一种基于数字化焦平面的星载视频电子学系统的制作方法

本发明属于遥感相机技术领域，尤其涉及一种基于数字化焦平面的星载视频电子学系统。

背景技术：

一般情况下，高分辨率遥感相机主要分为指令控制模块、积分管理模块、焦平面模块和信号处理模块。四个模块互相作用，互有通讯接口。管理控制组件接收卫星平台的卫星数据和导航数据以及指令信息，将指令信息解译后将控制指令转发给积分管理模块。积分管理模块发送时钟、级数、增益信号等分别发送给焦平面模块和信号处理模块。焦平面模块发送CCD(Charge Coupled Device，CCD，电荷耦合元件)模拟信号给信号处理模块，信号处理模块进行AD(Analog/Digital，模拟/数字信号)量化后进行相应算法更新。该方式在郑亮亮发表的《一种TDICCD成像的高速视频电路的设计与实现》和韩志学发表的《一种高速高分辨率遥感相机全色多光谱焦平面电路设计》文章中进行了详细的说明。CCD模块与前置放大器放在焦平面处，通过同轴电缆实现模拟信号的长距离传输。因此整个视频电子学数据流过程呈三角形互联，接口冗余，不易于模块的灵活配置和有用信息的可靠性传输。

目前国内遥感相机，尤其在可见光高分领域，分辨率早已经达到亚米级水平，且仍旧使用了传统电子学架构。该类相机由于对应的CCD模块通道数量增多，模拟信号频率大幅提高，因此其功耗和体积变得十分庞大。上述方式下的焦平面模拟信号采用铜轴电缆方式传输，电缆长度限制了模拟信号的传输质量，引入了多余噪声。过多的数据接口和复杂的电缆连接无法满足遥感相机小型化、低功耗的需求。因此迫切需要一种能够减少接口、提高传输效率和成像质量的新型电子学系统。

技术实现要素：

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种基于数字化焦平面的星载视频电子学系统，以实现高分辨率相机视频电子学的轻、小型化和低功耗。

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种基于数字化焦平面的星载视频电子学系统，包括：通过串行总线级联的管理控制模块、数字化焦平面模块和图像处理模块；

管理控制模块，用于接收卫星平台下传的卫星数据、导航数据和整星指令；以及，将整星指令解译成相机状态数据；以及，将卫星数据、导航数据和相机状态数据合并后发送给各数字化焦平面模块；

数字化焦平面模块，用于接收管理控制模块发送的卫星数据、导航数据和相机状态数据；以及，获取焦面测试数据；以及，生成电荷转移信号，根据电荷转移信号产生图像数据；以及，将卫星数据、导航数据、相机状态数据、图像数据和焦面测试数据合并后发送给图像处理模块；

图像处理模块，用于接收数字化焦平面模块发送的卫星数据、导航数据、相机状态数据、图像数据和焦面测试数据；以及，根据相机状态数据对图像数据进行更新，得到更新图像数据；以及，获取算法测试数据；以及，将卫星数据、导航数据、相机状态数据、焦面测试数据、更新图像数据和算法测试数据合并后发送给数传系统。

在基于数字化焦平面的星载视频电子学系统中，

图像处理模块，还用于将算法遥测发送给数字化焦平面模块；

数字化焦平面模块，还用于确定电源遥测；以及，接收图像处理模块发送的算法遥测；以及，将算法遥测和电源遥测合并后发送给管理控制模块；

管理控制模块，还用于确定指令遥测；以及，接收数字化焦平面模块发送的算法遥测和电源遥测，以及，将算法遥测、电源遥测和指令遥测合并后发送给卫星平台。

在基于数字化焦平面的星载视频电子学系统中，数字化焦平面模块，还用于：根据相机状态数据进行状态更新，根据状态信息确定焦面电路的工作点。

在基于数字化焦平面的星载视频电子学系统中，管理控制模块在将整星指令解译成相机状态数据时，包括：

以16位或32位二进制码格式接收整星指令，得到整星指令对应的二进制数据；其中，所述整星指令，包括：积分时间指令、增益指令、级数选择指令、算法开关指令和采样点指令；

