CN106197403A - Htem系统吊舱多点姿态光斑成像测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

HTEM系统吊舱多点姿态光斑成像测量方法及装置，涉及直升机时间域电磁法地球物理探测领域，为了解决传统惯性传感器测姿存在累积误差的问题，利用光斑成像测量装置在HTEM系统吊舱以及地表水平面选取多点进行姿态测量，通过记录太阳光斑的运动轨迹获取吊舱姿态信息，姿态测量装置主要包括通过透光窗产生太阳光斑的光机部分、CMOS图像传感器光斑成像并由FPGA计算光斑空间坐标位置的电子学部分，本发明避免了使用复杂算法，并且姿态测量装置光机系统、电路结构简单，成本低廉，适合多点安装进行同步测量，实时计算光斑在图像传感器上的空间坐标位置，数据量小，节省了硬件缓存开销。

Description

HTEM系统吊舱多点姿态光斑成像测量方法及装置

技术领域

本发明涉及直升机时间域电磁法(HTEM)地球物理探测领域，具体涉及一种HTEM系统吊舱多点姿态光斑成像测量方法及装置。

背景技术

直升机时间域电磁法(HTEM)是一种以直升机作为吊舱装置挂载载体，在飞行中实现探测数据信息捕获的地球物理探测方法。由于直升机的机动性、快速性，且飞行过程中不受复杂地形地貌的影响，适用于大面积国土资源探测。其基本原理是在吊舱装置的发射线圈中供以数百安培电流，在周围环境空间中建立稳定磁场，在发射电流关断瞬间激发地质体产生涡流场，吊舱装置的接收线圈同步捕获涡流场感应电压数据，通过电磁场正反演理论解释接收数据，获取地质体构造。直升机飞行过程中，发射线圈与接收线圈姿态将受气流影响产生变化，导致穿过接收线圈磁通量发生变化，产生运动噪声，影响数据质量。针对吊舱的姿态测量有助于从源头上消除运动噪声，对提高数据信噪比具有重要意义。

HTEM系统吊舱包括发射线圈、补偿环、接收线圈等多个近似环形装置，其中发射线圈直径达十多米，悬挂于直升机下方35m左右，通常情况下进行一次野外HTEM探测，需要飞行两个小时，飞行速度约为40节。由于飞行速度缓慢且基本保持恒定，HTEM系统吊舱姿态摆动幅度不大，与水平面夹角不会超过20°，摆动频率低于1Hz。姿态测量一般采用GPS、惯性传感器等，惯性传感器短期测姿精度高但是存在累积误差，GPS测姿方法利用载波相位观测信号，存在整周模糊度、整周跳变等问题，计算比较复杂。

发明内容

本发明为了解决传统惯性传感器测姿存在累积误差的问题，提供一种无累计误差的直升机时间域电磁探测系统吊舱多点姿态光斑成像测量方法及光斑成像测量装置。针对HTEM系统吊舱在飞行过程中的姿态变化情况，在吊舱上选取四个点作为姿态测量点，在地表水平面选取一点作为姿态参考点，利用光斑成像测量装置对太阳光斑成像，在飞行过程中记录吊舱上各个姿态测量点光斑的运动轨迹，地面同步记录姿态参考点光斑变化情况。

为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：

HTEM系统吊舱多点姿态光斑成像测量方法，该方法包括如下步骤：

步骤一，分别在吊舱航向发射线圈前端、后端、两侧选取四个姿态测量点，每个姿态测量点固定一个HTEM系统吊舱光斑成像姿态测量装置，透光窗与地表水平面平行，即吊舱在地面静止时，透光窗与地表水平面夹角为0°。由于吊舱直径较大，而民用直升机考虑到经济成本体型一般较小，直升机对姿态测量点太阳光遮挡有限，即使有一个测量点太阳光被遮挡，其他测量点也可基本确定吊舱姿态；

