CN107543528A - 一种小型空中多波段同步勘测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种小型空中多波段同步勘测系统及方法，该系统包括：地面系统和机上载荷系统，地面系统包括地面站监控计算机及与所述地面站监控计算机电连接的第一图像传输设备；机上载荷系统包括集成控制主机及分别与所述集成控制主机电连接的多波段探测设备、定姿定位设备、GPS天线和数据传输设备，还包括与所述多波段探测设备电连接的第二图像传输设备；其中，多波段探测设备包括多个工作在不同波段的面阵式探测设备和推扫式探测设备；数据传输设备与地面站监控计算机无线连接，所述第二图像传输设备与第一图像传输设备无线连接。通过本发明的技术方案，能够解决当前多波段同步勘测设备集成度低、自动勘测能力欠缺、大数据同步存储等问题。

Description

一种小型空中多波段同步勘测系统及方法

技术领域

本发明涉及多波段光电探测技术领域，具体涉及一种小型空中多波段同步勘测系统及方法。

背景技术

多波段光电探测器具备了感知多种特征的能力，在民用的国土资源勘查、安保警戒、火警消防、农林等领域又有广阔的应用空间。目前的可见光探测已经达到了成熟高度，但其所表征的信息仍只局限在人眼感知的狭小波段，而在很多领域需要更宽广的波段范围和更精细的波谱段，例如在城市热岛效应研究、森林火险预警、武警消防、电力故障巡检、安保等领域需要扩展到热红外波段，在农林病虫灾害预警、农植保育、地质矿产勘测等领域需要在更精细谱段的勘测。然而受到探测设备成像体制的不同以及集成技术和成本的限制，目前还很难做到多探测设备的小型化、集成化，使得航测技术复杂性和成本难以降低，制约了对地观测的能力。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种小型空中多波段同步勘测系统及方法，解决当前多波段同步勘测设备集成度低、自动勘测能力欠缺、大数据同步存储等问题。

为实现以上目的，本发明采用如下技术方案：

一种小型空中多波段同步勘测系统，包括：地面系统和机上载荷系统，其中，

所述地面系统包括：地面站监控计算机计及与所述地面站监控计算机计电连接的第一图像传输设备；所述机上载荷系统包括：集成控制主机及分别与所述集成控制主机电连接的多波段探测设备、定姿定位设备、GPS天线和数据传输设备，还包括与所述多波段探测设备电连接的第二图像传输设备；

其中，所述多波段探测设备包括多个工作在不同波段的面阵式探测设备和推扫式探测设备；所述数据传输设备与地面站监控计算机无线连接，所述第二图像传输设备与第一图像传输设备无线连接。

优选地，所述多波段探测设备包括内挂式多波段探测设备和外挂式多波段探测设备，其中，所述内挂式多波段探测设备和所述定姿定位设备集成在一个吊舱中，所述吊舱可挂接于轻小型无人机上。

优选地，所述内挂式多波段探测设备包括：近红外相机、可见光相机、长波红外相机和短波红外相机；所述内挂式多波段探测设备皆为面阵式探测设备。

优选地，所述外挂式多波段探测设备包括：高光谱相机和中波红外相机；其中，所述高光谱相机为推扫式探测设备，所述中波红外相机为面阵式探测设备。

优选地，所述集成控制主机包括主控机及分别与所述主控机电连接的第一子机、第二子机和同步控制器，所述同步控制器与所述GPS天线电连接；

所述主控机分别与所述定姿定位设备、近红外相机、可见光相机和中波红外相机电连接；所述第一子机分别与所述长波红外相机和短波红外相机电连接；所述第二子机与所述高光谱相机电连接。

优选地，所述第二子机上设置有USB3.0接口，所述第二子机通过所述USB3.0接口为所述高光谱相机供电。

优选地，所述小型空中多波段同步勘测系统，还包括为所述机上载荷系统供电的供电系统，所述供电系统包括锂电池组及与所述锂电池组电连接的变压稳压电路；其中，所述锂电池组的输出电压为12V，总功率为400W，工作时间不小于3小时。

