專利名稱：一種用于無人機(jī)上的無線圖傳通信系統(tǒng)及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在固定翼無人機(jī)上進(jìn)行實(shí)時(shí)圖像編碼與發(fā)送、可在線改變調(diào)制模式、地面接收和解碼的無線通信技術(shù)，具體地說，尤其涉及一種用于無人機(jī)上的無線圖傳通信系統(tǒng)及其方法。
背景技術(shù)：
無線圖傳通信設(shè)備中，一般都配有模擬相機(jī)或者數(shù)字相機(jī)、嵌入式中央處理器、大容量存儲器(如SD卡等)，如果需要實(shí)時(shí)將圖像數(shù)據(jù)傳送到地面，則需要加上發(fā)射機(jī)和天線等設(shè)備。當(dāng)無人機(jī)飛臨至待偵察地面上空時(shí)，需要打開相機(jī)，由計(jì)算機(jī)控制相機(jī)進(jìn)行拍照，將記錄的圖像數(shù)據(jù)存儲在固態(tài)存儲器中，也可以通過發(fā)射機(jī)和天線將相關(guān)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳回地面飛行監(jiān)控中心，以便于實(shí)時(shí)地處理地面圖像，并恢復(fù)出地形圖與偵察信息等。如圖I所示，虛線部分為地面PC機(jī)；第二種是相機(jī)拍攝后的視頻數(shù)據(jù)(動態(tài)圖像數(shù)據(jù))，現(xiàn)在通常為標(biāo)清圖像，通過發(fā)射機(jī)傳回到地面站。在已有的固定翼無人機(jī)平臺上，通常都配備有高分辨率相機(jī)，對于高分辨率圖像(500萬像素以上)一般直接存儲在機(jī)載的大容量存儲器中，飛機(jī)返回時(shí)通過人工方式取下存儲卡，導(dǎo)入到PC機(jī)中，也有部分無人機(jī)需要實(shí)時(shí)編碼傳輸?shù)头直媛实膱D像數(shù)據(jù)，如Dl格式的視頻數(shù)據(jù)等。由于飛機(jī)是在不斷航行或盤旋動態(tài)變化之中，周圍空間物理環(huán)境在時(shí)刻改變，如果遇到良好的通信環(huán)境時(shí)，我們可以采用復(fù)雜高效的調(diào)制方式，提高碼速率，加快無人機(jī)數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣?，而?dāng)遇到比較差的通信環(huán)境時(shí)，為降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼`碼率，則需要減少通信帶寬，減少碼速率以提高數(shù)據(jù)下行的可靠性。進(jìn)行這樣的自適應(yīng)碼速率改變，就需要在線改變通信的調(diào)制方式，提升無人機(jī)通信的工作效率，滿足測繪與遙感等寬幅圖像對數(shù)傳速度和質(zhì)量都要求比較高的場合。在現(xiàn)有的無人機(jī)傳統(tǒng)的圖像采集與傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案中，針對無線通信方式而言，通常采用的調(diào)制方式為固定調(diào)制方式，即調(diào)制方式無論是模擬或者數(shù)字調(diào)制方式，都在設(shè)計(jì)電路板時(shí)已經(jīng)固定，無法在線更改。這對于第一種圖像獲取方式，即由相機(jī)進(jìn)行航拍后，圖像數(shù)據(jù)保存到大容量的FLASH固態(tài)存儲器中，飛機(jī)返航后取下存儲卡或者通過USB接口傳輸?shù)降孛嬗?jì)算機(jī)服務(wù)器而言，可以認(rèn)為沒有影響，但是，對于方案模式二一實(shí)時(shí)無線圖像傳輸方式，由于無線信道的環(huán)境變化較大，如果采用靈活可變的數(shù)字化調(diào)制方式，將能夠根據(jù)信道質(zhì)量調(diào)整信道的帶寬，既可以在信道環(huán)境惡劣的條件下減小圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼`碼率，又可以在信道環(huán)境好的情況下增加碼速率，其作用將是十分明顯的。在飛機(jī)起飛前，在地面站需要首先設(shè)置好相機(jī)的各種參數(shù)，配置好視頻編碼器的壓縮格式、速率等圖像壓縮系統(tǒng)參數(shù)。當(dāng)該圖像采集與傳輸系統(tǒng)上電啟動后，數(shù)字相機(jī)、圖像編碼器和發(fā)射機(jī)進(jìn)行初始化，整個(gè)系統(tǒng)即可開始工作，相機(jī)定時(shí)或者定距采集圖像信息，并存儲到固態(tài)存儲器中。如果是方案模式二，則圖像數(shù)據(jù)需要通過視頻編碼器編碼后，送到 發(fā)射機(jī)，然后通過天線傳輸?shù)降孛嬲荆孛鎴D像處理人員進(jìn)行圖像拼接和三維地形圖生成，以備后續(xù)的測繪之用。