步骤二，在地表水平面上也放置一个HTEM系统吊舱光斑成像姿态测量装置作为姿态测量参考点，用于测量不同时间段的太阳光倾角；

步骤三，直升机飞行探测过程中，吊舱姿态变化导致透光窗与地表水平面夹角发生变化，太阳光斑随吊舱姿态变化而在CMOS图像传感器感光面上移动。在FPGA驱动时序控制模块的作用下，每个HTEM系统吊舱光斑成像姿态测量装置的CMOS图像传感器对太阳光斑进行成像，传感器输出的图像数据经过FPGA内部FIFO数据缓存模块，通过FPGA光斑坐标计算模块实时计算光斑中心在CMOS图像传感器上的空间坐标位置；

步骤四，将FPGA光斑坐标计算模块计算出的各个姿态测量点光斑中心位置空间坐标信息，由RS422接口数传至HTEM系统接收机中，存储光斑中心位置信息；

步骤五，探测工作结束后，根据HTEM系统接收机中存储的光斑中心位置情况，由空间几何坐标关系计算出不同时间段太阳光与吊舱的姿态角，通过与地表水平面上放置的HTEM系统吊舱光斑成像姿态测量装置所测得的不同时间段的太阳光倾角进行差值运算，获取吊舱姿态角变化量，将每个姿态测量点的姿态角变化量与HTEM探测数据关联起来，分析不同姿态测量点姿态信息与HTEM探测数据中运动噪声的关系。

在以CMOS图像传感器感光面为X轴、Y轴所在平面建立的空间几何坐标中，所述的吊舱姿态变化量主要通过同一时间太阳光与吊舱的姿态角和太阳光倾角进行差值运算得出，分为X轴向姿态角变化量、Y轴向姿态角变化量、Z轴向姿态角变化量。

HTEM系统吊舱光斑成像姿态测量装置，该装置分为光机部分和电子学部分，光机部分主要通过透光窗给CMOS图像传感器提供合适大小的光斑及创建利于光斑成像的环境；电子学部分由CMOS图像传感器及其驱动电路、FPGA控制核心、RS422数据串行传输接口、各种电压转换芯片构成的装置供电电源组成，用于光斑成像并计算光斑所在CMOS图像传感器上的空间坐标位置，将结果数传至HTEM系统接收机。

本发明的有益效果如下：

1、通过太阳光光斑成像的方式测量吊舱姿态，解决了传统惯性传感器测姿存在累积误差的问题，同时避免了使用复杂算法；

2、光机系统简单，仅需要一个透光窗即可代替相机镜头以及给CMOS图像传感器提供适合成像的环境即可；

3、姿态测量装置电路结构简单，所需芯片少，成本低廉，适合多点安装；

4、实时计算光斑在图像传感器上的空间坐标位置，将光斑坐标信息传输给HTEM系统接收机，数据量小，节省了硬件缓存开销；

5、多点姿态的同步测量，有利于分析吊舱飞行过程中的形变，提高姿态测量的准确度。

附图说明

图1是本发明中HTEM系统吊舱上光斑成像姿态测量点安装位置图。

图2是本发明中太阳光斑成像于CMOS焦平面示意图。

图3是本发明中光斑成像姿态角解算基本原理图。

图4是本发明中光斑成像姿态测量装置的原理框图。

图5是本发明中现场可编程门阵列内部功能模块的结构框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行做进一步的详细说明。

如图1所示，HTEM系统吊舱包括发射线圈、补偿环、接收线圈等多个近似环形装置，本发明的HTEM系统吊舱多点姿态光斑成像测量方法，将光斑成像姿态测量装置安装在吊舱的关键部位，其中吊舱航向发射线圈前端、后端、两侧选取四个姿态测量点，姿态测量装置透光窗平面与地表水平面平行。由于圆形吊舱直径一般十多米，而民用直升机考虑到经济成本一般体积较小，即使有一个测量点太阳光被直升机挡住，利用其余三个关键测点也可基本确定吊舱姿态。

如图2所示，本发明的光斑成像姿态测量的基本原理是，太阳光通过透光窗1照射到CMOS图像传感器2上形成太阳光斑，CMOS图像传感器将光斑转换为电信号并由现场可编程门阵列(FPGA)进行处理运算，解算出光斑在CMOS图像传感器上的空间坐标，通过RS422串行接口上传至HTEM系统接收机，由HTEM系统接收机对多点测量的空间坐标信息进行汇总，计算出每个测量点的姿态信息。

