CN103986869A - 一种高速tdiccd遥感相机图像采集与显示装置 - Google Patents
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Abstract
一种高速TDICCD遥感相机图像采集与显示装置涉及空间高速TDICCD相机电子学***研制领域，该装置包括高速串行接口、高速串行收发器、FPGA、Cameralink发送器、Cameralink接口、RS232串口收发器、RS232串口、高速图像采集卡、高速固态存储卡、主控计算机和图像显示设备。本发明可以有效地接收高速TDICCD遥感相机所有通道的CCD原始图像数据，并进行实时存储、处理与显示，利用FPGA实现多路高速图像数据转换输出，硬件实现简单，控制灵活，且硬件开销小，集成度高，为高速TDICCD遥感相机研制提供了性能更加稳定且便携的地面测试***。
Description
技术领域
本发明涉及空间高速TDICCD相机电子学***研制领域，具体涉及一种高速TDICCD遥感相机图像采集与显示装置。
背景技术
时间延迟积分电荷耦合器件(TDICCD)是一种具有面阵结构、线阵输出的新型CCD图像传感器，它利用多行线阵感光阵列重复对同一目标进行多次曝光，并将曝光感应信号累加，从而在不影响像元输出速率和地面分辨力的情况下提高了探测灵敏度和成像信噪比。在空间对地遥感成像应用中利用TDICCD这一优点，采用小相对孔径的光学***实现较高的分辨率，从而实现空间遥感相机***的高分辨率、轻小型化，因此，TDICCD是空间遥感相机研制的首选探测器，所以空间光学遥感相机也称TDICCD遥感相机。
随着空间对地遥感成像技术的飞速发展，基于TDICCD成像技术的空间相机在视场和空间分辨率指标要求不断提高，所采用的CCD拼接片数和读出速率也不断增多和提高，从而使得数字化后的CCD图像数据量大幅增加，这给后端的高速图像数据的采集存储及显示提出了越来越高的要求。在高性能空间TDICCD遥感相机研制、检测过程中需要对相机成像性能进行评价以及对成像过程进行监控，就必须实现高速多通道CCD图像数据进行采集、感兴趣区域图像存储以及实时快速图像显示。目前，对高速TDICCD遥感相机图像数据采集与显示的常规实现方法是把***当作一个虚拟的网络对象，由一台主控计算机和多台分控计算机组成，每个分控计算机采集相机一路TDICCD或一个通道图像数据，然后通过局域网将各分控机与主控工作站连接，在主控工作站的统一调度和控制下与多个分控计算机协同工作，共同完成对整个相机输出图像数据采集与显示控制任务。但是这种实现方案的硬件开销较大，需要多台计算机协同工作，工作效率低，功耗体积大，不便携，不利于到外场进行成像试验，使用上存在一定局限性。
发明内容
本发明的目的是提供一种硬件开销小、集成度高、且便携的高速TDICCD遥感相机图像采集与显示装置。
为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种高速TDICCD遥感相机图像采集与显示装置，包括高速图像数据转换器、高速图像采集卡、高速固态存储卡、主控计算机和图像显示设备；所述的高速图像数据转换器包括高速串行接口、高速串行收发器、现场可编程门阵列(FPGA)、Cameralink发送器、Cameralink接口、RS232串口收发器和RS232串口；所述的高速TDICCD遥感相机输出的四路的高速串行LVDS数据流通过高速串行接口导入高速串行收发器中，高速串行收发器将高速串行LVDS数据流恢复还原成高速并行的数据流，进而导入现场可编程门阵列(FPGA)中，由现场可编程门阵列(FPGA)同步接收和缓存四路高速并行数据流，然后根据RS232串口接收到的指令，将四路高速图像数据进行整合输出或选择其中一路图像数据输出，输出的图像数据通过Cameralink发送器转化为标准Cameralink接口数据流，经Cameralink接口送入高速图像采集卡进行图像数据采集，采集到的图像数据通过PCI-X总线连接到主控计算机，主控计算机通过PCI-E总线将图像数据送至高速固态存储卡进行实时图像存储，或将所述的图像数据送至图像显示设备进行实时图像显示，或对所述的图像数据进行图像处理以检测相机成像性能。
所述FPGA包括图像数据缓存模块、图像数据解析模块、图像数据整合模块、RS232通信收发模块以及RS232通信解析模块；高速TDICCD遥感相机输出的高速串行LVDS数据流通过高速串行收发器解码后传输到图像数据缓存模块，由图像数据缓存模块完成每帧图像数据的无遗漏缓存，所述的图像数据解析模块顺序从图像数据缓存模块读取数据，判断每帧数据有效起始时刻，并对每一帧图像数据进行解析，将反应相机工作状态和成像参数的辅助数据解析出来通过RS232通信收发模块送给主控计算机，同时将每帧有效的图像数据发给图像数据整合模块；所述的图像数据整合模块根据RS232解析模块接收到的指令，完成图像数据的选择输出和整合输出。
所述图像数据缓存模块采用FPGA内部RAM资源构建双端口RAM进行缓存，为数据的存储和读取分别提供独立通道，便于不同速率数据流的异步存取；每路高速图像数据的缓存采用流水线乒乓操作的双端口RAM，保证数据不丢失和有效缓存。
