CN109060146B - 一种用于面阵红外广域成像的扫描振镜控制*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于面阵红外广域成像的扫描振镜控制***，包括接口模块、控制模块、驱动模块以及接口单元，各模块集成于面阵热像仪中；其中，接口模块通过两路数据线获取广域成像***控制端指令，并转换成并行数据送至控制模块；控制模块对指令进行解析，控制模块还可独立解算编码器以及陀螺仪信息获取角度补偿信息；驱动模块与控制模块连接，驱动单轴或双轴振镜进行扫描运动。本方解决了周扫描、往复扫描或者二维扫描等面阵红外广域成像***中由于面阵热像仪的运动造成的成像模糊问题，采用本发明的技术方案可以补偿面阵探测器积分成像中的运动，使热像仪运动时清晰成像，进而在成像***中拼接成清晰的广域图像。
Description
技术领域
本发明属于面阵红外广域成像技术领域，具体涉及一种用于面阵红外广域成像的扫描振镜控制***。
背景技术
在面阵红外广域成像***中，成像***通过伺服平台控制面阵热像仪进行往复扫描、周扫描或者二维扫描等方式获取一定区域内的景物的单场景图像，而后通过图像拼接从而获取广域的景物红外图像。
面阵探测器可以凝视成像，但面阵探测器在成像过程中需要较长的积分时间，其中，长波面阵探测器需要几百微秒，而中波面阵探测器为毫秒级。
伺服平台的高速旋转容易导致所成图像中景物存在拖尾现象造成模糊现象，使得目标信噪比下降，不利于后续的图像拼接或者目标提取。
为了抑制拖尾现象可以降低转台速率，但增加了***成像周期，降低了实时性。同时平台的抖动也会导致图像抖动，使广域成像图像存在不稳定现象。
发明内容
本发明的目的在于根据现有技术的不足，提出一种用于面阵红外广域成像的扫描振镜控制***，解决了周扫描、往复扫描或者二维扫描等面阵红外广域成像***中由于面阵热像仪的运动造成的成像模糊以及抖动等问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种用于面阵红外广域成像的扫描振镜控制***，包括：驱动模块以及接口单元，用于驱动单轴/双轴扫描振镜进行扫描运动，包括调节器、陷波电路、跟随电路、驱动电路（驱动功放）、差分放大电路、电源模块以及为单轴/双轴扫描振镜供电的AGC电源；控制模块，与广域成像***的图像采集端、角度编码器、陀螺仪相连接和驱动模块连接，产生图像采集触发信号，对图像采集端和接口模块传送的指令进行解析，控制驱动模块，通过接口单元可独立解算角度编码器以及陀螺仪信息并获取角度指令（角度补偿信息）；所述的控制模块和驱动模块集成于面阵热像仪中。
所述的一种用于面阵红外广域成像的扫描振镜控制***，还包括集成于面阵热像仪中的接口模块，与控制模块和广域成像***的控制端相连接，通过两路数据线获取广域成像***端各指令，并转换成并行数据送至控制模块。所述的接口模块采用FPGA作为核心控制器，通过1路时钟线、1路数据线获取广域成像***控制端送的角度指令以及操作指令，两线数据协议通过与***端协商确定，数据量不小于2Mb/s，各指令通过接口模块转换为16位并行数据送至控制模块。接口模块为可选模块。
所述的一种用于面阵红外广域成像的扫描振镜控制***，其特征在于，所述的接口单元包含外部接口、内部接口以及隔离电路。所述的外部接口包括：电源接口、两路数据接口、触发信号接口、绝对式光栅编码器接口、增量式编码器接口、SPI接口、422串口、I2c接口以及扫描电机接口；所述的外部接口均进行数据隔离。所述的内部接口包括：16位并行数据接口、3位读写控制线接口、扫描振镜角度信息接口、驱动模块输出控制接口以及角度指令接口。
所述的一种用于面阵红外广域成像的扫描振镜控制***，所述的驱动模块采用低电压高电流大功率电源模块，通过调节器内的可调放大电路（可调电阻）调节角度指令幅值与偏置，可调电阻阻值根据广域成像***端去模糊成像效果调节，以补偿角度指令误差，使去模糊效果达到最佳；所述的高精度AGC电源为扫描振镜的位置传感器供电，位置传感器信号通过差分放大电路获得扫描振镜的位置信号，扫描振镜位置信号幅值与AGC电源电压成比例，进而调节扫描振镜位置信号幅值与实际扫描角度的比例。
所述的一种用于面阵红外广域成像的扫描振镜控制***，驱动模块还包括PID/PD控制器， PID/PD控制器根据角度指令与扫描振镜角度反馈信息产生控制信号，进入驱动电路驱动扫描振镜按给定控制指令扫描运动。根据准确性或者快速性需求，角度指令与扫描振镜角度反馈信息通过PID/PD控制器产生控制信号，经过两级可调陷波电路，之后经过跟随电路进入驱动电路，从而驱动扫描振镜按给定控制指令扫描运动，驱动电路根据操作指令进行开关。
