CN1671077A - 一种用于微型飞行器的摄像与图像传输系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于微型飞行器的微功耗图像传输系统，首先采用微型摄像单元拍摄地面图像，对图像信号进行预处理；对处理后的信号进行放大并加入亮度调制；放大后的信号进行模拟调制，采用窄带、低电平直接调制方式，在保证调制线性度和图像失真度的情况下，实现高的能量转换效率；然后再经过功率放大后以电磁波的形式辐射；使用高增益天线接受飞行器发射的视频信号；然后对微弱信号进行低噪声放大；对放大后的信号进行解调；再将最后的视频信号送入地面处理软件进行显示、存储和处理。本发明可实现微型飞行器侦察任务，具有质量低、体积小、性能稳定可靠、成本低廉、图像基本无延迟等优点。

Description

一种用于微型飞行器的摄像与图像传输系统

技术领域

本发明属于微型飞行器技术领域的用于飞行器的摄像与图像传输系统，特别涉及一种用于微型飞行器的摄像及图像传输系统。

背景技术

微型飞行器(Micro Aerial Vehicles简称MAV)是目前世界前沿科技领域中的一项极富挑战性的研究课题，其尺寸小、重量轻、隐蔽性好，可广泛用于空中侦察、目标定位等。图像传输系统是微型飞行器有效载荷的重要组成部分，通过模拟或数字传输方式，将机载微小摄像机拍摄的地面图像传回地面控制站，从而起到侦察的作用。微型飞行器尺寸和重量的限制要求机载电子设备具有很高的集成度；能源的限制则要求电子设备具有很低的功耗；但微小摄像与图像传输系统的覆盖范围和可靠性都必须满足微型飞行器的侦察任务要求。

常规侦察飞机上的无线图像传输系统均为高空侦察摄影所设计。通常配备高分辨率的照相机或红外照相机，大功率无线通信系统以及高灵敏度的地面控制中心。微型飞行器主要设计用途为单兵侦察装备，一般覆盖范围不过几公里，有效载荷不过几十克，普通的摄像和通信系统无法满足其要求。国外基于微型飞行器的摄像与图像传输系统多采用数字方式，占用带宽非常大，一般只能达到3～4帧每秒的传输率，无法实现连续视频的传输。

图1为其摄像与图像传输系统框图；由图1可知，摄像与图像传输系统，一般包括机载部分和地面部分；

机载部分的摄像单元拍摄的视频信号经视频发射单元调制后变为射频信号由发射天线发射出去，地面部分的控制台通过定向接收天线接收射频信号，并采用低噪声放大器将微弱的射频信号进行放大，通过卫星接收机解调后由控制台进行视频存储及显示。

传统的无线图像传输系统存在以下问题：

1.工作频点一般在几百兆赫兹，属于国家管制频段，容易受干扰，也很有可能干扰其他职能部门的通讯。

2.普通调频装置原理根据载波产生方式和调制方式不同可以分为以下几类：a)由普通晶体振荡器产生低频调频波，再经过几级倍频后达到所需要的工作频率，优点在于频率稳定度高，但倍频容易产生谐波干扰和镜像频率，需要添加高性能的滤波电路，增加的系统复杂度；b)由高频三极管或场效应管构成振荡器直接生成所需载波，通常采用RC电路做谐振器，Q值不够高，容易发生频率漂移。

3.普通无线图像传输装置应用对象多为视频会议和电视广播，虽然图像质量和传输距离等指标均很优越，但体积和功耗都较大，不能满足MAVs的要求。

发明内容

本发明的目的是针对目前微型飞行器的需求，提供一种用于微型飞行器的摄像与图像传输系统，实现微型飞行器侦察任务，具有质量低、体积小、性能稳定可靠、成本低廉、图像基本无延迟等优点。

1、本发明提供的用于微型飞行器的微小摄像与图像传输系统，包括机载部分和地面部分，其特征在于，

所述的机载部分包括：

1)系统的一直流电源，该直流电源的电压为5-12V；

2)一微型摄像单元，如图2所示，该微型摄像单元由摄像传感器1(图2中为CMOS摄像芯片)、时序控制电路2和功能控制电路3组成；所述摄像芯片完成光信号到电信号的转换；摄像传感器1的电源输入端在并联一个滤波电容后，接入系统的直流电源；摄像传感器的时序信号输入端并联一个无源石英晶体振荡器和一电阻，再通过两个滤波电容分别接地，以构成时序控制电路2；摄像传感器的功能控制端，通过一电阻接高电平或接地，以构成功能控制电路3；摄像传感器的图像信号输入端接阻抗匹配电阻后输出模拟图像信号；

