LMCCD相机的时间同步方法及同步系统

摘要

LMCCD相机的时间同步方法及同步系统，涉及一种时间同步系统，解决现有立体测绘相机在推扫成像时，存在定位误差，从而导致测绘影像定位精度低，且无法满足高时间精度的要求等问题，本发明将时标产生功能模块和传感器时序产生模块集成在同一芯片内，减小获取时标的延时和延时的不确定时间；时标产生功能模块采用计数器触发模式的纯硬件工作模式，避免采用软件方式带来的额外时间误差；通过自校正工作模式降低晶体频率漂移造成的计时偏差；根据轨道高度、像元尺寸、主距和交会角计算线阵CCD的行周期和面阵CCD的帧周期。为兼顾面阵CCD在定向时刻摄像和保持面阵和线阵CCD的同步，规定了面阵CCD的帧周期调整策略。

说明书

技术领域

本发明涉及一种时间同步系统，具体涉及一种LMCCD相机的时间同步系 统。

背景技术

随着摄影测量技术的发展，传输型光学立体测绘卫星因其可长期在轨运行、 快速获取三维地理信息的能力，克服了返回式卫星因受其携带的胶片数量限制 而在轨寿命短、获取情报的时效性差和不能直接形成数字影像等不足，已逐渐 成为摄影测量卫星发展的主流。传输型三线阵光学成像及摄影测量属于动态摄 影，卫星从不同视角多次对同一目标摄像，通过后期影像处理可确定目标的三 维空间位置信息。三线阵测绘卫星具有相机几何结构稳定、基高比高、立体影 像时间一致、对卫星平台稳定度要求较低等优点，适用于卫星测绘领域。

国内学者创造了国际首例的线面阵混合配置三线阵立体测绘相机(LMCCD) 测绘体制，以三线阵三视角摄影为主，辅以小面阵成像，解决了三线阵测绘相 机动态摄影测量中的航线立体模型扭曲、高程精度差的问题，也解决了传输型 光学摄影测量卫星难以实现无地面控制点的高精度摄影测量的问题，使得传输 型摄影测量卫星的测绘产品性能达到了参数相当的胶片型框幅式摄影测量卫星 的测绘产品水平。

立体测绘卫星在CCD线阵推扫成像时，因相差几毫秒就有可能产生几米的 定位误差，从而降低测绘影像定位精度。因此，为满足测绘任务对相关信息的 高时间精度要求，测绘卫星须增设高精度有效载荷时间系统，确保卫星在推扫 成像时进行严格的时间同步。

发明内容

本发明为解决现有立体测绘相机在推扫成像时，存在定位误差，从而导致 测绘影像定位精度低，且无法满足高时间精度的要求等问题，提供一种LMCCD 相机的时间同步方法及同步系统。

LMCCD相机的时间同步方法，该方法由以下步骤实现：

步骤一、利用前视控制器、正视控制器和后视控制器内部的时标产生模块， 通过自校正工作模式，采用校验计数器，获得晶体频率的校正系数；时标产生 模块在自校正工作模式结束后，转换到时标产生工作模式；

步骤二、在时标产生工作模式下，时标产生模块在对应的前视控制器、正 视控制器和后视控制器内部的时序产生模块输出曝光开始的时序信号时，记录 当前的时标，同时采用示波器测试将所述时序信号转换为线阵CCD或面阵CCD 管脚的驱动信号对应电路的延时；所述线阵CCD或面阵CCD曝光时对应的时 标为：

记录值×校正系数+电路延时值；

步骤三、根据轨道高度、线阵CCD像元尺寸、面阵CCD像元尺寸、相机 主距和交会角计算线阵CCD的行周期和面阵CCD的帧周期，并对面阵CCD的 帧周期进行调整；实现LMCCD相机的时间同步。

具体过程为：

所述线阵CCD的行周期用公式表示为：

$t_{\mathrm{line}\_H}=\frac{\frac{b\times H}{f}}{\frac{R}{R+H}\times \sqrt{\frac{\mathrm{GM}}{R+H}}}$

式中b为线阵CCD图像传感器的像元尺寸；式中G为万有引力常数，M为 地球质量，R为平均地球半径，H为飞行器平均离地高度；正视相机的主距为f，

所述面阵CCD图像传感器的行周期为：

$t_{\mathrm{area}\_H}=\frac{\frac{c\times H}{f}}{\frac{R}{R+H}\times \sqrt{\frac{\mathrm{GM}}{R+H}}}$

