CN112055157B - 多组tdi成像的摄像同步性控制系统 - Google Patents

多组tdi成像的摄像同步性控制系统 Download PDF

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Abstract

多组TDI成像的摄像同步性控制系统，涉及多组成像控制系统，解决现有多组TDI成像系统中，存在增加电缆和连接器的制造成本或存在软行周期长度的变化滞后硬行周期信号等问题，相机控制器通过菊花链结构的422总线经由底台对各成像组进行控制；对于每组成像组，输出独立的行周期信号经由底台进行摄像的同步控制；同时输出一组单端控制信号，经由底台分为n路后分发到n个成像组。在一组单端控制信号中，包含时序复位信号。底台上的时钟源经时钟分路器分为多路后，转换为差分信号送入n个成像组，形成n个同源时钟。本发明可实现各组的摄像同步性偏差在一个像素时钟范围内。

Description

多组TDI成像的摄像同步性控制系统
技术领域
本发明涉及多组成像的控制系统，具体涉及高摄像同步性和高动态传递函数成像的多组TDI成像的摄像同步性控制系统。
背景技术
对于多组TDI成像系统，要实现高动态传递函数成像，需要事先根据的行周期长度实时计算各驱动控制信号的跳变沿位置；为提高摄影效率，减少不能拼接在一起的图像的起始摄像时间，需要减小各路的摄像起始差异。实际在轨应用中，采用硬行周期+并行行周期长度方式是最理想的方式，但多束并行电缆会使整个电缆庞大，外部连接器数量和点数增加；采用硬行周期+高速串行行周期长度传输方式，也是满足要求的，但高速传输是大大增加电缆和连接器的制造成本；采用硬行周期+低速串行行周期长度传输方式，成本不高，可能存在软行周期长度的变化滞后硬行周期信号的问题。
发明内容
本发明为解决现有多组TDI成像系统中，存在增加电缆和连接器的制造成本或存在软行周期长度的变化滞后硬行周期信号等问题，提供一种多组TDI成像的摄像同步性控制系统。
多组TDI成像的摄像同步性控制系统，包括相机控制器和成像单元；其特征是：所述成像单元包括底台和n个成像组；
所述相机控制器通过菊花链结构的422总线经由底台对各成像组进行控制；所述相机控制器输出多个独立的行周期信号经底台分别对每个成像组进行摄像的同步控制；同时，所述相机控制器输出一组单端控制信号，经底台分为n路后传送至n个成像组；所述底台上的时钟源经时钟分路器分为多路时钟后，转换为差分信号送入n个成像组，形成n个同源时钟；
所述控制系统分为两个时钟域，分别为二倍像素时钟域和422采样时钟域；
所述二倍像素时钟域，输入信号包括主标识信号、备标识信号、主行周期信号、备行周期信号、主时序复位信号、备时序复位信号、锁相环锁定信号、二倍像素时钟信号以及像素时钟同频使能信号；
所述主标识信号、备标识信号、主行周期信号、备行周期信号、主时序复位信号、备时序复位信号和锁相环锁定信号，在二倍像素时钟信号上升沿以及所述像素时钟同频使能信号为高电平时，进行信号的同步化采样，然后进行主标识信号和备标识信号的切换；主标识信号和备标识信号组合为01输出备份信号，其余组合输出为主份信号；
经主标识信号和备标识信号切换后，输出信号为硬行周期信号、时序复位信号和二倍像素时钟域锁相环锁定信号；
所述422采样时钟域，输入信号包括主标识信号、备标识信号、主422信号、备422信号、主时序复位信号、备时序复位信号、锁相环锁定信号和422采样时钟信号；
所述主标识信号、备标识信号、主422信号、备422信号、主时序复位信号、备时序复位信号和锁相环锁定信号，在422采样钟上升沿，进行信号的同步化采样，然后根据主标识信号、备标识信号进行切换；主标识信号和备标识信号组合为01，则输出备份信号，其余组合输出为主份信号；经主备切换后，输出信号为422信号、422采样时钟域锁相环锁定信号和422采样时钟时序复位信号；