优选地，所述供电系统还包括电磁兼容电路，所述电池兼容电路设置在所述锂电池组和变压稳压电路之间。

优选地，所述变压稳压电路包括：

12V转5V变压电路，用于为所述定姿定位设备供电；

12V转8V变压电路及连接在所述12V转8V变压电路输出端的瞬态二极管，所述瞬态二极管输出8.4V直流电压，用于为所述可见光相机供电；

12V稳压电路，用于为所述短波红外相机和长波红外相机供电；

12V转24V变压电路，用于为所述中波红外相机供电。

一种小型空中多波段同步勘测方法，应用于上述的小型空中多波段同步勘测系统中，包括：

步骤S101、在开始测量前，利用GPS时间校准所述集成控制主机的时钟；

步骤S102、所述集成控制主机向面阵式探测设备发送控制脉冲，以触发面阵式探测设备采集影像数据，同时集成控制主机记录所述控制脉冲发送时间；

步骤S103、所述集成控制主机接收所述面阵式探测设备发送的曝光脉冲，并记录所述曝光脉冲接收时间；同时，所述集成控制主机接收所述推扫式探测设备发送的曝光脉冲，并记录所述曝光脉冲接收时间；

步骤S104、所述集成控制主机存储所述控制脉冲发送时间和所述曝光脉冲接收时间，以备后续地面站监控计算机计进行时间解算和匹配，以建立所述面阵式探测设备和推扫式探测设备采集的影像数据和定姿定位设备发送的姿态定位数据之间的时间同步关系。

本发明采用以上技术方案，至少具备以下有益效果：

由上述技术方案可知，本发明提供的这种小型空中多波段同步勘测系统及方法，多波段探测设备包括多个工作在不同波段的面阵式探测设备和推扫式探测设备，能够根据不同的工作环境及工作要求，进行不同谱段的勘测，相比现有技术，提高了设备的集成度，能够被广泛应用到国土勘察、武警消防、公安交通等多个领域，具有重大的经济、商业和社会价值。

另外，由于多波段探测设备、定姿定位设备与集成控制主机通过GPS天线实现时间同步，相比现有技术，能够实现多波段探测设备采集的影像数据和定姿定位设备发送的姿态定位数据之间的时间同步。

本发明提供的这种小型空中多波段同步勘测系统及方法，在军事领域，能够广泛应用于日常训练演习中的战场多波段勘察、隐蔽行动部署和伪装效果检测。该系统所获取的基础地理信息数据和三维数据还可服务于工程信息化和战场信息化建设，实现多波段数据与空间时间数据的同步获取，为工程地形地貌、多波段影像的提取提供数据支持。该系统将实现工程伪装的低成本、常态化勘察检测，为工程伪装设计、检测和评估提供设备和数据支撑。

再者，本发明提供的这种小型空中多波段同步勘测系统及方法，采用地面系统对机上载荷系统中的多波段探测设备进行远程控制和海量数据的同步保存，提高了系统的安全性和抗风险能力。

另外，本发明提供的这种小型空中多波段同步勘测系统及方法，采用了结构化单元的模块设计，把多波段探测设备和集成控制主机分开，这样可以灵活地满足不同飞行任务对载荷的需求。可适用于有人无人直升机、动力三角翼或无人直升机、动力三角翼。同时由于模块化设计，也可以快速定位问题及故障维修。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一实施例提供的一种小型空中多波段同步勘测系统的示意框图；

图2为本发明一实施例提供的集成控制主机和多波段探测设备的连接关系示意图；

图3为本发明一实施例提供的一种小型空中多波段同步勘测方法的流程示意图；

图4A为本发明一实施例提供的面阵式探测设备时间同步的原理示意图；

图4B为本发明一实施例提供的推扫式探测设备时间同步的原理示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

