CN113945280A - 一种基于fpga的成像光谱仪的成像信息同步装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于FPGA的成像光谱仪的成像信息同步装置，包括二维转台、成像光谱仪、四象限光电探测器、通信控制下位机、上位机；通信控制下位机接收上位机指令信息并解析，根据指令信息控制转台运动与触发相机成像，同时实时获取成像信息、二维转台角度信息、太阳方位信息、GPS经纬度及时间信息，对这些信息进行时间同步发送给上位机。本发明能同步获取信息，提高成像光谱仪拍摄时各信息的时间精度，准确传输采集信息，FPGA芯片能进行并行处理工作，减少误差，从而能解决成像光谱仪室外实验控制计算机无法同步获取成像信息与转台角度等信息的缺点。

Description

一种基于FPGA的成像光谱仪的成像信息同步装置
技术领域
本发明涉及成像光谱仪成像信息时间同步技术领域，尤其涉及一种基于FPGA的成像光谱仪的成像信息同步装置及方法。
背景技术
成像光谱仪主要目的是获取大量地物目标窄波段连续光谱图像的同时，获得每个像元几乎连续的光谱数据。在成像光谱仪室外实验中，观测模式主要有两种：一种是固定观测天顶角与观测方位角的观测成像，另一种是观测天顶角或方位角需要变化的连续观测成像；在观测过程中所需要存储的信息包括太阳天顶角、太阳方位角、观测天顶角、观测方位角、当前观测位置；在成像过程中，获取的图像覆盖范围受光谱仪观测角度限制，不能满足对全域摄像效率的要求，因此通常需要将不同观测角度的拍摄图像进行拼接，以扩大范围，提高光谱成像效率与质量。对于光谱成像室外试验过程中，有两个重要评价标准，成像信息的同步性及时间的准确度。连续大数量拍摄过程中，如国每次相机触发曝光时间差距过大，那么太阳的位置信息会发生变动，影响最终的光谱成像结果；相机除信息的可靠性需要保证之外，与此同时，相机成像数据、转台角度信息、GPS信息、观测角度信息等需要同步送入上位机，其中的关键问题在于时间同步达到一定精度，传统的时间同步方法大部分通过单片机控制，其串行处理运行模式决定了这种方案在对多路数据的控制上明显不足，主要体现在：
1、单片机时钟精度不足，单片机系统时间由内部时钟或外部时钟芯片提供，因此只能获取相对时间信，受环境影响，存在一定时间误差，并且随连续工作时间延长而增加误差；
2单片机外部中断无法并行处理，增加了各信息获取的误差。因为使用的二维转台装置和成像光谱仪都是相同优先级的，当相机曝光与状态角度信息反馈时间接近时，相同优先级中断只能处理首个中断任务，无法并行处理意味折采集信息时间上无法同步。
随着技术的发展，信息的精度和准确度需要越来越高，传统方法已经不能满足成像位置、成像角度的精度要求，在成像数据与其它各信息时间同步上也无法做到进一步满足精度要求。
发明内容
为解决上述现有技术存在的问题，本发明提供一种基于FPGA的成像光谱仪的成像信息同步装置，以期能同步获取信息，提高成像光谱仪拍摄时各信息的时间精度，并准确传输采集信息，从而解决传统室外试验时的测量精度问题、多信息采集问题以及采集同步问题。
本发明解决其技术问题所采用的方案是：
本发明一种基于FPGA的成像光谱仪的成像信息同步装置的特点在于，包括二维转台、成像光谱仪、四象限光电探测器、通信控制下位机和上位机；
所述通信控制下位机包括：主控模块、通信模块、信号处理模块、GPS模块；
所述上位机将用户的指令信息打包后发送给通信控制下位机进行处理；
所述GPS模块将成像信息同步装置的位置信息及秒脉冲PPS反馈给所述主控模块；
所述通信控制下位机中的通信模块接收所述上位机的指令信息，并传递给主控模块进行处理，得到转动指令和成像指令或太阳跟踪指令并通过通信模块发送给二维转台和成像光谱仪或四象限光电探测器；