3)视频发射单元，该视频发射单元由图像预处理电路、调制电路和射频电路组成；如图3所示，所述图像预处理电路包括预加重电路4和视频放大电路5，视频放大电路5采用集成运算放大器51和DC-DC转换芯片52，DC-DC转换芯片52的电压输入端并联一第一滤波电容C15后接系统的直流电源，在转换芯片52的正极性端和负极性端之间串连一个极性电容C12，转换芯片52的电压输出端在并联滤波电容C16接地后接上述集成运算放大器51的负电压输入端；来自微型摄像单元的图像信号经由一第二滤波电容C13和前馈电阻R15进入上述集成运算放大器51的反相输入端，该集成运算放大器51的正相输入端接地，集成运算放大器51的正电压输入端通过一第三滤波电容C11后接系统的直流电源，该运算放大器51负电压输入端接DC-DC转换芯片52的输出端，该运算放大器51的信号输出端与正相输入端之间串连一个反馈电阻R14，信号输出端通过一第四滤波电容C14后输出处理后的图像信号；

如图4所示，调制电路由三点式反馈振荡器6和选频调制电路7组成；三点式反馈振荡器6的核心元件是微波三极管Q1，该微波三极管Q1的集电极通过谐振电感接系统电源同时并联一个电容C4接地，微波三极管Q1的基极接在两个串连电阻R2和R3之间，串连电阻的另外两端分别接系统地直流电源和接地；微波三极管Q1的基极还通过一个谐振电容C2接选频调制电路；所述的频调制电路主要由一段终端短路微带线M1和变容二极管V1组成；所述终端短路微带线M1一段连接C2，另一端接地；M1和C2的连接端串连电容C1后分别并联变容二极管V1接地，并联滤波电感L1和偏置电位器R1接地；所述的偏置电位器两端分别接系统的直流电源和地，用来给变容二极管V1提供偏置电压，将视频发射单元图像预处理电路处理后的图象信号接在滤波电感和电位器的连接点上；微波三极管Q1的发射极通过一个电阻R4和反馈电容C3并联接地，同时通过匹配电容C5输出调制的图像调频信号；

射频电路由功率放大芯片8和偏置电路9组成，功率放大芯片8的输入端接调制电路的图像调频信号输出端，射频电路的输出端分别通过滤波电感L3和偏置电阻R5的串连接系统直流电源，通过匹配电容C6接发射天线；功率放大芯片8的接地端接地；

4)一发射天线；

所述地面部分包括：

1)接收天线，该接收天线由反射面和螺旋接收器组成；反射面为一圆形金属板，圆心处通过一根金属杆支撑起一个螺旋接收器；螺旋接收器是一段金属螺旋杆，杆的底端安有高频接头，接收到的信号通过此接头和同轴电缆到低噪声放大器的输入端；

2)低噪声放大器，如图5所示，该低噪声放大器由金属屏蔽盒和放大电路10组成；金属屏蔽盒两端分别设有高频接头，盒内放置放大电路10，放大电路10由低噪声放大芯片101，电源芯片102和匹配电路103组成；电源芯片101的输入端低噪声放大电路10的输出端，同时并联一个滤波电容C104；电源芯片102的输出端接放大芯片101的电源输入端，同时并联一个滤波网络105，该滤波网络105由2个并联电容C106、C107，一个串连电感L108和稳压二极管D109组成；电源芯片的反馈端接地；放大芯片101的信号输入端通过一个匹配电容C110和一段匹配微带线M111接低噪声放大电路10的信号输入端，放大芯片101的信号输出端通过一个匹配电容C112和一段匹配微带线接M113低噪声放大器的信号输出端；

微型摄像单元产生的模拟图像信号进入图像预处理电路的信号输入端，再经过图像预处理电路的信号输出端进入调制电路里滤波电感和电位器的连接点上进行调制，调制电路的信号输出端输出调制后的图像调频信号进入射频电路的信号输入端，放大后的高频信号经由射频电路的信号输出端进入发射天线辐射出来；接收天线接收到图像调频信号后，此信号通过接收天线的高频接头和同轴电缆进入低噪声放大器的信号输入端，低噪声放大器的信号输出端输出的图像调频信号进入卫星接收机进行解调和图像处理后，卫星接收机输出PAL制式的模拟视频信号进入视频存储及显示单元，该单元可以是电视机、录像机或计算机；