CMOS图像传感器S5K3L2的像元数为4208(H)×3120(V)，像元尺寸1.12×1.12μm。透光窗所在平面平行于CMOS图像传感器感光面所在平面，并且透光窗四边与CMOS图像传感器感光面四边也平行，透光窗尺寸约等于500个像元尺寸大小，几何中心在垂直于水平面的光线照射下形成光斑于CMOS图像传感器感光面中心。

如图3所示，本发明中定义空间三轴坐标系XYZ，坐标系原点O在CMOS图像传感器感光面中心，OZ轴垂直于XY平面指向透光窗几何中心，S点是透光窗几何中心点，A点是S点在CMOS图像传感器上的太阳光投影点，A点坐标设为(a，b)，S、A两点的连线与XYZ三轴坐标系的夹角分别为θ₁、θ₂、θ₃。假设透光窗与CMOS图像传感器之间的焦距为f，则有如下关系：

$\left\{\begin{array}{c}\left|\stackrel{\→}{AS}\right|=\frac{f}{{\mathrm{cos\θ}}_3}\\ a=-\left|\stackrel{\→}{AS}\right|{\mathrm{cos\θ}}_1\\ b=-\left|\stackrel{\→}{AS}\right|{\mathrm{cos\θ}}_2\\ {\left({\mathrm{cos\θ}}_1\right)}^2+{\left({\mathrm{cos\θ}}_2\right)}^2+{\left({\mathrm{cos\θ}}_3\right)}^2=1\end{array}\right.$

透光窗与CMOS图像传感器之间的焦距f是已知参数，当测量出光斑中心点坐标(a，b)后，即可通过公式计算出姿态角θ₁、θ₂、θ₃。该公式既可计算某一时间的地表水平面上的姿态测量参考点的姿态角信息，也可计算某一时间太阳光与吊舱的姿态角信息，通过同一时间太阳光与吊舱的姿态角和太阳光倾角进行差值运算得出姿态角变化量，分为X轴向姿态角变化量Δθ₁、Y轴向姿态角变化量Δθ₂、Z轴向姿态角变化量Δθ₃。

对于矩形形状的CMOS图像传感器感光区域，其视场角与感光区域边长S_CMOS和焦距f之间的关系可表示为

$A_{FOV}=2arctan\[\frac{S_{CMOS}/2}{f}\]$

最大视场角主要由CMOS图像传感器感光区域短边长度和焦距决定，在CMOS图像传感器选定的情况下，为了扩大视场角，只能通过减小透光窗与CMOS图像传感器之间的焦距f来实现。一般情况下HTEM系统吊舱姿态摆角不会超过20°，太阳光与水平面法线方向往往会有倾角，而HTEM系统吊舱姿态光斑成像测量方法中，最大视场角是吊舱姿态摆角与太阳光倾角的加和。为了保证太阳光斑能一直照射到CMOS图像传感器感光区上，取太阳光最大倾角60°来设计焦距。对于S5K3L2图像传感器，其感光区短边长度为3.5mm，则根据公式可计算出焦距f应为2.1mm。

如图4所示，本发明的光斑成像姿态测量装置主要包括CMOS图像传感器单元、现场可编程门阵列(FPGA)控制与处理核心单元、RS422串行数据传输单元、驱动电源单元、总工作电源单元等部分。各单元的主要功能如下：

CMOS图像传感器单元，包含S5K3L2图像传感器及外围电路设计，主要用于将太阳光信号转换转换为电信号；

现场可编程门阵列(FPGA)控制与处理核心单元，该单元电路除FPGA主芯片外，还包括一片PROM配置芯片、时钟晶振等，主要用于产生CMOS图像传感器工作所需要的寄存器配置和时序信号，接收CMOS图像传感器输出的图像数据，并对数据进行缓存、运算等操作，将光斑空间坐标信号输出；

RS422串行数据传输单元，RS422发送端作为控制指令、配置寄存器的发送通道，由HTEM系统接收机指向FPGA的数据流；RS232接收端作为数据的接收通道，由FPGA指向HTEM系统接收机的数据流；