所述二维转台执行所述转动指令到达目标角度并发送当前角度信息给所述通信模块；
所述成像光谱仪根据所述成像指令进行拍摄后，将软件曝光信息通过所述通信模块发送上位机，并将硬件曝光信息通过所述通信模块发送给主控模块，同时将成像数据信息通过通信模块发送给所述上位机；
所述四象限光电探测器根据太阳跟踪指令采集太阳方位信息并发送给所述信号处理模块；
所述信号处理模块将太阳方位信息通过所述通信模块发送给所述主控模块；
所述主控模块根据秒脉冲PPS将位置信息、当前角度信息、硬件曝光信息和太阳方位信息进行同步处理，并将同步后的信息发送至所述上位机；
所述上位机根据所述同步后的信息对所述成像数据信息进行命名和存储，并根据所述软件曝光信息与所述主控模块中的硬件曝光信息进行对比，得到当前拍摄情况。
本发明所述的基于FPGA的成像光谱仪的成像信息同步装置的特点也在于，在所述主控模块采用包括但不限于XC7Z020系列的FPGA芯片，并包括PS端和PL端；
所述PS端用于接收上位机的指令并进行解析，并在拍摄完成后，将经纬度信息、当前角度信息和太阳方位信息反馈给上位机；
所述PL端中设置有漏拍多拍检测单元和通信单元；
所述漏拍多拍检测单元用于对软件曝光信息和硬件曝光信息进行对比，从而确认是否存在多拍或漏拍情况；并在所有成像指令执行完成后，将相机成像数量的对比结果反馈给上位机，以确认是否需要补拍或重拍；
所述通信单元用于与所述通信模块进行通信。
所述通信模块的接口包括但不限于UART通信接口、RS232通信接口、RS485通信接口、USB3.0通信接口以及与成像光谱仪连接的硬件触发接口；
所述UART通信接口用于连接上位机和主控模块，并传输所述转动指令和成像指令或太阳跟踪指令；
所述RS232通信接口与二维转台相连，用于传输所述转动指令；
所述USB3.0通信接口用于连接上位机和成像光谱仪，并传输所述软件曝光信息和成像数据信息；
所述硬件触发接口用于连接主控模块和成像光谱仪，并通过内部的光耦电路触发成像光谱仪的成像，同时将硬件曝光信息通过内部的光耦电路输出给主控模块。
所述主控模块是如下步骤进行同步处理：
步骤1：所述主控模块的PS端和PL端同时接收成像光谱仪每帧拍摄完成后的硬件曝光信息；
步骤2：所述PL端根据所接收到的当前角度信息解析得到二维转台角度信息，并接收GPS单元的秒脉冲PPS；
步骤3：所述PS端通过所述PL端的通信单元中的UART串口接收GPS模块发送的位置信息并解析得到经纬度信息；
步骤4：所述PL端根据硬件曝光信号将PS端上精确到秒的时间存入FPGA芯片所管理的存储器DDR中；
步骤5：所述PL端根据秒脉冲PPS计算精确到微秒的时间，并与PS端上精确到秒的时间结合为完整的精确时间，同时将位置信息、二维转台角度信息、硬件曝光信息和太阳方位信息也一并存储在存储器DDR的对应指定地址中，以实现同步；
步骤6：完成存储后，FPGA芯片中PL端提醒PS端读取存储器DDR中完整的精确时间及二维转台角度信息，使得所述PS端将相应信息发送给上位机。
与已有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、本发明基于FPGA的成像光谱仪的成像信息同步装置，支持二维转台当前角度信息与成像光谱仪成像信息或四象限光电探测器太阳方位信息的同步获取，主控FPGA能并行处理多路反馈信息，实时记录与成像信息的相匹配的位置信息和当前观测角度信息，减小了时间误差，从而解决了成像光谱仪室外实验上位机无法同步获取成像信息的位置信息和当前角度信息的缺点。
