具有实时计算光斑脱靶量功能的智能CCD相机

摘要

本发明提供了具有实时计算光斑脱靶量功能的智能CCD相机，其构成有：面阵CCD单元(21)、电流电压驱动电路单元(22)、现场可编程逻辑阵列单元(23)、视频信号处理器单元(24)、RS232电平转换器单元(25)、RS485电平转换器单元(26)和Camera Link电平转换器单元(27)；其中，单元(23)与单元(22)、单元(24)、单元(25)、单元(26)和单元(27)分别连接；单元(21)与电流电压驱动电路单元(22)和视频信号处理器单元(24)分别连接。该相机能够完成粗跟踪过程、精跟踪过程和计算光斑质心功能，与现有的APT装置技术相比，减少了设备数量，减小了设备体积，简化了数据接口，提高了系统的可靠性。

说明书

技术领域

本发明属于光电成像跟踪领域，涉及具有实时计算光斑脱靶量功能的智能CCD相机。

背景技术

在空间激光通信系统中，通信双方的信标激光需要首先将对方方位捕获，然后精确对准对方光端机，再使用通信激光进行通信，并且在通信的过程中始终保持信标光向对方的精确对准。这个过程即称为捕获(Acquisition)、对准(Pointing)、跟踪(Tracking)，简称APT。参考文献：《自由空间光通信ATP系统关键技术研究》，作者邵兵等，刊物《压电与声光》。

图1是APT装置结构示意图。由粗跟踪相机单元11、精跟踪相机单元12、图像处理设备单元13，两轴伺服转台单元14构成。单元11和单元12将图像输出给图像处理设备单元13。图像处理设备单元13实际上是计算光斑质心的装置，其为工控计算机(PC机)、嵌入式微小计算机(PC104机)、ARM嵌入式图像处理系统或DSP嵌入式图像处理系统、基于现场可编程逻辑阵列的实时计算光斑质心的检测装置(具体参见申请公开说明书《现场可编程逻辑阵列的实时计算光斑质心检测装置》，申请号：200710055831.9及200720094004.6)。

对信标光激光的捕获使用面阵CCD相机进行，捕获过程也需要经过粗精两级来进行，每级都有自己的指向精度和伺服带宽。对信标光的成像使用粗跟踪相机单元11和精跟踪相机单元12分别成像，并将光斑图像实时输出。单元11和单元12是性能参数不同的面阵CCD相机：单元11的成像像元数多，比如640×480个像元，而帧频相对较低，比如70Hz；单元12通过开窗口驱动的方法使输出像元数减少，比如80×80个像元，但帧频相对较高，比如2000Hz。APT过程如下：

首先进行粗跟踪过程：由单元11将图像输出给单元13，由单元13实时解算成像光斑的质心坐标，通过判断光斑质心是否到达成像靶面中心范围来决定是否启动单元12。当单元14将光斑成像于单元11的靶面中央区域后，精跟踪过程启动：单元12开始工作，以开窗口方式(开窗口驱动方式，参见《提高CCD图象采集系统帧速率的方法》，中国专利申请号：200510029381.7)输出较低分辨率及较高帧频的光斑图像，实时传输给单元13，单元13以较高带宽实时输出脱靶量给单元14，从而完成光斑成像位置的更精准纠正。

原技术存在的问题：单元11和单元12是两个性能参数不同的各自独立的设备，分别在粗跟踪和精跟踪过程完成信标光成像任务，单元13也是由多个器件组成的设备，对单元11和单元12传输来的图像进行处理和计算光斑质心等功能。单元11、单元12和单元13共同工作存在着设备数量较多，体积大，数据接口复杂等问题。

发明内容：

为了克服现有技术不足，本发明提供了具有实时计算光斑脱靶量功能的智能CCD相机。该相机能够替代原技术的单元11、单元12和单元13的功能，即完成粗跟踪过程、精跟踪过程和计算光斑质心功能，从而减少了设备数量，减小了设备体积，简化了数据接口，提高了系统的可靠性。

如图2所示，本发明的具有实时计算光斑脱靶量功能的智能CCD相机的构成有：

面阵CCD单元21、电流电压驱动电路单元22、现场可编程逻辑阵列单元23、视频信号处理器单元24、RS232电平转换器单元25、RS485电平转换器单元26和Camera Link电平转换器单元27；

其中，单元23与单元22、单元24、单元25、单元26和单元27分别连接；单元21与电流电压驱动电路单元22、视频信号处理器单元24分别连接；所述的

1)面阵CCD单元21是光电成像器件，完成对信标光的成像功能，采用支持开窗口驱动方式的面阵CCD。因为精跟踪模式下需要仅对CCD靶面中央的“感兴趣区域”读出，即开窗口驱动输出，优选开窗口区域大小为80×80个像元大小，从而最终得到较高的图像帧频和输出较少的有效像元；而粗跟踪方式下则将CCD靶面的所有像元全部输出，或者开较大窗口读出，从而得到较低的图像帧频和输出较多的有效像元。

