CN207676213U - 机载多路高光谱相机电路集成系统 - Google Patents

Abstract

本专利公开了一种机载多路高光谱相机电路集成系统，该电路集成系统包含电源分配单元、通讯控制单元、数据复合单元、存储单元、上位机、姿态测量单元、姿态控制单元、网络交换机、串口路由器。通过对上述组成单元的电路集成，本专利可以为机载应用的多路高光谱相机能够同时提供标准化的电源输出、通讯控制、数据传输、数据存储、数据快视、数据同步、姿态稳定等功能。本专利优点是应用简单灵活，设计稳定可靠，接口丰富，充分满足高光谱系统互联、互通、多模态、模块化的要求，是实现大视场多波段高光谱成像仪的基础。

Description

机载多路高光谱相机电路集成系统

技术领域

本专利涉及一种机载多路高光谱相机电路集成系统，具体涉及一种面向机载应用为多路高光谱相机提供电源输出、通讯控制、数据传输、数据存储、数据快视、数据同步、姿态稳定的电路集成系统。

背景技术

高光谱相机以高光谱分辨率获取地物反射的太阳辐射或其自身辐射。该技术不仅能对地物进行形态成像，而且还能获取每一像元的光谱信息，因此可以从空间匹配和光谱匹配两个方面对观测目标进行分析和识别，从而揭示各种地物的光谱特性、存在状况以致物质成分。高光谱相机的应用直接面向土地管理、城市规划、农林资源调查、自然灾害监测和评估、地矿与海洋资源调查、水资源利用以及水质监测等多种需求。

在光学遥感仪器设计中，将光谱分为紫外波段、可见近红外波段、短波红外波段、中波红外波段、长波红外波段以及甚长波红外波段。每个波段根据仪器自身的水平划分为自定义的若干谱段。在成像信噪比要求下，为了响应不同的波段需要采用不同的探测器。

目前先进可靠的航空遥测用高光谱相机大多采用面阵探测器组件。在面阵规模有限的条件下，大视场遥感要求和高分辨率遥感要求是矛盾的。为了满足以上要求，通常采用多个高光谱相机在翼展方向进行拼接实现大视场高分辨率高光谱成像。

高光谱相机在光谱分光方式上主要有推扫型和凝视型两种方案：(1)凝视型是指对一个固定区域进行多次画幅式成像的过程中，在时间维度上同步改变探测器前滤光片通光谱段，从而获得该区域的高光谱数据；(2)推扫型是指在面阵探测器前加装分光滤光器件，将一维空间线列全色光图像分光成二维图像投影在面阵探测器上，其中一维是相应的空间线列，另一维是分光的光谱维。这两种方案的实质都是对地面兴趣点通过多次异谱成像实现高光谱数据的获取，差别在于(1)是依靠单个探测器像元时间维度上多次异谱成像，(2)是依靠空间维度上多个探测器像元同时异谱成像。在同等视场角和地面分辨率前提下，N个谱段的高光谱数据量是传统遥感相机数据量的N倍，考虑到高光谱指标要求，N的取值大于100。

航空遥感作业要求任务效率高，单套高光谱任务设备需要多波段、大视场、高分辨率。因此，需要多个同一波段的高光谱相机组合为一套高光谱相机组，同时满足大视场和高分辨率要求。多套不同波段的高光谱相机组集成为一套高光谱成像仪，满足多波段要求。因此，一套实用的高光谱成像仪需要多个高光谱相机集成。该集成不仅仅是简单地结构组合和光学校准，还需要从系统角度提供一套电路集成系统满足下述要求：(1)多相机供电要求。(2)多相机通讯控制要求。(3)多相机高速率传输要求。(4)多相机大数据量存储要求。(5) 多相机低延迟快视要求。(6)多相机数据同步要求：为了满足后续遥感数据成图的要求，多个高光谱相机在光谱成像时需要进行数据同步，从而实现大视场区域融合和单点多波段数据融合。

