CN203445961U - 一种基于多数据链路的航空气象图像监视系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于多数据链路的航空气象图像监视系统，包括图像采集模块，摄像机与信号图像采集模块相连接，图像采集模块连接给图像处理模块，图像传输模块通过数据链选择模块控制数据链选择模块中的3G模块、卫星传输模块和以太网传输模块连接气象监视地面站，气象监视地面站连接到数据共享网络，3G网络传输、卫星传输、局域有线网络由用户自行选择配置，气象图像监视地面站采用B/S架构，气象图像数据通过共享网络提供给航空用户，有益效果是：克服航空气象站缺少气象图像监视、提供的气象信息不全面及单数据链路传输的缺点，多数据链路传输，给航空用户灵活的提供接近实时的气象图像信息，提高安全和效率，减少与气象相关的航空事故和中断飞行现象。

Description

一种基于多数据链路的航空气象图像监视系统

技术领域

本实用新型涉及航空气象图像监视设备，特别涉及一种基于多数据链路的航空气象图像监视系统。

背景技术

目前，航空气象观测站及飞行服务站大部分只能采集常规的气象数据，而很少能够将天气的图像数据传输给气象用户使用,难以提高航空气象用户的情景意识。美国FAA（联邦航空局）的航空气象照相机项目能够给美国的航空用户提供气象图像信息，但没有集成所在地的气象报文信息，很难全面反映当地航空气象状况，并且仅仅采用了卫星单一链路传播来进行气象图像数据的监测。

如果通过单一链路传播的方式来提供气象图像信息存在以下问题：偏远地区专线传输的成本较高；无线传输需要长时间占用信道，带宽受限；气象图像服务的并发支持困难；大量用户并发浏览经常造成服务器超载；气象图像网站带宽不足就会产生阻塞或停顿；要保证服务品质，需要巨大的资金投入；由于服务品质和覆盖率的提高需要一个漫长的过程，因此用户数量难以快速扩张，短期内很难产生效益。

发明内容

本实用新型的目的就是为克服现有技术的不足，针对航空气象站及通航服务站大多缺少气象图像监视、提供的气象信息不全面及只采用单数据链路传输的特点，提供一种设计方案，采用多数据链路的航空气象图像监视系统，多数据链路包括局域有线网络、3G网络和卫星通信网络。通过采用多数据链路的航空气象图像监视系统，灵活的提供给航空用户接近实时的图像，同时给用户提供实时的气象报文和气象图像对比画面,供航空用户判断气象条件,从而提高航空安全和效率，减少与气象相关的航空事故，减少与气象相关的中断飞行。

本实用新型是通过这样的技术方案实现的：一种基于多数据链路的航空气象图像监视系统，其特征在于，包括摄像头、图像采集模块、图像处理模块、图像传输模块、气象监视地面站和数据共享网络；摄像头、图像采集模块、图像处理模块、图像传输模块、气象监视地面站和数据共享网络依次连接；

所述图像采集模块主要由FPGA芯片、ADC转换电路和接口电路构成；

所述图像处理模块主要由FPGA芯片、DSP芯片、存储器电路、时钟电路和接口电路构成； 

所述图像传输模块包括数据链路选择模块和多数据链路传输接口；其中，数据链选择模块，数据链选择模块由3G模块、卫星传输模块和以太网传输模块构成，数据链路传输接口包括3G网络传输、卫星传输、局域有线网络；

 摄像机与信号图像采集模块相连接，图像采集模块连接给图像处理模块，图像传输模块通过数据链选择模块控制数据链选择模块中的3G模块、卫星传输模块和以太网传输模块连接气象监视地面站，气象监视地面站连接到数据共享网络。

本实用新型有益效果是：针对航空气象站大多缺少气象图像监视、提供的气象信息不全面及只采用单数据链路传输的缺点，设计了采用多数据链路（局域有线网络、3G网络，卫星通信网络）的航空气象图像监视系统，灵活的提供给航空用户接近实时的图像，能够改善安全和效率，减少与气象相关的航空事故，减少与气象相关的中断飞行。

