路器从以太网电缆的空闲线对中分离出48V的直流电源，其中第4、5线为正，第7、8线为负；电源变换器中的双输出降压模块HKS014R5将PoE分路器输出的48V直流电源转换为12V/1.25A和5V/1.5A的两路电源，和光学系统相连，总输出功率为22.5W；电源变换器中的降压式DC-DC变换器AOZ1010组成两路开关电源转换HKS014R5输出的5V/1.5A电源：一路输出3.3V电压作为DSP的IO电源及整个系统的数字电源，一路输出1.4V电压给DSP的内核供电，两路的最大输出电流均为2A。
2.根据权利要求1所述的一种基于近红外智能相机的大尺度粒子图像测速仪，其特征在于：所述的处理器模块在DSP内集成了视频口VPORT1、外部存储器接口EMIFA、增强型媒体存取控制器EMAC和I2C总线等功能模块用于连接各种外设；在DSP的CEO空间通过EMIFA接口外扩四片32M×16bit的SDRAM存储芯片MT48LC32M16A2，使数据存储器空间达到256MB；在DSP的CE1空间外扩一片4MB的FLASH存储芯片AM29LV033C作为程序存储器；采用一片CPLD芯片EPM570扩展连接外设的数字接口，包括三根译码控制线用于扩展FLASH芯片的地址总线，四路PWM信号分别用于电动三可变镜头的变焦、对焦、光圈调节和双滤镜切换器控制，一组开关信号用于照明控制模块的驱动。
3.根据权利要求1所述的一种基于近红外智能相机的大尺度粒子图像测速仪，其特征在于：所述的双滤镜切换器安装于CMOS传感器前，具有C型标准镜头座用于连接光学镜头；内嵌8mm(长度)×8mm(宽度)×0.5mm(厚度)、波长为850-1050nm的近红外长通滤光片和波长为400-1050nm全光谱滤光片各一片，分别用于光照充足和光照不足的场合。
4.根据权利要求1所述的一种基于近红外智能相机的大尺度粒子图像测速仪，其特征在于：所述的电动三可变镜头具有1/2-inch的C型标准接口，焦距调节范围为8mm-80mm，对焦调节范围为1.5m-∞，光圈调节范围为F1.2-F22。
5.根据权利要求1所述的一种基于近红外智能相机的大尺度粒子图像测速仪，其特征在于：所述的红外LED补光灯采用波长为850nm的LED灯管；具有铝质及强化玻璃的防水封装；供电电源为12V直流，额定功率小于15W，有效照明距离大于50m。
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