所述422信号、422采样时钟域锁相环锁定信号和422采样时钟时序复位信号均传送至422解析模块，所述422采样时钟时序复位信号和422采样时钟域锁相环锁定信号对422解析模块内部进行状态复位后输出解析出的软行周期长度数据和新软行周期长度标志信号，送入行周期有效性判断，跨时钟域操作模块进行处理，再送入内部软行周期信号的构建模块；
所述硬行周期信号通过行周期上升沿提取和有效性判断模块进行提取和判断后输出使用行周期信号的状态和行周期信号上升沿脉冲信号至行周期选择，行周期长度计数及行号计数信号模块；所述行周期选择，行周期长度计数及行号计数信号模块同时接收时序复位信号、二倍像素时钟域锁相环锁定信号、软行周期长度数据和软行周期上升沿脉冲信号；
当硬行周期的长度在允许范围内，则行周期选择，行周期长度计数及行号计数信号模块设置使用行周期信号的状态为硬行周期，否则为软行周期；行号计数信号在检测到时序复位信号和二倍像素时钟域锁相环锁定信号后，将行号计数信号清零，在检测到行周期上升沿后每次加1；行周期长度计数信号在检测到时序复位信号和二倍像素时钟域锁相环锁定信号后，复位到计数最大值且不继续递增，在检测到行周期上升沿后清零，然后开始递增；
所述内部软行周期信号的构建模块，在检测到时序复位信号和二倍像素时钟域锁相环锁定信号后，计数信号清零；在计数消失后计数开始递增，当递增到软行周期的长度后清零；
所述行周期选择，行周期长度计数及行号计数信号模块输出组合后的行周期信号经行周期有效性判断，跨时钟域操作模块后输出行周期更新使能信号；
对新软行周期长度数据在新软行周期长度标志信号为高电平且所述行周期更新使能信号为高电平时进行赋值，然后进行行周期长度有效性判断，若大于最大值，则设置所述新软行周期长度为最大行周期长度；若小于最小值，则设置新软行周期长度为最小行周期长度。
本发明的有益效果：
1、采用同一个时序复位信号进行各路的复位，并采用行周期的上升沿进行各组计数的启动，同时进行行周期上升沿和复位信号的上升沿的相位限定，可实现各组的摄像同步性偏差在一个像素时钟范围内；
2、采用同一个时序复位信号进行各路的复位，并设置接收的软行周期长度数据的更新时刻，保证各组的摄像同步性偏差也在一个像素时钟范围内。
附图说明
图1为本发明所述的多组TDI成像的摄像同步性控制系统的原理图；
图2为本发明所述的多组TDI成像的摄像同步性控制系统同步摄像控制的流程图；
图3为本发明所述的多组TDI成像的摄像同步性控制系统中时序复位信号和硬行周期信号的相位关系示意图。
具体实施方式
具体实施方式一、结合图1说明本实施方式，多组TDI成像的摄像同步性控制系统，包括相机控制器和成像单元；成像单元主要包含底台和n个成像组；每个成像组内包含422通信控制模块、时序驱动控制模块、数据整合及发送模块、数传接口和成像焦面组构成。
所述相机控制器通过菊花链结构的422总线经由底台对各成像组进行控制；对于每组成像组，输出独立的行周期信号经由底台进行摄像的同步控制；同时输出一组单端控制信号，经由底台分为n路后分发到n个成像组。在一组单端控制信号中，包含时序复位信号。底台上的时钟源经时钟分路器分为多路后，转换为差分信号送入n个成像组，形成n个同源时钟。
结合图2说明本实施方式，整个控制系统分为两个时钟域，分别为二倍像素时钟域和422采样时钟域。
对于二倍像素时钟域，输入信号包括主标识信号、备标识信号、主行周期信号、备行周期信号、主时序复位信号、备时序复位信号、锁相环锁定信号、二倍像素时钟和像素时钟同频使能信号；