由于現(xiàn)有的大多數(shù)無人機(jī)圖像處理設(shè)備，只將采集到圖像信息保存在機(jī)載的大容量存儲器中，很少實(shí)時(shí)下傳，即使下傳其下行能力也非常有限且技術(shù)不成熟，這就使得地面飛行監(jiān)控中心無法實(shí)時(shí)獲知現(xiàn)場的相關(guān)視覺信息。而且，現(xiàn)有的無線圖像傳輸設(shè)備均采用固定的調(diào)制模式，而無法通過遙控的方式進(jìn)行動態(tài)改變，以滿足信道環(huán)境變化的要求，其結(jié)果未能最大限度地發(fā)揮現(xiàn)有無線圖像傳輸設(shè)備的性能，即更好地滿足測繪與遙感圖像的高性能與高可靠性實(shí)際需求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，為克服現(xiàn)有在固定翼無人機(jī)上無線圖像傳輸設(shè)備的缺點(diǎn)及不足，從而提供一種用于無人機(jī)上的無線圖傳通信系統(tǒng)及其方法，進(jìn)行實(shí)時(shí)圖像編碼與發(fā)送、可在線改變調(diào)制模式、地面接收和解碼的無線通信技術(shù)，尤其涉及一種針對圖像數(shù)據(jù)及工程參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行打包、組幀、信道編碼、調(diào)制、功放及射頻發(fā)送的嵌入式無線通信設(shè)備，該設(shè)
備具有可重構(gòu)調(diào)制模式的優(yōu)點(diǎn)，是具備實(shí)時(shí)高分辨率圖像傳輸、可重構(gòu)調(diào)制模式功能的無人機(jī)載荷裝置。為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供了一種用于無人機(jī)上的無線圖傳通信系統(tǒng)，該無線圖傳通信系統(tǒng)包括數(shù)字相機(jī)、控制模塊和電源模塊，其特征在于，所述的無線圖傳通信系統(tǒng)還包括無線通信模塊，用于和地面監(jiān)控中心之間進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸；所述的無線通信模塊包括可重構(gòu)高速數(shù)字調(diào)制單元，用于根據(jù)地面監(jiān)控中心遙控指令的調(diào)制模式選擇數(shù)字調(diào)制方式，對串行數(shù)據(jù)流進(jìn)行數(shù)字化調(diào)制；和數(shù)傳發(fā)射機(jī)，該數(shù)傳發(fā)射機(jī)采用微波進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。作為上述方法的一種改進(jìn)，所述的可重構(gòu)高速數(shù)字調(diào)制單元包括串并轉(zhuǎn)換、采樣控制和載波相乘部分。所述的無線通信模塊的圖像數(shù)據(jù)無線傳輸調(diào)制實(shí)現(xiàn)模式采用FPGA模式，該模式可以通過可重配置硬件電路，實(shí)現(xiàn)不同的數(shù)字調(diào)制模式，如BPSK/QPSK/16QAM等，可在FPGA硬件不變情況下采用不同的電路結(jié)構(gòu)，其性能與可靠性和專用模塊的方式非常接近，適于產(chǎn)品升級并降低硬件成本。這樣，在傳統(tǒng)無人機(jī)圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕A(chǔ)上，改變原有的體系架構(gòu)，增加新的FPGA可重構(gòu)電路模塊，簡化射頻前端，提升系統(tǒng)數(shù)字化的程度，從而提高無人機(jī)無線圖傳系統(tǒng)的工作效率，而且降低了設(shè)計(jì)的成本。