2、本发明主控模块的同步处理步骤使用PL和PS端架构的FPGA解决传统室外试验时的成像信息时间精度问题，当前角度信息、太阳方位信息，位置信息多信息采集问题以及多信息同步问题，从而提高了成像信息拍摄时的位置信息和当前角度信息的准确度，同时PL端的漏拍多拍检测单元能准确识别漏拍多拍位置，从而减小了后期数据处理难度，并降低了漏拍或多拍时室外试验数据的无效性带来的重复实验次数。
3、本发明主控FPGA芯片采用的架构方式，将ARM(PS端)与FPGA(PL端)结合，提高了集成度，实现了ARM处理器和FPGA之间的高速通信和数据交互，发挥了ARM处理器和FPGA各自的性能优势，在设计过程中也降低了难度；并通过PL端可构造不同硬件满足实时同步采集，PS端的ARM处理器能更好地实现逻辑功能，与上位机进行通信进行相关数据传输与命令响应功能；同时PL端能使用封装好的IP核进行快速开发，与传统技术相比，降低了开发周期与维护难度，提高了产品的经济效益。
附图说明
图1是本发明基于FPGA的成像光谱仪的成像信息同步装置的结构示意图。
图2是本发明基于FPGA的成像光谱仪的成像信息同步装置的FPGA芯片内部模块图。
图3是本发明基于FPGA的成像光谱仪的成像信息同步装置的成像光谱仪相机接口图。
图4是本发明基于FPGA的成像光谱仪的成像信息同步装置的整体流程图。
图5是本发明基于FPGA的成像光谱仪的成像信息同步装置的通信控制下位机处理流程图；
图中标号：1二维转台；2成像光谱仪；3四象限光电探测器。
具体实施方式
本实施例中，如图1所示，一种基于FPGA的成像光谱仪的成像信息同步装置，包括二维转台1、成像光谱仪2、四象限光电探测器3、电源、通信控制下位机和上位机；
如图2所示，通信控制下位机包括：主控模块、通信模块、信号处理模块、GPS模块；其中，GPS模块采用包括但不限于OEM617板卡。
具体实施中，主控模块采用包括但不限于XC7Z020系列的FPGA芯片，并包括：FPGA芯片的PL端和PS端、电源模块、QSPI模块、DDDR3存储模块等；
信号处理模块包括：探测器前放、信号处理模块、ADC模块；ADC模块采用芯片包括但不限于AD7606芯片，探测器前放采用芯片包括但不限于TLC2202系列运算放大器。
主控模块通过内部的PL端连接通信模块，通信模块连接二维转台1、上位机与成像光谱仪2，主控模块通过PL端的通信单元连接GPS模块；主控模块通过ADC模块、信号处理模块与探测器前放连接四象限光电探测器3，主控中DDR存储模块用于存储接收到的二维转台1当前角度信息、太阳方位信息、GPS经纬度信息及时间信息。
电源连接上位机、通信控制下位机、二维转台1为其供电，通信控制下位机及二位转台内部的其余二次电源由各装置内自行解决；
上位机将用户的指令信息打包后发送给通信控制下位机进行处理；
GPS模块将成像信息同步装置的位置信息及秒脉冲PPS反馈给主控模块；
通信控制下位机中的通信模块接收上位机的指令信息，并传递给主控模块进行处理，得到转动指令和成像指令或太阳跟踪指令并通过通信模块发送给二维转台1和成像光谱仪2或四象限光电探测器3；
二维转台1执行转动指令到达目标角度并发送当前角度信息给通信模块；
成像光谱仪2根据成像指令进行拍摄后，将软件曝光信息通过通信模块发送上位机，并将硬件曝光信息通过通信模块发送给主控模块，同时将成像数据信息通过通信模块发送给上位机；
四象限光电探测器3根据太阳跟踪指令采集太阳方位信息并发送给信号处理模块；
信号处理模块将太阳方位信息通过通信模块发送给主控模块；
主控模块根据秒脉冲PPS将位置信息、当前角度信息、硬件曝光信息和太阳方位信息进行同步处理，并将同步后的信息发送至上位机；
上位机根据同步后的信息对成像数据信息进行命名和存储，并根据软件曝光信息与主控模块中的硬件曝光信息进行对比，得到当前拍摄情况。
