一种能记录时间标识和星象扫描的科学级ccd/cmos相机
阅读说明：本技术 一种能记录时间标识和星象扫描的科学级ccd/cmos相机 (Scientific grade CCD/CMOS camera capable of recording time mark and star image scanning ) 是由 张晓祥 门金瑞 温昌礼 徐蓉 曹景太 于 2021-06-23 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种能记录时间标识和星象扫描的科学级CCD/CMOS相机,其特征在于：包括图像采集分系统以及分别与其连接的计时分系统、星象扫描分系统、数据传输分系统。本发明CCD/CMOS相机可在内部实现采集图像曝光中心时刻和采集图像的一一对应,从而避免不同操作系统因图像采集问题造成的采集图像和时间标识不对应的问题,尤其是避免了帧转移读出CCD无法实现帧转移造成曝光模式下记录的时间标识和图像不对应的问题；通过对图像上所有星象的扫描处理,将需要传输的数据量降低为图像原始数据的百分之一以下,在较低读出速度的情况下,可有效的降低数据传输时间,适合在空间碎片监测的技术领域中推广使用。(The invention discloses a scientific grade CCD/CMOS camera capable of recording time identification and astrology scanning, which is characterized in that: comprises an image acquisition subsystem, and a timing subsystem, a star image scanning subsystem and a data transmission subsystem which are respectively connected with the image acquisition subsystem. The CCD/CMOS camera can realize one-to-one correspondence between the acquired image exposure center time and the acquired image in the camera, thereby avoiding the problem that the acquired image and the time identification are not corresponding due to the image acquisition problem of different operating systems, and particularly avoiding the problem that the time identification and the image which are recorded in an exposure mode are not corresponding due to the fact that the frame transfer reading CCD cannot realize the frame transfer; through the scanning processing of all the stars on the image, the data volume required to be transmitted is reduced to be less than one percent of the original data of the image, and under the condition of low reading speed, the data transmission time can be effectively reduced, so that the method is suitable for being popularized and used in the technical field of space debris monitoring.)
技术领域
本发明属于天文学
技术领域
,具体为一种能记录时间标识和星象扫描的科学级CCD/CMOS相机。背景技术
在科研、军事等许多领域，都需要对空间碎片进行监视，给出空间碎片的每一个观测时刻的测角数据，从而确定空间碎片的运行轨道，获取空间碎片精确的信息，为在轨航天器安全提供最原始的支撑数据。