主标识信号、备标识信号、主行周期信号、备行周期信号、主时序复位信号、备时序复位信号和锁相环锁定信号，在二倍像素时钟上升沿，同时像素时钟同频使能信号为高电平的情况下，进行信号的同步化采样，然后根据主、备标识信号进行切换；主、备标识信号组合为01输出备份，其余组合为主份。经主备切换后，输出信号为硬行周期信号、时序复位信号和二倍像素时钟域锁相环锁定信号。
对于422采样时钟域，输入信号包括主标识信号、备标识信号、主422信号、备422信号、主时序复位信号、备时序复位信号、锁相环锁定信号和422采样时钟；
所述主标识信号、备标识信号、主422信号、备422信号、主时序复位信号、备时序复位信号和锁相环锁定信号，在二倍像素时钟上升沿，进行信号的同步化采样，然后根据主、备标识信号进行切换；主、备标识信号组合为01输出备份，其余组合为主份。经主备切换后，输出信号为422信号、422采样时钟时序复位信号和422采样时钟域锁相环锁定信号。
所述422信号、422采样时钟时序复位信号和422采样时钟域锁相环锁定信号送入422解析模块，422采样时钟时序复位信号和422采样时钟域锁相环锁定信号对422解析模块内部进行状态复位；输出解析出的软行周期长度数据和新软行周期长度标志的脉冲信号，送入“行周期有效性判断，跨时钟域操作”的模块进行处理后，再送入内部软行周期信号的构建模块。“行周期有效性判断，跨时钟域操作”的模块的输入信号还有组合后的行周期更新使能信号作为输出的行周期更新使能信号。
新软行周期长度数据在新软行周期长度标志的脉冲信号为高电平且行周期更新使能信号为高的情况下进行赋值，然后进行行周期长度有效性判断，若大于最大值，则设置为最大值；若小于最小值，则设置为最小值。新软行周期长度标志的脉冲信号的高电平持续时间tnew_para：
tnew_para≥mth_pix
式中th_min为最小的行周期长度。
所述硬行周期信号进行行周期上升沿提取和有效性判断，当硬行周期的长度在允许范围内，则设置使用行周期信号的状态为硬行周期，否则设置为软行周期。行号计数信号，在检测到时序复位信号和二倍像素时钟域锁相环锁定信号后，将行号计数信号清零，在检测到行周期上升沿后每次加1；行周期长度计数信号在检测到时序复位信号和二倍像素时钟域锁相环锁定信号后，复位到计数最大值且不继续递增，而在检测到行周期上升沿后清零，然后开始递增；
所述内部软行周期信号的构建，在检测到时序复位信号和二倍像素时钟域锁相环锁定信号后，计数信号清零；在计数消失后计数递增，而递增到软行周期长度后也清零；
所述行周期选择，行周期长度计数及行号计数信号模块的输入信号为使用行周期信号的状态、硬行周期上升沿脉冲、时序复位信号、二倍像素时钟域锁相环锁定信号、软行周期长度数据和软行周期上升沿脉冲。根据使用的硬行周期信号的状态，当硬行周期信号有效，则行周期长度数据、行计数信号、复位后的行计数信号和组合后的行周期信号采用硬信号；而当硬行周期信号无效，则输出软行周期的相关部分。
时序复位信号的上升沿和行周期信号的上升沿的相位关系treset_delay：时序复位信号的复位操作仅能发生在行周期信号的跳变沿之间，也就是滞后前一个行周期的上升沿，超前下一个行周期的上升沿。
th-nth_pix≥treset_delay≥nth_pix
式中，th为当前使用的行周期，n为大于3的整数。
时序复位信号需要对422的分频计数器、软行周期的计数器、硬行周期的计数器、行计数器进行复位；行周期缓存FIFO的复位；
相同的复位信号的上升沿时间不超过1/2的像素时钟周期，到各成像组的延迟时间不超过1/2的像素时钟周期；
Figure BDA0002691641400000061
th_pix为像素时钟周期；tring_reset为复位信号的上升沿时间。