所述的摄像芯片为CMOS摄像传感器或CCD摄像传感器；所述的发射天线为一根金属杆；所述的系统的直流电源的电压为5V。

本发明提供的用于微型飞行器的摄像与图像传输系统，可实现微型飞行器侦察任务，具有质量低、体积小、性能稳定可靠、成本低廉、图像基本无延迟等优点。

附图说明

附图1为用于微型飞行器的摄像与图像传输系统的原理图；

附图2为微型摄像单元的示意图；

附图3为射频发射单元中的图像预处理器示意图；

附图4为射频发射单元中的调制电路和射频电路的示意图；

附图5为地面部分的低噪声放大器的示意图；

具体实施方式

本发明提出的应用于微型飞行器的微小摄像与图像传输系统，首先利用图像传感器和特制微小镜头采集到地面图像，对上述连续视频信号进行预处理和放大，然后对处理过的图像信号进行模拟调制，再采用功率放大电路放大信号后发射出去。地面接收端采用接收天线接收微弱的射频信号，经过低噪声放大器对信号进行放大，再对放大后的信号进行解调，并送至计算机进行数字化存储和处理。

1、机载微型摄像系统

Y1为石英晶体振荡器，为芯片提供时钟信号。R₃、R₄、R₇、R₉、R₁₂、R₁₃为上拉电阻，选用10K的贴片电阻即可。R₁₆为滤波电阻，可选用1M的阻值。R₁₈迎来匹配输出电阻，根据后接负载阻值的不同取值，这里选用100Ω的贴片电阻。芯片22管脚输出的极为CVBS视频信号。此电路配上合适的镜头就可以构成一个微笑摄像头。

2、图像预处理器

摄像芯片输出视频信号经过一级放大，通过调整输入阻抗可以对放大倍数进行调节，从而调节图像的亮度，其中U1为美信公司的直流电压转换芯片MAX1044，用来给集成运算放大器提供负偏压，电路放大倍数由R₁₅和R₁₃共同决定，输出信号V_out＝R₁₃/R₁₅.V_m

3、调制和射频处理器

这是机载系统的核心部分。采用三点式反馈振荡器直接产生1.2GHz高频载波信号。C3和R4构成反馈部分，V1为变容二极管，输入信号通过断露2耦合入调谐网络V1，L1，R1及C1，通过改变V1两端偏压就可以改变V1的电容值，从而改变系统振荡频率，达到调频的目的。三极管Q选用日历公司的微波双极性三极管2SC3354，其特征频率f_T＝7GHz，具有噪声系数小，可用功率增益高的特点。功率放大电路采用Agilent公司生产的集成功效芯片MSA-1105，它内部集成输入输出匹配电路，匹配电阻为50Ω4。

3、接受天线

根据螺旋天线的特性参数经验公式，在选取合适的工作频率后，采用一定的优化算法利用这些经验公式推算处最优物理尺寸。

螺旋天线电参数计算：

1)方向性系数：

$D=15{\left(\frac{L}{\mathrm{\λ}}\right)}^2\frac{\mathrm{ns}}{\mathrm{\λ}}$

2)波瓣宽度：

3)输入阻抗：

$Z_{\mathrm{in}}=140\frac{L}{\mathrm{\λ}}\left(\mathrm{\Ω}\right)$

4)天线增益

$G=10\mathrm{lgD}=11.8+10\lg \left[{\left(\frac{L}{\mathrm{\λ}}\right)}^2\frac{\mathrm{ns}}{\mathrm{\λ}}\right]\left(\mathrm{dB}\right)---(5-1)$

5、高频接收器

低噪声放大器的主要作用是提高增益，将接收到的微弱信号进行放大，从而达到提高系统整体工作半径的目的，因而在选择低噪声放大器芯片时，最关心的是芯片的工作频段、增益等。这里我们选用MAX2640，其典型增益为15.1dB，供电为2.7～5.5V。微型接收机提供的电源电压为20V，故选用DC/DC芯片MAX638作为低噪声放大器的供电电源，其输出电压为5V。

Claims (4)

1、种用于微型飞行器的微小摄像与图像传输系统，包括机载部分和地面部分，其特征在于，

所述的机载部分包括：

1)一系统的一直流电源，其电压值为5-12V；

2)一微型摄像单元，该微型摄像单元由摄像传感器(1)、时序控制电路(2)和功能控制电路(3)组成；所述摄像芯片完成光信号到电信号的转换；摄像传感器(1)的电源输入端在并联一个滤波电容后，接入系统的直流电源；摄像传感器的时序信号输入端并联一个无源石英晶体振荡器和一电阻，再通过两个滤波电容分别接地，以构成时序控制电路(2)；摄像传感器的功能控制端，通过一电阻接高电平或接地，以构成功能控制电路(3)；摄像传感器的图像信号输入端接阻抗匹配电阻后输出模拟图像信号；