本实施例中，PS端用于接收上位机的指令并进行解析，并在拍摄完成后，将经纬度信息、当前角度信息和太阳方位信息反馈给上位机；
PL端中设置有漏拍多拍检测单元和通信单元；
漏拍多拍检测单元用于对软件曝光信息和硬件曝光信息进行对比，从而确认是否存在多拍或漏拍情况；并在所有成像指令执行完成后，将相机成像数量的对比结果反馈给上位机，以确认是否需要补拍或重拍；
通信单元用于与通信模块进行通信。
具体实施中，通信模块的接口包括但不限于UART通信接口、RS232通信接口、USB3.0通信接口、RS485通信接口以及与成像光谱仪2连接的硬件触发接口；其中，RS232通信接口、RS485通信接口分别采用包括但不限于MAX3232、MAX3485芯片作为电平转换芯片；
UART通信接口用于连接上位机和主控模块，并传输转动指令和成像指令或太阳跟踪指令；
RS232通信接口与二维转台1相连，用于传输转动指令；
USB3.0通信接口用于连接上位机和成像光谱仪2，并传输软件曝光信息和成像数据信息；
硬件触发接口用于连接主控模块和成像光谱仪2，并通过内部的光耦电路触发成像光谱仪2的成像，同时将硬件曝光信息通过内部的光耦电路输出给主控模块。
成像光谱仪2的相机采用英迪格的400万微光高灵敏sCMOS相机，成像操作模式有自由模式，硬件触发模式，软件触发模式，如图3所示，成像光谱仪2的相机接口包括TRIGGER接口、USB接口、Micro USB接口，TRIGGER接口用于外部触发输入与信号输出；USB接口为相机供电以及数据的传输；Micro USB用于作为辅助电源使用；LED灯为电源指示灯，接通时电源会亮；TRIGGER接口对应编号与功能如表1所示：
表1 TRIGGER接口各管脚定义
外触发连接器管脚编号 管脚功能与定义
1 TRI_IN(触发输入)
2 TRI_GND(地线)
3 TRI_GND(地线)
4 TRI_OUT0(输出曝光指示信号)
5 TRI_OUT1(输出读出指示信号)
6 NC(无用管脚)
成像光谱仪2通过USB接口连接通信模块之后连接上位机，同时TRIGGER接口通过通信模块连接通信控制下位机的PL端进行触发成像，成像光谱仪2的成像数据信息根据上位机中选择路径直接保存在其载体计算机中，每次成像时，通信控制下位机将当前角度信息、太阳方位信息、时间信息发送给上位机，以此作为成像数据信息的文件命名依据，方便用户后期进行数据处理。同时，在多次成像后，通信控制下位机会与上位机通过通信模块进行通信，比对成像数量是否发生多拍漏拍情况，方便及时补拍或重拍。
本实施例中，一种基于FPGA的成像光谱仪的成像信息同步方法，包括：
步骤1：主控模块的PS端和PL端同时接收像光谱仪2每帧拍摄完成后的硬件曝光信息；
步骤2：PL端根据所接收到的当前角度信息解析得到二维转台角度信息，并接收GPS单元的秒脉冲PPS；
步骤3：PS端通过PL端的通信单元的UART串口接收GPS模块发送的位置信息并解析得到经纬度信息；
步骤4：PL端根据硬件曝光信号将PS端上精确到秒的时间存入FPGA芯片所管理的存储器DDR中；
步骤5：PL端根据秒脉冲PPS计算精确到微秒的时间，并与PS端上精确到秒的时间结合为完整的精确时间，同时将位置信息、二维转台角度信息、硬件曝光信息和太阳方位信息也一并存储在存储器DDR的对应指定地址中，以实现同步；
步骤6：完成存储后，FPGA芯片中PL端提醒PS端读取存储器DDR中完整的精确时间及二维转台角度信息，使得PS端将相应信息发送给上位机。