参见图1，本发明一实施例提供的一种小型空中多波段同步勘测系统，包括：地面系统1和机上载荷系统2，其中，

所述地面系统1包括：地面站监控计算机11及与所述地面站监控计算机11电连接的第一图像传输设备12；所述机上载荷系统2包括：集成控制主机21及分别与所述集成控制主机21电连接的多波段探测设备22、定姿定位设备23、GPS天线24和数据传输设备25，还包括与所述多波段探测设备22电连接的第二图像传输设备26；

其中，所述多波段探测设备22包括多个工作在不同波段的面阵式探测设备和推扫式探测设备；所述数据传输设备25与地面站监控计算机11无线连接，所述第二图像传输设备26与第一图像传输设备12无线连接。

需要说明的是，定姿定位设备用于获取飞行过程中多波段探测设备的位置姿态信息，并接收GPS时间，为整个系统提供统一精准的时间来源。

由上述技术方案可知，本发明提供的这种小型空中多波段同步勘测系统，多波段探测设备包括多个工作在不同波段的面阵式探测设备和推扫式探测设备，能够根据不同的工作环境及工作要求，进行不同谱段的勘测，相比现有技术，提高了设备的集成度，能够被广泛应用到国土勘察、武警消防、公安交通等多个领域，具有重大的经济、商业和社会价值。

另外，由于多波段探测设备、定姿定位设备与集成控制主机通过GPS天线实现时间同步，相比现有技术，能够实现多波段探测设备采集的影像数据和定姿定位设备发送的姿态定位数据之间的时间同步。

本发明提供的这种小型空中多波段同步勘测系统，在军事领域，能够广泛应用于日常训练演习中的战场多波段勘察、隐蔽行动部署和伪装效果检测。该系统所获取的基础地理信息数据和三维数据还可服务于工程信息化和战场信息化建设，实现多波段数据与空间时间数据的同步获取，为工程地形地貌、多波段影像的提取提供数据支持。该系统将实现工程伪装的低成本、常态化勘察检测，为工程伪装设计、检测和评估提供设备和数据支撑。

再者，本发明提供的这种小型空中多波段同步勘测系统，采用地面系统对机上载荷系统中的多波段探测设备进行远程控制和海量数据的同步保存，提高了系统的安全性和抗风险能力。

优选地，所述多波段探测设备22包括内挂式多波段探测设备221和外挂式多波段探测设备222，其中，所述内挂式多波段探测设备221和所述定姿定位设备23集成在一个吊舱27中，所述吊舱27可挂接于轻小型无人机上。

优选地，所述内挂式多波段探测设备221包括：近红外相机2211、可见光相机2212、长波红外相机2213和短波红外相机2214；所述内挂式多波段探测设备221皆为面阵式探测设备。

优选地，所述外挂式多波段探测设备222包括：高光谱相机2221和中波红外相机2222；其中，所述高光谱相机为推扫式探测设备，所述中波红外相机为面阵式探测设备。

可以理解的是，由于多波段探测设备型号多，安装复杂，可以分成两部分：一部分为小型化的可见光、近红外、短波和长波探测设备，可以集成在一个小型的吊舱，并集成了小型的定姿定位设备，适用于轻小型无人机平台的挂接使用。另一部分是体积和重量较大的中波和高光谱探测设备，由于该类设备较大，与其他小型化探测设备放在一起将增大吊舱体积和重量，难以在小型无人机平台上单独使用。但所有的探测器均有集成控制主机控制。这种设计有利于应对不同的波段勘测需求，当小型的多波段吊舱能够满足任务需求时，则只需要挂载到小型无人机平台上即可，例如多旋翼和无人直升机，极大地提高了系统的易用性，降低了勘测成本。

参见图2，优选地，所述集成控制主机21包括主控机211及分别与所述主控机211电连接的第一子机212、第二子机213和同步控制器214，所述同步控制器214与所述GPS天线24电连接；