从二进制数据中提取出地址位和指令位；

根据提取出的地址位的值，确定所述整星指令的类型；

根据整星指令的类型和指令位，进行二进制数据写入，得到相机状态数据。

在基于数字化焦平面的星载视频电子学系统中，数字化焦平面模块在生成电荷转移信号，根据电荷转移信号产生图像数据时，包括：

生成探测器所需的电荷转移信号；其中，电荷转移信号通过高低电平控制探测器内部电荷阱的改变；

读取电荷转移信号中的电荷，对电荷进行放大和AD量化处理后，得到图像数据。

在基于数字化焦平面的星载视频电子学系统中，图像处理模块在根据相机状态数据对图像数据进行更新，得到更新图像数据时，包括：

对图像数据进行图像预处理；其中，所述图像预处理，包括：电平嵌位处理、不一致性校正处理和通道量化不一致校正处理；

根据相机状态数据对预处理后的图像数据进行更新处理，得到更新图像数据；其中，所述更新处理，包括：数字滤波处理、MTF优化处理、图像复原处理、图像增强处理、目标识别处理、云判处理和数据压缩处理中的至少一种。

在基于数字化焦平面的星载视频电子学系统中，管理控制模块，包括：指令解析电路、供配电管理电路、调焦管理电路、视频管理电路、第一串行接收电路和第一串行发送电路；

第一串行接收电路，用于接收卫星平台下传的卫星数据、导航数据和整星指令；以及，接收数字化焦平面模块发送的算法遥测和电源遥测；

指令解析电路，用于对整星指令进行解译，得到相机状态数据；以及，根据整星指令的类型，将相机状态数据下发至供配电管理电路、调焦管理电路和视频管理电路；

供配电管理电路，用于产生继电器动作所需要的脉冲信号，以控制数字化焦平面模块和图像处理模块的供电；

调焦管理电路，用于接收调焦指令，根据调焦指令生成调焦芯片所须的时序信号；

视频管理电路，用于对卫星数据、导航数据和相机状态数据进行数据流整合，生成第一总线式串行数据；以及，对算法遥测、电源遥测和指令遥测进行数据流整合，生成第二总线式串行数据；

第一串行发送电路，用于将第一总线式串行数据下发给各数字化焦平面模块；以及，将第二总线式串行数据发送给卫星平台。

在基于数字化焦平面的星载视频电子学系统中，数字化焦平面模块，包括：第二串行接收电路、CCD时序发生电路、功率驱动电路、运放电路、AD量化电路、第二串行发送电路和CCD模块；

第二串行接收电路，用于接收管理控制模块发送的卫星数据、导航数据和相机状态数据，通过二次解析得到焦平面工作参数；以及，接收图像处理模块发送的算法遥测；

CCD时序发生电路，用于产生CCD模块工作所需的时序信号；

功率驱动电路，用于对时序信号进行功率放大，将功率放大后的时序信号发送给CCD模块；

CCD模块，用于根据功率放大后的时序信号，产生模拟信号，将模拟信号发送给运放电路；

运放电路，用于对模拟信号进行放大和滤波处理，得到预处理后的模拟信号；

AD量化电路，用于对预处理后的模拟信号进行AD量，得到图像数据；

第二串行发送电路，用于将卫星数据、导航数据、相机状态数据、焦面测试数据、更新图像数据和算法测试数据合并后发送给数传系统；以及，将算法遥测和电源遥测合并后发送给管理控制模块。

本发明具有以下优点：

(1)本本发明优化了电子学系统数据流的拓补结构，取消了原来的积分管理模块，将成像电子学系统重新划分为三个模块：管理控制模块、数字化焦平面模块、图像处理模块。重新定义了三个模块的功能结构。管理控制模块负责收发和解析卫星平台数据，提供电源和电机控制。数字化焦面电路负责根据相机状态信息正确响应，实现光电转换，并数字化。图像处理模块负责根据相机状态信息和原始图像数据进行特定算法处理。三个模块以串行总线形式进行数据传输，优化了接口数量，解决了一直以来电子学接口复杂、体积过大、电缆过重的弊端。