发明内容

本专利的目的是发明一种电路集成平台，解决多路高光谱相机的电源供给、通讯控制、数据传输、数据存储、数据快视、数据同步、姿态稳定的技术问题。

本专利内容如下：

电路集成系统由电源分配单元1、通讯控制单元2、数据复合单元3、存储单元4、上位机5、姿态测量单元6以及姿态控制单元7组成。电源供给功能主要由电源分配单元1实现；通讯控制功能主要由通讯控制单元2和上位机 5实现；数据传输功能主要由数据复合单元3实现；数据存储功能主要由存储单元4实现；数据快视主要由存储单元4和上位机5实现；数据同步主要由姿态测量单元6和通讯控制单元2实现；姿态稳定功能主要由姿态测量单元6和姿态控制单元7实现。

电源分配单元1的作用是将系统输入电源以受控的方式供给整个电路集成系统。电源分配单元1由总开关、电源滤波器，电容储能器、保险丝、多路电源数控开关、数字电压电流表组成。电源分配单元1由总开关控制接收外部供电，输入的电源经过电源滤波、浪涌保护、分束、过流保护等输出至多路电源数控开关。电源分配单元1内部具有处理器可以对控制指令进行译码从而控制若干路电源输出启停，同时可以将数字电压电流表采集到的总电压值和总电流值连同数控开关的通断状态打包发送至通讯控制单元2。

通讯控制单元2是整个平台的通讯中点，其作用是将从上位机5获得的控制指令发送至平台内的其他受控单元，并将平台内的其他受控单元获取的状态信息反馈给上位机5。此外通讯控制单元2还可以实现平台内部各单元之间的通讯交互功能，包含数据同步信号。通讯控制单元2由面板开关、网络交换机 9、串口路由器10组成。面板开关控制通讯控制单元的输入电源的通断以决定是否该单元工作。网络交换机9用于实现电路集成系统内部基于TCP/IP协议的数据交换。串口路由器10实现TCP/IP信息和串口信息的相互编译以及串口通信交互。

数据复合单元3是多路高光谱相机8输出数据的传输中点，由一块高性能高速率的逻辑处理芯片配合相应的外围电路、接口电路组成。该单元同时高速获取多路高光谱相机8的所有输出成像数据，以分时复用的方式通过RapidIO 光传输形式传送至存储单元。

存储单元4的作用是将获取的数据进行存储，并在存储的数据中以帧抽取、空间维抽取或者光谱维抽取的方式实现大数据的快速抽取检索快视。存储单元 4由面板开关、接口板、主控板以及存储体组成。面板开关控制存储单元4的输入电源的通断以决定是否该单元工作。接口板用于接收高速输入数据并实现与外界的通讯交互。主控板为本单元的存储控制中心，所有底层的数据存储、读取操作均由主控板调度、管理，包括数据传输通道配置、存储回放控制、数据缓存管理、目录管理、存储空间管理、存储介质模块控制、快视数据抽取等。存储体实现对输入数据的存储操作，包括数据缓存控制、擦除、写入、读取、纠错。

上位机5实现人机界面，其作用是显示系统状态信息、显示快视数据、人工控制系统参数配置。上位机5一般选用高可靠的便携式工控机，需要具有 TCP/IP通讯能力、小数据存储能力，并提供控制程序的运行环境和人机交互界面。

姿态测量单元6的作用是针对机载平台运行时带来的姿态差异进行测量、记录，从而通过后处理实现图像几何校正。此外，姿态测量单元6可以获取 GPS数据和PPS秒脉冲并将其转发至多路高光谱相机8，实现多路高光谱相机 8数据的时间同步。

姿态控制单元7的作用是针对机载平台运行时带来的姿态差异利用姿态测量单元测得的数据进行补偿，从而通过实时稳姿实现图像稳像。姿态控制单元 7中间有上下贯通的中空区域，方便实现多路高光谱相机8的光学下视功能。

