一种适用于探空火箭的箭载图像采集与压缩系统技术方案

本发明专利技术涉及一种适用于探空火箭的箭载图像采集与压缩方法及系统，所述系统包括一个为整个系统提供电源的电源管理模块，若干箭载模拟摄像头，用于将模拟摄像头的图像数据进行数字化的图像视频解码单元，用于将图像数据进行小波变换和压缩的图像压缩单元，用于对图像压缩单元、图像视频解码单元控制，在多个摄像头之间进行切换并将图像数据打包输出的中央控制单元，用于完成图像数据的缓冲与传输将并行的总线数据转换成同步422总线数据的数据传输单元，以及用于对整个系统的软件进行监控的看门狗单元。该系统用于实现探空火箭上的图像采集，具有低成本、低功耗，温度适应性好且可靠性高的特点。

【技术实现步骤摘要】
一种适用于探空火箭的箭载图像采集与压缩系统
本专利技术涉及一种箭载图像采集与压缩系统，特别涉及一种适用于探空火箭的箭载图像采集与压缩方法及系统。
技术介绍
探空火箭是一种在近地空间进行探测和科学试验的火箭，其飞行高度介于探空气球与人造卫星之间，也是临近空间（40～200公里）唯一的实地探测手段，是其它飞行器所不能及的。探空火箭一般为无控制火箭，具有结构简单、成本低、研制周期短、发射灵活方便等优点。它不仅可以在高度方向探测大气各层结构、成分和参数，实现中高层大气立体剖面探测；更适用于临时观察短时间出现的如极光、日食、太阳爆发等特殊自然现象和持续观察某些随时间、地点变化的自然现象；而且可以提供一个微重力环境，用于某些特殊问题的试验研究，如利用探空火箭提供的微重力环境研究生物制药、生物机体的变化和适应性等。有效载荷搭载在探空火箭或微重力火箭上进行空间环境原位探测或者微重力试验往往需要对载荷或者试验状况进行观察、记录。箭载图像采集与压缩系统就是为实现飞行过程中的试验拍摄而研制的，是探空火箭探测与试验平台的一个组成部分。通过图像采集与压缩系统，有效载荷的一些重要信息可以被拍摄和记录下来，一些微重力试验的场景也可以得到真实的保存，这些将为空间科学探测和研究提供宝贵的研究资料和依据。搭载在航天飞行器上的空间图像采集设备如照相机、摄像机往往采用价格昂贵的宇航级器件，特别是在特殊元件的采购上，还常常受到国外出口的限制。随着微电子技术的飞速发展及空间任务对高性能需求的日益增强，工业级器件在空间的应用成为可能。此外，还有一些空间摄像机功耗达到10W甚至以上，给整个箭载系统的供电、热控都造成了一定的影响。本专利技术采用了多种工业级器件设计出了满足航天飞行器特别是探空火箭应用的空间图像采集与压缩系统，具有成本低，功耗低，温度适应性好，可靠性高的特点。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，为克服现有技术存在的诸多问题，本专利技术提供了一种适用于探空火箭的箭载图像采集与压缩方法及系统。为了实现上述目的，本专利技术提供了一种适用于探空火箭的箭载图像采集与压缩系统，其特征在于，所述系统包含:箭载模拟摄像头2，用于获取图像并产生模拟图像信号；图像视频解码单元3，用于将所述箭载模拟摄像头2获取的模拟图像信号进行数字化，输出数据图像给图像压缩单元；图像压缩单元4，用于将数字化后的图像数据进行小波变换和压缩；中央控制单元5，用于控制所述图像压缩单元和图像视频解码单元在多个箭载模拟摄像头2之间完成切换，用于完成图像视频解码单元3、图像压缩单元4的初始化，并采用中断方式读取图像压缩单元4获取的压缩数据，将获取的压缩数据进行打包处理和输出；电源管理模块1，为整个系统中各模块提供电源；和数据传输单元6,用于接收中央控制单元输出的数据，并对数据进行缓冲与数据，将并行的总线数据转换成同步422总线数据。