一种星载红外相机外同步响应方法及系统
阅读说明：本技术 一种星载红外相机外同步响应方法及系统 (Satellite-borne infrared camera external synchronous response method and system ) 是由 闫鹏 夏璞 刘永征 李立波 李洪波 李思远 于 2021-07-28 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种星载红外相机外同步响应方法及系统,能够确保红外相机在整个外同步触发信号切换过程中不会产生丢帧,确保了卫星扫过地面图像的连续性。方法主要包括实时获取外同步触发信号、将外同步触发信号转化为内同步信号、判断内同步信号的有效性及执行当前帧周期的步骤；系统主要包括FPGA可编程逻辑控制器、外同步输入单元、帧有效触发驱动单元、供配电单元、时钟单元及存储单元；本发明为星载高光谱成像及遥感成像等提供一种有效的信号同步方法,同时也可以将这一方法应用于机载或某些特殊的工业相机领域。(The invention relates to an external synchronous response method and system of a satellite-borne infrared camera, which can ensure that the infrared camera cannot lose frames in the whole external synchronous trigger signal switching process and ensure the continuity of ground images scanned by a satellite. The method mainly comprises the steps of acquiring an external synchronization trigger signal in real time, converting the external synchronization trigger signal into an internal synchronization signal, judging the effectiveness of the internal synchronization signal and executing a current frame period; the system mainly comprises an FPGA programmable logic controller, an external synchronous input unit, a frame effective trigger driving unit, a power supply and distribution unit, a clock unit and a storage unit; the invention provides an effective signal synchronization method for satellite-borne hyperspectral imaging, remote sensing imaging and the like, and meanwhile, the method can also be applied to the field of airborne or some special industrial cameras.)
技术领域
本发明涉及一种星载红外相机外同步响应方法及系统。
背景技术
随着空间遥感技术的发展，卫星遥感越来越呈现出高时间分辨率、高空间分辨率和高光谱分辨率的发展趋势，遥感载荷数据类型越来越多样化。遥感载荷也逐渐从可见光波段，向紫外、短波红外、中长波红外、甚长波红外等领域扩展。
红外成像系统是一种可探测目标红外辐射，通过光电转换及信号处理等手段，将目标物体的红外辐射转换成图像的系统。红外探测器是成像系统的核心，从根本上决定着红外系统的发展水平，其工作所需的驱动时序及输出的模拟信号等，均需要经过适当的信号处理电路进行处理。
在红外成像系统应用于卫星载荷的时候，由于卫星在一个重访周期内(非太阳同步轨道)与地球的距离并不一致，其轨道往往为椭圆形，因此在其一个周期内，如果需要开启载荷工作，则需要实时根据卫星距离地面的距离计算出速高比，载荷控制系统会根据速高比来实时调整红外成像系统的工作帧频，也就是实时调整外同步触发信号。
发明内容
本发明的目的是提供一种星载红外相机外同步响应方法及系统，该方法及系统能够确保红外相机在整个外同步触发信号切换过程中不会产生丢帧，确保了卫星扫过地面图像的连续性。为星载高光谱成像及遥感成像等提供一种有效的信号同步方法，同时也可以将这一方法应用于机载或某些特殊的工业相机领域。
本发明的技术方案是：
