CN105300408A

CN105300408A - 光电经纬仪时间同步精度检测系统及检测方法

Info

Publication number: CN105300408A
Application number: CN201510671283.7A
Authority: CN
Inventors: 周厚成; 刘晖; 谷锁林; 赵民伟; 邱扬刚; 孟尉玺; 陈志江; 骆长春; 钟明皓
Original assignee: UNIT 63636 OF PLA
Current assignee: UNIT 63636 OF PLA
Priority date: 2015-10-15
Filing date: 2015-10-15
Publication date: 2016-02-03
Anticipated expiration: 2035-10-15
Also published as: CN105300408B

Abstract

本发明是一种光电经纬仪时间同步精度检测系统及检测方法，属于光电测量技术领域。光电经纬仪时间同步精度检测系统包括：标准时间形成单元对输入的GPS信号或IRIG-B码进行解码，生成并行时间码；时间信息光学编码单元通过点阵模块将并行时间码显示出来；点阵光信号输出单元以点阵形式输出当前时间的32位并行时间码，供被检测的光电经纬仪实时拍摄；点阵图像判读模块从拍摄的图像和保存图像的文件的包头中获取曝光时刻。本发明检测方法利用所述的检测系统进行检测，对多次曝光时刻的差值取平均确定光电经纬仪的时间同步精度。本发明确保了检测仪器的精度，能显著减少检测过程中的随机误差，快速实现光电经纬仪时间同步精度的检测。

Description

光电经纬仪时间同步精度检测系统及检测方法

技术领域

本发明属于光电测量技术领域，具体涉及一种光电经纬仪时间同步精度检测系统及检测方法。

背景技术

时间同步精度是光学测量设备——光电经纬仪的一项重要指标，它反映了光电经纬仪实际成像时刻与摄影基准时刻在时间上的差值。时间同步精度不高，直接影响飞行器外弹道数据交汇的准确性。数字化的光电经纬仪采用CMOS(ComplementaryMetalOxideSemiconductor，互补金属氧化物半导体)相机替代胶片作为成像器件，没有了机械相机的快门信号反馈，以往通过摄影脉冲与胶片快门信号来检测成像时间同步精度的方法不再适用。

发明内容

本发明为解决现有常规仪器无法检测数字化光电经纬仪时间同步精度的问题，提供一种光电经纬仪时间同步精度检测系统及检测方法。

本发明的光电经纬仪时间同步精度检测系统，包括标准时间形成单元、时间信息光学编码单元、点阵光信号输出单元以及点阵图像判读模块。

所述的标准时间形成单元对输入的GPS信号或IRIG-B码进行解码，生成并行时间码。GPS信号包括GPS串行时间信息和GPS秒信号；IRIG-B码为IRIG-B(AC)码或IRIG-B(DC)码。标准时间形成单元包括单片机、菜单控制模块、IRIG-B(AC)码预处理电路、FPGA以及温补晶振。IRIG-B(AC)码预处理电路将输入的IRIG-B(AC)码经过预处理生成1KHz同步脉冲和过门限脉冲输入FPGA，FPGA将1KHz同步脉冲和过门限脉冲转换成IRIG-B(DC)码。外送IRIG-B(DC)码直接输入FPGA。FPGA控制选择外送的IRIG-B(DC)码或IRIG-B(AC)码转换后的IRIG-B(DC)码送入单片机。单片机对输入的IRIG-B(DC)码进行解调，生成并行时间码秒以上信号和秒控制窗口，并输出给FPGA；秒控制窗口在FPGA内部同IRIG-B(DC)码进行“与”操作，获取IRIG-B(DC)码中的秒信号S1。单片机对GPS串行时间信息进行解调，生成并行时间码秒以上信号并输出给FPGA。

GPS秒信号S2直接送入FPGA。FPGA将秒信号S1或S2与温补晶振的5MHz频率信号合成，生成并行时间码毫秒以下信号。当秒信号S1或S2上升沿触发时，将并行时间码秒以上信号与毫秒以下信号同步输出到时间信息光学编码单元。