(2)本发明将AD引入焦平面电路，缩短了模拟信号走线，解决了星载高速视频电子学系统的模拟信号长距离传输所带来的噪声干扰问题，提高了信噪比，该方式能够广泛适应于有更高像元频率的高分相机。

(3)本发明首次将串行总线式数据流引入电子学图像，将复杂的相机指令信息、卫星状态数据、图像数据、图像辅助数据合并为单一串行数据链路传输。本发明通过串行总线数据流方式将不同更新频率的多类型数据实现了统一，该方式有效的减小了系统中各组件的接口，精简了各组建之间冗余的信息流，解决了一直以来星载视频电子学多个模块间信息冗余、传输能力差、数据格式复杂和数据类型不一致的问题。

附图说明

图1是本发明实施例中一种基于数字化焦平面的星载视频电子学系统的结构示意图；

图2是本发明实施例中一种管理控制模块的结构示意图；

图3是本发明实施例中一种数字化焦平面模块的结构示意图；

图4是本发明实施例中一种图像处理模块的结构示意图；

图5是本发明实施例中一种高速串行总线式数据传输格式示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明公共的实施方式作进一步详细描述。

本发明公开了一种基于数字化焦平面的星载视频电子学系统，在受到芯片选型和工艺水平制约的现有条件内，针对电子学轻小型化进行的重点改进，通过将焦平面数字化和更改电子学数据流，精简模块接口，实现高分辨率相机视频电子学的轻、小型化和低功耗。

与现有电子学系统架构相比，基于数字化焦平面的星载视频电子学系统精简了模块，一定程度上减少了电路规模，缩小了电子学系统的体积重量。同时数字化焦平面电路避免了模拟信号长距离传输带来的噪声问题，大幅提高了图像信噪比。总线式串行单链路传输的方式有效减少了冗余信息，显著提高了多模块间通信效率，提高了组件之间灵活配置的能力。由于各模块之间为一对一互联，互联方式为类似总线形式的串行数据连接，因此有利于组件之间根据用户和方案的不同需求进行连接内容的灵活配置。

参照图1，示出了本发明实施例中一种基于数字化焦平面的星载视频电子学系统的结构示意图。在本实施例中，所述基于数字化焦平面的星载视频电子学系统，包括：通过串行总线级联的管理控制模块101、数字化焦平面模块102和图像处理模块103。

管理控制模块101，用于接收卫星平台下传的卫星数据201、导航数据202和整星指令203；以及，将整星指令203解译成相机状态数据204；以及，将卫星数据201、导航数据202和相机状态数据204合并后发送给各数字化焦平面模块。

在本实施例中，管理控制模块101在将整星指令203解译成相机状态数据204时，具体可以包括：以16位或32位二进制码格式接收整星指令203，得到整星指令203对应的二进制数据；其中，所述整星指令203，包括：积分时间指令、增益指令、级数选择指令、算法开关指令和采样点指令；从二进制数据中提取出地址位和指令位；根据提取出的地址位的值，确定所述整星指令203的类型；根据整星指令203的类型和指令位，进行二进制数据写入，得到相机状态数据204。

数字化焦平面模块102，用于接收管理控制模块发送的卫星数据201、导航数据202和相机状态数据204；以及，获取焦面测试数据206(焦面测试数据为地面测试时的过程数据，方便整个电子学系统的检测)；以及，生成电荷转移信号，根据电荷转移信号产生图像数据205；以及，将卫星数据201、导航数据202、相机状态数据204、图像数据205和焦面测试数据206合并后发送给图像处理模块103。

在本实施例中，数字化焦平面模块102在生成电荷转移信号，根据电荷转移信号产生图像数据205时，具体可以包括：生成探测器所需的电荷转移信号；其中，电荷转移信号通过高低电平控制探测器内部电荷阱的改变；读取电荷转移信号中的电荷，对电荷进行放大和AD量化处理后，得到图像数据205。