所述高速图像采集卡是高速Cameralink图像采集卡，总线接口为PCI-X，可配置为Basemode、Medium mode、Full mode，最高采样速率达5.44Gb/s。
所述高速固态存储卡的存储容量大于500GB固态存储器的存储容量，总线接口为PCI-E，持续读取和写入的速度不小于800MB/s。
所述主控计算机是高速TDICCD遥感相机图像采集与显示的主控器，控制高速图像数据的实时采集、储存、显示以及图像处理，同时通过CAN接口向相机发出控制指令。
本发明的有益效果如下：
1、该装置可以有效地接收高速TDICCD遥感相机所有通道的CCD原始图像数据，实时存储和显示相机所有通道的CCD图像数据。
2、该装置可以根据相机研制过程中试验需求，利用现场可编程门阵列编程实现多路高速图像数据转换输出，硬件实现简单，控制灵活。
3、该装置的高速图像数据转换器将高速TDICCD遥感箱输出的多路高速图像数据转换为标准的Cameralink接口输出，通用性好，硬件开销小，集成度高，为高速TDICCD遥感相机研制提供了性能更加稳定且便携的地面测试***。
附图说明
图1是本发明高速TDICCD遥感相机图像采集与显示装置的结构框图。
图2是本发明中高速图像数据转换器的原理框图。
图3是本发明中现场可编程门阵列内部功能模块的结构框图。
图4是本发明中高速图像数据帧的格式。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行做进一步的详细说明。
如图1所示，本发明的高速TDICCD遥感相机图像采集与显示装置包括高速图像数据转换器、高速图像采集级卡、高速固态存储卡、主控计算机和图像显示设备。
上述高速TDICCD遥感相机采用超高速双向点对点数据传输方式进行高速图像数据的传输，相机输出多通道数为4路，最高传输速率达到1.2Gb/s，传输通道采用的是一对高速串行差分电缆，电缆的特性阻抗为100Ω。
如图2所示，本发明的高速图像数据转换器包括高速串行接口、4片高速串行收发器、现场可编程门阵列(FPGA)、3片Cameralink发送器、Cameralink接口、RS232串口收发器和RS232串口。高速串行收发器通过高速串行接口与高速TDICCD遥感相机连接，Cameralink发送器通过Cameralink接口与高速图像采集卡连接；4片高速串行收发器将高速TDICCD遥感相机输出的4×1.2Gb/s的高速串行LVDS数据流解码恢复还原成4×10bit高速并行数据流和120MHz的伴随数据时钟。所述的高速并行数据流和数据时钟随即导入现场可编程门阵列(FPGA)中，由现场可编程门阵列(FPGA)对4×10bit高速并行数据流分别进行同步接收和缓存，然后根据RS232串口接收到的指令，将四路高速图像数据进行整合输出或选择其中一路图像数据输出，输出的图像数据通过Cameralink发送器转化为标准Cameralink接口数据流，经Cameralink接口送入高速图像采集卡进行图像数据采集，采集到的图像数据通过PCI-X总线连接到主控计算机，主控计算机通过PCI-E总线将图像数据送至高速固态存储卡进行实时图像存储，或将所述的图像数据送至图像显示设备进行实时图像显示，或对所述的图像数据进行图像处理以检测相机成像性能。
如图3所示，本发明的现场可编程门阵列(FPGA)包括图像数据缓存模块、图像数据解析模块、图像数据整合模块、RS232通信收发模块以及RS232通信解析模块；高速TDICCD遥感相机输出的高速串行LVDS数据流通过高速串行收发器解码后传输到现场可编程门阵列(FPGA)内部首先送入传输到图像数据缓存模块，由图像数据缓存模块完成4×10bit高速并行数据流的无遗漏缓存，图像数据是按照如图4所示的数据帧格式进行缓存；所述的图像数据解析模块通过流水线乒乓操作方式顺序从图像数据缓存模块中按帧格式读取数据，判断每帧数据的有效起始时刻，并对每一帧图像数据进行解析，将反应相机工作状态和成像参数的辅助数据解析出来通过RS232通信收发模块送给主控计算机，同时将每帧有效的图像数据发给图像数据整合模块。所述的图像数据整合模块根据RS232解析模块接收到的指令，将4×10bit高速并行数据流无缝拼接并转换为8×8bit位宽的Cameralink Full mode格式图像数据输出，或选择4×10bit高速并行数据流中的一路转换为2×10bit位宽的Cameralink Base mode格式图像数据输出。所述图像数据缓存模块采用内部RAM资源构建4对乒乓结构双端口RAM进行缓存，为数据的存储和读取分别提供独立通道，便于不同速率数据流的异步存取。每路高速图像数据的缓存采用流水线乒乓方式操作的双端口RAM，保证数据不丢失和有效缓存。
本发明的主控计算机是高速TDICCD遥感相机图像采集与显示的主控器，其功能通过计算机软件编程实现，主控软件***通过调用Matrox公司采集卡的应用程序接口库(API)实现高速图像数据的实时采集、储存、显示以及图像处理，同时通过CAN接口向相机发出控制指令与控制参数，实现对高速TDICCD遥感相机开始拍照和停止拍照以及对相机成像积分时间、级数以及增益等成像参数的调节。