驱动电源单元，CMOS图像传感器将光信号转换为模拟电信号，再将模拟电信号转换为可供计算机处理的数字电信号，图像传感器内部既有模拟部分也有数字部分电路，所以给CMOS图像传感器提供必需的模拟电源、数字电源等才能使图像传感器正常工作，驱动电源单元主要实现相应的模拟电源、数字电源等供应；

总工作电源单元，整个系统工作中，FPGA、RS422、PROM配置芯片、驱动电源单元电源入口等均需要提供匹配的工作电压，本单元根据各部分需要将外部输入的5V总电源转换为各部分需要的工作电压；

如图5所示，本发明的现场可编程门阵列内部功能模块由驱动时序控制模块、FIFO数据缓存模块、光斑坐标计算模块、通信数传控制模块等部分组成，各模块完成的主要工作如下：

驱动时序控制模块：接收通信数传控制模块送来的曝光时间、白平衡、增益、PLL等寄存器配置信号，在I²C时序控制下，对CMOS图像传感器进行配置；根据驱动时序需求进行DCM倍频分频的操作给CMOS图像传感器提供外部时钟MCLK以及利用分频器在全局时钟约束情况下产生行同步信号HSYNC、帧同步信号VSYNC等。使图像传感器像元数据以行方向从左到右、列方向至上而下依次读出，全像素输出帧频24fps，以8位输出数据。

FIFO数据缓存模块：采用FPGA内部IP核设计FIFO数据缓存模块，为输出像素数据与光斑坐标计算模块进行速率匹配。

光斑坐标计算模块：太阳光斑通过透光窗照射到CMOS感光区，光斑的几何中心位置称为形心，采用形心算法可快速定位光斑位置。由于COMS感光区像元数据采用从左到右、至上而下的顺序读出，按照此读出顺序定义感光区坐标，即坐标(x，y)位置像元对应x列y行像元。设(x₀，y₀)是所求取的光斑形心位置，(x，y)为光斑所在位置，CMOS感光面尺寸M×N，则算法如下：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_0=\frac{\underset{x=1}{\overset{M}{\Σ}}\underset{y=1}{\overset{N}{\Σ}}x}{\underset{x=1}{\overset{M}{\Σ}}\underset{y=1}{\overset{N}{\Σ}}1}\\ y_0=\frac{\underset{x=1}{\overset{M}{\Σ}}\underset{y=1}{\overset{N}{\Σ}}y}{\underset{x=1}{\overset{M}{\Σ}}\underset{y=1}{\overset{N}{\Σ}}1}\end{array}\right.$

FPGA在接收图像时，依次对每个像元数据判断是否是成像光斑，即大于某一阈值，如是光斑，则将其坐标代入公式进行计算，一帧图像数据传输结束后，实时输出光斑形心位置坐标。

通信数传控制模块：由于数据量小，采用RS422串行数据输出即可满足需求，通信数传控制模块首先接收RS422芯片传送来的寄存器配置信号，解码后传送给驱动时序控制模块，最终控制CMOS图像传感器按照寄存器设定的参数输出图像；在计算出光斑形心坐标位置后，通信数传控制模块控制RS422芯片发送通道，由发送通道发送该姿态测量点形心坐标位置给HTEM系统接收机。

Claims (5)

1.HTEM系统吊舱多点姿态光斑成像测量方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤一，分别在吊舱航向发射线圈前端、后端、两侧选取四个姿态测量点，每个姿态测量点固定一个HTEM系统吊舱光斑成像姿态测量装置，透光窗与地表水平面平行，即吊舱在地面静止时，透光窗与地表水平面夹角为0°；

步骤二，在地表水平面上也放置一个HTEM系统吊舱光斑成像姿态测量装置作为姿态测量参考点，用于测量不同时间段的太阳光倾角；

步骤三，直升机飞行探测过程中，吊舱姿态变化导致透光窗与地表水平面夹角发生变化，太阳光斑随吊舱姿态变化而在CMOS图像传感器感光面上移动。在FPGA的控制下，每个HTEM系统吊舱光斑成像姿态测量装置对太阳光斑进行成像，CMOS图像传感器输出的图像数据经过FPGA进行数据缓存，由FPGA实时计算光斑中心在CMOS图像传感器上的空间坐标位置；