图像处理模块103，用于接收数字化焦平面模块发送的卫星数据201、导航数据202、相机状态数据204、图像数据205和焦面测试数据206；以及，根据相机状态数据204对图像数据205进行更新，得到更新图像数据207；以及，获取算法测试数据208；以及，将卫星数据201、导航数据202、相机状态数据204、焦面测试数据206、更新图像数据207和算法测试数据208合并后发送给数传系统。

在本实施例中，图像处理模块103在根据相机状态数据204对图像数据205进行更新，得到更新图像数据207时，具体可以包括：对图像数据205进行图像预处理；根据相机状态数据204对预处理后的图像数据进行更新处理，得到更新图像数据207。其中，所述图像预处理，包括但不仅限于：电平嵌位处理、不一致性校正处理和通道量化不一致校正处理。所述更新处理，包括但不仅限于：数字滤波处理、MTF(Modulation Transfer Function，MTF，调制传递函数)优化处理、图像复原处理、图像增强处理、目标识别处理、云判处理和数据压缩处理中的至少一种。

在本发明的一优选实施例中，图像处理模块103，还用于将算法遥测301发送给数字化焦平面模块。数字化焦平面模块102，还用于确定电源遥测302(焦平面所使用的电源状态信息)；以及，接收图像处理模块发送的算法遥测301；以及，将算法遥测301和电源遥测302合并后发送给管理控制模块；以及，根据相机状态数据204进行状态更新，根据状态信息确定焦面电路的工作点。管理控制模块101，还用于确定指令遥测303；以及，接收数字化焦平面模块发送的算法遥测301和电源遥测302，以及，将算法遥测301、电源遥测302和指令遥测303合并后发送给卫星平台。

在本发明的一优选实施例中，参照图2，示出了本发明实施例中一种管理控制模块的结构示意图。如图2，管理控制模块101，具体可以包括：指令解析电路301、供配电管理电路302、调焦管理电路303、视频管理电路304、第一串行接收电路305和第一串行发送电路306。

优选的，第一串行接收电路305，用于接收卫星平台下传的卫星数据201、导航数据202和整星指令203；以及，接收数字化焦平面模块发送的算法遥测301和电源遥测302。指令解析电路301，用于对整星指令203进行解译，得到相机状态数据204；以及，根据整星指令203的类型，将相机状态数据204下发至供配电管理电路302、调焦管理电路303和视频管理电路304。供配电管理电路302，用于产生继电器动作所需要的脉冲信号，以控制数字化焦平面模块102和图像处理模块103的供电。调焦管理电路303，用于接收调焦指令，根据调焦指令生成调焦芯片所须的时序信号。视频管理电路304，用于对卫星数据201、导航数据202和相机状态数据204进行数据流整合，生成第一总线式串行数据；以及，对算法遥测301、电源遥测302和指令遥测303进行数据流整合，生成第二总线式串行数据；第一串行发送电路306，用于将第一总线式串行数据下发给各数字化焦平面模块；以及，将第二总线式串行数据发送给卫星平台。

在本发明的一优选实施例中，参照图3，示出了本发明实施例中一种数字化焦平面模块的结构示意图。如图3，数字化焦平面模块102，具体可以包括：第二串行接收电路401、CCD时序发生电路402、功率驱动电路403、运放电路404、AD量化电路405、第二串行发送电路406和CCD模块407。

优选的，第二串行接收电路401，用于接收管理控制模块发送的卫星数据201、导航数据202和相机状态数据204，通过二次解析得到焦平面工作参数；以及，接收图像处理模块发送的算法遥测301。CCD时序发生电路402，用于产生CCD模块工作所需的时序信号。功率驱动电路403，用于对时序信号进行功率放大，将功率放大后的时序信号发送给CCD模块。CCD模块407，用于根据功率放大后的时序信号，产生模拟信号，将模拟信号发送给运放电路404。运放电路404，用于对模拟信号进行放大和滤波处理，得到预处理后的模拟信号。AD量化电路405，用于对预处理后的模拟信号进行AD量，得到图像数据205。第二串行发送电路406，用于将卫星数据201、导航数据202、相机状态数据204、焦面测试数据206、更新图像数据207和算法测试数据208合并后发送给数传系统；以及，将算法遥测301和电源遥测302合并后发送给管理控制模块。