附图说明

图1、系统框图；

图2、图像采集模块电路图；

图3、图像处理模块电路框图； 

    图4、存储器及接口电路；

    图5、时钟电路；

图6、图像处理模块系统工作流程图；

图7、图像数据处理框图；

图8、气象图像数据链路连接框图；

图9、3G无线网络构架图；

    图10、卫星通信网络构架图；

图11、数据包传输流程图；

图12、气象监视地面站框图。

具体实施方式

为了更清楚的理解本实用新型，结合附图和实施例详细描述本实用新型：

如图1至图12所示，基于多数据链路的航空气象图像监视系统，包括摄像头、图像采集模块、图像处理模块、图像传输模块、气象监视地面站和数据共享网络；

所述图像采集模块由FPGA芯片、摄像头和ADC转换电路构成；所述图像处理模块由FPGA芯片、DSP芯片和时钟电路构成；所述传输模块由数据链路选择模块、多数据链路构成；数据链选择模块，采用按键选择的方式，当观测站需要三中数据链中的一个或多个时，可以按下所选择的数据链对应按钮，连通数据链电路。

数据链路包括3G网络传输、卫星传输、局域有线网络。摄像机与信号图像采集模块相连接，图像采集模块将采集的图像信号传送给图像处理模块，处理后的图像信号经传输模块的3G网络传输、卫星传输或局域有线网络传送给地面站，最后由地面站发送到数据共享网络；其中传输模块包括3G网络传输、卫星传输、局域有线网络传输三种方式，用户可以自行选择配置传输模式。 

所述摄像头采用远距离高分辨率广角红外摄像机。所述图像采集模块选用FPGA作为该设计的核心控制部分，采用ALTERA公司的EP2C5Q208C8芯片。所述图像处理模块中的ADC转换电路采用ADI公司的AD9233芯片，图像处理芯片采用美国TI公司TMS320C6713数字信号处理芯片。所述数据链选择模块由3G网络模块、卫星传输基站和以太网网络传输模块构成。

所述数据链路构建方法，包括：

（a）3G网络传输：采用电信、联通、移动的3G网络，其中3G接收电路中，电信采用中沃EA960，中兴AC582 ；联通采用华为E160，移动采用中兴A356华为E160，将3G上网卡插入到监测系统，气象图像监测系统可以自动连接到无线网络。

（b）卫星传输：在偏远的地区，3G基站较少的情况下，选择卫星定时传送气象图像照片的方式，其中卫星传输模块中，用于气象图像信息压缩编码采用TS视频流编码的方式，用于气象图像信息传输的天线采用卫星蝶形天线；

（c）有线网络传输：在方便用网线传输的场合，采用WIZnet公司推出的W5100固件网络芯片，设计TCP/IP协议栈、以太网MAC和PHY为一体实现有线网络传输气象图像照片。W5100 提供3 种接口：直接并行总线、间接并行总线和SPI总线。

   所述基于多数据链路的航空气象图像监视系统软件操作过程，包括如下步骤：

    1）航空气象图像数据采集：FGPA通过AD转换芯片9233读取摄像头的数据。FPGA与DSP之间通过EMIF进行连接，并进行摄像头初始化；

2）航空气象图像视频数据处理：在DSP处理器中，通过H264的视频库进行图像信号的处理；压缩需要传输的气象图像，减少传输的中的流量浪费；

3）航空气象图像数据传送：通过局域有线网络、3G网络或卫星通信网络三种方式实现数据的传送，根据实际情况来选择所需要的传送方式和方法；

4）航空气象图像监视地面站显示：通过WEB显示模块、辅助信息显示模块将气象图像进行存储、显示，并提供气象图像对比信息、METAR报文信息、UTC时间给航空用户；

5）数据共享：选用B/S网络架构，采用Google地图和百度地图直观显示给用户具体的航空气象图像监视位置，通过点击航空气象图像监视位置点进入相应的监视站浏览航空气象图像监视信息。

所述基于多数据链路的航空气象图像监视系统软件操作过程，包括如下步骤：

    系统工作过程和原理：主要通过摄像头采集气象图像数据、图像处理模块压缩数据，选择数据链路（卫星传输、3G网络传输、局域有线网络），在距离市区较近的区域选择3G网络传输、局域有线网络，最终采用web网页加载气象图像。在固定距离市区较远的航空气象监测站，采用卫星传输的方式，将数据接收到气象服务器端，通过网站提供给民航用户。

气象照片采用每10分钟更新一次的方式，提供给飞行气象用户，同时提供能见度分别为50m、100m、200m的天气气象图像作为对比，辅助民航人员对气象条件进行判别，减少因气象引起的航空安全事故。