所述主控机211分别与所述定姿定位设备23、近红外相机2211、可见光相机2212和中波红外相机2222电连接；所述第一子机212分别与所述长波红外相机2213和短波红外相机2214电连接；所述第二子机213与所述高光谱相机2221电连接。

可以理解的是，由于短波、中波、长波、高光谱探测设备的数据采集频率高、数据吞吐量大、接口多样、控制协议复杂，因此，包括了三个嵌入式工控机，分别负责不同探测设备的控制与采集，其中一台为主控机，用于协同控制两个子机，并负责与地面进行交互。主控机通过内置两个网口分别连接到第一子机和第二子机，监控第一子机和第二子机的运行状态。同时主控机和两个子机控制各自探测器采集数据。同时该主机预留了接口，可以接收精度更高的定姿定位设备。

中波红外相机和高光谱相机以及更高精度的定姿定位设备可以作为外挂件设备。控制数据线从集成控制主机中接出，其中，中波红外相机的网口作为复用口，既可以挂接中波红外相机，采集完成后又可以作为数据导入导出的接口。

短波、长波红外相机由第一子机采集，采集的数据存入本地SSD硬盘，采集的状态通过千兆网口反馈给主机；第二子机采集高光谱相机，采集的数据存入本地SSD硬盘，采集的状态通过千兆网口反馈给主机；同步控制器作为各路相机的触发源，上电后，通过接收外部GPS信号完成校时，并能自动保持时间同步。这种一拖二的主分机协同控制存储模式，实现了多波段探测设备的同步控制与海量数据同步采集。

同步控制器同步接收GPS秒脉冲，进行时间校准，按设置的参数发出各路相机触发的脉冲信号，每路相机的触发频率由主机软件通过串口设置，并实时返回不同端口脉冲触发和接受的信息。

可以理解的是，通过高精度的同步控制器，实现多波段探测设备与定姿定位设备所采集的数据具备严格统一的时间标签，保证了多种设备采集数据的对应。针对可见光相机、热红外成像仪不同成像性能和定姿定位信息测量原理，通过高精度多通道的同步控制器实现多个设备的集成控制。

能够适用于多种不同设备的高精度多通道的同步控制器和集成控制主机，使得不同工作体制的设备能够具备统一的时间或位置标准，从而使其获取的数据具有多种有机联系(时空关联)。集成控制主机将实时获取的姿态信息、位置信息和设备状态信息，控制多波段探测设备的曝光、存储、触发、校正等动作。将航测实时的GPS时间和坐标数据以不低于1Hz的频率与集成控制主机进行交互，通过条件设置和判断，驱动相关探测器的开启与关闭。

优选地，所述第二子机上设置有USB3.0接口，所述第二子机通过所述USB3.0接口为所述高光谱相机供电。

优选地，所述小型空中多波段同步勘测系统，还包括为所述机上载荷系统供电的供电系统，所述供电系统包括锂电池组及与所述锂电池组电连接的变压稳压电路；其中，所述锂电池组的输出电压为12V，总功率为400W，工作时间不小于3小时。

优选地，所述供电系统还包括电磁兼容电路，所述电池兼容电路设置在所述锂电池组和变压稳压电路之间。

可以理解是，增设电磁兼容电路是为了提高供电系统的抗电磁干扰能力。

优选地，所述变压稳压电路包括：

12V转5V变压电路，用于为所述定姿定位设备供电；

12V转8V变压电路及连接在所述12V转8V变压电路输出端的瞬态二极管，所述瞬态二极管输出8.4V直流电压，用于为所述可见光相机供电；

12V稳压电路，用于为所述短波红外相机和长波红外相机供电；

12V转24V变压电路，用于为所述中波红外相机供电。

另外，参见图3、图4A、图4B，本发明还提出了一种小型空中多波段同步勘测方法，应用于上述的小型空中多波段同步勘测系统中，包括：

步骤S101、在开始测量前，利用GPS时间校准所述集成控制主机的时钟；

步骤S102、所述集成控制主机向面阵式探测设备发送控制脉冲，以触发面阵式探测设备采集影像数据，同时集成控制主机记录所述控制脉冲发送时间；

步骤S103、所述集成控制主机接收所述面阵式探测设备发送的曝光脉冲，并记录所述曝光脉冲接收时间；同时，所述集成控制主机接收所述推扫式探测设备发送的曝光脉冲，并记录所述曝光脉冲接收时间；