式中c为面阵CCD图像传感器的像元尺寸；

根据定向时刻摄像的原则，面阵CCD图像传感器的最佳帧周期为：

$t_{\mathrm{area}\_\mathrm{frame}\_\mathrm{opt}}=\frac{\mathrm{btga}\times H}{10\times \frac{R}{R+H}\times \sqrt{\frac{\mathrm{GM}}{R+H}}}$

式中a为前视和后视相机夹角的一半；

设定在定向时刻需要的面阵CCD图像分辨率为m×m，m为大于127的正整 数；实际使用的面阵CCD图像传感器分辨率为p×q，p和q为大于m的正整数， 其中q为沿推扫方向的分辨率，对面阵CCD图像传感器的帧周期进行调整过程 分为两种情况：

一、LMCCD相机采用间歇摄像工作方式，设定每次连续摄像的时间为t_lianxu，

当$n\le \frac{\mathrm{ftga}}{10b}<n+0.5$时，并且$(\frac{\mathrm{ftga}}{10b}-n)\times \frac{t_{\mathrm{lianxu}}}{n{t}_{\mathrm{line}\_H}}\times \frac{b}{c}<\frac{q-m}{2}-1,$所述面阵CCD图像 传感器的帧周期为nt_{line_H}，n为大于1的正整数；

当$n+0.5\le \frac{\mathrm{ftga}}{10b}<n+1$时，并且$(n+1-\frac{\mathrm{ftga}}{10b})\times \frac{t_{\mathrm{lianxu}}}{(n+1)t_{\mathrm{line}\_H}}\times \frac{b}{c}<\frac{q-m}{2}-1,$则面阵CCD 图像传感器的帧周期为(n+1)t_{line_H}；

二、面阵LMCCD相机采用连续摄像工作方式时，或者LMCCD相机采用 间歇摄像工作方式时，

当$n\le \frac{\mathrm{ftga}}{10b}<n+0.5$时，并且$(\frac{\mathrm{ftga}}{10b}-n)\times \frac{t_{\mathrm{lianxu}}}{n{t}_{\mathrm{line}\_H}}\times \frac{b}{c}\ge \frac{q-m}{2}-1,$或者

当$n+0.5\le \frac{\mathrm{ftga}}{10b}<n+1$时，并且$(n+1-\frac{\mathrm{ftga}}{10b})\times \frac{t_{\mathrm{lianxu}}}{(n+1)t_{\mathrm{line}\_H}}\times \frac{b}{c}\ge \frac{q-m}{2}-1,$时；

则面阵CCD图像传感器的帧周期为t_{area_frame_i}，所述帧周期t_{area_frame_i}的取值为 nt_{line_H}或(n+1)t_{line_H}，i为大于等于0的正整数；

对于不同的i，选取的原则是累计偏差绝对值小于所述累计偏差用 公式表示为：

$|\underset{i}{\Sigma }{t}_{\mathrm{area}\_\mathrm{frame}\_i}\times \frac{b}{c\times t_{\mathrm{line}\_H}}-(i+1)\frac{\mathrm{ftga}}{10c}|<\frac{q-m}{2}-1.$

LMCCD相机的时间同步系统，该系统包括四片面阵CCD，GPS接收机及 星务系统，前视线阵CCD、正视线阵CCD、后视线阵CCD以及对应的前视控 制器、正视控制器、后视控制器和前视成像驱动电路、正视成像驱动电路、后 视成像驱动电路，所述前视线阵CCD和后视的线阵CCD各用一个光学镜头， 正视线阵CCD和四片面阵CCD共用一个光学镜头；其特征在于，

所述GPS接收机为前视控制器、正视控制器和后视控制器内部的时标产生 模块提供GPS秒脉冲信号和时间信息，在前视控制器、正视控制器、后视控制 器内部产生时标；星务系统和前视控制器、正视控制器和后视控制器通信，对 前视线阵CCD、正视线阵CCD和后视线阵CCD进行成像控制；所述前视控制 器、正视控制器和后视控制器根据星务系统的指令，输出时序，分别经前视驱 动器、正视驱动器和后视驱动器输出驱动前视CCD、正视CCD和后视CCD工 作；在每次摄像即CCD曝光时，读取内部的时标产生模块产生的时标值，所述 时标值乘以经过校验的校正系数，并加上使用示波器测试的从三个控制器内部 的时序产生模块输出的时序信号到线阵CCD或面阵CCD上的驱动信号的延时 值，确定线阵或面阵CCD曝光时对应时刻的时标，实现LMCCD相机的时间同 步。