所述的时间信息光学编码单元接收标准时间形成单元发送的并行时间码信号，并行时间码通过点阵模块显示出来。点阵模块采用直接跃迁材料的LED发光二极管作为光源组成点阵，1个发光二极管代表1位时间信息，显示内容包括32位并行时间码和光电经纬仪时间同步精度检测系统的点阵发光频率，一共36个发光二极管。

所述的点阵光信号输出单元以点阵形式输出当前时间的32位并行时间码，供被检测的光电经纬仪实时拍摄。光电经纬仪将实时拍摄的点阵图像以BMP格式的文件保存在自身的存储系统中，在BMP格式的文件的包头内还存放光电经纬仪自身记录的该幅图像的曝光时刻。

所述的点阵图像判读模块对光电经纬仪存储系统中的BMP格式的文件进行图形与包头数据的提取与分离，从拍摄的该幅图像中获取曝光时刻T₁，从BMP格式文件的包头内获取所记录的曝光时刻T₂。将T₁与T₂作差，将获得的多次差值取平均确定该光电经纬仪的时间同步精度。

本发明的光电经纬仪时间同步精度检测方法，包含以下步骤：

步骤A、在光电经纬仪镜头前方放置光电经纬仪时间同步精度检测系统，使光电经纬仪时间同步精度检测系统呈现的点阵图像画幅面积占据光电经纬仪视场的70％～90％，进入步骤B；

步骤B、设置光电经纬仪、光电经纬仪时间同步精度检测系统工作在相同的时间源下，设置光电经纬仪时间同步精度检测系统的点阵发光频率与光电经纬仪的拍摄频率相同，进入步骤C；

步骤C、设置光电经纬仪拍摄图像的曝光脉冲宽度为1ms，设置光电经纬仪时间同步精度检测系统的发光脉冲宽度为1ms，进入步骤D；

步骤D、设置光电经纬仪时间同步精度检测系统的点阵发光延时参数(即循环次数)，使点阵发光时间以1ms为单位步进，直到光电经纬仪可以拍摄到光电经纬仪时间同步精度检测系统呈现的点阵图像，进入步骤E；

步骤E、光电经纬仪拍摄光电经纬仪时间同步精度检测系统呈现的点阵图像，并将记录图像存储到光电经纬仪的图像存储单元中，进入步骤F；

步骤F、通过点阵图像判读模块解析记录的点阵图形的时间信息，获得拍摄该幅图像的曝光时刻T₁；通过配套的点阵图像判读模块提取记录在BMP格式图像包头内的附加信息，获得该幅图像由光电经纬仪记录的曝光时刻T₂，将T₁与T₂进行作差运算，将获得的多次差值取平均确定该光电经纬仪的时间同步精度。

本发明的优点与积极效果在于：

(1)由于采用GPS信号和IRIG-B码信号作为光电经纬仪时间同步精度检测系统的时间源，采用0.5ppm的高精度温补晶振作为光电经纬仪时间同步精度检测系统的频率源，确保其作为检测仪器的精度。

(2)标准时间形成单元采用了基于FPGA的片上系统开发技术，使硬件产品小型化、便携性强，方便光电经纬仪时间同步精度的外场检测。

(3)配套的点阵图像判读模块直接提取分离图形与包头数据，直观地获取图形与包头数据分别记录的曝光时刻，快速实现光电经纬仪时间同步精度的检测。

附图说明

图1为本发明所述的光电经纬仪时间同步精度检测系统的结构示意图；

图2为具体实施方式一所述的光电经纬仪时间同步精度检测系统的菜单控制示意图；

图3为具体实施方式一中时间信息光学编码单元的点阵排列图；

图4为具体实施方式二所述的光电经纬仪时间同步精度检测方法的流程图；

图5为具体实施方式二中配套的点阵图像判读模块提取与分离BMP格式点阵图像的截图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

具体实施方式一、结合图1、图2和图3说明本实施方式，本发明的光电经纬仪时间同步精度检测系统包括标准时间形成单元10、时间信息光学编码单元20、点阵光信号输出单元30以及配套的点阵图像判读模块40。

标准时间形成单元10对输入的GPS信号或IRIG-B码进行解码，生成并行时间码。GPS信号包括GPS串行时间信息和GPS秒信号；IRIG-B码为IRIG-B(AC)码或IRIG-B(DC)码。如图1所示，标准时间形成单元10包括单片机11、菜单控制模块12、IRIG-B(AC)码预处理电路13、现场可编程门阵列(FPGA)14以及温补晶振15。

