本發(fā)明涉及擾動(dòng)測(cè)量與成像技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種擾動(dòng)測(cè)量成像系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

隨著空間遙感成像分辨率要求的提高，遙感相機(jī)的在軌不穩(wěn)定性成為制約成像質(zhì)量的重要因素之一。尤其是在軌TDI遙感相機(jī)對(duì)地成像時(shí)，相機(jī)抖動(dòng)造成光學(xué)系統(tǒng)的光軸擾動(dòng)，影響成像質(zhì)量，引起圖像退化。因此需要高速光軸擾動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)相機(jī)的抖動(dòng)信息進(jìn)行測(cè)量，進(jìn)而根據(jù)獲取的數(shù)據(jù)，對(duì)退化圖像進(jìn)行復(fù)原。此外遙感器在軌成像過(guò)程中，由于成像對(duì)象的光強(qiáng)分布差異過(guò)大，會(huì)存在曝光過(guò)度或者曝光不足的情況，需要使用HDR技術(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)光強(qiáng)范圍的擴(kuò)展，這就同樣需要對(duì)擾動(dòng)進(jìn)行測(cè)量，然后對(duì)成像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理獲得高動(dòng)態(tài)的成像結(jié)果。另外對(duì)于要進(jìn)行數(shù)字TDI的成像遙感器也需要進(jìn)行相應(yīng)的位移測(cè)量與成像數(shù)據(jù)處理。

現(xiàn)有的光軸擾動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)一般由成像系統(tǒng)與擾動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)組成，將成像與擾動(dòng)測(cè)量分開(kāi)。隨著精度要求的提高，參與擾動(dòng)測(cè)量計(jì)算的圖像像元個(gè)數(shù)有更多的需求，將成像電路與測(cè)量電路分開(kāi)后，圖像數(shù)據(jù)的傳輸延時(shí)會(huì)對(duì)計(jì)算時(shí)間有很大影響，進(jìn)而影響測(cè)量結(jié)果的實(shí)時(shí)性。同時(shí)，成像系統(tǒng)與擾動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)需要同時(shí)工作，有較大的功率需求、散熱需求和尺寸要求，不利于于在軌遙感器的實(shí)現(xiàn)。

因此，需要提出一種擾動(dòng)測(cè)量成像系統(tǒng)，在成像讀取焦面圖像數(shù)據(jù)的同時(shí)，實(shí)時(shí)進(jìn)行擾動(dòng)測(cè)量計(jì)算，進(jìn)而可以根據(jù)實(shí)時(shí)擾動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像HDR、數(shù)字TDI處理，達(dá)到改善圖像質(zhì)量、滿足高動(dòng)態(tài)成像的需求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明解決的技術(shù)問(wèn)題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種擾動(dòng)測(cè)量成像系統(tǒng)，解決了現(xiàn)有技術(shù)不能對(duì)擾動(dòng)進(jìn)行測(cè)量的問(wèn)題。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：一種擾動(dòng)測(cè)量成像系統(tǒng)，包括成像焦面模塊、焦面控制模塊、圖像數(shù)據(jù)讀取模塊、擾動(dòng)測(cè)量模塊、圖像處理模塊、圖像輸出模塊、高速存儲(chǔ)模塊、接口模塊，其中，

接口模塊，接收外部發(fā)送的成像控制信息后送至焦面控制模塊，成像控制信息包括幀頻、積分時(shí)間；接收外部發(fā)送的數(shù)據(jù)輸出指令后轉(zhuǎn)發(fā)至圖像輸出模塊；所述的數(shù)據(jù)輸出指令為控制圖像輸出模塊輸出成像數(shù)據(jù)或者成像數(shù)據(jù)處理結(jié)果的指令；

焦面控制模塊，對(duì)成像控制信息進(jìn)行解析計(jì)算，得到焦面時(shí)序控制信號(hào)并送至成像焦面模塊，焦面時(shí)序控制信號(hào)包括時(shí)鐘、采樣周期、積分時(shí)間；