本发明的有益效果：

一、通过自校正工作模式降低晶体频率随温度、工作电压和老化等因素引 起漂移造成的计时偏差；采用此方式不需要精细控制的温度槽，可缩小晶体的 体积和重量，降低成本。

二、将时标产生功能模块和传感器时序产生模块集成在同一芯片内，减小 获取时标的延时和延时的不确定时间；在时序模块输出曝光的时刻开始记录当 前的时标，同时采用示波器测试时序信号到CCD管脚的延时，提高时标精度， 从而获得很高的测绘精度。

三、根据正视相机的主距、交会角和线阵CCD的像元尺寸，采取在面阵 CCD的帧间微调帧周期的方法来保证面阵的摄像时间偏离定向时刻在规定范围 内，能找出定向时刻线阵图像在面阵图像上的同名点。

附图说明

图1为现有的LMCCD相机线阵面阵探测器配置示意图；

图2为本发明所述的LMCCD相机的时间同步系统原理图。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图2说明本实施方式，LMCCD相机的时间同步方法， 该方法基于以下系统实现：结合图2，该系统包含三片线阵CCD和四片面阵 CCD。为实现大基高比成像，前视和后视的线阵CCD各使用一个光学镜头，正 视的线阵CCD和四片面阵CCD共用一个光学镜头。

GPS接收机为前视、后视和正视控制器提供秒脉冲信号和时间信息，在三 控制器内部构建时间同步系统，产生时标。星务系统和前视、后视和正视控制 器通信，对三相机进行成像控制；前视、后视和正视控制器根据星务系统的指 令，输出时序时序，分别经前视、后视和正视驱动器输出驱动前视、后视和正 视CCD工作。在每次摄像即CCD曝光时，读取内部时间同步系统产生的时标 值，乘上经过校验的校正系数，并加上使用示波器已经测试获得的从控制器到 CCD上的驱动信号的延时值，确定曝光时刻的时标。

LMCCD相机的时间同步方法由以下步骤实现：

步骤一、利用前视控制器、正视控制器和后视控制器内部的时标产生模块， 通过自校正工作模式，采用校验计数器，获得晶体频率的校正系数；时标产生 模块在自校正工作模式结束后，转换到时标产生工作模式；

本实施方式所述的校验计数器接收晶体产生的时钟信号，并在每个时钟的 上升沿或下降沿递增加1，当首次接收到GPS秒脉冲信号的下降沿时将当前校 验计数器值设置为0；此后每次接收到GPS秒脉冲信号的下降沿时，记录当前 校验计数器的值，并将当前校验计数器值设置为0，通过多次对校验计数器的值 取平均，获得校验计数器的平均值；将晶体频率的标称值和校正计数器的平均 值相除即可获得校正系数；

步骤二、在时标产生工作模式下，时标产生模块在对应的前视控制器、正 视控制器和后视控制器内部的时序产生模块输出曝光开始的时序信号时，记录 当前的时标，同时采用示波器测试时序信号，并将所述时序信号转换为线阵CCD 或面阵CCD管脚的驱动信号对应的电路延时；所述线阵CCD或面阵CCD曝光 时对应的时标为：

记录值×校正系数+电路延时值；

本实施方式中将时标产生模块和传感器的时序产生模块集成在同一芯片 内，减小获取时标的延时和延时的不确定时间：时标产生模块采用计数器触发 模式的纯硬件工作模式，避免采用软件方式带来的额外时间误差；在时序产生 模块输出曝光的时刻开始记录当前的时标，同时采用示波器测试时序信号到 CCD管脚的延时；得到的时标。

步骤三、根据轨道高度、像元尺寸、主距和交会角计算线阵CCD的行周期、 面阵CCD的行周期和帧周期。为兼顾面阵CCD在定向时刻摄像和保持面阵和 线阵CCD的同步，规定了面阵CCD的沿推扫方向的分辨率和帧周期调整策略。