FIFO写操作信号(复位后，只要检测到行周期信号的上升沿脉冲，则进行一次行周期长度的写操作)
FIFO读操作信号(复位后的行计数信号值大于谱段数的3倍后开始读出，每次连续读出的行数等于谱段数)。
全色和多光谱的行周期脉冲输出(上升沿滞后行周期长度输出)。组合后的行周期更新使能信号在计数值为mth_pix到当前行周期-mth_pix。M为大于2的整数。
本实施方式中，成像焦面组主要为长光辰芯公司的CMOS图像传感器；数传接口采用TI公司的TLK2711；所述422通信控制模块、时序驱动控制模块、数据整合及发送模块采用Xilinx公司的Virtex 5 FPGA；时钟源采用武汉海创公司的单端晶体；时钟分路器采用ST公司的54AC2525，单端转差分芯片采用SN55LVDS31芯片。

Claims (9)

1.多组TDI成像的摄像同步性控制系统，包括相机控制器和成像单元；其特征是：所述成像单元包括底台和n个成像组；
所述相机控制器通过菊花链结构的422总线经由底台对各成像组进行控制；所述相机控制器输出多个独立的行周期信号经底台分别对每个成像组进行摄像的同步控制；同时，所述相机控制器输出一组单端控制信号，经底台分为n路后传送至n个成像组；所述底台上的时钟源经时钟分路器分为多路时钟后，转换为差分信号送入n个成像组，形成n个同源时钟；
所述控制系统分为两个时钟域，分别为二倍像素时钟域和422采样时钟域；
所述二倍像素时钟域，输入信号包括主标识信号、备标识信号、主行周期信号、备行周期信号、主时序复位信号、备时序复位信号、锁相环锁定信号、二倍像素时钟信号以及像素时钟同频使能信号；
所述主标识信号、备标识信号、主行周期信号、备行周期信号、主时序复位信号、备时序复位信号和锁相环锁定信号，在二倍像素时钟信号上升沿以及所述像素时钟同频使能信号为高电平时，进行信号的同步化采样，然后进行主标识信号和备标识信号的切换；主标识信号和备标识信号组合为01输出备份信号，其余组合输出为主份信号；
经主标识信号和备标识信号切换后，输出信号为硬行周期信号、时序复位信号和二倍像素时钟域锁相环锁定信号；
所述422采样时钟域，输入信号包括主标识信号、备标识信号、主422信号、备422信号、主时序复位信号、备时序复位信号、锁相环锁定信号和422采样时钟信号；
所述主标识信号、备标识信号、主422信号、备422信号、主时序复位信号、备时序复位信号和锁相环锁定信号，在422采样钟上升沿，进行信号的同步化采样，然后根据主标识信号、备标识信号进行切换；主标识信号和备标识信号组合为01，则输出备份信号，其余组合输出为主份信号；经主备切换后，输出信号为422信号、422采样时钟域锁相环锁定信号和422采样时钟时序复位信号；
所述422信号、422采样时钟域锁相环锁定信号和422采样时钟时序复位信号均传送至422解析模块，所述422采样时钟时序复位信号和422采样时钟域锁相环锁定信号对422解析模块内部进行状态复位后输出解析出的软行周期长度数据和新软行周期长度标志信号，送入行周期有效性判断，跨时钟域操作模块进行处理，再送入内部软行周期信号的构建模块；
所述硬行周期信号通过行周期上升沿提取和有效性判断模块进行提取和判断后输出使用行周期信号的状态和行周期信号上升沿脉冲信号至行周期选择，行周期长度计数及行号计数信号模块；所述行周期选择，行周期长度计数及行号计数信号模块同时接收时序复位信号、二倍像素时钟域锁相环锁定信号、软行周期长度数据和软行周期上升沿脉冲信号；