菜单控制模块12是人机交互的接口，用户通过菜单控制模块12对光电经纬仪时间同步精度检测系统进行参数设置，包括选择信号源。菜单控制模块12如图2所示，包含LED数字显示、发光二极管显示和功能按键。LED数字显示由9个八段LED数码管组成，前面6个用于显示时间、修正时延值和系统菜单；后面3个用于显示循环次数和点灯时长。发光二极管显示一共有7个，前三个用于AC、DC、GPS显示，每两秒亮灭一次，分别表示IRIG-B(AC)码、IRIG-B(DC)码、GPS串行时间信息接收正常，否则有误码或未接收到时间信息；后四个用于50Hz、100Hz、200Hz、400Hz显示，根据选择的工作频率常亮，表示所采用的点阵发光频率。功能按键一共有8个，按“菜单键”可以在LED数码管上分别显示“TSET”、“SOPT”、“DSET”和“DDSP”四个菜单项，分别对应“时间设置”、“信号源选择”、“时延设置”和“时延显示”。进入“时间设置”或“时延设置”状态后，“菜单键”可以改变置数的LED位置；进入“时间设置”或“时延设置”状态后，按“调节键”用于改变置入的数据；进入“信号源选择”状态，按“调节键”用于切换GPS、AC和DC；按“确认键”，“调节键”操作有效；按“左复位键”，单片机11复位；按“频率键”，选择光电经纬仪时间同步精度检测系统的点阵发光频率；按“点灯键”，选择点灯时长；按“循环键”，选择循环次数，即光电经纬仪时间同步精度检测系统的点阵发光延时参数；“右复位键”用于将循环次数复位。

IRIG-B(AC)码预处理电路13收到IRIG-B(AC)码后，对IRIG-B(AC)码经仪表放大器差分放大后分为两路信号进行处理，一路信号经过零比较，从IRIG-B(AC)中解调出1KHz同步脉冲；另一路信号通过自动门限设置，解调出IRIG-B(AC)码中的过门限脉冲。在FPGA14中利用解调出来的两路脉冲信息，就可以得到与IRIG-B(AC)码保持高同步精度的IRIG-B(DC)码。

单片机11对输入的IRIG-B(DC)码进行解调，生成并行时间码秒以上信号和秒控制窗口。单片机11将生成的并行时间码秒以上信号和秒控制窗口输出给FPGA14。秒控制窗口在FPGA14内部同所选择的IRIG-B(DC)码进行“与”操作，获取IRIG-B(DC)码中的秒信号S1。GPS串行时间信息送入单片机11进行解调。单片机11对GPS串行时间信息进行解调，生成并行时间码秒以上信号，并输出给FPGA14。标记GPS秒信号为S2，秒信号S2直接送入FPGA14内部。

FPGA14将从单片机11发来的秒信号S1或外送的GPS秒信号S2和温补晶振15输出的5MHz的频率信号合成，生成并行时间码毫秒以下信号，当秒信号S1或S2上升沿触发时，FPGA14将并行时间码秒以上信号与毫秒以下信号同步输出到时间信息光学编码单元20。本发明实施例中所生成的并行时间码信号共32位，分别是“时”6位、“分”7位、“秒”7位和“毫秒”12位，与点阵的32个LED灯一一对应，时间变化时，32个LED灯相应变化。

温补晶振15输出的5MHz频率信号，输入到FPGA14经分频处理，输出1Hz、4Hz和20Hz等同步脉冲信号。

单片机11还对秒信号S1或S2进行误码判断。判断规则为：当秒信号S1每次上升沿时，单片机11检查IRIG-B(DC)码解调得到的并行时间码是否加1秒，连续5次S1上升沿时都完成加1秒操作则认为没有误码；当秒信号S2每次上升沿时，单片机11检查GPS串行时间信息解调得到的并行时间码是否加1秒，连续5次S2上升沿时都完成加1秒操作则认为没有误码。在无误码的情况下进行时间更新，有误码的情况下进行加秒守时。