作為上述方法的一種改進(jìn)，所述的無線圖傳通信系統(tǒng)還包括存儲模塊，用于記錄圖像數(shù)據(jù)和工程參數(shù)數(shù)據(jù)。所述的存儲模塊為通過計(jì)算機(jī)總線接口使用固態(tài)FLASH作為存儲介質(zhì)的電子硬盤。作為上述方法的又一種改進(jìn)，所述的電源模塊包括DC/DC模塊，用于計(jì)算機(jī)和數(shù)傳發(fā)射機(jī)的供電，分別輸出+24V和+12V電源。為實(shí)現(xiàn)上述另一發(fā)明目的，本發(fā)明還提供了一種用于無人機(jī)上的無線圖傳通信方法，該方法步驟包括I)在無人機(jī)平臺端，通過數(shù)字相機(jī)獲取高分辨率圖像信息，并通過LVDS接口輸入到圖像編碼器單元，壓縮成為低速率的數(shù)據(jù)流；2)通過CPU模塊將壓縮后的低速率的數(shù)據(jù)流、遙測量及工程參數(shù)打包后發(fā)送到計(jì)算機(jī)接口卡單元，由FPGA數(shù)字電路對該低速率的數(shù)據(jù)流進(jìn)行交織與RS編碼之后復(fù)接形成一路串行數(shù)據(jù)流，再通過可重構(gòu)高速數(shù)字調(diào)制單元根據(jù)遙控指令進(jìn)行調(diào)制模式的選擇和數(shù)字化調(diào)制，然后進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換，發(fā)送到數(shù)傳發(fā)射機(jī)單元；3)由數(shù)傳發(fā)射機(jī)采用微波傳輸方式將數(shù)據(jù)傳輸至地面監(jiān)控中心。作為上述方法的一種改進(jìn)，所述的步驟2)還通過存儲模塊記錄壓縮后的低速率的數(shù)據(jù)流、計(jì)算機(jī)接口卡單元采集的遙測量和工程參數(shù)數(shù)據(jù)信息。作為上述方法的又一種改進(jìn)，所述的步驟2)中的調(diào)制模式包括BPSK調(diào)制電路、QPSK調(diào)制電路或16QAM調(diào)制電路，用于對串行數(shù)據(jù)流進(jìn)行數(shù)字化調(diào)制。
作為上述方法的再一種改進(jìn)，所述的步驟3)數(shù)傳發(fā)射機(jī)模塊采用與計(jì)算機(jī)的高速同步串行接口單元將調(diào)制后的數(shù)據(jù)流經(jīng)過高速D/A轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)送到混頻器，與本振產(chǎn)生的載波進(jìn)行混頻，形成射頻信號，再經(jīng)過微波功放電路單元功率放大后，由射頻輸出單元輸出至天線下傳到地面監(jiān)控中心。作為上述方法的還一種改進(jìn)，所述的步驟2)對壓縮后的低速率的數(shù)據(jù)流、計(jì)算機(jī)接口卡單元采集的遙測量和工程參數(shù)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行打包組幀并發(fā)送給發(fā)射機(jī)。在無人機(jī)傳統(tǒng)的圖像數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計(jì)方案中，通常包括4個(gè)功能模塊第一個(gè)是數(shù)字相機(jī)模塊，用于對待偵察或測繪區(qū)域進(jìn)行拍照；第二個(gè)是計(jì)算機(jī)模塊，完成各個(gè)功能模塊的管理控制、數(shù)據(jù)處理及系統(tǒng)配置等功能；第三個(gè)是無線通信模塊(包括調(diào)制、功放和天線)，用于和地面監(jiān)控中心之間進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸；第四個(gè)是存儲模塊，利用大容量的FLASH固態(tài)存儲器記錄圖像數(shù)據(jù)和其他工程參數(shù)數(shù)據(jù)。相對于已有的無人機(jī)圖像傳輸方案，本發(fā)明公開了一種可重構(gòu)調(diào)制模式的無線圖像傳輸裝置，在傳統(tǒng)的無線圖像獲取或者圖傳裝置基礎(chǔ)上增加FPGA動態(tài)可重構(gòu)高速寬帶調(diào)制硬件模塊，采用微波進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，改進(jìn)數(shù)傳發(fā)射機(jī)的性能，增加其帶寬，即主要包括的功能模塊有數(shù)字相機(jī)模塊、計(jì)算機(jī)模塊(包括可重構(gòu)數(shù)字調(diào)制單元)、大容量存儲模塊、專用圖像編碼器模塊、數(shù)傳發(fā)射機(jī)模塊、穩(wěn)壓電源模塊等。