成像信息同步装置运行过程如图4所示，首先调整二维转台1的位置，包括将底座调至水平并使其初始方位角度指北，然后软件初始化，包括上位机与通信控制下位机时间同步、获取成像装置所在位置经纬度信息、转台初始化、并关闭成像光谱仪2；接着执行太阳跟踪指令确定太阳方位，确定太阳位置后，设置观测参数，包括观测条件：观测天顶角、观测方位角、角度间隔等，相机参数：积分时间、增益、区域等，二维转台1的参数：运行速度等；调整成像光谱仪2的角度后，二维转台1开始旋转采集图像获取光谱数据。在采集过程中，同步方式为，下位机实时查询二维转台角度信息，查询到采集角度后下位机发送硬件触发信号，在此后积分时间1/2处获取图像采集信息，同时通信控制下位机将当前角度信息、太阳方位信息、经纬度信息、采集序列发送至上位机，上位机根据接收的当前角度信息、太阳方位信息、经纬度信息、采集序列等作为成像数据信息命名存储，如果成像数据丢失则丢弃此次角度信息，并根据实际情况判断是否进行补拍或重拍。
如图5所示，本实施例中，当通信控制下位机上电后首先初始化各模块，包括主控模块、通信控制模块、信号处理模块、GPS模块，之后等待上位机发送指令信息，指令信息格式为"命令码参数1参数2…参数n"。除调试模式外，命令码与参数均为ASCII码，命令码和参数之间以ASCII码空格间隔，命令以“\n”结尾，调试模式时所有参数均以16进制数据发送。
通信控制下位机接收到太阳跟踪指令进入太阳跟踪模式后，寻找太阳方位的步骤为：
1、首先根据GPS模块提供的成像信息同步装置所在经纬度信息和时间信息估算太阳粗略方位，控制二维转台1运动使四象限光电探测器3指向到太阳附近；
2、利用四象限光电探测器3寻找太阳精确位置；具体方式为：同步接收四象限光电探测器3的A象限、B象限、C象限、D象限DN值数据，进行处理得到太阳方位信息，根据太阳方位信息通信控制下位机进一步控制二维转台1运动使成像信息同步装置能准确的到当前太阳方位信息；
3、确定准确找到当前太阳方位信息后，将该太阳方位信息作为反馈信息存储在主控模块中的DDR存储模块中；
通信控制下位机接收到成像指令后进入触发工作模式后，进一步判断参数1的值，根据参数1的值不同，进入不同的工作模式，上位机发送给通信控制下位机的指令信息如表2所示，表中
Figure BDA0003265792170000071
表示方位角，θ表示天顶角，下标s表示对应角度的起始角度，下标e表示对应角度的结束角度，下标i表示对应角度的间隔角度。例如：指令"T 02000103000\n"表示"二维转台1从方位角20°连续运动到30°，每间隔0.1°进行成像"；指令"T 12000103000\n"表示"二维转台1从俯仰角20°连续运动到30°，每间隔0.1°进行成像"；指令"T 22000\n"表示"二维转台1运动到方位角20°进行成像"；指令"T 32000\n"表示"二维转台1运动到天顶角20°进行成像"。
表2触发工作模式指令信息
Figure BDA0003265792170000081
通信控制下位机接收到转动指令后进入调试模式，通信控制下位机通过通信模块转发上位机的转动指令给二维转台1，二维转台1根据转动指令到达目标角度并反馈信息。调试模式的指令格式为"FF地址号cmd1命令码cmd2命令码data1数据码data2数据码checksum校验位"，例如"FF 01000900050F"表示打开二维转台1的辅助开关5，用于实时反馈二位转台1的当前角度信息。

Claims (4)

1.一种基于FPGA的成像光谱仪的成像信息同步装置，其特征在于，包括二维转台(1)、成像光谱仪(2)、四象限光电探测器(3)、通信控制下位机和上位机；
所述通信控制下位机包括：主控模块、通信模块、信号处理模块、GPS模块；
所述上位机将用户的指令信息打包后发送给通信控制下位机进行处理；