GPS秒信号还输入单片机11中，用于产生秒中断，中断服务程序完成误码判断和秒信号的控制。当判断没有误码的时候，允许秒信号对FPGA内部的同步脉冲生成单元进行同步操作。同步脉冲生成单元产生的同步脉冲信号主要为时间同步精度检测系统的测试接口，使用更高精度的时统设备，用以检测时间同步精度检测系统自身的脉冲精度。在判断出有误码的情况下，单片机11将禁止秒信号对FPGA内部同步脉冲生成单元的同步操作。具体操作过程为：当判断出时间码有断续、乱码等情况时，单片机11输出的秒控制窗口为低电平，秒控制窗口与秒信号相与为低电平，因此屏蔽了秒信号，同步脉冲生成单元收不到秒信号将保持守时状态。

在本实施例中单片机11采用Intel公司生产的16位单片机80C196KC，FPGA14采用Altera公司的EPF10K20TC144，温补晶振15采用频率5MHz，频差为1ppm的产品。

时间信息光学编码单元20接收标准时间形成单元10发送的并行时间码信号，并行时间码通过点阵模块显示出来。点阵模块采用直接跃迁材料的LED发光二极管作为光源组成点阵，1只发光管代表1位时间信息，显示内容包括32位并行时间码和光电经纬仪时间同步精度检测系统的点阵发光频率。点阵排列以及每位代表的意义如图3所示，黑色圆点代表光电经纬仪时间同步精度检测系统的点阵发光频率，在对光电经纬仪的实际检测中，点阵发光频率与光电经纬仪的拍摄频率设置相同；白色圆点代表并行时间码，共32位，分别是“时”6位、“分”7位、“秒”7位和“毫秒”12位，时间的改变使得点阵同步变化，点阵实时反映了当前的标准时间。

点阵光信号输出单元30以点阵形式输出当前时间的32位并行时间码，供被检测的光电经纬仪实时拍摄。光电经纬仪时间同步精度检测系统与被检测的光电经纬仪没有任何物理或电气连接，点阵图像所反映的当前标准时间是以光信号形式传输给光电经纬仪，光速传输的时间延迟可以忽略不计。光电经纬仪将实时拍摄的点阵图像以BMP格式的文件保存在自身的存储系统中，在其包头内还保存有图像的附加测量信息，包括光电经纬仪自身记录的该幅图像的曝光时刻、测量角度等。

点阵图像判读模块40基于VC6.0开发设计，对光电经纬仪存储系统中的BMP格式的点阵图像文件进行图形与包头数据的提取与分离，获得拍摄该幅图像的曝光时刻T₁与BMP格式图像包头内记录的曝光时刻T₂。

下面结合图4和图5说明本发明实施的光电经纬仪时间同步精度检测方法，该方法由以下步骤实现：

步骤A，在光电经纬仪镜头前方选取利于拍摄的合适场地放置光电经纬仪时间同步精度检测系统，使光电经纬仪时间同步精度检测系统呈现的点阵图像画幅面积占据光电经纬仪视场的70％～90％，进入步骤B；

步骤B，设置光电经纬仪、光电经纬仪时间同步精度检测系统工作在相同的时间源下，设置光电经纬仪时间同步精度检测系统的点阵发光频率与光电经纬仪的拍摄频率相同，进入步骤C；

步骤C，设置光电经纬仪拍摄图像的曝光脉冲宽度为1ms，设置光电经纬仪时间同步精度检测系统的发光脉冲宽度为1ms，进入步骤D；

步骤D，设置光电经纬仪时间同步精度检测系统的点阵发光延时参数(即循环次数)，并使点阵发光时间以1ms为单位步进，直到光电经纬仪可以拍摄到光电经纬仪时间同步精度检测系统呈现的点阵图像，进入步骤E；

步骤E，光电经纬仪拍摄光电经纬仪时间同步精度检测系统呈现的点阵图像，并将记录图像存储到光电经纬仪的图像存储单元中，进入步骤F；

步骤F，通过配套的点阵图像判读软件解析记录的点阵图形的时间信息，获得拍摄该幅图像的曝光时刻T₁；通过配套的点阵图像判读软件提取记录在BMP格式图像包头内的附加信息，获得该幅图像由光电经纬仪记录的曝光时刻T₂，将T₁与T₂进行作差运算，将获得的多次差值取平均确定该光电经纬仪的时间同步精度。