本实施例采用了FPGA和DSP双处理器进行图像的采集和发送工作，并通过三种传输方式将数据传输到气象监视地面站，采用数据共享的方式保存数据。

摄像头选用高性价比的远距离高分辨率广角红外摄像机，保证能24小时监控天气照片。可以实现高清拍摄，最大分辨率可达200万像素（1600x1200）；支持外部触发，可连接红外探头、红外对射、门磁、读卡器控制拍照；支持运动侦测，可自动发现移动目标并拍照；支持强光抑制和逆光补偿，可以在各种环境下工作；支持多种联网方式，包括有线、3G（电信、联通、移动），卫星通信；可设置时间段、抓拍间隔、触发极性、连拍间隔、图像压缩率；标准CS镜头接口，适应不同拍摄距离和视角。

图像采集模块采用图像处理模块消除气象图像中的大量冗余信息,以尽可能少的字节来表示原始数据,从而实现图像的无损压缩,降低数据链的带宽。我们选用FPGA作为该设计的核心控制部分，采用ALTERA公司的EP2C5Q208C8芯片。它具有144个引脚,其中102个 I/O 通信口，4608个逻辑单元，288个LAB，完全能够满足航空图像信息处理的要求。

图像处理模块中的ADC转换电路采用ADI公司的AD9233芯片，该芯片支持高速12位数据转换，转换速率可以到达130Mps。在保证采样精度的条件下，该电路，能够满足气象图像信号采样的要求。

图像处理芯片采用美国TI公司TMS320C6713数字信号处理芯片，是TI公司生产的一种高速数字信号处理器（DSP），采用先进的超长指令（VLIW）TMS320C67xTMDSP内核，最高时钟频率可以达到300MHz，指令周期最小3.3ns；最高运算速度：2400/1800MIPs/MFLOPs。为了加快处理速度，采用2级cache。芯片内部有16通道EDMA控制器，能够高速处理几乎所有I/O和存储器的接口问题，大大地提高芯片吞吐速度。外部总的存储器空间最大512MB，数据宽度32b，可以支持SBRAM，SDRAM，SARAM，FLASH和EPROM。TMS320C6713与外部I/O接口可以通过FFA构造的I/O端口、HPI口、多通道缓冲（McBSP）口、SPI口、I2C口几种主要方式。

系统中DSP主要用来完成数据的处理、控制算法的运算。数字化电源的输出电流经过A/D转换后送入DSP，经过DSP控制算法计算，由反馈于给定值决定PWM的脉冲宽度，并将其送至FPGA。

数据链选择模块，采用按键选择的方式，当观测站需要三中数据链中的一个或多个时，可以通过GSM选择需要的数据链，连通数据链电路。

数据链路构建：

a)  3G网络设计

主要利用3G网络的高带宽、高覆盖、终端成本低特点，设计了采用电信、联通、移动的3G网络，其中设计的3G接收电路中，电信可以采用中沃EA960，中兴AC582 ；联通可以采用华为E160，移动可以采用中兴A356，华为E160。将3G上网卡插入到监测系统，气象图像监测系统可以自动连接到无线网络。

b) 卫星传输设计

在偏远的地区，3G基站较少的情况下，选择卫星定时传送气象图像照片的方式。其中卫星传输模块中，用于气象图像信息压缩编码采用TS视频流编码的方式，用于气象图像信息传输的天线采用卫星蝶形天线。

c) 有线网络传输设计

在方便用网线传输的场合，采用WIZnet公司最新推出的W5100固件网络芯片，设计TCP/IP协议、以太网MAC和PHY为一体实现有线网络传输气象图像照片。W5100 提供3 种接口：直接并行总线、间接并行总线和SPI总线。使用W5100 不需要考虑以太网的控制，只需要简单的端口Socket 编程，大大简化了硬件电路设计， 使控制器在没有操作系统的支持下，真正实现了单芯片接入以太网。应用W5100 于系统中可完全卸载网络协议所需的负荷，减少软件开发的开支， 具有较短的开发周期与较强的工程弹性。

B、软件操作过程

    FPGA通过读取AD9233的AD数值来读取摄像头的气象图像数据，并送入TMS320C6713处理器，通过H264库将图像的压缩，并送入FPGA的FIFO中，通过数据链网络发送图像信息。

    FGPA通过AD转换芯片9233读取摄像头的数据。FPGA与DSP之间通过EMIF进行连接，并进行摄像头初始化工作。

    在DSP处理器中，通过H264的视频库进行气象图像信号的处理工作。

在本设计中通过三种方式（局域有线网络、3G网络，卫星通信网络）实现气象图像数据的传送，根据实际情况来选择所需要的传送方式和方法。

气象图像数据包发送到服务器端的数据包传输流程具体如图11所示：

100：开始；

101：准备发送数据包（信息包）；

102：计数器计数（记录该信息包或数据包发送次数）；

103：是否超过规定次数? 