所述的一种用于面阵红外广域成像的扫描振镜控制***，所述的控制模块采用DSP作为核心处理器，自行解算角度编码器以获取去模糊需要的扫描振镜扫描补偿量，解算陀螺仪信息得到热像仪姿态角度以获取图像稳定需要的扫描振镜扫描补偿量，将两个补偿量合成为角度指令，使扫描振镜控制***具有独立工作能力并减少功率消耗；对角度指令进行高精度DA转换后控制驱动模块，操作指令通过电平信号输出控制驱动模块输出。所述的控制模块在完全补偿面阵探测器积分成像中的运动的线性区间，通过控制模块DSP中eQEP模块产生触发信号，控制热像仪单场图像采集。控制模块进行高精度AD模块转换驱动模块获取的扫描振镜位置信号，提高触发信号精度。
本发明的有益效果是：
1、本发明集成于面阵热像仪中，面阵热像仪可以依赖于广域成像***控制端完成运动补偿，也可以自行解算角度编码器以及陀螺仪信息完成运动补偿，增加面阵热像仪的适应性。
2、本发明的接口模块采用两线通信方式，两线数据协议通过与***端协商确定，使用方便，减小了数据通信线的开销，数据量不小于2Mb/s，能够满足指令传输的需求。
3、本发明提供了多种外部接口单元，兼容多种类型角度编码器以及陀螺仪等姿态传感器，便于面阵热像仪自行解算扫描振镜补偿量。
4、本发明适用于一维周扫描、往复扫描，也适用于二维扫描。
附图说明
图1是本发明的原理框图；
图2是本发明一种接口模块与成像***两线通信协议示意图；
图3是本发明驱动电路的原理框图；
图4是本发明扫描振镜位置传感器信号差分放大电路的原理图；
图5是本发明两级可调陷波电路的原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
本发明提供一种用于面阵红外广域成像的扫描振镜控制***。如图1所示，为本发明的原理框图；包括：接口模块、控制模块、驱动模块以及接口单元，各模块集成于面阵热像仪。接口模块通过两路数据线接口获取广域成像***端各指令，并转换为并行数据送至控制模块，接口模块为可选模块；控制模块对指令解析控制驱动模块，控制模块通过接口可独立解算编码器以及陀螺仪信息获取角度指令，控制模块产生图像采集触发信号；驱动模块与控制模块连接，驱动单轴或双轴振镜进行扫描运动。
接口模块采用FPGA作为核心控制器，通过1路时钟线、1路数据线获取广域成像***控制端送的角度指令以及操作指令，两线数据协议通过与***端协商确定，数据量不小于2Mb/s，能够满足成像***指令传输需求，如图2所示，1路数据线为时钟线频率为2M/Hz，1路为数据线，数据64位为1周期，其中起始位1个时钟为高电平，而后为从高位到低位的20位数据，数据传输完毕后进入空闲期一直为低电平，直到产生高电平开始新的数据传输。
各指令通过接口模块转换为16位并行数据送至控制模块，完成高速数据传输到低速数据运算的转换，接口模块为可选模块。
控制模块采用DSP作为核心处理器，解算接口模块输入的各指令，若不选用接口模块，控制模块可自行解算编码器以获取去模糊需要的扫描镜扫描补偿量，解算陀螺仪信息得到热像仪姿态角度以获取图像稳定需要的扫描镜扫描补偿量，两个补偿量合成为角度指令，使扫描镜控制***具有独立工作能力并减少功率消耗；使扫描镜控制***具有独立工作能力并减少功率耗；通过DSP中的增强型正交编码模块eQEP或者外部接口获取角度编码器信息，通过测频法（M法）或者测速法（T法）解算伺服平台的转动速度，采用四元素法通过陀螺仪获取热像仪的姿态信息，具体方法如下：
式中，其中
，
，
，
为四元数的四个元素，四元数与欧拉角之间存在一一对应关系，
为方位角，
为俯仰角，
为横滚角。
角度指令解算完成后对其进行高精度DA转换后转换为模拟量控制驱动模块，对操作指令进行电平信号输出控制驱动模块输出；在完全补偿面阵探测器积分成像中的运动的线性区间，通过控制模块DSP中eQEP模块产生触发信号，控制热像仪单场图像采集，控制模块进行高精度AD模块转换驱动模块获取的扫描振镜位置信号，提高触发信号精度。
如图3所示，驱动模块，可以驱动单轴或双轴扫描振镜（1路或2路扫描振镜），采用低电压高电流大功率电源模块，满足单轴/双轴扫描振镜使用要求；角度指令通过调节器内的可调放大电路调节幅值与偏置，角度指令幅值与偏置通过可调电阻调节，可调电阻阻值根据广域成像***端去模糊成像效果调节，以补偿角度指令误差，使去模糊效果达到最佳；驱动模块采用高精度AGC电源为扫描振镜位置传感器供电，位置传感器信号通过差分放大电路获得扫描振镜位置信号，扫描振镜位置信号幅值与AGC电源电压成比例，进而调节扫描振镜位置信号幅值与实际扫描角度的比例。
