CN109194870B

CN109194870B - 一种导航应用的成像方法及成像系统

Info

Publication number: CN109194870B
Application number: CN201811208932.XA
Authority: CN
Inventors: 朱波; 段永强; 王宏; 郑培云; 马腾飞
Original assignee: XiAn Institute of Optics and Precision Mechanics of CAS
Current assignee: XiAn Institute of Optics and Precision Mechanics of CAS
Priority date: 2018-10-17
Filing date: 2018-10-17
Publication date: 2020-12-25
Anticipated expiration: 2038-10-17
Also published as: CN109194870A

Abstract

本发明涉及一种导航应用的成像方法及成像系统，成像系统包括图像传感器、图像AD、SRAM A、SRAM B及FPGA；其中的图像传感器采用CCD芯片FTT1010‑M；图像AD的输入端与图像传感器的输出端连接，图像AD的输出端分别与SRAM A、SRAM B连接；FPGA与图像传感器、SRAM A及SRAM B均连接，FPGA在系统上电后实现传感器图像输出、输出时刻匹配及图像输出的功能。采用CCD芯片FTT1010‑M作为图像传感器，通过左右双通道同时输出的方法，并配合FPGA的控制及图像数据处理，实现了成像系统高帧频的输出，帧频可达到20f/s；同时，通过FPGA对图像数据储存的控制，使得成像系统的图像输出时刻能够调节，解决了现有成像系统帧频慢、能够探测到的星等低及图像输出时刻不能满足要求的技术问题。

Description

一种导航应用的成像方法及成像系统

技术领域

本发明属于成像技术领域，涉及一种导航应用的成像方法及成像系统。

背景技术

卫星、宇宙飞船、太空望远镜等空间航天器都需要姿态精准控制，粗跟踪级的稳像控制精度一般在角秒量级，可采用星敏感器、光纤陀螺和编码器等测角传感器进行闭环。而精跟踪级要求的稳像控制精度要达到毫角秒量级，需要高精度导星测量系统，导航相机作为导星系统的核心部件，其图像质量和数据更新率直接关系到导航任务的成败和质量。因此，研究导航成像系统具有重要的战略意义和经济价值。

现有CCD成像系统帧频慢、有的不支持数据合并，所能够探测到的星等低且不能满足导航系统对图像输出帧频的要求。此外，现有的CCD成像系统的图像输出时刻就是CCD传感器的曝光时刻，一经曝光，就会图像输出，因此图像输出时刻往往难以满足导航系统对图像输出时刻的要求。

发明内容

为了解决现有成像系统帧频慢、能够探测到的星等低及图像输出时刻不能满足要求的技术问题，本发明提供一种导航应用的成像方法及成像系统。

本发明的技术解决方案如下：

一种导航应用的成像方法，其特殊之处在于：包括以下步骤：

1)生成传感器图像：

驱动具有左右路输出功能的图像传感器生成一帧模拟图像，

2)传感器图像输出：

2.1)使图像传感器左右两路同时对该帧模拟图像按行依次输出，左路顺序输出的是每行模拟图像的前半行，是顺序输出图像数据；右路逆序输出每行模拟图像的后半行，是逆序输出图像数据；