多路高光谱相机8产生的多路相机数据均输出至数据复合板3，多路高光谱相机8电源由电源分配单元1提供，多路高光谱相机8通讯采用串口总线菊花链形式连接至通讯控制单元2内部的串口路由器10。数据复合单元3电源输入连接至电源分配单元1，通讯控制线连接至通讯控制单元2内部的串口路由器10，数据输出线连接至存储单元4。姿态测量单元6电源输入连接至电源分配单元1，通讯控制线连接至通讯控制单元2内部的串口路由器10和网络交换机9。姿态控制单元7电源输入连接至电源分配单元1，通讯控制线连接至通讯控制单元2内部的串口路由器10。上位机5电源输入连接至电源分配单元1，通讯控制线连接至通讯控制单元2内部的网络交换机9。存储单元4电源输入连接至电源分配单元1，通讯控制线连接至通讯控制单元2内部的网络交换机 9。通讯控制单元2的电源输入连接至电源分配单元1。电源分配单元1的电源输入连接至机载平台的电源输出接口，通讯控制线连接至通讯控制单元2内部的串口路由器10。控制控制单元2内串口路由器10的通讯网口连接至通讯控制单元2内的网络交换机9。

本专利的工作原理包括：电源分配单元1负责向整个集成平台以及搭载的多路高光谱相机8提供电源可控供给；集成平台以及搭载的多路高光谱相机8 之间的指令、状态交互由平台的通讯中心节点通讯控制单元2实现收集并转发；多路高光谱相机8获取的数据由数据复合单元3进行收集并转发至存储单元4，并实现存储和快视；多路高光谱相机8的控制系统通过姿态测量单元6的秒脉冲信息和时间信息，可以同步出GPS时间系的绝对时间，从而便于实现数据同步；姿态控制单元7通过姿态测量单元6的姿态数据对飞机姿态进行修正，实现姿态稳定功能。

本专利的优点在于：

(1)应用简单，可以集成多种高光谱相机。

根据平台的接口协议对高光谱相机的电源、通讯、数传接口进行设计，或者增加转换板实现协议转换，即可适应多种高光谱相机。

(2)应用灵活，可以集成多路高光谱相机。

平台具有多路电源输出接口，多路数据接收通道，支持菊花链扩展的总线式串口控制链路，交换式网口控制链路，方便支持多路相机同时运行。

(3)支持大数据量传输、存储和快视。

平台内包含数据复合单元3和存储单元4，两者间采用先进的串行RapidIO 光通信，可以实现较远距离的高可靠数据传输。同时，存储单元4具有快数据吞吐速率、大数据存储量、高数据处理能力，保证了成像数据的高速传输、存储与快视。

(4)实现数据同步。

多路高光谱数据融合必须要求每一个数据内具有同一个时间坐标系下的产生该数据绝对时间信息。通过姿态测量单元6的秒脉冲信息和时间信息，多路高光谱相机8的控制系统可以同步出GPS时间系的绝对时间，从而便于实现数据同步。

附图说明

图1是机载多路高光谱相机电路集成系统的系统框图，其中：1.电源分配单元；2.通讯控制单元；3.数据复合单元；4.存储单元；5.上位机；6.姿态测量单元；7.姿态控制单元；8.多路高光谱相机；9.网络交换机；10.串口路由器。此外，实线连线表示电源线缆，点虚连线表示通讯线缆，虚线连线表示数据线缆。