如图4所示，为差分放大电路原理图，图中R7=R8扫描振镜位置OUTPUT为：
OUTPUT=
式中：IA，IB为位置传感器信号。
角度指令与角度信息通过可选PID控制器，根据准确性或者快速性需求，选择PID/PD控制电路产生控制信号，经过两级可调陷波电路，如图5所示，两级陷波器滤除扫描振镜的两阶谐振频率，其中：
陷波器的增益计算为：
谐振频率计算如下为：
其中C为
，
的电容值，Fr1为第一阶陷波频率，
同理可以计算出第二阶谐振频率相关参数。
控制信号之后经过跟随电路进入驱动电路，从而驱动扫描振镜按给定控制指令扫描运动，驱动电路根据操作指令进行开关。
所述接口单元，包含外部接口、内部接口以及隔离电路；外部接口包括电源接口、两路数据接口、触发信号接口、绝对式光栅编码器接口、增量式编码器接口、SPI接口、422串口以、I2c接口以及扫描电机接口，外部接口均进行数据隔离。内部接口包括：16位并行数据接口、3位读写控制线接口、扫描镜角度信息接口、驱动模块输出控制接口以及角度指令接口。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，以及部分运用的实施例，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种用于面阵红外广域成像的扫描振镜控制***，其特征在于：包括
驱动模块以及接口单元，用于驱动单轴/双轴扫描振镜进行扫描运动，包括调节器、陷波电路、跟随电路、驱动电路、差分放大电路、电源模块以及为单轴/双轴扫描振镜供电的AGC电源；
控制模块，与广域成像***的图像采集端、角度编码器、陀螺仪和驱动模块连接，对图像采集端和接口模块传送的指令进行解析，通过接口单元独立解算角度编码器以及陀螺仪信息并获取角度指令；
还包括集成于面阵热像仪中的接口模块，与控制模块和广域成像***的控制端相连接，通过两路数据线获取广域成像***端各指令，并转换成并行数据送至控制模块；
所述的接口单元包含外部接口、内部接口以及隔离电路；
所述的控制模块、驱动模块、接口模块和接口单元集成于面阵热像仪中。
2.根据权利要求1所述的一种用于面阵红外广域成像的扫描振镜控制***，其特征在于，所述的接口模块采用FPGA作为核心控制器，通过1路时钟线、1路数据线获取广域成像***控制端送的角度指令以及操作指令，两线数据协议通过与***端协商确定，数据量不小于2Mb/s，各指令通过接口模块转换为16位并行数据送至控制模块。
3.根据权利要求1所述的一种用于面阵红外广域成像的扫描振镜控制***，其特征在于，所述的外部接口包括：电源接口、两路数据接口、触发信号接口、绝对式光栅编码器接口、增量式编码器接口、SPI接口、422串口、I2c接口以及扫描电机接口；所述的外部接口均进行数据隔离。
4.根据权利要求1所述的一种用于面阵红外广域成像的扫描振镜控制***，其特征在于，所述的内部接口包括：16位并行数据接口、3位读写控制线接口、扫描振镜角度信息接口、驱动模块输出控制接口以及角度指令接口。
5.根据权利要求1所述的一种用于面阵红外广域成像的扫描振镜控制***，其特征在于，所述的驱动模块采用低电压高电流大功率电源模块，通过调节器内的可调放大电路调节角度指令幅值与偏置，以补偿角度指令误差；所述的AGC电源为扫描振镜的位置传感器供电。
6.根据权利要求5所述的一种用于面阵红外广域成像的扫描振镜控制***，其特征在于，所述的驱动模块还包括PID/PD控制器，PID/PD控制器根据角度指令与扫描振镜角度反馈信息产生控制信号，进入驱动电路驱动扫描振镜按给定控制指令扫描运动。
7.根据权利要求1所述的一种用于面阵红外广域成像的扫描振镜控制***，其特征在于， 所述的控制模块采用DSP作为核心处理器，自行解算角度编码器以获取去模糊需要的扫描振镜扫描补偿量，解算陀螺仪信息得到热像仪姿态角度以获取图像稳定需要的扫描振镜扫描补偿量，将两个补偿量合成为角度指令，使扫描振镜控制***具有独立工作能力并减少功率消耗。
8.根据权利要求7所述的一种用于面阵红外广域成像的扫描振镜控制***，其特征在于，所述的控制模块通过控制DSP中eQEP模块产生触发信号，控制热像仪单场图像采集。
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