104：是，超过发送次数，则放弃该文件的发送，发送下一个文件，待以后发送该文件；

105：没有超时，则发送数据包（信息包）；

106：定时器启动；

107：监听、等待服务器反馈信息；

108：定时器是否超时?

110：超时，则重发该数据包（或信息包）；

111：没有超时，则服务器是否确认接收成功?

112：服务器反馈接收成功信息，发送下一个数据包（或信息包）；

113：服务器反馈接收错误信息，返回开始。

本设计中通过WEB显示模块、辅助信息显示模块将气象图像进行存储、显示，提供能见度分别为50m、100m、200m的天气气象图像对比信息，通过标注云高和障碍物位置辅助民航人员对气象条件进行判别，同时通过PHP编程语言获取当地的METAR报文信息（包括风向风速、能见度、天气、天空状况、温度露点、高度基准、天气变化趋势信息）、UTC时间。

本实施例技术效果：

1）高清拍摄天气照片；支持强光抑制和逆光补偿，可以在各种环境下工作；可设置时间段、抓拍间隔、触发极性、连拍间隔、图像压缩率；支持远程管理；可远程浏览实时画面（视频+照片）；适应不同拍摄距离和视角；

2）可以实现周围环境的气象情况监测，保证气象监测的实时性，提高航空用户的情景意识；

3）可以实现机场周边及飞行服务站周围环境的图像气象信息共享和分析，弥补一般气象预报的不足,保证航空器的飞行安全；

4）支持多种联网方式，包括有线网络、3G网络、卫星多种传输方式并存，保证传输的有效性和实时性；

5)可以实现远程控制，实现远程网络控制，能够及时的对监控设备进行调整，切实及时得到所需要的信息；

6）可以设置定时更新气象图片。在每一张气象图片上标出最后一次更新的时间；

7）可以显示能见度对比图像照片、标注障碍物位置及气象图像的云高，保障用户判别当前天气条件；

8）可以提供全面的METAR气象报文信息，便于用户全面掌握天气条件；

9）可以设计登陆者不同的操作权限，有利于数据的保密性工作。

根据上述说明，结合本领域技术可实现本实用新型的方案。

Claims (4)

1.一种基于多数据链路的航空气象图像监视系统，其特征在于，包括摄像头、图像采集模块、图像处理模块、图像传输模块、气象监视地面站和数据共享网络；摄像头、图像采集模块、图像处理模块、图像传输模块、气象监视地面站和数据共享网络依次连接；

所述图像采集模块主要由FPGA芯片、ADC转换电路和接口电路构成；

所述图像处理模块主要由FPGA芯片、DSP芯片、存储器电路、时钟电路和接口电路构成； 

所述图像传输模块包括数据链路选择模块和多数据链路传输接口；其中，数据链选择模块，数据链选择模块由3G模块、卫星传输模块和以太网传输模块构成，数据链路传输接口包括3G网络传输、卫星传输、局域有线网络；

 摄像机与信号图像采集模块相连接，图像采集模块连接给图像处理模块，图像传输模块通过数据链选择模块控制数据链选择模块中的3G模块、卫星传输模块和以太网传输模块连接气象监视地面站，气象监视地面站连接到数据共享网络。

2.如权利要求1所述一种基于多数据链路的航空气象图像监视系统，其特征在于，所述摄像头采用远距离高分辨率广角红外摄像机。

3.如权利要求1所述一种基于多数据链路的航空气象图像监视系统，其特征在于，所述图像采集模块的FPGA芯片作为该航空气象图像监视系统的核心控制部分，采用ALTERA公司的EP2C5Q208C8芯片。

4.如权利要求1所述一种基于多数据链路的航空气象图像监视系统，其特征在于，所述图像处理模块中的ADC转换电路采用ADI公司的AD9233芯片，图像处理芯片采用美国TI公司TMS320C6713数字信号处理芯片。

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