上个世纪70年代CCD的发明，替代了传统的照相天体观测，成为了当时人造卫星监视的有效手段。随着航天发射活动的频繁，由每年几次、几十次增加到100次以上。太空中的空间碎片数量越来越多，大于1厘米的空间碎片达到了几万个，甚至几十万个，威胁到了在轨工作航天器的安全。为了获得这些空间碎片的信息，必须对其进行大批量观测。因此光学望远镜的口径也越来越大，科学级CCD相机的靶面也越来越大。由于CCD读出方式的问题，一方面大靶面科学级CCD相机采用全帧读出模式，需要机械快门以保证在图像读出过程中处于黑暗状态，另一方面大靶面科学级CCD相机需要以较低读出速度才能满足较低的读出噪声需求，造成读出时间太长，使得传统大靶面科学级CCD相机无法满足空间碎片观测需求。因此，出现了大靶面的科学级CMOS相机，靶面可以做到60mm*60mm以上，帧频可以做到5Hz。
通常科学级CCD和CMOS相机具有以下几个特点：
1)能够按照给定的曝光时间，单帧采集或者连续采集图像；
2)能够按照外部输入固定频率的TTL电平信号连续采集图像；
3)能够输出曝光方波TTL电平信号，但帧转移读出CCD在曝光过程中读出，通常无曝光方波TTL电平信号；
但随着太空中的空间碎片越来越多，传统的科学级CCD和CMOS相机开始逐渐不能适用空间碎片编目发展要求。
发明内容
基于背景技术描述的问题，本发明提出了一种能记录时间标识和星象扫描的科学级CCD/CMOS相机，可实现图像时间标识记录、图像采集与处理一体化，避免时间标识和图像不对应问题。
本发明提供的技术方案为：
一种能记录时间标识和星象扫描的科学级CCD/CMOS相机，其特征在于：包括图像采集分系统以及分别与其连接的计时分系统、星象扫描分系统、数据传输分系统，其中：
1）计时分系统
所述计时分系统设有GPS/BD天线接口、GPS/BD接收芯片和第一FPGA控制器，所述GPS/BD天线接口用于连接GPS/BD卫星接收天线，其信号输出端与GPS/BD接收芯片的信号输入端连接，计时分系统通过GPS/BD卫星接收天线接收GPS/BD信号，使GPS/BD接收芯片产生秒脉冲信号和秒包，GPS/BD接收芯片的信号输出端与TTL转差分器件连接，将秒脉冲信号转换为差分秒信号输出给第一FPGA控制器；
所述第一FPGA控制器用于：
接收所述差分秒信号和秒包,并根据秒包数据提供的UTC时间及差分秒信号上升沿与整秒同步的性质，产生并实时同步守时系统；
根据图像采集分系统提供的图像曝光脉冲信号记录每帧图像曝光的起始时刻和结束时刻，计算整个曝光时长和曝光的中心时刻，将所述中心时刻作为每帧图像的时间标识数据反馈给图像采集分系统；
2）图像采集分系统；
所述图像采集分系统设有CMOS或CCD探测器芯片、探测器芯片驱动及读出驱动电路、图像数据缓存器件以及第二FPGA控制器；
所述图像数据缓存器件用于存放第二FPGA控制器采集的图像数据；
所述第二FPGA控制器用于：
根据上位机发送的采集模式指令设置工作参数，并向探测器芯片驱动及读出驱动电路输出对应的控制信号，通过探测器芯片驱动及读出驱动电路驱动探测器芯片工作以及读出数据；
根据所述工作参数，采集单帧或连续采集多帧图像，发送给星象扫描分系统，并在每帧图像采集结束时，向星象扫描分系统发送采集结束标志；
在采集过程中，向计时分系统实时输出图像曝光脉冲信号，将所述图像曝光脉冲信号的上升沿对齐每次曝光开始时刻，下降沿对齐该次曝光结束的时刻；
将星象扫描分系统反馈的星象数据与计时分系统反馈的时间标识数据一一对应，打包发送上位机；
3）星象扫描分系统
所述星象扫描分系统设有第三FPGA处理器或DSP处理器；
所述第三FPGA处理器或DSP处理器用于：
检测采集结束标志，根据预设的图像处理算法对其接收的图像分帧扫描，获得各帧图像的星象数据，并依次反馈给图像采集分系统；所述星象数据包括星象的位置、灰度和、像素数、信噪比以及星象附近背景的均值和方差；
4）数据传输分系统
所述数据传输分系统设有通信接口，用于建立图像采集分系统与上位机的通信连接，以将所述星象数据和时间标识数据传输至上位机。
在上述方案的基础上，进一步改进或优选的方案还包括：
进一步的，所述第一FPGA控制器设有恒温晶振、铷钟或铯钟，当秒脉冲时间信号和秒包数据丢失时，第一FPGA控制器利用所述恒温晶振、铷钟或铯钟对系统时间进行信号的精确守时。
作为优选，所述图像数据缓存器件采用DDR。
进一步的，所述数据传输分系统的通信接口为USB3.0或千兆/万兆以太网接口的任一种。
有益效果：
本发明CCD/CMOS相机可在内部实现采集图像曝光中心时刻和采集图像的一一对应，从而避免不同操作系统因图像采集问题造成的采集图像和时间标识不对应的问题，尤其是避免了帧转移读出CCD无法实现帧转移造成曝光模式下记录的时间标识和图像不对应的问题；通过对图像上所有星象的扫描处理，将需要传输的数据量降低为图像原始数据的百分之一以下，在较低读出速度的情况下，可有效的降低数据传输时间。