上述技术方案中，所述系统还包含看门狗单元7，用于对整个系统的软件进行监控，防止出现软件跑飞。上述技术方案中，所述箭载模拟摄像头采用低功耗的模拟摄像头。上述技术方案中，所述的图像处理板各单元模块均采用工业级芯片设计实现。上述技术方案中，所述的电源管理模块进一步包含：电源转换子模块，用于完成5V电压到1.2V、1.8V、2.5V和3.3V电压之间的转换，由Linear公司的若干电源芯片构成；和电源输送子模块，用于将上述电源输送至图像视频解码单元、中央控制单元、数据传输单元和看门狗单元。上述技术方案中，所述的图像压缩单元采用小波压缩处理芯片，该芯片与中央控制单元经过数据总线和地址总线相连。上述技术方案中，所述的中央控制单元采用基于ARM7TDMI-S内核的LPC2214。上述技术方案中，所述中央控制单元5通过I2C总线对所述图像视频解码单元3进行控制。上述技术方案中，所述同步422数据总线由数据线、时钟线和数据有效线组成，每根信号线均采用差分传输方式，且所述的数据有效线承载的数据信号随着时钟信号线承载的时钟信号，同步的送往系统电路，时钟信号的上升沿对应数据跳变沿，有效数据信号表明其在高电平时对应的数据信号为有效数据，有效数据信号低电平时对应的数据信号为无效号。上述技术方案中，所述的切换摄像头具体步骤为：所述图像压缩单元每场图像处理完成后产生一个场处理中断信号，每两场图像组成一帧图像，所述中央控制单元计数到两个场中断信号后，通过I2C总线向所述图像视频解码单元发出控制指令，该图像视频解码单元进行通道切换，对下一个摄像头的数据进行视频解码操作。基于上述系统本专利技术还提供了一种适用于探空火箭的箭载图像采集与压缩方法，该方法基于权利要求1所述的系统，所述的方法包含：中央控制单元5对图像压缩单元4进行实时控制，保证图像压缩单元4的恒定比特流输出，同时还对输入该中央控制单元的压缩数据按照预定格式进行打包处理，将打包后的数据通过数据总线传输给数据传输单元6，完成压缩后图像数据的接收与发送，数据传输单元6按照接口协议将从中央控制单元5获得的压缩图像数据转换成同步422总线数据进行传输，数据传输单元6还将喂狗信号发送给看门狗，其中，喂狗信号为每秒钟翻转一次的方波信号。本专利技术的优点在于：本专利技术采用的芯片都是低功耗的元器件，图像处理板运行的功耗小于3W，单个模拟摄像头的功耗小于1W，与其他设计相比，系统功耗大大降低；本专利技术采用了ARM7作为中央控制单元，采用FPGA作为数据传输单元的核心元件，充分发挥了二者的优势，并使其有机结合，与其他单独用FPGA而且在FPGA内嵌入控制内核的设计相比较，显著降低了系统设计复杂度，利于其空间应用的实现；本专利技术采用了工业级的元器件，在满足探空火箭探测和工作环境的前提下，有效降低了成本，利于其广泛应用；本专利技术采用的工业级元器件工作温度可以达到-25℃～+85℃，具有极佳的温度适应性，与商用图像采集设备相比，提高了系统在探空火箭上应用的可靠性；本专利技术采用3个箭载摄像头（数量可以是1～4个），且在中央控制器的控制下所述多个摄像头具有轮流切换的功能，扩大了系统的应用范围，增强了其在探空火箭上的适用性；本专利技术的系统中具有独特的该处的独特是指在其它图像系统中没有发现同步422总线，其它图像系统多采用以太网接口，USB接口，I2C接口，或者异步232接口。同步422接口的优点是在满足数据传输速率的前提下，简化了接口传输协议；本专利技术的系统中由于FPGA和ARM的可编程特性，更加便于系统硬件日后的升级和扩展。总之，本专利技术使用成本较低的工业级器件代替价格昂贵的航天级器件，降低系统复杂度，降低功耗，设计出满足探空火箭飞行试验要求的图像采集与压缩系统，该系统性能可靠，具有对多个摄像头切换并进行压缩的功能，可实现空间多幅图像的连续获取与传输。