步骤S104、所述集成控制主机存储所述控制脉冲发送时间和所述曝光脉冲接收时间，以备后续地面站监控计算机计进行时间解算和匹配，以建立所述面阵式探测设备和推扫式探测设备采集的影像数据和定姿定位设备发送的姿态定位数据之间的时间同步关系。

可以理解的是，定姿定位设备在结合面阵探测器使用过程中，主要用于测量探测设备的位置和姿态等运动信息。首先通过探测器获取影像的时间与惯导系统的时间进行精确同步，从而获得每个影像的空间位置与姿态信息。实现的基本思想如下：在开始测量前，利用GPS的时间信息校准包含有同步控制器的集成控制主机时钟，然后在面阵探测设备准备数据采集时，由集成控制主机发送或接收同步脉冲，且面阵探测设备的每次曝光都由集成控制主机发出的脉冲控制，同时记录脉冲时间，并接受探测器曝光的返回脉冲信号，并保存其时间，通过后期时间解算和匹配，在影像数据和定姿定位设备数据之间建立关联。

对于推扫型探测器采取接收曝光反馈脉冲模式：由于高光谱退扫成像过程中的频率很高，一般可在100Hz-200Hz，如果采用外触发的模式，容易存在脉冲与采集频率匹配错误或者丢帧(脉冲发出，但探测器仍处在上一帧的曝光过程内，从而造成有脉冲记录，但没有存储数据的情况，造成探测数据的缺失)的情况，为此采用探测器在曝光的时候通过光耦发出曝光信号脉冲，同步控制板接收返回信号，并记录信号的时间信息，作为探测器精确的曝光时间。

综上所述，本发明提供的这种小型空中多波段同步勘测系统：

1、为了高精度保存数据采集时的时间标签，采用同步控制器同步保存探测器触发脉冲的高精度收发时间，并为了避免采集数据数量与脉冲数量的不匹配，解决可能存在丢帧或者丢脉冲的问题，建立了脉冲信号与采集数据的匹配校对的方法，对集成控制主机进行GPS时间授时，并在数据保存时，同步保存每一帧数据保存的系统时间，用于后处理时与每一套的脉冲时间信息进行匹配。同时，为了标示出两者起始点的位置，在开始采集时采用固定频率存储2帧数据，频率设为2Hz，在后续处理时，能够精确找出探测数据采集和脉冲数据的同步时间起始位置。

2、由于探测器较多，接口协议多样，同时多个探测器数据采集时的存储量大，容易产生兼容性和丢数据的情况，为此，本发明采用了一拖二的主机设计方式，实现接口扩展和控制分工，避免出现兼容性问题，提高控制稳定性。同时为了提高大数据的存储速率，本发明采用了两种方法：方法一是采用了高速的SSD固态硬盘，作为数据存储硬件。方法二是探测设备采集的影像数据直接用二进制数据流的方式进行保存，避免中间的数据处理过程，提高整块数据的吞吐量。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。术语“多个”指两个或两个以上，除非另有明确的限定。

Claims (10)

1.一种小型空中多波段同步勘测系统，其特征在于，包括：地面系统和机上载荷系统，其中，

所述地面系统包括：地面站监控计算机计及与所述地面站监控计算机电连接的第一图像传输设备；所述机上载荷系统包括：集成控制主机及分别与所述集成控制主机电连接的多波段探测设备、定姿定位设备、GPS天线和数据传输设备，还包括与所述多波段探测设备电连接的第二图像传输设备；