具体过程为：

卫星的平均速度

$V_g=\sqrt{\frac{\mathrm{GM}}{R+H}}$

式中G为万有引力常数，M为地球质量，R为平均地球半径，H为飞行器 平均离地高度；

星下点的平均速度(地速)

$V_N=V_g\frac{R}{R+H}$

正视相机的主距为f

三线阵CCD的行周期：

$t_{\mathrm{line}\_H}=\frac{\frac{b\times H}{f}}{\frac{R}{R+H}\times \sqrt{\frac{\mathrm{GM}}{R+H}}}$

式中b为线阵图像传感器的像元尺寸；

面阵CCD图像传感器的行周期

$t_{\mathrm{area}\_H}=\frac{\frac{c\times H}{f}}{\frac{R}{R+H}\times \sqrt{\frac{\mathrm{GM}}{R+H}}}$

式中c为面阵图像传感器的像元尺寸；

根据定向时刻摄像的原则，面阵图像传感器的最佳帧周期：

$t_{\mathrm{area}\_\mathrm{frame}\_\mathrm{opt}}=\frac{\mathrm{btga}\times H}{10\times \frac{R}{R+H}\times \sqrt{\frac{\mathrm{GM}}{R+H}}}$

式中a为前视和后视相机夹角的一半；

为实现线阵和面阵CCD的同步控制，要求在轨的面阵的帧周期为线阵的整 数倍，而的值通常为整数，若此时选取面阵的帧周期为线阵的固定整数倍， 会存在连续推扫成像过程中，随着偏差的累计面阵的摄像时间偏离定向时刻过 多而无法找出定向时刻线阵图像在面阵图像上的同名点的风险。

设定在定向时刻需要的面阵图像分辨率为m×m，m为大于127的正整数； 实际使用的面阵图像传感器分辨率为p×q，p和q为大于m的正整数，其中q为 沿推扫方向的分辨率；

(1)当LMCCD相机采用间歇摄像工作方式时，设每次连续摄像的时间为 t_lianxu，

当$n\le \frac{\mathrm{ftga}}{10b}<n+0.5$时，n为大于1的正整数；当$(\frac{\mathrm{ftga}}{10b}-n)\times \frac{t_{\mathrm{lianxu}}}{n{t}_{\mathrm{line}\_H}}\times \frac{b}{c}<\frac{q-m}{2}-1$

则面阵CCD的帧周期设置为nt_{line_H}固定不变；

(2)当LMCCD相机采用间歇摄像工作方式时，设每次连续摄像的时间为 t_lianxu，

当时，n为大于1的正整数；当 则面阵CCD的帧周期设置为(n+1)t_{line_H}固定 不变；

(3)当面阵CCD处于非间歇摄像工作方式时；或者当LMCCD相机采用 间歇摄像工作方式时，设每次连续摄像的时间为t_lianxu，

当$n\le \frac{\mathrm{ftga}}{10b}<n+0.5$时，n为大于1的正整数，当$(\frac{\mathrm{ftga}}{10b}-n)\times \frac{t_{\mathrm{lianxu}}}{n{t}_{\mathrm{line}\_H}}\times \frac{b}{c}\ge \frac{q-m}{2}-1;$

当$n\le \frac{\mathrm{ftga}}{10b}<n+0.5$时，当$(n+1-\frac{\mathrm{ftga}}{10b})\times \frac{t_{\mathrm{lianxu}}}{(n+1)t_{\mathrm{line}\_H}}\times \frac{b}{c}<\frac{q-m}{2}-1$

则设选择的面阵帧周期为t_{area_frame_i}，(i＝0,1,2.....)，t_{area_frame_i}的取值为nt_{line_H}或 (n+1)t_{line_H}，对于不同的i，选取的原则是累计偏差绝对值小于即：

$|\underset{i}{\Sigma }{t}_{\mathrm{area}\_\mathrm{frame}\_i}\times \frac{b}{c\times t_{\mathrm{line}\_H}}-(i+1)\frac{\mathrm{ftga}}{10c}|<\frac{q-m}{2}-1.$

本实施方式所述的GPS接收机和星务系统采用北京东方红卫星公司的设备； 所述的前视控制器、后视控制器和正视控制器采用FPGA；前视、后视和正视驱 动器采用集成驱动器和三极管及MOSFET；所述的前视、后视和正视CCD采用 FPGA选用DALSA公司的产品。