在本实施例中，光电经纬仪拍摄记录的点阵图像是事后进行判读的。图5为配套的点阵图像判读模块40进行判断的截图，左侧显示的点阵图形根据每个点阵所对应的时间码可得到拍摄该幅图像的曝光时刻，右侧TEA信息中的绝对时即是BMP图像包头内光电经纬仪自身记录的图像曝光时刻。

在本发明中，由于标准时间形成单元10采用了FPGA14与单片机11结合的硬件电路设计，时间同步误差很小且基本不变，可以利用示波器、逻辑分析仪等仪器对其进行标定，经过标定后以标准时间形成单元10的时间数据为基准。

由于配套的点阵图像判读模块40对光电经纬仪拍摄记录的点阵图像是事后判读，而大数据量的点阵图像均是记录在光电经纬仪的图像存储系统中，通常的光电经纬仪图像存储系统容量都很大，不用担心检测数据量不够的问题。通过配套的点阵图像判读软件可以实现单次大量点阵图像的判读，可以显著减少检测过程中的随机误差。

本发明可用于各种类型的数字化光电经纬仪的时间同步精度检测，由于光电经纬仪时间同步精度检测系统与被检测的光电经纬仪没有任何物理或电气连接，便于检测且可移植性强。

如上所述，对本领域的技术人员来说，在本质上不脱离本发明原理的基础上，可以对该实施例进行形式和细节上的各种改变和修改，这些改变和修改都确定为包含在本发明的范围内。

Claims

1.一种光电经纬仪时间同步精度检测系统，其特征在于，包括标准时间形成单元、时间信息光学编码单元、点阵光信号输出单元以及点阵图像判读模块；

所述的标准时间形成单元对输入的GPS信号或IRIG-B码进行解码，生成并行时间码；GPS信号为GPS串行时间信息和GPS秒信号；IRIG-B码为IRIG-B(AC)码或IRIG-B(DC)码；所述的标准时间形成单元包括单片机、菜单控制模块、IRIG-B(AC)码预处理电路、现场可编程门阵列FPGA和温补晶振；菜单控制模块是人机交互的接口；IRIG-B(AC)码预处理电路将输入的IRIG-B(AC)码经过预处理生成1KHz同步脉冲和过门限脉冲输入FPGA，FPGA将1KHz同步脉冲和过门限脉冲转换成IRIG-B(DC)码；外送的IRIG-B(DC)码直接输入FPGA；FPGA控制选择外送的IRIG-B(DC)码或IRIG-B(AC)码转换后的IRIG-B(DC)码送入单片机；单片机对输入的IRIG-B(DC)码进行解调，生成并行时间码的秒以上信号和秒控制窗口，将秒控制窗口输出给FPGA；秒控制窗口在FPGA内部同IRIG-B(DC)码进行“与”操作，获取IRIG-B(DC)码中的秒信号S1；单片机对GPS串行时间信息进行解调，生成并行时间码秒以上信号并输出给FPGA；GPS秒信号直接送入FPGA，标记GPS秒信号为S2；FPGA将秒信号S1或S2与温补晶振输出的5MHz频率信号合成，生成并行时间码的毫秒以下信号；当秒信号S1或S2上升沿触发时，将并行时间码秒以上信号与毫秒以下信号同步输出到时间信息光学编码单元；

所述的时间信息光学编码单元接收标准时间形成单元发送的并行时间码信号，并行时间码通过点阵模块显示出来；所述的点阵模块采用直接跃迁材料的LED发光二极管作为光源组成点阵，1个发光二极管代表1位时间信息，显示内容包括32位并行时间码和光电经纬仪时间同步精度检测系统的点阵发光频率，共36个发光二极管；

所述的点阵光信号输出单元以点阵形式输出当前时间的32位并行时间码，供被检测的光电经纬仪实时拍摄；光电经纬仪将实时拍摄的点阵图像以BMP格式的文件保存在自身的存储系统中，在BMP格式的文件的包头内存放有光电经纬仪自身记录的该幅图像的曝光时刻；