所述GPS模块将成像信息同步装置的位置信息及秒脉冲PPS反馈给所述主控模块；
所述通信控制下位机中的通信模块接收所述上位机的指令信息，并传递给主控模块进行处理，得到转动指令和成像指令或太阳跟踪指令并通过通信模块发送给二维转台(1)和成像光谱仪(2)或四象限光电探测器(3)；
所述二维转台(1)执行所述转动指令到达目标角度并发送当前角度信息给所述通信模块；
所述成像光谱仪(2)根据所述成像指令进行拍摄后，将软件曝光信息通过所述通信模块发送上位机，并将硬件曝光信息通过所述通信模块发送给主控模块，同时将成像数据信息通过通信模块发送给所述上位机；
所述四象限光电探测器(3)根据太阳跟踪指令采集太阳方位信息并发送给所述信号处理模块；
所述信号处理模块将太阳方位信息通过所述通信模块发送给所述主控模块；
所述主控模块根据秒脉冲PPS将位置信息、当前角度信息、硬件曝光信息和太阳方位信息进行同步处理，并将同步后的信息发送至所述上位机；
所述上位机根据所述同步后的信息对所述成像数据信息进行命名和存储，并根据所述软件曝光信息与所述主控模块中的硬件曝光信息进行对比，得到当前拍摄情况。
2.根据权利要求1所述的基于FPGA的成像光谱仪的成像信息同步装置，其特征是，在所述主控模块采用包括但不限于XC7Z020系列的FPGA芯片，并包括PS端和PL端；
所述PS端用于接收上位机的指令并进行解析，并在拍摄完成后，将经纬度信息、当前角度信息和太阳方位信息反馈给上位机；
所述PL端中设置有漏拍多拍检测单元和通信单元；
所述漏拍多拍检测单元用于对软件曝光信息和硬件曝光信息进行对比，从而确认是否存在多拍或漏拍情况；并在所有成像指令执行完成后，将相机成像数量的对比结果反馈给上位机，以确认是否需要补拍或重拍；
所述通信单元用于与所述通信模块进行通信。
3.根据权利要求1所述的基于FPGA的成像光谱仪的成像信息同步装置，其特征在于：所述通信模块的接口包括但不限于UART通信接口、RS232通信接口、RS485通信接口、USB3.0通信接口以及与成像光谱仪连接的硬件触发接口；
所述UART通信接口用于连接上位机和主控模块，并传输所述转动指令和成像指令或太阳跟踪指令；
所述RS232通信接口与二维转台(1)相连，用于传输所述转动指令；
所述USB3.0通信接口用于连接上位机和成像光谱仪(2)，并传输所述软件曝光信息和成像数据信息；
所述硬件触发接口用于连接主控模块和成像光谱仪(2)，并通过内部的光耦电路触发成像光谱仪(2)的成像，同时将硬件曝光信息通过内部的光耦电路输出给主控模块。
4.根据权利要求2所述的基于FPGA的成像光谱仪的成像信息同步装置，其特征是，所述主控模块是如下步骤进行同步处理：
步骤1：所述主控模块的PS端和PL端同时接收成像光谱仪(2)每帧拍摄完成后的硬件曝光信息；
步骤2：所述PL端根据所接收到的当前角度信息解析得到二维转台角度信息，并接收GPS单元的秒脉冲PPS；
步骤3：所述PS端通过所述PL端的通信单元中的UART串口接收GPS模块发送的位置信息并解析得到经纬度信息；
步骤4：所述PL端根据硬件曝光信号将PS端上精确到秒的时间存入FPGA芯片所管理的存储器DDR中；
步骤5：所述PL端根据秒脉冲PPS计算精确到微秒的时间，并与PS端上精确到秒的时间结合为完整的精确时间，同时将位置信息、二维转台角度信息、硬件曝光信息和太阳方位信息也一并存储在存储器DDR的对应指定地址中，以实现同步；
步骤6：完成存储后，FPGA芯片中PL端提醒PS端读取存储器DDR中完整的精确时间及二维转台角度信息，使得所述PS端将相应信息发送给上位机。
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