在本發(fā)明所述的無人機(jī)無線圖傳載荷裝置中，增加了多模式數(shù)字調(diào)制方式，即通過地面監(jiān)控中心注入調(diào)制模式選擇的遙控指令，經(jīng)無人機(jī)的自動駕駛儀接收該指令，并且產(chǎn)生中斷，計(jì)算機(jī)模塊處理該中斷信號，接收RS232串口傳送過來的數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)模塊譯碼該指令，輸出到計(jì)算機(jī)接口卡模塊，計(jì)算機(jī)接口卡進(jìn)行模式判斷，產(chǎn)生使能信號，驅(qū)動BPSK/QPSK/16QAM或者其他調(diào)制電路對串行數(shù)據(jù)流進(jìn)行數(shù)字化調(diào)制，調(diào)制后的數(shù)據(jù)流經(jīng)過高速D/A轉(zhuǎn)換，送到混頻器，與本振產(chǎn)生的載波進(jìn)行混頻，形成射頻信號，經(jīng)過功率放大后，通過天線下傳到地面站飛控中心。在無人機(jī)平臺端，工業(yè)數(shù)字相機(jī)獲取的高分辨率圖像信息通過LVDS接口輸入到專用圖像編碼器單元，壓縮成為低速率的數(shù)據(jù)流，CPU模塊負(fù)責(zé)將壓縮后的圖像數(shù)據(jù)，一方面存儲到機(jī)載的大容量存儲器中，其中包括由計(jì)算機(jī)接口卡單元采集的遙測量和工程參數(shù)數(shù)據(jù)信息；另一方面，通過計(jì)算機(jī)總線將壓縮碼流、遙測量及工程參數(shù)發(fā)送到計(jì)算機(jī)接口卡單元，F(xiàn)PGA數(shù)字電路對該數(shù)據(jù)流進(jìn)行交織與RS編碼，之后形成一路串行數(shù)據(jù)流，通過模式選擇和判斷，選擇其中一種調(diào)制模式，然后進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換，發(fā)送到數(shù)傳發(fā)射機(jī)單元。數(shù)傳發(fā)射機(jī)單元主要包括本振、混頻、預(yù)功放、濾波、主功放等部件組成，該單元接收D/A發(fā)送過來的模擬信號，經(jīng)過功放和濾波后，最后輸入到射頻接口，通過天線發(fā)送出去。數(shù)傳發(fā)射機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。在地面站的接收端，從天線接收到的信號通過射頻前端、解調(diào)、解幀處理和信道解碼單元。再通過圖像解碼之后，利用界面軟件在屏幕上實(shí)時(shí)顯示。在本發(fā)明所述的無人機(jī)高分辨率圖像傳輸載荷裝置中，增加了原無人機(jī)所不具備的多模式調(diào)制功能，較之現(xiàn)有的固定調(diào)制模式的圖像數(shù)傳設(shè)備，其性能和靈活性得到提升。這主要由可重構(gòu)的調(diào)制方式和微波通信的高帶寬來完成，這對于大尺寸包括測繪級相機(jī)都可以滿足編碼的實(shí)時(shí)性要求。該方案解決了傳統(tǒng)方案中調(diào)制模式固定、傳輸模式無法根據(jù)信道環(huán)境而在線調(diào)整的難題，這對于我國無人機(jī)勘探、偵察、遙感、測繪等諸多方面的應(yīng)用 奠定了良好的技術(shù)基礎(chǔ)，例如在緊急事件處理的場合，指揮者可以實(shí)時(shí)而流暢地看到現(xiàn)場的工作狀態(tài)和事件發(fā)展畫面，獲得第一手?jǐn)?shù)據(jù)資料，迅速地做出決策。從而最大限度地降低災(zāi)難所產(chǎn)生的不良后果，并為追究可能出現(xiàn)的事故責(zé)任留下客觀證據(jù)。因此，本發(fā)明具有廣泛的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于本發(fā)明改進(jìn)了現(xiàn)有的無人機(jī)圖像獲取和傳輸裝置，針對只具有固定調(diào)制方式的無線圖像數(shù)據(jù)傳輸裝置，進(jìn)行數(shù)字化提升，通過增加基于FPGA的可重配置多模式調(diào)制器，將其變成一個(gè)具備可高效傳輸高分辨率圖像數(shù)據(jù)的載荷裝置，根據(jù)信道環(huán)境的質(zhì)量情況，可以在線改變調(diào)制方式，保證即使在傳輸環(huán)境惡劣的條件下仍然能夠?qū)崟r(shí)傳輸高分辨率圖像數(shù)據(jù)，這對于充分發(fā)揮無人機(jī)的整體功能具有十分明顯的現(xiàn)實(shí)意義。