其中，所述多波段探测设备包括多个工作在不同波段的面阵式探测设备和推扫式探测设备；所述数据传输设备与地面站监控计算机无线连接，所述第二图像传输设备与第一图像传输设备无线连接。

2.根据权利要求1所述的小型空中多波段同步勘测系统，其特征在于，所述多波段探测设备包括内挂式多波段探测设备和外挂式多波段探测设备，其中，所述内挂式多波段探测设备和所述定姿定位设备集成在一个吊舱中，所述吊舱可挂接于轻小型无人机上。

3.根据权利要求2所述的小型空中多波段同步勘测系统，其特征在于，所述内挂式多波段探测设备包括：近红外相机、可见光相机、长波红外相机和短波红外相机；所述内挂式多波段探测设备皆为面阵式探测设备。

4.根据权利要求3所述的小型空中多波段同步勘测系统，其特征在于，所述外挂式多波段探测设备包括：高光谱相机和中波红外相机；其中，所述高光谱相机为推扫式探测设备，所述中波红外相机为面阵式探测设备。

5.根据权利要求4所述的小型空中多波段同步勘测系统，其特征在于，所述集成控制主机包括主控机及分别与所述主控机电连接的第一子机、第二子机和同步控制器，所述同步控制器与所述GPS天线电连接；

所述主控机分别与所述定姿定位设备、近红外相机、可见光相机和中波红外相机电连接；所述第一子机分别与所述长波红外相机和短波红外相机电连接；所述第二子机与所述高光谱相机电连接。

6.根据权利要求5所述的小型空中多波段同步勘测系统，其特征在于，所述第二子机上设置有USB3.0接口，所述第二子机通过所述USB3.0接口为所述高光谱相机供电。

7.根据权利要求5所述的小型空中多波段同步勘测系统，其特征在于，还包括为所述机上载荷系统供电的供电系统，所述供电系统包括锂电池组及与所述锂电池组电连接的变压稳压电路；其中，所述锂电池组的输出电压为12V，总功率为400W，工作时间不小于3小时。

8.根据权利要求7所述的小型空中多波段同步勘测系统，其特征在于，所述供电系统还包括电磁兼容电路，所述电池兼容电路设置在所述锂电池组和变压稳压电路之间。

9.根据权利要求8所述的小型空中多波段同步勘测系统，其特征在于，所述变压稳压电路包括：

12V转5V变压电路，用于为所述定姿定位设备供电；

12V转8V变压电路及连接在所述12V转8V变压电路输出端的瞬态二极管，所述瞬态二极管输出8.4V直流电压，用于为所述可见光相机供电；

12V稳压电路，用于为所述短波红外相机和长波红外相机供电；

12V转24V变压电路，用于为所述中波红外相机供电。

10.一种小型空中多波段同步勘测方法，应用于权利要求1～9任一项所述的小型空中多波段同步勘测系统中，其特征在于，包括：

步骤S101、在开始测量前，利用GPS时间校准所述集成控制主机的时钟；

步骤S102、所述集成控制主机向面阵式探测设备发送控制脉冲，以触发面阵式探测设备采集影像数据，同时集成控制主机记录所述控制脉冲发送时间；

步骤S103、所述集成控制主机接收所述面阵式探测设备发送的曝光脉冲，并记录所述曝光脉冲接收时间；同时，所述集成控制主机接收所述推扫式探测设备发送的曝光脉冲，并记录所述曝光脉冲接收时间；

步骤S104、所述集成控制主机存储所述控制脉冲发送时间和所述曝光脉冲接收时间，以备后续地面站监控计算机计进行时间解算和匹配，以建立所述面阵式探测设备和推扫式探测设备采集的影像数据和定姿定位设备发送的姿态定位数据之间的时间同步关系。