2.2)对左右两路输出的模拟图像进行AD转换；

2.3)将AD转换后的图像数据写入SRAM A中；

2.4)当要求的图像输出时刻到来，且写入SRAM A的一行图像数据结束时，开始将图像数据写入SRAM B；

同时，对SRAM A存入的图像数据按行读出、存储并输出；当存储下一行图像数据的同时将所存储的上一行图像数据输出；

存储时，要求：

相邻两行图像数据分开存储；

且，每一行的顺序图像数据和逆序图像数据分开存储；

输出时，要求：

先顺序读出一行图像数据的顺序输出图像数据，再逆序读出一行数据的逆序输出图像数据，最后将逆序输出图像数据拼接在该行的顺序输出图像数据的后面形成一行正常图像；

2.5)在读完SRAM A中的图像数据，且写入SRAM B的一行图像数据结束时，又开始将图像数据写入SRAM A；

同时，对SRAM B存入的图像数据按照与步骤2.4)中相同的方式按行读出、存储并输出；

2.6)在读完SRAM B中的图像数据，且写入SRAM A的一行图像数据结束时，又开始将图像数据写入SRAM B；

同时，对SRAM A存入的图像数据按照与步骤2.4)中相同的方式按行读出、存储并输出；

2.7)重复步骤2.5-2.6)，直至该帧所有行的数据输出完成；

3)重复步骤1-2)，生成其它帧模拟图形，并输出。

进一步地，在步骤1)和步骤2)之间还包括进行水平和垂直同时相元合并的步骤。

进一步地，所述图像传感器所采用的CCD芯片型号为FTT1010-M。

同时，本发明还提供了一种导航应用的成像系统，包括图像传感器，其特殊之处在于：还包括图像AD、SRAM A、SRAM B及FPGA；

所述图像AD的输入端与图像传感器的输出端连接，所述图像AD的输出端分别与SRAM A、SRAM B连接；

所述FPGA与图像传感器、SRAM A及SRAM B均连接；

FPGA在系统上电后实现以下功能：

1)生成传感器图像：

驱动具有左右路输出功能的图像传感器生成一帧模拟图像，

2)传感器图像输出：

2.2)对左右两路输出的模拟图像进行AD转换；

2.3)将AD转换后的图像数据写入SRAM A中；

存储时，要求：

相邻两行图像数据分开存储；

且，每一行的顺序图像数据和逆序图像数据分开存储；

输出时，要求：

2.7)重复步骤2.5-2.6)，直至该帧所有行的数据输出完成。

进一步地，所述图像传感器采用CCD芯片FTT1010-M。

进一步地，所述SRAM A及SRAM B为1Mx32SRAM。

进一步地，所述FPGA为XC2V3000。

进一步地，所述图像AD为LM98640。

进一步地，所述FPGA实现的功能还包括在步骤1)和步骤2)之间还包括进行水平和垂直同时相元合并的功能。

本发明与现有技术相比，有益效果是：

1、本发明导航应用的成像系统，通过采用CCD芯片FTT1010-M作为图像传感器，通过采用左右两路同时输出的方式，并配合FPGA的控制及图像数据处理，实现了成像系统高帧频的输出，帧频可达到20f/s；同时，通过FPGA对图像数据储存、输出的控制，使得成像系统的图像输出时刻能够调节，从而能够满足导航系统对图像输出时刻的要求。

2、本发明的成像方法及成像系统通过在传感器图像输出前，采用了水平和垂直同时像元合并(Binning)的方法，像元合并一方面保证了探测精度，探测星等优于5.5等星度；另一方面减少了3/4的数据量，在相同CCD读出速率时，可进一步提高成像系统的信噪比。

附图说明

图1为本发明成像方法图像组帧要求示意图；

图2为本发明图像传感器双路输出示意图；

图3为本发明实施例成像系统及方法原理示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行详细说明。

导航成像系统与一般的相机最大的区别在于对图像输出时刻有着严苛的要求，图1所示为本系统的图像组帧要求，图像输出时刻由导航系统提供，误差±1μs，在图像输出时刻到来时，本成像系统要求最晚100μs内开始一帧图像的输出。而CCD工作时，首先根据曝光时间进行曝光，然后进帧转，最后进行图像输出，但是，CCD图像输出时刻并不同步于系统要求的图像输出时刻，直接进行图像输出不满足系统要求。

另外，如图2所示，为提高帧频，本实施例根据FTT1010-M的结构特点，采用左右双通道同时输出的方式，将CCD输出速率最大化。CCD采用双路图像输出时，左路得到的是每一行图像的前半行，即0～255列的像元，顺序输出；而右路得到的是CCD另外半行像元，逆序输出，即输出顺序是511～256，这样，两个半行在拼成一行图像时，后半行就存在顺序的问题，不能直接合成一行，继而导致不能准确输出图像。

根据以上需求，本实施例提供了一套基于FPGA结合两片SRAM的导航成像系统，满足了导航任务的要求。本发明原理框图如图3所示，主要元器件由一片1M像素的帧转移型CCD芯片FTT1010-M、2片1Mx32SRAM、一片FPGA XC2V3000、1块图像AD LM98640以及其他辅助元器件组成。