2)电流电压驱动电路单元22为一套模拟电路，该电路能够将现场可编程逻辑阵列单元23输出的LVTTL电平加大驱动电流和升压，再送给面阵CCD单元21；该电路中供电电源V_S为12V，V_CC为5V，V_SUB为10V，V_ADB为22V，V_ODB为22V。

3)现场可编程逻辑阵列单元23为现成的商品，使用硬件描述语言：VHDL、Verylog或AHDL编制软件，该硬件描述语言是需要在电脑中编制，将编好的代码编译后下载至单元23中，将在单元23中形成相应的模块，分别为：

如图3所示，时钟管理模块301、图像接口模块302、自适应阀值模块303、3×3窗口模块304、行列计数器模块305、光斑判断模块306、质心计算模块307、脱靶量输出模块308、视频信号处理器的控制时序模块309、面阵CCD的驱动时序模块310和相机控制信号解算模块311；

所述的时钟管理模块301与图像接口模块302、TLV990的控制时序模块309、面阵CCD的驱动时序模块310、相机控制信号解算模块3 11连接，图像接口模块302与时钟管理模块301、自适应阀值模块303、3×3窗口模块304、行列计数器模块305、视频信号处理器的控制时序模块309连接，行列计数器模块305和质心计算模块307连接，光斑判断模块306与自适应阀值模块303、3×3窗口模块304、质心计算模块307连接，质心计算模块307与脱靶量输出模块308连接，相机控制信号解算模块311与光斑判断模块306、视频信号处理器的控制时序模块309和面阵CCD的驱动时序模块310连接。

下面对每一个模块能够完成的功能加以说明：

(1)时钟管理模块301：负责对时钟进行处理，并把倍频及分频后的信号传送给其它模块作基准驱动时钟。

(2)图像接口模块302：能够将单元24传送来的图像并行数据进行处理，并从中提取处场有效、行有效、像素有效等信号，将图像数据分别送给后续处理模块。

(3)自适应阀值模块303：能够将上一场图像的像素灰度进行平均值计算，从而获得本场图像像素的比较灰度值。

(4)3×3窗口模块304：对图像像素进行中值滤波处理，这样能够将图像中的噪声像素去掉，从而获得更易识别的图像信息。

(5)行列计数器模块305：为质心计算模块提供某一个像素的位置信息，即对像素的所在行数和列数进行计数，并提供给质心计算模块。

(6)光斑判断模块306：从自适应阀值模块获得比较用灰度值后将该值与本场图像的所有像素进行比较，从而确定该场图像哪些像素是包含光斑信息的像素。

(7)质心计算模块307：使用包含光斑信息的像素数据计算，并根据下式计算光斑质心：

$\bar{x}=\frac{\underset{i_0}{\overset{i_f}{\Sigma }}\underset{j_0}{\overset{j_f}{\Sigma }}i(G_{\mathrm{ij}}-T)}{\underset{i_0}{\overset{i_f}{\Sigma }}\underset{j_0}{\overset{j_f}{\Sigma }}(G_{\mathrm{ij}}-T)}$

$\bar{y}=\frac{\underset{i_0}{\overset{i_f}{\Sigma }}\underset{j_0}{\overset{j_f}{\Sigma }}j(G_{\mathrm{ij}}-T)}{\underset{i_0}{\overset{i_f}{\Sigma }}\underset{j_0}{\overset{j_f}{\Sigma }}(G_{\mathrm{ij}}-T)}$

其中，T是像素比较的阈值，G_ij是光斑所占像元的灰度级值，和分别为光斑质心的行列值，也就是位置坐标。

(8)脱靶量输出模块308：由质心计算模块传送来的数据与图像中心坐标进行比较，从而得出质心距离中心的距离即脱靶量数据，将此脱靶量数据通过UART串行方式传送给单元26。

(9)视频信号处理器的控制时序模块309：负责产生单元24的控制时序信号，以及给单元24的参数设置数据。

(10)面阵CCD的驱动时序模块310：负责产生单元21的驱动时序，并且在粗跟踪和精跟踪模式下产生不同的驱动方式：粗跟踪模式下产生全扫描的驱动方式，即将单元21的所有有效电荷全部驱动输出给单元24，该模式下图像帧频较低，可以为70Hz，而图像像素分辨率较高，可以为比如640×480；精跟踪模式下使用开窗口驱动方式，该模式下图像帧频较高，可以为2000Hz，而图像像素分辨率较低，可以为80×80。两种不同的驱动方式的选择由相机控制信号解算模块311来设定。