具体实施方式

下面结合图1给出本专利的一个较好实例，主要作进一步详细说明，而非用来限定本专利的范围：

本专利由电源分配单元1、通讯控制单元2、数据复合单元3、存储单元4、上位机5、姿态测量单元6、姿态控制单元7组成。

在本实例中，多路高光谱相机8选用12路高光谱相机，分别为可见近红外相机、短波红外相机以及中长波红外相机，每个波段包含四个相机，在翼展方向进行视场拼接。电源分配单元1为自研设备，输入电压范围为18-36Vdc，输出电压为满足GJB181的28Vdc标准机载电源，输出路数为20路，输出电流为2路40A，6路10A，以及14路5A。通讯控制单元2为自研设备，具有 8路串口，可以实现波特率不大于115200的串口通讯交互；具有4路千兆以太网接口，可以实现基于TCP/IP协议的网络交互。数据复合单元3为自研设备，具有12路数据输入接口，接口形式为光纤，传输协议为串行数据输出，最大数据传输率为2.7Gbps；具有2路数据输出接口，接口形式为光纤，传输协议为RapidIO，单路最大数据传输率为10Gbps。数据复合单元3获取多路数据后采用时分复用方案将数据发出。存储单元4为自研设备，具有2路数据输入接口，接口形式为光纤量，传输协议为RapidIO，单路最大数据传输率为10Gbps；存储容不小于10T；具有2路输出转出接口，接口形式为光纤，传输协议为 TCP/IP协议，数据转出总速率不小于600MB/s。上位机5为外购设备，选用 Getac的高性能加固计算机X500。姿态测量单元6为外购设备，选用APPLANIX 公司的POS610。姿态控制单元7为外购设备，选用LEICA公司的PAV80稳定平台。

多路高光谱相机8产生的多路相机数据均输出至数据复合板3，多路高光谱相机8电源由电源分配单元1提供，多路高光谱相机8通讯采用串口总线菊花链形式连接至通讯控制单元2内部的串口路由器10。数据复合单元3电源输入连接至电源分配单元1，通讯控制线连接至通讯控制单元2内部的串口路由器10，数据输出线连接至存储单元4。姿态测量单元6电源输入连接至电源分配单元1，通讯控制线连接至通讯控制单元2内部的串口路由器10和网络交换机9。姿态控制单元7电源输入连接至电源分配单元1，通讯控制线连接至通讯控制单元2内部的串口路由器10。上位机5电源输入连接至电源分配单元1，通讯控制线连接至通讯控制单元2内部的网络交换机9。存储单元4电源输入连接至电源分配单元1，通讯控制线连接至通讯控制单元2内部的网络交换机 9。通讯控制单元2的电源输入连接至电源分配单元1。电源分配单元1的电源输入连接至机载平台的电源输出接口，通讯控制线连接至通讯控制单元2内部的串口路由器10。控制控制单元2内串口路由器10的通讯网口连接至通讯控制单元2内的网络交换机9。

Claims (1)

1.一种机载多路高光谱相机电路集成系统，包含电源分配单元(1)、通讯控制单元(2)、数据复合单元(3)、存储单元(4)、上位机(5)、姿态测量单元(6)、姿态控制单元(7)，其中通讯控制单元(2)包含网络交换机(9)和串口路由器(10)：电源分配单元(1)实现电源供给功能；通讯控制单元(2)和上位机(5)实现通讯控制、数据快视功能；数据复合单元(3)实现数据传输功能；存储单元(4)实现数据存储功能；姿态测量单元(6)和通讯控制单元(2)实现数据同步；姿态测量单元(6)和姿态控制单元(7)实现姿态稳定功能；多路高光谱相机(8)产生的多路相机数据均输出至数据复合单元(3)，多路高光谱相机(8)电源由电源分配单元(1)提供，多路高光谱相机(8)通讯采用串口总线菊花链形式连接至通讯控制单元(2)内部的串口路由器(10)；数据复合单元(3)电源输入连接至电源分配单元(1)，通讯控制线连接至通讯控制单元(2)内部的串口路由器(10)，数据输出线连接至存储单元(4)；姿态测量单元(6)电源输入连接至电源分配单元(1)，通讯控制线连接至通讯控制单元(2)内部的串口路由器(10)和网络交换机(9)；姿态控制单元(7)电源输入连接至电源分配单元(1)，通讯控制线连接至通讯控制单元(2)内部的串口路由器(10)；上位机(5)电源输入连接至电源分配单元(1)，通讯控制线连接至通讯控制单元(2)内部的网络交换机(9)；存储单元(4)电源输入连接至电源分配单元(1)，通讯控制线连接至通讯控制单元(2)内部的网络交换机(9)；通讯控制单元(2)的电源输入连接至电源分配单元(1)；电源分配单元(1)的电源输入连接至机载平台的电源输出接口，通讯控制线连接至通讯控制单元(2)内部的串口路由器(10)；通讯控制单元(2)内串口路由器(10)的通讯网口连接至通讯控制单元(2)内的网络交换机(9)。