步骤四，将FPGA计算出的各个姿态测量点光斑中心位置空间坐标信息，由RS422接口数传至HTEM系统接收机中，存储光斑中心位置信息；

步骤五，探测工作结束后，根据HTEM系统接收机中存储的光斑中心位置情况，由空间几何坐标关系计算出不同时间段太阳光与吊舱的姿态角，通过与地表水平面上放置的HTEM系统吊舱光斑成像姿态测量装置所测得的不同时间段的太阳光倾角进行几何运算，获取吊舱姿态角变化量，将每个姿态测量点的姿态角变化量与HTEM探测数据关联起来，分析不同姿态测量点姿态信息与HTEM探测数据中运动噪声的关系。

2.根据权利要求1所述的HTEM系统吊舱多点姿态光斑成像测量方法，其特征在于，在以CMOS图像传感器感光面为X轴、Y轴所在平面建立的空间几何坐标中，步骤二所述的太阳光倾角、步骤五所述的太阳光与吊舱的姿态角计算公式均为

$\left\{\begin{array}{c}\left|\stackrel{\→}{AS}\right|=\frac{f}{{\mathrm{cos\θ}}_3}\\ a=-\left|\stackrel{\→}{AS}\right|{\mathrm{cos\θ}}_1\\ b=-\left|\stackrel{\→}{AS}\right|{\mathrm{cos\θ}}_2\\ {\left({\mathrm{cos\θ}}_1\right)}^2+{\left({\mathrm{cos\θ}}_2\right)}^2+{\left({\mathrm{cos\θ}}_3\right)}^2=1\end{array}\right.$

为透光窗中心点到透光窗中心位置投影点模长，f为透光窗与CMOS图像传感器之间的焦距，(a，b)为光斑中心点坐标，θ₁、θ₂、θ₃分别为太阳光与X轴、Y轴、Z轴之间的夹角关系。

3.根据权利要求1所述的HTEM系统吊舱多点姿态光斑成像测量方法，其特征在于，在以CMOS图像传感器感光面为X轴、Y轴所在平面建立的空间几何坐标中，步骤五所述的吊舱姿态变化量主要通过同一时间太阳光与吊舱的姿态角和太阳光倾角进行差值运算得出，分为X轴向姿态角变化量、Y轴向姿态角变化量、Z轴向姿态角变化量。

4.根据权利要求1所述的HTEM系统吊舱多点姿态光斑成像测量方法的装置，其特征在于，该装置分为光机部分和电子学部分，光机部分主要通过透光窗给CMOS图像传感器提供合适大小的光斑及创建利于光斑成像的环境；电子学部分由CMOS图像传感器及其驱动电路、FPGA控制核心、RS422数据串行传输接口、各种电压转换芯片构成的装置供电电源组成，用于光斑成像并计算光斑所在CMOS图像传感器上的空间坐标位置，将结果数传至HTEM系统接收机。

5.根据权利要求4所述的HTEM系统吊舱多点姿态光斑成像测量方法的装置，其特征在于，所述的CMOS图像传感器及其驱动电路主要用于将太阳光信号转换转换为电信号；所述的FPGA控制核心内部功能模块由驱动时序控制模块、FIFO数据缓存模块、光斑坐标计算模块、通信数传控制模块等部分组成，驱动时序控制模块用于产生CMOS图像传感器工作所需要的寄存器配置和时序信号，FIFO数据缓存模块用于接收CMOS图像传感器输出的图像数据，并对数据进行缓存操作，光斑坐标计算模块用于求取光斑坐标位置，通信数传控制模块用于产生RS422数据串行传输接口所需要的时序，将光斑空间坐标信号输出；所述的RS422数据串行传输接口用于接收HTEM系统接收机发送的控制命令和发送光斑位置信息；所述的各种电压转换芯片构成的装置供电电源主要用于驱动CMOS图像传感器及满足装置其他部分的供电需求。