成像焦面模塊，根據(jù)焦面時(shí)序控制信號(hào)成像并輸出成像數(shù)據(jù)至圖像數(shù)據(jù)讀取模塊；

圖像數(shù)據(jù)讀取模塊，采用乒乓緩沖存儲(chǔ)成像數(shù)據(jù)至高速存儲(chǔ)模塊，同時(shí)送至擾動(dòng)測(cè)量模塊；

高速存儲(chǔ)模塊，存儲(chǔ)成像數(shù)據(jù)；

擾動(dòng)測(cè)量模塊，對(duì)成像數(shù)據(jù)進(jìn)行擾動(dòng)測(cè)量計(jì)算，包括：對(duì)成像數(shù)據(jù)進(jìn)行二維FFT，得到二維FFT的結(jié)果矩陣，對(duì)結(jié)果矩陣中每個(gè)元素和參考圖像FFT結(jié)果矩陣中同樣位置的元素進(jìn)行共軛相乘，得到共軛相乘結(jié)果，對(duì)共軛相乘結(jié)果進(jìn)行FFT逆變換，得到FFT逆變換結(jié)果矩陣，對(duì)FFT逆變換結(jié)果矩陣中各個(gè)元素取模，得到代表匹配程度大小的像移匹配參數(shù)構(gòu)成的像移匹配參數(shù)矩陣，尋找像移匹配參數(shù)矩陣中的最大元素值，根據(jù)最大元素值對(duì)應(yīng)坐標(biāo)得到擾動(dòng)測(cè)量結(jié)果，并送至圖像處理模塊；所述的參考圖像FFT結(jié)果矩陣為上一次二維FFT的結(jié)果矩陣，當(dāng)成像數(shù)據(jù)為首幀圖像數(shù)據(jù)時(shí)，不進(jìn)行擾動(dòng)測(cè)量；

圖像處理模塊，讀取高速存儲(chǔ)模塊存儲(chǔ)的成像數(shù)據(jù)，使用擾動(dòng)測(cè)量結(jié)果對(duì)成像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將成像數(shù)據(jù)處理結(jié)果送至圖像輸出模塊；

圖像輸出模塊，接收數(shù)據(jù)輸出指令并根據(jù)數(shù)據(jù)輸出指令將成像數(shù)據(jù)處理結(jié)果輸出，或者從高速存儲(chǔ)模塊讀取成像數(shù)據(jù)并輸出。

所述的使用擾動(dòng)測(cè)量結(jié)果對(duì)成像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的算法包括HDR算法、數(shù)字TDI算法。

所述的圖像輸出模塊將成像數(shù)據(jù)處理結(jié)果或者成像數(shù)據(jù)是通過(guò)CAMERA LINK接口輸出。

所述的擾動(dòng)測(cè)量模塊對(duì)成像數(shù)據(jù)使用FPGA進(jìn)行二維FFT，進(jìn)行二維FFT的方法包括如下步驟：

(1)假設(shè)要進(jìn)行二維FFT變換的成像數(shù)據(jù)的像素灰度階數(shù)為m位，m為正整數(shù)且8≤m≤12，成像數(shù)據(jù)的行數(shù)、列數(shù)均為2的n次冪，n為正整數(shù)且4≤n≤9，設(shè)置FPGA的FFT核為X＝4m位輸入，設(shè)置實(shí)部結(jié)果、虛部結(jié)果的存儲(chǔ)器為有符號(hào)Y＝2m位；

(2)當(dāng)對(duì)成像數(shù)據(jù)每一行進(jìn)行一維的FFT變換時(shí)，使得成像數(shù)據(jù)在行FFT變換后的有效位增加p1位，當(dāng)對(duì)成像數(shù)據(jù)每一列進(jìn)行一維的FFT變換時(shí)，得到結(jié)果數(shù)據(jù)，使得結(jié)果數(shù)據(jù)在列FFT變換后的有效位增加p2位，其中，m+p1+p2＝Y(jié)，p1+p2＝m，當(dāng)m為奇數(shù)時(shí)，p1＝p2+1，當(dāng)m為偶數(shù)時(shí)，p1＝p2；進(jìn)而得到p1、p2；