为了更有效的提高FTT1010-M的探测能力，采用了水平和垂直同时像元合并(Binning)的方法，该方法一方面保证了探测精度，另一方面，Binning技术减少了3/4的数据量，相同CCD读出速率时，可进一步提高成像系统的信噪比。

成像系统工作原理如下：系统上电后，CCD在FPGA时序驱动下，左右路同时输出模拟图像，经过AD转换为10bit位宽的图像数据，此时，要求的图像输出时刻还没有到来，FPGA将左右路图像合并为20bit后先存入SRAM A中，当要求的图像输出时刻到来且刚好一行图像写入结束时，FPGA停止将CCD图像写入SRAM A，转而将其写入SRAM B，但是在写SRAM B的同时，对SRAM A存入的图像数据进行读操作，并送入FPGA进行处理，在读完SRAM A中的图像数据且写入一行结束时，又转而将CCD图像写入SRAM A，同时读取SRAM B中的图像数据送入FPGA进行处理，如此反复即完成CCD图像与系统要求的图像输出时刻的匹配。如此操作后，进入FPGA的图像数据即可满足系统图像输出时刻要求，但是，图像格式是顺序和逆序拼接的20bit位宽图像，还不满足应用要求，因此，FPGA内又将20bit位宽的图像分为奇偶行，奇数行图像的高10bit(顺序输出图像)存入FIFOA，而将低10bit(逆序输出图像)存入LIFOA，接着将偶数行图像的高10bit(顺序输出图像)存入FIFOB，而将低10bit(逆序输出图像)存入LIFOB，存偶数行的同时，将FIFOA中的10bit位宽图像顺序读出，再将LIFOA中的10bit位宽图像数据逆序读出并拼接在FIFOA数据的后面组成一行正常图像，写完偶数行图像数据，接着又写奇数行图像数据，同时读出并整形偶数行图像数据，如此反复即可完成图像数据的整形。本发明结合图像时刻操作和图像数据的整形操作，最终满足了导航成像的要求。

Claims

1.一种导航应用的成像方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)生成传感器图像：

驱动具有左右路输出功能的图像传感器生成一帧模拟图像，所述图像传感器所采用的CCD芯片型号为FTT1010-M；

2)传感器图像输出：

2.2)对左右两路输出的模拟图像进行AD转换；

2.3)将AD转换后的图像数据写入SRAM A中；

存储时，要求：

相邻两行图像数据分开存储；

且，每一行的顺序图像数据和逆序图像数据分开存储；

输出时，要求：

2.7)重复步骤2.5-2.6)，直至该帧所有行的数据输出完成；

3)重复步骤1-2)，生成其它帧模拟图形，并输出。

2.根据权利要求1所述的导航应用的成像方法，其特征在于：包括以下步骤：

在步骤1)和步骤2)之间还包括进行水平和垂直同时相元合并的步骤。

3.一种导航应用的成像系统，包括图像传感器，其特征在于：还包括图像AD、SRAM A、SRAM B及FPGA；

所述图像传感器采用CCD芯片FTT1010-M；

所述图像AD的输入端与图像传感器的输出端连接，所述图像AD的输出端分别与SRAMA、SRAM B连接；

所述FPGA与图像传感器、SRAM A及SRAM B均连接；

FPGA在系统上电后实现以下功能：

1)生成传感器图像：

驱动具有左右路输出功能的图像传感器生成一帧模拟图像，

2)传感器图像输出：

2.2)对左右两路输出的模拟图像进行AD转换；

2.3)将AD转换后的图像数据写入SRAM A中；

存储时，要求：

相邻两行图像数据分开存储；

且，每一行的顺序图像数据和逆序图像数据分开存储；

输出时，要求：

2.7)重复步骤2.5-2.6)，直至该帧所有行的数据输出完成。

4.根据权利要求3所述的导航应用的成像系统，其特征在于：

所述SRAM A及SRAM B为1Mx32 SRAM。

5.根据权利要求4所述的导航应用的成像系统，其特征在于：

所述FPGA为XC2V3000。

6.根据权利要求5所述的导航应用的成像系统，其特征在于：

所述图像AD为LM98640。

7.根据权利要求3至6任一所述的导航应用的成像系统，其特征在于：

所述FPGA实现的功能还包括在步骤1)和步骤2)之间还包括进行水平和垂直同时相元合并的功能。