在無人機(jī)服務(wù)的各個(gè)行業(yè)中，可以更好地協(xié)助各部門完成任務(wù)，并以最快的速度搜集到地面最直觀的信息，該裝置具有功能強(qiáng)、成本低、實(shí)時(shí)性好、可靠性高、組態(tài)靈活、直觀方便等優(yōu)點(diǎn)。為避免此類情況的發(fā)生，針對傳統(tǒng)無人機(jī)圖像采集編碼與傳輸系統(tǒng)的不足，本發(fā)明提出了一種實(shí)現(xiàn)高分辨率圖像編碼與傳輸功能的機(jī)載裝置，該裝置在改進(jìn)現(xiàn)有的無線圖傳系統(tǒng)基礎(chǔ)上，采用微波的S波段進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，增加新的高速壓縮功能模塊和接口，以完成大幅高分辨率圖像實(shí)時(shí)圖傳的相關(guān)處理功能。增加高速壓縮功能模塊后，航拍獲得的大尺寸高分辨率圖像在無人機(jī)偵察或者測繪過程中，既可以存儲在機(jī)載的固態(tài)存儲器中，也可以通過無線數(shù)傳發(fā)射機(jī)模塊和機(jī)載天線實(shí)時(shí)發(fā)送到地面站，由地面站接收后在服務(wù)器上進(jìn)行數(shù)據(jù)解包和圖像解碼的快速處理，進(jìn)而采用圖像拼接的方式生成偵察或測繪區(qū)域的全景圖，直至可以將整個(gè)三維地形圖制作出來，達(dá)到遙感、測繪和軍事偵察的目的。該系統(tǒng)所采用的圖像數(shù)據(jù)傳輸方式，是一種對已有方式的改進(jìn)與提升，其一采用高速硬件壓縮模塊，增加壓縮工作速度；其二是采用微波傳輸，可重構(gòu)數(shù)字調(diào)制模式，增加了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸挕Ｍㄟ^優(yōu)化后的系統(tǒng)可以保障，現(xiàn)場采集的大尺寸高分辨率圖像得以實(shí)時(shí)地傳回到地面，供地面站數(shù)據(jù)處理人員據(jù)此做出應(yīng)急措施，如針對災(zāi)情、戰(zhàn)亂等馬上應(yīng)對，從而避免之前出現(xiàn)的圖像數(shù)據(jù)丟失或者事后才能獲取的弊端，保證了無人機(jī)巡視、偵察與測繪等任務(wù)的按時(shí)完成，使之充分發(fā)揮其應(yīng)有的作用，真正為國民生產(chǎn)和國防事業(yè)做出重要的貢獻(xiàn)。


以下，結(jié)合附圖來詳細(xì)說明本發(fā)明的實(shí)施例，其中
圖I已有的無人機(jī)圖像傳輸系統(tǒng)模塊框圖；圖2常用的無人機(jī)數(shù)傳發(fā)射機(jī)模塊框圖；圖3為本發(fā)明的具備多模式調(diào)制、高分辨率圖像傳輸功能的裝置模塊框圖；
圖4為本發(fā)明的QPSK調(diào)制方式的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖示意圖；圖5為本發(fā)明的16QAM調(diào)制方式的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖；圖6為本發(fā)明的數(shù)傳發(fā)射機(jī)的功能結(jié)構(gòu)框圖；圖7為本發(fā)明的多模式調(diào)制無線圖傳系統(tǒng)裝置實(shí)施例的模塊框圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步地描述。計(jì)算機(jī)模塊分為硬件部分與軟件部分，其中硬件部分包括CPU單元、可重構(gòu)高速數(shù)字調(diào)制單元和計(jì)算機(jī)接口卡單元兩個(gè)部分，(PU單元作為中央控制處理器，包括與高速圖像壓縮模塊的LVDS接口、與無人機(jī)自駕儀的串行接口、與固態(tài)存儲模塊的CPU總線接口以及人機(jī)接口中的IXD接口和鍵盤接口 ；計(jì)算機(jī)接口卡單元包括遙測量采集、交織與RS編碼及與數(shù)傳發(fā)射機(jī)模塊的高速同步串行接口，可重構(gòu)高速數(shù)字調(diào)制單元包括串并轉(zhuǎn)換、采樣控制、載波相乘等部分。