一种星载红外相机外同步响应方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
步骤1、实时获取外同步触发信号；
星载红外相机设备实时接收载荷控制系统发送的外同步触发信号，并转化为FPGA可编程逻辑控制器接收的数据格式后输入至FPGA可编程逻辑控制器；
步骤2、将外同步触发信号转化为内同步信号；
FPGA可编程逻辑控制器通过内部触发器将外同步触发信号，转换为内部时钟域下的同步信号，即获得内同步信号；
步骤3、判断内同步信号的有效性；
步骤3.1、通过FPGA可编程逻辑控制器内部的第一逻辑计数器测量连续两次内同步信号脉冲间隔周期D；
步骤3.2、将第一逻辑计数器测量的脉冲间隔周期D与星载红外相机设备设定的帧周期范围进行比较：
若脉冲间隔周期D位于星载红外相机设备的帧周期范围之外，则判定当前脉冲间隔周期D无效，即当前内同步信号无效，执行星载红外相机设备的默认帧周期；该默认帧周期是星载红外相机设备设定的一个固定值；脉冲间隔周期D位于星载红外相机设备的帧周期范围之外包括两种情况，一种是D大于星载红外相机设备设定的帧周期的最大值，意味着获取的内同步信号太慢(异常)，另一种是D小于星载红外相机设备设定的帧周期的最小值，意味着获取的内同步信号太块(异常)。
若脉冲间隔周期D值位于星载红外相机设备设计帧周期范围之内，则判定当前脉冲间隔周期D有效，即当前内同步信号有效，将当前脉冲间隔周期D作为当前帧周期，当前帧周期测量完成，执行步骤4；
步骤4、执行当前帧周期；
步骤4.1、执行当前帧周期；
步骤4.2、判断当前帧周期是否执行完成，若是，则进入步骤4.3，否则，进入步骤4.4；
步骤4.3、刷新当前帧周期计数值等于0，判断下一帧周期是否已测量完成，若是，则执行下一帧周期，否则，等待下一帧周期测量结束，执行下一帧周期；
步骤4.4、当前帧周期计数值加1，更新前帧周期计数值，返回步骤4.1。
进一步地，步骤4.2中判断当前帧周期是否执行完成的过程具体为：
利用FPGA可编程逻辑控制器内部的第二逻辑计数器测量当前帧周期计数值；
若第二逻辑计数器测量的当前帧周期计数值与第一逻辑计数器测量的连续两次内同步信号脉冲间隔周期D或星载相机设备的默认帧周期相等，那么认为当前帧周期执行完成；
若第二逻辑计数器测量的当前帧周期计数值小于第一逻辑计数器测量的连续两次内同步信号脉冲间隔周期D或星载相机设备的默认帧周期，那么认为当前帧周期未执行完成。
进一步地，步骤1星载红外相机设备利用RS485接收芯片将差分外同步触发信号转化为单端，输入至FPGA可编程逻辑控制器。
本发明还提供一种星载红外相机设备外同步响应系统，其特殊之处在于：包括FPGA可编程逻辑控制器、外同步输入单元、帧有效触发驱动单元、供配电单元、时钟单元及存储单元；
FPGA可编程逻辑控制器包括外同步接收电路、第一逻辑计数器及第二逻辑计数器；
外同步输入单元、帧有效触发驱动单元、时钟单元及存储单元均与FPGA可编程逻辑控制器相连接；
外同步输入单元用于实时接收载荷控制系统发送的外同步触发信号，并转化为FPGA可编程逻辑控制器接收的数据格式后输入至FPGA可编程逻辑控制器；
FPGA可编程逻辑控制器用于将外同步触发信号，转换为内部时钟域下的同步信号；并实现内同步信号的检测与判读，根据检测判读结果产生帧触发信号，发送至帧有效触发驱动单元；
帧有效触发驱动单元用于将FPGA可编程逻辑控制器发送的帧触发信号转换为星载红外相机设备中探测器所需的电平下的驱动信号；
时钟单元用于为FPGA可编程逻辑控制器提供时钟；
存储单元用于为FPGA可编程逻辑控制器提供程序加载，保障其在断电重启后能正常运行内部逻辑程序；
供配电单元用于为整个系统提供电源。
进一步地，帧有效触发驱动单元选用LMH6628驱动。
进一步地，FPGA可编程逻辑控制器选用Xilinx公司V2系列XC2V3000。
进一步地，外同步输入单元采用了MAX485芯片。
本发明的有益效果是：
1、本发明星载相机设备外同步响应方法，将每次的外同步信号都经过判断，上一帧结束的时候立即开始执行下一帧的触发，能够保障系统不遗漏任何一次外同步触发信号，保障了遥感成像的连续性，使得对地推扫图像不会产生地物中断等情况；同时能够及时响应卫星与地面相对高度、速度的变化，使得载荷对地分辨率相对一致；
2、本发明提供的外同步响应方法，也可以推广应用其他要求帧频不断变化的环境中，比如机载设备以及其他一些不能有数据遗漏的特殊应用要求。
3、本发明不需要借助于额外的硬件成本，经济、实用性好，具有广泛普遍适用性。
附图说明
图1为本发明星载相机设备外同步响应系统框图；
图2为高帧频向低帧频切换外同步响应示意图；
图3为低帧频向高帧频切换外同步响应示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明的保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