(3)將成像數(shù)據(jù)中各個(gè)像元的灰度值增大2的L1次冪，L1＝X-m，然后對(duì)成像數(shù)據(jù)每一行進(jìn)行一維的FFT變換，得到行FFT變換結(jié)果數(shù)據(jù)，將行FFT變換結(jié)果數(shù)據(jù)中0頻率處的數(shù)據(jù)縮小2的[n/2]次冪，然后對(duì)0頻率處數(shù)據(jù)縮小后的行FFT變換結(jié)果數(shù)據(jù)中所有數(shù)據(jù)縮小2的(L1-p1-[n/2])次冪，最后將低Y位數(shù)據(jù)存儲(chǔ)并作為行FFT變換存儲(chǔ)結(jié)果數(shù)據(jù)至存儲(chǔ)器；

(4)將行FFT變換存儲(chǔ)結(jié)果數(shù)據(jù)中各個(gè)像元的灰度值增大2的L2次冪，L2＝X-(m+p1)，對(duì)增大后的行FFT變換存儲(chǔ)結(jié)果數(shù)據(jù)每一列進(jìn)行一維的FFT變換，得到列FFT變換結(jié)果數(shù)據(jù)，將列FFT變換結(jié)果數(shù)據(jù)中0頻率處的數(shù)據(jù)縮小2的[n/2]次冪，然后對(duì)0頻率處數(shù)據(jù)縮小后的列FFT變換結(jié)果數(shù)據(jù)中所有數(shù)據(jù)縮小2的[(n+X)-(Y+[n/2])]次冪，作為最終變換結(jié)果并存儲(chǔ)至存儲(chǔ)器，進(jìn)而得到二維FFT的結(jié)果矩陣。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于：

本發(fā)明擾動(dòng)測(cè)量成像系統(tǒng)在成像讀取焦面圖像數(shù)據(jù)的同時(shí)，實(shí)時(shí)進(jìn)行擾動(dòng)測(cè)量計(jì)算，進(jìn)而可以根據(jù)實(shí)時(shí)擾動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像HDR、數(shù)字TDI處理，達(dá)到改善圖像質(zhì)量、滿足高動(dòng)態(tài)成像的需求，在航空航天遙感、無(wú)人機(jī)吊艙方面都有很強(qiáng)的應(yīng)用前景，同時(shí)具有很強(qiáng)的數(shù)字圖像高速處理能力，可應(yīng)用于與高速數(shù)字視頻處理相關(guān)的多種領(lǐng)域。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明一種擾動(dòng)測(cè)量成像系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種擾動(dòng)測(cè)量成像系統(tǒng)，在成像讀取焦面圖像數(shù)據(jù)的同時(shí)，實(shí)時(shí)進(jìn)行擾動(dòng)測(cè)量計(jì)算，進(jìn)而可以根據(jù)實(shí)時(shí)擾動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像HDR、數(shù)字TDI處理，達(dá)到改善圖像質(zhì)量、滿足高動(dòng)態(tài)成像的需求，本發(fā)明具體功能與實(shí)施方式如下：

(1)硬件系統(tǒng)

本發(fā)明系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)由電源模塊、CMOS最小系統(tǒng)、FPGA最小系統(tǒng)、高速存儲(chǔ)模塊、外圍接口器件等組成。具體功能與實(shí)施方式如下：

1)電源模塊將管理控制器的輸入電壓轉(zhuǎn)換為硬件系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)芯片所需要電壓，進(jìn)行芯片供電。

2)CMOS最小系統(tǒng)包括CMOS及相應(yīng)的電源濾波電路，其主要功能為根據(jù)FPGA提供的時(shí)鐘、SPI信號(hào)，調(diào)節(jié)CMOS的特性參數(shù)(包括成像區(qū)域、幀頻、曝光時(shí)間、增益、輸出通道等)，并根據(jù)設(shè)置從相應(yīng)的輸出通道中輸出高速圖像數(shù)據(jù)及相應(yīng)的同步時(shí)鐘、行/幀同步信號(hào)。