計(jì)算機(jī)軟件部分的功能包括I.對各個(gè)模塊進(jìn)行上電初始化，包括對計(jì)算機(jī)及其外圍電路芯片的初始化；2.對調(diào)制模式選擇模塊的初始化；3.實(shí)現(xiàn)與各個(gè)功能模塊的接口處理；4.對各個(gè)模塊進(jìn)行參數(shù)配置和系統(tǒng)管理；5.對設(shè)備遙測量、圖像數(shù)據(jù)及無線圖傳設(shè)備自身工程參數(shù)等數(shù)據(jù)進(jìn)行打包、組幀，并發(fā)送給發(fā)射機(jī)；6.對遙測量、圖像數(shù)據(jù)及無線圖傳設(shè)備自身工程參數(shù)等數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲處理；高速圖像采集與編碼模塊包括與數(shù)字相機(jī)的接口(高速LVDS接口)、專用小波壓縮(JPEG2000)單元、圖像碼流形成與計(jì)算機(jī)接口(LVDS)單元。大容量存儲模塊即是通過計(jì)算機(jī)總線接口，使用固態(tài)FLASH作為存儲介質(zhì)的電子硬盤。數(shù)傳發(fā)射機(jī)模塊采用與計(jì)算機(jī)的高速同步串行接口單元、本振單元、混頻單元、微波功放電路單元、與天線接口的射頻輸出單元，其內(nèi)部構(gòu)造框圖如圖3所示。人機(jī)接口模塊包括IXD單元、鍵盤單元。穩(wěn)壓電源模塊為數(shù)字相機(jī)、計(jì)算機(jī)和數(shù)傳發(fā)射機(jī)供電，輸出+24V和+12V電源。如圖3所示，本發(fā)明涉及一種實(shí)現(xiàn)無人機(jī)多模式調(diào)制、高分辨率實(shí)時(shí)圖像傳輸?shù)妮d荷裝置，也可應(yīng)用于其他需要進(jìn)行無線圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)膱龊?。下面以某無人機(jī)高分辨率實(shí)時(shí)圖像傳輸系統(tǒng)為例，對本發(fā)明裝置作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。在無人機(jī)圖像傳輸裝置正常工作時(shí)，其體積為280mmX120mmX60mm，重量為2Kg，功耗為25W。采用工作在3000MHz頻段的數(shù)傳發(fā)射機(jī)，，下行碼速率可達(dá)52Mbps，誤碼率為10_8，輸出功率為5W。為簡化起見，我們實(shí)例中僅設(shè)計(jì)為兩種調(diào)制方式，即QPSK與16QAM方式，當(dāng)然也可以添加其他更多的調(diào)制模式，方法類似。
如圖4所示，當(dāng)調(diào)制方式為QPSK時(shí)，專用圖像編碼器采用改進(jìn)的JPEG2000壓縮算法，工業(yè)數(shù)字相機(jī)采集到的圖像為灰度圖像，像素精度為8bit，500萬像素。當(dāng)壓縮比為8倍，傳輸速率為50Mbps時(shí)，幀頻為每秒10幀，當(dāng)壓縮比為2倍時(shí)，幀頻為每秒2. 5幀，考慮到航向重疊與旁向重疊率，該幀頻滿足地面站進(jìn)行區(qū)域拼圖與恢復(fù)三維地形圖的要求，一般情況下，該裝置所傳輸?shù)倪b測量和工程參數(shù)數(shù)據(jù)量很小，只需50Kbps即可。如圖5所示，當(dāng)調(diào)制方式為16QAM時(shí)，采用同樣的相機(jī)，當(dāng)壓縮比為8倍，傳輸速率為200Mbps時(shí)，幀頻為每秒40幀；當(dāng)壓縮比為2倍時(shí)，幀頻為每秒10幀。因此，如果在天氣晴朗、云層或者其他障礙物很少的情況下，可以采用16QAM調(diào)制方式，增加碼速率 ，當(dāng)在陰天或者云層遮擋情況下，需要采用QPSK模式，增加其可靠性，降低碼速率。因此，采用QPSK調(diào)制方式，在52M帶寬的條件下，將遙測與工程參數(shù)源包、圖像數(shù)據(jù)流進(jìn)行打包，組成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)幀，數(shù)據(jù)幀長度為1024字節(jié)，形成小于52Mbps的數(shù)據(jù)流，再進(jìn)行數(shù)字調(diào)制等操作，最后輸入到射頻模塊，通過天線發(fā)送出去，采用16QAM調(diào)制方式，也同此操作即可。