所述的点阵图像判读模块对光电经纬仪存储系统中的BMP格式的文件进行图形与包头数据的提取与分离，从拍摄的该幅图像中获取曝光时刻T₁，从BMP格式文件的包头内获取所记录的曝光时刻T₂，将T₁与T₂作差，将获得的多次差值取平均确定该光电经纬仪的时间同步精度。

2.根据权利要求1所述的一种光电经纬仪时间同步精度检测系统，其特征在于，所述的IRIG-B(AC)码预处理电路，对收到的IRIG-B(AC)码，经仪表放大器差分放大后分为两路信号处理，将一路信号经过零比较，从IRIG-B(AC)中解调出1KHz同步脉冲；将另一路信号通过自动门限设置，解调出IRIG-B(AC)码中的过门限脉冲。

3.根据权利要求1所述的一种光电经纬仪时间同步精度检测系统，其特征在于，所述的菜单控制模块，设置有LED数字显示、发光二极管显示和功能按键；其中，LED数字显示包括9个八段LED数码管，前6个LED数码管用于显示时间、修正时延值和系统菜单，后3个LED数码管用于显示循环次数和点灯时长；发光二极管显示有7个，前3个发光二极管分别用于显示IRIG-B(AC)码、IRIG-B(DC)码和GPS时间信息接收是否正常，若发光二极管每两秒亮灭一次，表示接收正常，否则表示有误码或未接收到时间信息；后4个发光二极管用于显示选择的工作频率，对应频率50Hz、100Hz、200Hz和400Hz，当选择某个工作频率时，对应的发光二极管常亮；功能按键有8个，包括菜单键、调节键、确认键、左复位键、频率键、点灯键、循环键和右复位键；按菜单键在LED数码管上分别显示“TSET”、“SOPT”、“DSET”和“DDSP”四个菜单项，分别对应“时间设置”、“信号源选择”、“时延设置”和“时延显示”，进入“时间设置”或“时延设置”状态后，按菜单键改变置数的LED位置；进入“时间设置”或“时延设置”状态后，按调节键改变置入的数据；进入“信号源选择”状态，按调节键切换GPS、AC和DC；按“确认键”，“调节键”操作有效；按“左复位键”，单片机复位；按“频率键”，选择光电经纬仪时间同步精度检测系统的点阵发光频率；按“点灯键”，选择点灯时长；按“循环键”，选择循环次数，也就是光电经纬仪时间同步精度检测系统的点阵发光延时参数；“右复位键”用于将循环次数复位。

4.根据权利要求1所述的一种光电经纬仪时间同步精度检测系统，其特征在于，所述的单片机，对得到的秒信号S1或S2进行误码判断，在无误码的情况下进行时间更新，在有误码的情况下进行加秒守时。

5.根据权利要求1所述的一种光电经纬仪时间同步精度检测系统，其特征在于，所述的点阵模块采用直接跃迁材料的LED发光二极管作为光源组成点阵，1个发光二极管代表1位时间信息，显示内容包括32位并行时间码和光电经纬仪时间同步精度检测系统的点阵发光频率，一共需要36个发光二极管。

6.基于权利要求1所述的一种光电经纬仪时间同步精度检测系统，一种光电经纬仪时间同步精度检测方法，其特征在于，包含以下步骤：

步骤D、设置光电经纬仪时间同步精度检测系统的点阵发光延时参数，使点阵发光时间以1ms为单位步进，直到光电经纬仪拍摄到光电经纬仪时间同步精度检测系统呈现的点阵图像，进入步骤E；

步骤E、光电经纬仪拍摄光电经纬仪时间同步精度检测系统呈现的点阵图像，并所拍摄的图像存储到光电经纬仪的图像存储单元中，进入步骤F；

步骤F、通过配套的点阵图像判读模块解析记录的点阵图形的时间信息，获得拍摄该幅图像的曝光时刻T₁；通过配套的点阵图像判读模块提取记录在BMP格式图像包头内的附加信息，获得该幅图像由光电经纬仪记录的曝光时刻T₂，将T₁与T₂作差，将获得的多次差值取平均确定该光电经纬仪的时间同步精度。