本实施方式所述的高速串行收发器可采用TI公司的G比特级串行收发器作为核心器件；所述的Cameralink发送器可采用NS公司的DS90CR287作为核心器件；所述的现场可编程门阵列可采用XILINX公司Virtex-4系列FPGA XC4VFX60作为核心器件，FPGA配置芯片采用XCF32P。
本实施方式所述的高速图像采集卡可采用Matrix公司的Helios XCL系列带有强大预处理功能的高速Cameralink图像采集卡，总线接口为PCI-X，可配置为Base mode、Medium mode、Full mode，最高采样速率达5.44Gb/s；所述的高速固态存储卡可采用OCZ公司的Vector PCI-E存储卡，存储容量960GB，持续读取速度超过900MB/s，持续写入速度超过900MB/s。
本实施方式所述的主控计算机采用IBM System X3400服务器，内存32G，操作***Microsoft Windows Server2003；所述的主控计算机上运行的主控软件可采用Microsoft VisualC++6.0开发的计算机应用程序；所述的图像显示可为普通计算机显示器。
上述具体实施方式仅仅是为了对本发明作出详细说明而描述的优选实施方式，但本发明不限于上述实施方式。例如，高速图像数据转换器中的Cameralink发送器还可以采用其他型号的芯片；主控计算机还可以采用其他高性能图像处理计算机，主控计算机上运行的主控软件还可以采用其它的编程工具开发。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。而由此引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围以内。
Claims (6)
1.一种高速TDICCD遥感相机图像采集与显示装置，其特征在于，该装置包括高速图像数据转换器、高速图像采集卡、高速固态存储卡、主控计算机和图像显示设备；所述高速图像数据转换器包括高速串行接口、高速串行收发器、FPGA、Cameralink发送器、Cameralink接口、RS232串口收发器和RS232串口；高速TDICCD遥感相机输出的四路的高速串行LVDS数据流通过高速串行接口导入高速串行收发器中，高速串行收发器将高速串行LVDS数据流恢复还原成高速并行的数据流，进而导入FPGA中，由FPGA同步接收和缓存四路高速并行数据流，然后根据RS232串口接收到的指令，将四路高速图像数据进行整合输出或选择其中一路图像数据输出，输出的图像数据通过Cameralink发送器转化为标准Cameralink接口数据流，经Cameralink接口送入高速图像采集卡进行图像数据采集，采集到的图像数据通过PCI-X总线连接到主控计算机；主控计算机通过PCI-E总线将图像数据送至高速固态存储卡进行实时图像存储，或将所述的图像数据送至图像显示设备进行实时图像显示，或对所述的图像数据进行图像处理以检测相机成像性能。
2.根据权利要求1所述的一种高速TDICCD遥感相机图像采集与显示装置，其特征在于，所述FPGA包括图像数据缓存模块、图像数据解析模块、图像数据整合模块、RS232通信收发模块以及RS232通信解析模块；高速TDICCD遥感相机输出的高速串行LVDS数据流通过高速串行收发器解码后传输到图像数据缓存模块，由图像数据缓存模块完成每帧图像数据的无遗漏缓存，所述的图像数据解析模块顺序从图像数据缓存模块读取数据，判断每帧数据的有效起始时刻，并对每一帧图像数据进行解析，将反应相机工作状态和成像参数的辅助数据解析出来通过RS232通信收发模块送给主控计算机，同时将每帧有效的图像数据发给图像数据整合模块；所述的图像数据整合模块根据RS232解析模块接收到的指令，完成图像数据的选择输出和整合输出。
3.根据权利要求2所述的一种高速TDICCD遥感相机图像采集与显示装置，其特征在于，所述图像数据缓存模块采用FPGA内部RAM资源构建双端口RAM进行缓存，为数据的存储和读取分别提供独立通道，便于不同速率数据流的异步存取；每路高速图像数据的缓存采用流水线乒乓操作的双端口RAM，保证数据不丢失和有效缓存。
4.根据权利要求1所述的一种高速TDICCD遥感相机图像采集与显示装置，其特征在于，所述高速图像采集卡是高速Cameralink图像采集卡，总线接口为PCI-X，可配置为Basemode、Medium mode、Full mode，最高采样速率达5.44Gb/s。
5.根据权利要求1所述的一种高速TDICCD遥感相机图像采集与显示装置，其特征在于，所述高速固态存储卡的存储容量为大于500GB固态存储器的存储容量，总线接口为PCI-E，持续读取和写入的速度不小于800MB/s。
6.根据权利要求1所述的一种高速TDICCD遥感相机图像采集与显示装置，其特征在于，所述主控计算机是高速TDICCD遥感相机图像采集与显示的主控器，控制高速图像数据的实时采集、储存、显示以及图像处理，同时通过CAN接口向相机发出控制指令。
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