此外，术语“第一或第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本发明提供的外同步响应方法，也可以推广应用其他要求帧频不断变化的环境中，比如机载设备以及其他一些不能有数据遗漏的特殊应用要求。以下实施例以星载红外相机为例进行说明：
本实施例主要针对星载红外相机基于FPGA的外同步触发信号响应方法进行设计，并提供了如图1所示的外同步响应系统，包括FPGA可编程逻辑控制器、外同步输入单元、帧有效触发驱动单元、供配电单元、时钟单元及存储单元等组成。
(1)FPGA可编程逻辑控制器
FPGA单元是实现内部逻辑单元，具体实施本发明设计流程的关键环节。具体到本发明一个实际应用案例中，选用了Xilinx公司V2系列XC2V3000，包括外同步接收电路、第一逻辑计数器及第二逻辑计数器；用于将外同步触发信号，转换为内部时钟域下的同步信号；并实现内同步信号的检测与判读，根据检测判读结果产生帧触发信号，发送至帧有效触发驱动单元。
(2)外同步输入单元
外同步输入单元采用了MAX485芯片，用来接收实时接收载荷控制系统发送的差分外同步触发信号，并转换为单端信号，经调压后输入FPGA可编程逻辑控制器。
(3)帧有效触发驱动单元
帧有效触发驱动单元用于将FPGA可编程逻辑控制器发送的帧触发信号转换为星载红外相机设备中探测器所需的电平下的驱动信号。
(4)供配电单元
供配电单元为整个电路设计提供配电，主要由数片电源变换芯片。具体到本案例，采用了LDO电源，其具有高性能、低噪的特点，有利于保障数传的可靠性。
(5)时钟单元
时钟单元用于为FPGA可编程逻辑控制器提供时钟。
(6)存储单元
存储单元用于为FPGA可编程逻辑控制器提供程序加载，保障其在断电重启后能正常运行内部逻辑程序。
具体星载相机设备外同步响应方法的流程如下：
步骤一、将基于FPGA的外同步接收电路与外同步触发源相连接；建立物理上的互连。
步骤二、FPGA可编程逻辑控制器运行启动帧执行，同时将相关计数器、寄存器等进行复位，即进行归零操作，这样做的目的是为了让所有的相关信号处理处于统一的零状态：
步骤三、启动外同步源，使其处于不断发送外同步触发信号状态；启动本发明工作硬件环境，使其处于接收状态；
获取外同步触发信号的方法有很多，对于本实施例，采用MAX485差分接收；红外相机上位机系统通过485接口发送外同步触发信号，红外相机通过485接收芯片将差分信号转换为单端，并输入FPGA可编程逻辑控制器件。
步骤四、FPGA可编程逻辑控制器件通过内部逻辑门和时钟，实时将外同步触发信号S0转换为内部时钟域下的同步信号，即转化为内同步信号S1。本实施例可通过FPGA可编程逻辑控制器件内部触发器实现这一功能。
步骤五、判断内同步信号S1的有效性；
通过FPGA可编程逻辑控制器件内部的第一逻辑计数器测量连续两次S1的脉冲间隔周期D，可通过测量两次S1的脉冲边沿实现；检查两次S1的脉冲间隔周期是否在红外相机设定的帧周期范围内，若在内，则判定D有效，即内同步信号S1有效，否则判定为无效。
本实施例假设红外相机要求帧频的最大值对应该FPGA可编程逻辑控制器件时域下的计数为Cmin，红外相机要求帧频的最小值对应该FPGA可编程逻辑控制器件时域下的计数为Cmax，红外相机要求默认帧频对应该FPGA可编程逻辑控制器件时域下计数为Cdef。
当D＞Cmax时，意味着获取的帧同步信号太慢(异常)，判定当前内同步无效，红外相机执行默认帧频，即执行Cdef的帧周期；
当D＜Cmin时，意味着获取的帧同步信号太快(异常)，判定当前内同步无效，红外相机执行默认帧频，即执行Cdef的帧周期；
当Cmin≤D≤Cmax时，判定当前内同步有效，将当前脉冲间隔周期D作为当前帧周期，当前帧周期测量完成，执行步骤六；
步骤六、红外相机执行当前帧周期；
利用FPGA可编程逻辑控制器件内部的第二逻辑计数器测量当前帧周期计数值；通过比较当前帧周期计数值与D或Cdef的值，判断当前帧周期是否执行完成；
若第二逻辑计数器测量的当前帧周期计数值C与D或Cdef相等，那么认为当前帧周期执行完成；进入步骤七；
若第二逻辑计数器测量的当前帧周期计数值C小于D或Cdef，那么认为当前帧周期未执行完成，进入步骤八；
步骤七、刷新当前帧周期计数值等于0，判断下一帧周期是否已测量完成，若是，则执行下一帧周期，否则，等待下一帧周期测量结束，执行下一帧周期；
若当前帧周期已执行完成，下一帧周期还未测量结束，意味着相机帧频由大到小调整；如图2所示，此时红外相机需要等待新的帧周期测量结束；
若下一帧周期测量已结束，当前帧周期还未执行完成，意味着相机帧频由小到大调整；如图3所示，此时会造成红外相机的帧执行起始点与外同步触发信号的固定相位关系被打破；但这是红外相机能够不遗漏任何一次外同步触发信号要求下的不可避免的情况。
步骤八、当前帧周期计数值加1，更新前帧周期计数值，返回步骤六。
通过上述步骤即可完成卫星在轨运行过程红外相机一轨完整成像，并依据地形和轨道高度实时的调整了帧频，使得系统地面分辨率保持不变。
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