(11)相机控制信号结算模块311：能够接收由单元26传送来的设定参数的数据，或者接收到模块306的信号，然后对模块310和模块309进行设定，从而使整个智能相机工作于粗跟踪模式或者精跟踪模式。

4)视频信号处理器单元24：使用专门针对单元21输出的视频信号进行处理的器件，其功能是将单元21输出的模拟信号转换成并行数字信号。

具体说单元24能够完成以下功能：利用相关双采样法对单元21输出信号进行采样，这种方法能够最大程度去除复位噪声；对采样完的信号进行可编程增益放大，能够用数字信号设定倍数将模拟信号进行放大；对单元21输出的暗参考像元进行暗电平校正，能够对暗电平进行数字标定；对放大后的模拟信号进行模/数转换，是单元24的最重要功能，它能够将模拟信号转换成数字图像信号。

5)RS232电平转换器单元25：负责将相机外部传来的参数设置信号由RS232信号转换成单元23能够接口的LVTTL信号；单元25还为USB接口方式、RS485输出方式、LVTTL并行输出方式、LVDS差分输出方式。

6)RS485电平转换器单元26：负责将单元23输出的脱靶量数据由LVTTL信号转换为RS485信号，再传给单元14。单元26还可以是USB接口方式、LVTTL并行输出方式或LVDS差分输出方式。

7)Camera Link电平转换器单元27：它将单元23输出的并行数字图像信号转换成LVDS电平信号，即符合Camera Link传输协议的数字图像信号，再传送至相机外部的其它设备，例如Camera Link采集卡，用以人工监视等功能。

有益效果：本发明提供了具有实时计算光斑脱靶量功能的智能CCD相机。该相机能够完成粗跟踪过程、精跟踪过程和计算光斑质心功能，与现有的APT装置技术相比，减少了设备数量，减小了设备体积，简化了数据接口，提高了系统的可靠性。

附图说明

图1是APT装置结构示意图。

图2是本发明装置的结构示意图。此图也是摘要附图。

图3是硬件描述语言编译下载后对应的硬件模块示意图。

图4是电流电压驱动电路单元22的具体实施电路图。

具体实施方式

实施例1

如图2所示，本发明的具有实时计算光斑脱靶量功能的智能CCD相机构成如下：

面阵CCD单元21、电流电压驱动电路单元22、现场可编程逻辑阵列单元23、视频信号处理器单元24、RS232电平转换器单元25、RS485电平转换器单元26和Camera Link电平转换器单元27；

其中，单元23与单元22、单元24、单元25、单元26和单元27分别连接；单元21与电流电压驱动电路单元22及视频信号处理器单元24分别连接；并且，

1)面阵CCD单元21是光电成像器件，优选TC237B器件，完成对信标光的成像功能，TC237B是支持开窗口驱动方式的面阵CCD，因为精跟踪模式下需要仅对CCD靶面中央的“感兴趣区域”读出，即开窗口驱动输出，优选开窗口区域大小为80×80个像元大小，从而最终得到较高的图像帧频和输出较少的有效像元；而粗跟踪方式下则将CCD靶面的所有像元全部输出，即640×480个像元，从而得到较低的图像帧频和输出较多的有效像元。

2)电流电压驱动电路单元22为一套模拟电路，该电路采用美国德州仪器公司1996年发布的TC237器件说明书中所提供的电路，该电路能够将现场可编程逻辑阵列单元23输出的LVTTL电平加大驱动电流和升压，再送给面阵CCD单元21。另外，该电路中供电电源V_S为12V，V_CC为5V，V_SUB为10V，V_ADB为22V，V_ODB为22V。  

3)现场可编程逻辑阵列单元23为现成的商品，优选EP1C6Q240C8。使用硬件描述语言：VHDL、Verylog或AHDL编制软件，该硬件描述语言是需要在电脑中编制，将编好的代码编译后下载至单元23中，将在单元23中形成相应的硬件电路，分别为：

时钟管理模块301、图像接口模块302、自适应阀值模块303、3×3窗口模块304、行列计数器模块305、光斑判断模块306、质心计算模块307、脱靶量输出模块308、视频信号处理器的控制时序模块309、面阵CCD的驱动时序模块310、相机控制信号解算模块311；

所述的时钟管理模块301与图像接口模块302、视频信号处理器的控制时序模块309、面阵CCD的驱动时序模块310、相机控制信号解算模块311连接，图像接口模块302与时钟管理模块301、自适应阀值模块303、3×3窗口模块304、行列计数器模块305、视频信号处理器的控制时序模块309连接，行列计数器模块305和质心计算模块307连接，光斑判断模块306与自适应阀值模块303、3×3窗口模块304、质心计算模块307连接，质心计算模块307与脱靶量输出模块308连接，相机控制信号解算模块311与光斑判断模块306、视频信号处理器的控制时序模块309和面阵CCD的驱动时序模块310连接。