附图说明
图1为本发明相机的系统架构图；
图2 为本发明相机在单帧采集模式下的工作流程图：
图3为本发明相机多帧采集模式下的工作流程图。
具体实施方式
为了阐明本发明的技术方案和原理，下面结合附图与具体实施例对本发明做详细的说明。
如图1所示的一种记录时间标识和星象扫描的科学级CCD/CMOS相机，包括图像采集分系统，以及分别与所述图像采集分系统连接的计时分系统、星象扫描分系统和数据传输分系统。
1）计时分系统
所述计时分系统设有GPS/BD天线接口、GPS/BD接收芯片和第一FPGA控制器。所述GPS/BD天线接口用于连接GPS/BD卫星接收天线，其信号输出端与GPS/BD接收芯片的信号输入端连接。计时分系统通过GPS/BD卫星接收天线接收GPS/BD信号，使GPS/BD接收芯片产生秒脉冲信号（PPS）和秒包（一个串口数据包，在秒脉冲的上升沿发出来，包含整秒的位置、时刻、卫星数等信息）。GPS/BD接收芯片的信号输出端与TTL转差分器件连接，将秒脉冲信号（PPS）转换为差分秒信号输出给第一FPGA控制器。
所述第一FPGA控制器用于：
A.接收所述差分秒信号和秒包,并根据秒包数据提供的UTC时间及差分秒信号上升沿与整秒同步的性质，产生并实时同步守时系统；当秒脉冲时间信号和秒包数据丢失时，第一FPGA控制器可利用本身高精度的恒温晶振、铷钟或铯钟对系统时间进行信号的精确守时；
B.根据图像采集分系统提供的图像曝光脉冲信号记录每帧图像曝光的起始时刻和结束时刻，计算整个曝光时长和曝光的中心时刻，将所述中心时刻作为每帧图像的时间标识数据反馈给图像采集分系统。
2）图像采集分系统
所述图像采集分系统设有CMOS或CCD探测器芯片、探测器芯片驱动及读出驱动电路、图像数据缓存器件DDR以及第二FPGA控制器。
所述图像数据缓存器件DDR用于存放第二FPGA控制器采集的图像数据。
所述第二FPGA控制器主要用于控制图像采集及驱动信号逻辑的产生，具体包括：
A.根据PC上位机发送的采集模式指令设置工作参数（包括曝光参数、采集频率等），并向探测器芯片驱动及读出驱动电路输出对应的控制信号，通过探测器芯片驱动及读出驱动电路驱动探测器芯片工作和读出数据；
B.按照设定的曝光时间采集单帧图像，将图像和图像采集结束标志发送给星象扫描系统；或，根据设定的曝光时间和采集频率采集多帧图像，将图像和每帧图像的采集结束标志连续发送给星象扫描系统；
C.在采集过程中，向计时分系统实时输出图像曝光脉冲信号，将所述图像曝光脉冲信号的上升沿对齐每次曝光开始时刻，下降沿对齐该次曝光结束的时刻；
D.将星象扫描分系统反馈的星象数据与计时分系统反馈的时间标识数据（曝光的中心时刻）一一对应，打包发送上位机。
3）星象扫描分系统
所述星象扫描分系统设有第三FPGA处理器或DSP处理器，用于对图像数据进行处理，具体为：
检测所述采集结束标志，根据预设的图像处理算法对其接收的图像分帧扫描，获得各帧图像的星象数据，并依次反馈给图像采集分系统。所述星象数据包括星象的位置、灰度和、像素数、信噪比以及星象附近背景的均值和方差等信息。
4）数据传输分系统
所述数据传输分系统设有通信接口，用于连接图像采集分系统与上位机，使二者建立通信，以将所述星象数据和时间标识数据传输至PC上位机。
所述数据传输分系统的通信接口可采用USB3.0或千兆/万兆以太网接口的任一种。
本发明科学级CCD/CMOS相机主要工作在两种模式下，单帧采集模式及固定频率的连续采集模式。
如图2所示，单帧采集模式下：
相机接收上位机发送的采集模式指令后，设置曝光时间，然后触发探测器进行曝光积分，同时计时分系统记录曝光的起始时刻和曝光时长，曝光结束后将图像送到星象扫描分系统进行图像处理，得到图像中的星象数据，包括恒星和目标点的坐标、信噪比、灰度值及所占像素数等信息，最后将星象扫描数据和计时分系统反馈的标识时间信息打包发送到上位机。
如图3所示，多帧采集模式下：
相机收到上位机发送的采集模式指令后，按固定频率循环执行单帧采集模式，并向上位机发送星象扫描数据和时间信息。
对于帧转移探测器，因为图像读出和曝光可以同时进行，也就是连续模式下可以同时两帧图像存在，第一帧在像素存储区进行读出，第二帧正在曝光，所以需要处理两帧图像和两个时间信息包的对应关系，这个在普通帧转移相机中因为图像采集和时间采集独立会出现错位现象，而在本发明相机内部因为设计了固定的时序逻辑，可以很好的避免时间和图像不对应的情况，所以本发明相机适合应用到空间碎片的监测中。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进。本发明要求保护范围由所附的权利要求书、说明书及其等效物界定。
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