附图说明图1是本专利技术的系统组成示意图；图2是中央控制单元对视频压缩单元的中断处理流程图；图3为422总线的示意图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例对本专利技术做进一步详细说明。本专利技术的目的是这样实现的：本专利技术提供的探空火箭图像采集与压缩系统包括：电源管理模块1，为整个系统中各模块提供电源，通过DC-DC变换，输出3.3V、2.5V、1.8V、1.2V的电压，给其他单元模块供电；箭载模拟摄像头2，用于本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种适用于探空火箭的箭载图像采集与压缩系统，其特征在于，所述系统包含:箭载模拟摄像头（2），用于获取图像并产生模拟图像信号；图像视频解码单元（3），用于将所述箭载模拟摄像头（2）获取的模拟图像信号数字化，输出数据图像给图像压缩单元；图像压缩单元（4），用于将数字化后的图像数据进行小波变换和压缩；中央控制单元（5），用于控制所述图像压缩单元和图像视频解码单元在多个箭载模拟摄像头（2）之间完成切换，用于完成图像视频解码单元（3）、图像压缩单元（4）的初始化，并采用中断方式读取图像压缩单元（4）获取的压缩数据，将获取的压缩数据进行打包处理和输出；电源管理模块（1），为整个系统中各模块提供电源；和数据传输单元（6）,用于接收中央控制单元输出的数据，并对数据进行缓冲与传输，将并行的总线数据转换成同步422总线数据。

【技术特征摘要】
1.一种适用于探空火箭的箭载图像采集与压缩系统，其特征在于，所述系统包含:箭载模拟摄像头(2)，用于获取图像并产生模拟图像信号；图像视频解码单元(3)，用于将所述箭载模拟摄像头(2)获取的模拟图像信号数字化，输出数字图像给图像压缩单元；图像压缩单元(4)，用于采用双正交基小波变换和帧内子带编码的压缩算法对数字化后的图像数据进行小波变换和压缩；中央控制单元(5)，用于控制所述图像压缩单元和图像视频解码单元在多个箭载模拟摄像头(2)之间完成切换，用于完成图像视频解码单元(3)、图像压缩单元(4)的初始化，并采用中断方式读取图像压缩单元(4)获取的压缩数据，针对不同的箭载模拟摄像头(2)、不同的图序号和包序号按照预定的数据格式对压缩数据进行打包:每428个字节的图像数据打成一个包，通过数据总线和地址总线传输给FPGA；基于比例-积分-微分控制器对图像压缩单元(4)进行控制，使其输出的码速率保持恒定；电源管理模块(1)，为整个系统中各模块提供电源；和数据传输单元(6)，用于接收中央控制单元输出的数据，并对数据进行缓冲与传输，将并行的总线数据转换成同步422总线数据；所述同步422数据总线由数据线、时钟线和数据有效线组成，每根信号线均采用差分传输方式，且所述的数据有效线承载的数据信号随着时钟线承载的时钟信号，同步的送往系统电路，时钟信号的上升沿对应数据跳变沿，有效数据信号在高电平时对应的数据信号为有效数据，在低电平时对应的数据信号为无效信号。2.根据权利要求1所述的适用于探空火箭的箭载图像采集与压缩系统，其特征在于，所述系统还包含看门狗单元(7)，用于对整个系统的软件进行监控，防止出现软件跑飞。3.根据权利要求1所述的适用于探空火箭的箭载图像采集与压缩系统，其特征在于，所述箭载模拟摄像头(2)采用低功耗的模拟摄像头...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈萍，王林林，姜秀杰，陈志敏，刘建斌，李婷婷，满峰，刘成，
申请(专利权)人：中国科学院空间科学与应用研究中心，
类型：发明
国别省市：