在地面站監(jiān)控中心的接收端，從天線接收到的信號通過射頻模塊、解調(diào)以及解幀處理模塊，根據(jù)源包格式，將解出的數(shù)據(jù)進(jìn)行分兩路，即一路為遙測量與工程參數(shù)，一路為圖像壓縮碼流數(shù)據(jù)。由地面監(jiān)控中心的服務(wù)器對遙測量與工程參數(shù)、圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理，對數(shù)據(jù)結(jié)果生成解包報(bào)告，并將相關(guān)圖像數(shù)據(jù)存儲到硬盤上可供后續(xù)回放與處理，解壓縮后的高分辨率圖像在界面軟件中實(shí)時(shí)顯示，并存入多媒體數(shù)據(jù)庫中，以供后續(xù)的查詢、檢查和打印等處理，包括機(jī)載設(shè)備與地面接收設(shè)備的功能框圖如圖7所示。最后所應(yīng)說明的是，以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制。盡管參照實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，都不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求
1.一種用于無人機(jī)上的無線圖傳通信系統(tǒng)，該無線圖傳通信系統(tǒng)包括數(shù)字相機(jī)、控制模塊和電源模塊，其特征在于，所述的無線圖傳通信系統(tǒng)還包括 無線通信模塊，用于和地面監(jiān)控中心之間進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸；所述的無線通信模塊包括可重構(gòu)高速數(shù)字調(diào)制單元，用于根據(jù)地面監(jiān)控中心遙控指令的調(diào)制模式選擇數(shù)字調(diào)制方式對串行數(shù)據(jù)流進(jìn)行數(shù)字化調(diào)制；和數(shù)傳發(fā)射機(jī)，該數(shù)傳發(fā)射機(jī)采用微波進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的用于無人機(jī)上的無線圖傳通信系統(tǒng)，其特征在于，所述的可重構(gòu)高速數(shù)字調(diào)制單元包括串并轉(zhuǎn)換、采樣控制和載波相乘部分。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的用于無人機(jī)上的無線圖傳通信系統(tǒng)，其特征在于，所述的可重構(gòu)高速數(shù)字調(diào)制單元采用FPGA模式。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的用于無人機(jī)上的無線圖傳通信系統(tǒng)，其特征在于，所述的無線圖傳通信系統(tǒng)還包括存儲模塊，用于記錄圖像數(shù)據(jù)和工程參數(shù)數(shù)據(jù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的用于無人機(jī)上的無線圖傳通信系統(tǒng)，其特征在于，所述的存儲模塊為通過計(jì)算機(jī)總線接口使用固態(tài)FLASH作為存儲介質(zhì)的電子硬盤。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的用于無人機(jī)上的無線圖傳通信系統(tǒng)，其特征在于，所述的電源模塊，用于計(jì)算機(jī)和數(shù)傳發(fā)射機(jī)的供電，分別輸出+24V和+12V電源。