3)频发射单元，该视频发射单元由图像预处理电路、调制电路和射频电路组成；所述图像预处理电路包括预加重电路(4)和视频放大电路(5)，视频放大电路(5)采用集成运算放大器(51)和DC-DC转换芯片(52)，DC-DC转换芯片(52)的电压输入端并联一第一滤波电容(C15)后接系统的直流电源，在转换芯片(52)的正极性端和负极性端之间串连一个极性电容(C12)，转换芯片(52)的电压输出端在并联滤波电容(C16)接地后接上述集成运算放大器(51)的负电压输入端；来自微型摄像单元的图像信号经由一第二滤波电容(C13)和前馈电阻(R15)进入上述集成运算放大器(51)的反相输入端，该集成运算放大器(51)的正相输入端接地，集成运算放大器(51)的正电压输入端通过一第三滤波电容(C11)后接系统的直流电源，该运算放大器(51)负电压输入端接DC-DC转换芯片52的输出端，该运算放大器(51)的信号输出端与正相输入端之间串连一个反馈电阻(R14)，信号输出端通过一第四滤波电容(C14)后输出处理后的图像信号；

调制电路由三点式反馈振荡器(6)和选频调制电路(7)组成；三点式反馈振荡器(6)的核心元件是微波三极管(Q1)，该微波三极管(Q1)的集电极通过谐振电感接系统电源同时并联一个电容(C4)接地，微波三极管Q1的基极接在两个串连电阻(R2)和(R3)之间，串连电阻的另外两端分别接系统地直流电源和接地；微波三极管(Q1)的基极还通过一个谐振电容(C2)接选频调制电路；所述的频调制电路主要由一段终端短路微带线(M1)和变容二极管(V1)组成；所述终端短路微带线(M1)一段连接(C2)，另一端接地；(M1)和(C2)的连接端串连电容(C1)后分别并联变容二极管(V1)接地，并联滤波电感(L1)和偏置电位器(R1)接地；所述的偏置电位器两端分别接系统的直流电源和地，用来给变容二极管(V1)提供偏置电压，将视频发射单元图像预处理电路处理后的图象信号接在滤波电感和电位器的连接点上；微波三极管(Q1)的发射极通过一个电阻(R4)和反馈电容(C3)并联接地，同时通过匹配电容(C5)输出调制的图像调频信号；

射频电路由功率放大芯片(8)和偏置电路(9)组成，功率放大芯片(8)的输入端接调制电路的图像调频信号输出端，射频电路的输出端分别通过滤波电感(L3)和偏置电阻(R5)的串连接系统直流电源，通过匹配电容(C6)接发射天线；功率放大芯片(8)的接地端接地；

4)一发射天线；

所述地面部分包括：

1)接收天线，该接收天线由反射面和螺旋接收器组成；反射面为一圆形金属板，圆心处通过一根金属杆支撑起一个螺旋接收器；螺旋接收器是一段金属螺旋杆，杆的底端安有高频接头，接收到的信号通过此接头和同轴电缆到低噪声放大器的输入端；

2)低噪声放大器，该低噪声放大器由金属屏蔽盒和放大电路(10)组成；金属屏蔽盒两端分别设有高频接头，盒内放置放大电路(10)，放大电路(10)由低噪声放大芯片(101)，电源芯片(102)和匹配电路(103)组成；电源芯片(101)的输入端低噪声放大电路(10)的输出端，同时并联一个滤波电容(C104)；电源芯片(102)的输出端接放大芯片(101)的电源输入端，同时并联一个滤波网络(105)，该滤波网络(105)由2个并联电容，一个串连电感和稳压二极管组成；电源芯片的反馈端接地；放大芯片(101)的信号输入端通过一个匹配电容和一段匹配微带线接低噪声放大电路(10)的信号输入端，放大芯片(101)的信号输出端通过一个匹配电容和一段匹配微带线接低噪声放大器的信号输出端；

微型摄像单元产生的模拟图像信号进入图像预处理电路的信号输入端，再经过图像预处理电路的信号输出端进入调制电路里滤波电感和电位器的连接点上进行调制，调制电路的信号输出端输出调制后的图像调频信号进入射频电路的信号输入端，放大后的高频信号经由射频电路的信号输出端进入发射天线辐射出来；接收天线接收到图像调频信号后，此信号通过接收天线的高频接头和同轴电缆进入低噪声放大器的信号输入端，低噪声放大器的信号输出端输出的图像调频信号进入卫星接收机进行解调和图像处理后，卫星接收机输出PAL制式的模拟视频信号进入视频存储及显示单元，该单元可以是电视机、录像机或计算机。

2、按权利要求1所述的用于微型飞行器的微小摄像与图像传输系统，其特征在于，所述的摄像芯片为CMOS摄像芯片或CCD摄像芯片。

3、按权利要求1所述的用于微型飞行器的微小摄像与图像传输系统，其特征在于，所述的发射天线为一根金属杆。

4、按权利要求1所述的用于微型飞行器的微小摄像与图像传输系统，其特征在于，所述的系统的直流电源的电压为5V。

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