当硬行周期的长度在允许范围内，则行周期选择，行周期长度计数及行号计数信号模块设置使用行周期信号的状态为硬行周期，否则为软行周期；行号计数信号在检测到时序复位信号和二倍像素时钟域锁相环锁定信号后，将行号计数信号清零，在检测到行周期上升沿后每次加1；行周期长度计数信号在检测到时序复位信号和二倍像素时钟域锁相环锁定信号后，复位到计数最大值且不继续递增，在检测到行周期上升沿后清零，然后开始递增；
所述内部软行周期信号的构建模块，在检测到时序复位信号和二倍像素时钟域锁相环锁定信号后，计数信号清零；在计数消失后计数开始递增，当递增到软行周期的长度后清零；
所述行周期选择，行周期长度计数及行号计数信号模块输出组合后的行周期信号经行周期有效性判断，跨时钟域操作模块后输出行周期更新使能信号；
对新软行周期长度数据在新软行周期长度标志信号为高电平且所述行周期更新使能信号为高电平时进行赋值，然后进行行周期长度有效性判断，若大于最大值，则设置所述新软行周期长度为最大行周期长度；若小于最小值，则设置新软行周期长度为最小行周期长度。
2.根据权利要求1所述的多组TDI成像的摄像同步性控制系统，其特征在于：所述新软行周期长度标志信号的高电平持续时间tnew_para：
tnew_para≥qth_pix
式中q为大于1的正整数，th_pix为像素时钟周期。
3.根据权利要求1所述的多组TDI成像的摄像同步性控制系统，其特征在于：所述行周期选择，行周期长度计数及行号计数信号模块根据使用的硬行周期信号的状态，当硬行周期信号有效，则行周期长度数据、行计数信号、复位后的行计数信号和组合后的行周期信号采用硬行周期信号；当硬行周期信号无效，则输出软行周期信号。
4.根据权利要求1所述的多组TDI成像的摄像同步性控制系统，其特征在于：所述时序复位信号的上升沿和行周期信号的上升沿的相位关系treset_delay为：所述时序复位信号的复位操作发生在行周期信号的跳变沿之间，即：滞后前一个行周期信号的上升沿，超前下一个行周期的上升沿；
th-nth_pix≥treset_delay≥nth_pix
式中，th为当前使用的行周期，n为大于3的整数。
5.根据权利要求1所述的多组TDI成像的摄像同步性控制系统，其特征在于：所述时序复位信号对422的分频计数器、软行周期的计数器、硬行周期的计数器、行计数器进行复位以及行周期缓存FIFO的复位；
相同的复位信号的上升沿时间不超过1/2的像素时钟周期，到各成像组的延迟时间不超过1/2的像素时钟周期；
Figure FDA0003011283120000031
式中；tring_reset为复位信号的上升沿时间。
6.根据权利要求1所述的多组TDI成像的摄像同步性控制系统，其特征在于：复位后，当检测到行周期信号的上升沿脉冲信号，则进行一次行周期长度的写操作，当行计数信号值大于谱段数的3倍后开始读出，每次连续读出的行数等于谱段数；
输出的行周期更新使能信号在行计数信号值为mth_pix到当前行周期长度-mth_pix期间为有效的高电平，其余计数值为无效的低电平，m为大于2的整数。
7.根据权利要求1所述的多组TDI成像的摄像同步性控制系统，其特征在于：每个成像组均包括422通信控制模块、时序驱动控制模块、数据整合及发送模块、数传接口和成像焦面组；所述相机控制器通过422总线经底台与422通信控制模块成像组通信；时序驱动控制模块控制成像焦面组成像，并通过数据整合及发送模块整合后通过数传接口发送。
8.根据权利要求1所述的多组TDI成像的摄像同步性控制系统，其特征在于：所述同源时钟和行周期信号，采用点对点的差分信号方式进行传输。
9.根据权利要求1所述的多组TDI成像的摄像同步性控制系统，其特征在于：所述422总线和秒脉冲信号，采用菊花链拓扑结构的差分信号方式进行传输。
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