7.一種用于無人機(jī)上的無線圖傳通信方法，該方法步驟包括 1)在無人機(jī)平臺端，通過數(shù)字相機(jī)獲取的高分辨率圖像信息，通過LVDS接口輸入到圖像編碼器單元，壓縮成為低速率的數(shù)據(jù)流； 2)通過CPU模塊將壓縮后的低速率的數(shù)據(jù)流、遙測量及工程參數(shù)打包后發(fā)送到計(jì)算機(jī)接口卡單元，由FPGA數(shù)字電路對該低速率的數(shù)據(jù)流進(jìn)行交織與RS編碼之后復(fù)接形成一路串行數(shù)據(jù)流，再通過可重構(gòu)高速數(shù)字調(diào)制單元根據(jù)遙控指令進(jìn)行調(diào)制模式的選擇和數(shù)字化調(diào)制，然后進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換，發(fā)送到數(shù)傳發(fā)射機(jī)單元； 3)由數(shù)傳發(fā)射機(jī)采用微波傳輸方式將數(shù)據(jù)傳輸至地面監(jiān)控中心。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的用于無人機(jī)上的無線圖傳通信方法，其特征在于，所述的步驟2)還通過存儲模塊記錄壓縮后的低速率的數(shù)據(jù)流、計(jì)算機(jī)接口卡單元采集的遙測量和工程參數(shù)數(shù)據(jù)信息。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的用于無人機(jī)上的無線圖傳通信方法，其特征在于，所述的步驟2)中的調(diào)制模式包括BPSK調(diào)制電路、QPSK調(diào)制電路或16QAM調(diào)制電路，用于對串行數(shù)據(jù)流進(jìn)行數(shù)字化調(diào)制。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的用于無人機(jī)上的無線圖傳通信方法，其特征在于，所述的步驟3)數(shù)傳發(fā)射機(jī)模塊采用與計(jì)算機(jī)的高速同步串行接口單元將調(diào)制后的數(shù)據(jù)流經(jīng)過高速D/A轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)送到混頻器，與本振產(chǎn)生的載波進(jìn)行混頻，形成射頻信號，再經(jīng)過微波功放電路單元功率放大后，由射頻輸出單元輸出至天線下傳到地面監(jiān)控中心。
11.根據(jù)權(quán)利要求7所述的用于無人機(jī)上的無線圖傳通信方法，其特征在于，所述的步驟2)對壓縮后的低速率的數(shù)據(jù)流、計(jì)算機(jī)接口卡單元采集的遙測量和工程參數(shù)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行組幀并發(fā)送給發(fā)射機(jī)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于無人機(jī)上的無線圖傳通信系統(tǒng)及其方法，無線圖傳通信系統(tǒng)包括數(shù)字相機(jī)、控制模塊和電源模塊，其特征在于，所述的無線圖傳通信系統(tǒng)還包括無線通信模塊，用于和地面監(jiān)控中心之間進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸；所述的無線通信模塊包括可重構(gòu)高速數(shù)字調(diào)制單元，用于根據(jù)地面監(jiān)控中心遙控指令的調(diào)制模式選擇數(shù)字調(diào)制方式對串行數(shù)據(jù)流進(jìn)行數(shù)字化調(diào)制；和數(shù)傳發(fā)射機(jī)，該數(shù)傳發(fā)射機(jī)采用微波進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。所述的可重構(gòu)高速數(shù)字調(diào)制單元包括串并轉(zhuǎn)換、采樣控制和載波相乘部分。本發(fā)明通過增加可重配置多模式調(diào)制器，根據(jù)信道環(huán)境的質(zhì)量情況，可以在線改變調(diào)制方式，保證即使在傳輸環(huán)境惡劣的條件下仍然能夠?qū)崟r(shí)傳輸高分辨率圖像數(shù)據(jù)。
文檔編號H04N7/24GK102685467SQ201210129099
公開日2012年9月19日 申請日期2012年4月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月27日
發(fā)明者魏本杰 申請人:中國科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心