在本发明的一优选实施例中，参照图4，示出了本发明实施例中一种图像处理模块的结构示意图。如图4，图像处理模块103，具体可以包括：第三串行接收电路501和第三串行发送电路512，以及，用于实现图像预处理和更新处理所需算法的电平嵌位处理电路502、不一致性校正处理电路503和通道量化不一致校正处理电路504、数字滤波处理电路505、MTF优化处理电路506、图像复原处理电路507、图像增强处理电路508、目标识别处理电路509、云判处理电路510和数据压缩处理电路511。

优选的，图像处理模块103通过第三串行接收电路501接收并解析焦平面图像数据，将图像数据中的图像数据部分和相机状态拆分出来，根据相机状态数据的要求，通过电平嵌位处理电路502、不一致性校正处理电路503和通道量化不一致校正处理电路504、数字滤波处理电路505、MTF优化处理电路506、图像复原处理电路507、图像增强处理电路508、目标识别处理电路509、云判处理电路510和数据压缩处理电路511，分别进行暗象元嵌位、不一致性校正、通道量化不一致校正、数字滤波、MTF优化、图像复原、图像增强、目标识别、云判和数据压缩等实时处理，并采用更新图像数据207替换原有图像数据205。最后，加入算法测试数据208，该算法测试数据主要为算法过程的中间数据，方便进行算法运行自检等操作，为后期图像使用提供重要参考。将最终图像通过第三串行发送电路512发送给数传系统。

在本发明的一优选实施例中，参照图5，示出了本发明实施例中一种高速串行总线式数据传输格式示意图。如图5，该总线式数据格式包括了卫星姿态数据、导航数据、相机状态数据、图像数据、更新图像数据、焦面测试数据和算法测试数据等。其中，图像数据和更新图像数据存储在同一个位置，格式完全一致；待算法完成后图像处理模块会将更新图像数据完全覆盖图像数据。传输数据的前半部分为卫星数据、导航数据和相机状态数据，可统称为图像辅助数据。该图像辅助数据为卫星平台发送，经过管理控制模块整理后，以特定字节数进行发送。该图像辅助数据更新速度较慢，更新一次所用时间为发送多行图像数据所用时间。因此对该图像辅助数据的字节数D(单位：字节)定义时，可根据图像更新速度f₁(单位：Hz)、图像辅助数据更新速度f₂(单位：Hz)、图像辅助数据长度L(单位：字节)三个参数进行计算：

传输数据的后半部分为图像数据、更新图像数据、焦面测试数据和算法测试数据，根据行频或帧频进行更新。其中，图像数据的长度依据探测器的水平轴像元个数和传输量化位数决定；焦面测试数据、算法测试数据可以根据需求和后端算法不同灵活配置。

综上所述，本本发明优化了电子学系统数据流的拓补结构，取消了原来的积分管理模块，将成像电子学系统重新划分为三个模块：管理控制模块、数字化焦平面模块、图像处理模块。重新定义了三个模块的功能结构。管理控制模块负责收发和解析卫星平台数据，提供电源和电机控制。数字化焦面电路负责根据相机状态信息正确响应，实现光电转换，并数字化。图像处理模块负责根据相机状态信息和原始图像数据进行特定算法处理。三个模块以串行总线形式进行数据传输，优化了接口数量，解决了一直以来电子学接口复杂、体积过大、电缆过重的弊端。

其次，本发明将AD引入焦平面电路，缩短了模拟信号走线，解决了星载高速视频电子学系统的模拟信号长距离传输所带来的噪声干扰问题，提高了信噪比，该方式能够广泛适应于有更高像元频率的高分相机。

此外，本发明首次将串行总线式数据流引入电子学图像，将复杂的相机指令信息、卫星状态数据、图像数据、图像辅助数据合并为单一串行数据链路传输。本发明通过串行总线数据流方式将不同更新频率的多类型数据实现了统一，该方式有效的减小了系统中各组件的接口，精简了各组建之间冗余的信息流，解决了一直以来星载视频电子学多个模块间信息冗余、传输能力差、数据格式复杂和数据类型不一致的问题。

本说明中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。