下面对每一个模块能够完成的功能加以说明：

(1)时钟管理模块301：负责对时钟进行处理，并把倍频及分频后的信号传送给其它模块作基准驱动时钟。

(2)图像接口模块302：能够将单元24传送来的图像并行数据进行处理，并从中提取处场有效、行有效、像素有效等信号，将图像数据分别送给后续处理模块。

(3)自适应阀值模块303：能够将上一场图像的像素灰度进行平均值计算，从而获得本场图像像素的比较灰度值。

(4)3×3窗口模块304：对图像像素进行中值滤波处理，这样能够将图像中的噪声像素去掉，从而获得更易识别的图像信息。

(5)行列计数器模块305：为质心计算模块提供某一个像素的位置信息，即对像素的所在行数和列数进行计数，并提供给质心计算模块。

(6)光斑判断模块306：从自适应阀值模块获得比较用灰度值后将该值与本场图像的所有像素进行比较，从而确定该场图像哪些像素是包含光斑信息的像素。

(7)质心计算模块307：使用包含光斑信息的像素数据计算，并

根据下式计算光斑质心：

$\bar{x}=\frac{\underset{i_0}{\overset{i_f}{\Sigma }}\underset{j_0}{\overset{j_f}{\Sigma }}i(G_{\mathrm{ij}}-T)}{\underset{i_0}{\overset{i_f}{\Sigma }}\underset{j_0}{\overset{j_f}{\Sigma }}(G_{\mathrm{ij}}-T)}$

$\bar{y}=\frac{\underset{i_0}{\overset{i_f}{\Sigma }}\underset{j_0}{\overset{j_f}{\Sigma }}j(G_{\mathrm{ij}}-T)}{\underset{i_0}{\overset{i_f}{\Sigma }}\underset{j_0}{\overset{j_f}{\Sigma }}(G_{\mathrm{ij}}-T)}$

其中，T是像素比较的阈值，G_ij是光斑所占像元的灰度级值，和分别为光斑质心的行列值，也就是位置坐标。

(8)脱靶量输出模块308：由质心计算模块传送来的数据与图像中心坐标进行比较，从而得出质心距离中心的距离即脱靶量数据，将此脱靶量数据通过UART串行方式传送给单元26。

(9)视频信号处理器的控制时序模块309：负责产生单元24的控制时序信号，以及给单元24的参数设置数据。

(10)面阵CCD的驱动时序模块310：负责产生单元21的驱动时序，并且在粗跟踪和精跟踪模式下产生不同的驱动方式：粗跟踪模式下产生全扫描的驱动方式，即将单元21的所有有效电荷全部驱动输出给单元24，该模式下图像帧频较低，可以为70Hz，而图像像素分辨率较高，可以为640×480；精跟踪模式下使用开窗口驱动方式，该模式下图像帧频较高，可以为2000Hz，而图像像素分辨率较低，可以为80×80。两种不同的驱动方式的选择由相机控制信号解算模块311来设定。

(11)相机控制信号结算模块311：能够接收由单元26传送来的设定参数的数据，或者接收到模块306的信号，然后对模块310和模块309进行设定，从而使整个智能相机工作于粗跟踪模式或者精跟踪模式。

4)视频信号处理器单元24，优选TLV990，它是专门针对单元21输出的视频信号进行处理的器件，其功能是将单元21输出的模拟信号转换成并行数字信号。具体说单元24能够完成以下功能：利用相关双采样法对单元21输出信号进行采样，这种方法能够最大程度去除复位噪声；对采样完的信号进行可编程增益放大，能够用数字信号设定倍数将模拟信号进行放大；对单元21输出的暗参考像元进行暗电平校正，能够对暗电平进行数字标定；对放大后的模拟信号进行模/数转换，是单元24的最重要功能，它能够将模拟信号转换成数字图像信号。

5)RS232电平转换器单元25，优选MAX3232，负责将相机外部传来的参数设置信号由RS232信号转换成单元23能够接口的LVTTL信号。

6)RS485电平转换器单元26，优选MAX3430，负责将单元23输出的脱靶量数据由LVTTL信号转换为RS485信号，再传给单元14。

7)Camera Link电平转换器单元27，优选DS90CR288，它将单元23输出的并行数字图像信号转换成LVDS电平信号，即符合Camera Link传输协议的数字图像信号，再传送至相机外部的其它设备，例如Camera Link采集卡等，用以人工监视等功能。