3)FPGA最小系統(tǒng)輸出CMOS控制信號(hào)及時(shí)鐘后，接收CMOS的輸出信號(hào)。解調(diào)后將圖像數(shù)據(jù)存入DDR中。FPGA控制數(shù)據(jù)的乒乓緩沖，在一個(gè)DDR寫(xiě)入數(shù)據(jù)的同時(shí)，F(xiàn)PGA對(duì)另一個(gè)DDR中緩存的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算。主要算法包括擾動(dòng)測(cè)量算法、圖像復(fù)原算法、數(shù)字TDI及HDR算法，獲取最終的圖像。通過(guò)外圍接口器件，將TTL電平轉(zhuǎn)化為L(zhǎng)VDS信號(hào)，輸出至管理控制器。

4)高速存儲(chǔ)模塊

系統(tǒng)采用DDR II進(jìn)行高速數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，使用數(shù)據(jù)乒乓輸入形式可以有效緩沖圖像數(shù)據(jù)。使用乒乓緩沖時(shí)，其中一個(gè)存儲(chǔ)空間進(jìn)行數(shù)據(jù)寫(xiě)入時(shí)，對(duì)另一存儲(chǔ)空間進(jìn)行運(yùn)算。這樣做可以避免數(shù)據(jù)傳輸沖突，有效利用存儲(chǔ)空間，提高數(shù)據(jù)輸入輸出速度和圖像處理速度。使用數(shù)據(jù)總線擴(kuò)展技術(shù)，將16位數(shù)據(jù)總線合并和擴(kuò)展到32位，進(jìn)而提高每個(gè)周期的數(shù)據(jù)吞吐量，縮短數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間，保證圖像實(shí)時(shí)處理。

5)外圍接口模塊

外圍接口主要包括三線通信及圖像監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等。其中圖像檢測(cè)系統(tǒng)通過(guò)CAMERA LINK接口與地檢設(shè)備相連，實(shí)時(shí)顯示圖像，便于調(diào)試及效果展示，本發(fā)明系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)連接關(guān)系如圖1所示。

(2)軟件算法及性能評(píng)估

本發(fā)明系統(tǒng)的軟件算法主要包括焦面驅(qū)動(dòng)、圖像高速乒乓緩存、像移測(cè)量算法、圖像復(fù)原算法、HDR算法及數(shù)字TDI等，系統(tǒng)的主要軟件流程為：焦面驅(qū)動(dòng)輸出相應(yīng)的控制信號(hào)控制CMOS輸出圖像數(shù)據(jù)并根據(jù)時(shí)序進(jìn)行解調(diào)，將解調(diào)后的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于高速乒乓存儲(chǔ)模塊中。像移測(cè)量算法實(shí)時(shí)進(jìn)行運(yùn)算，得出幀間像移量后，由圖像復(fù)原算法對(duì)圖像進(jìn)行復(fù)原。并根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行HDR及數(shù)字TDI算法。其中系統(tǒng)的核心算法為高速像移檢測(cè)算法。

為保證高速像移檢測(cè)算法的實(shí)時(shí)輸出，以下對(duì)主要算法進(jìn)行說(shuō)明評(píng)估。

1)像移測(cè)量算法

在進(jìn)行焦面的圖像數(shù)據(jù)讀取時(shí)，可以同時(shí)進(jìn)行擾動(dòng)測(cè)量計(jì)算，即通過(guò)圖像數(shù)據(jù)中二維幀數(shù)據(jù)或者一維行數(shù)據(jù)進(jìn)行不同幀、行間的數(shù)據(jù)的匹配程度測(cè)量，獲得像移測(cè)量結(jié)果。在擾動(dòng)測(cè)量過(guò)程中，使用高幀頻圖像的幀間位移代表擾動(dòng)的幅值，完成擾動(dòng)測(cè)量。對(duì)于FPGA而言基于FFT的圖像相關(guān)運(yùn)算獲得圖像的幀間位移所占用資源相對(duì)較少，速度較快。

具體方法是，先進(jìn)行圖像的二維FFT，然后對(duì)FFT的結(jié)果矩陣中每個(gè)元素和參考圖像FFT結(jié)果矩陣每個(gè)元素的共軛相乘。對(duì)相乘結(jié)果再進(jìn)行FFT逆變換。對(duì)逆變換后的矩陣取模后，需要獲得代表匹配程度大小的像移匹配參數(shù)。匹配參數(shù)的最大模值對(duì)應(yīng)點(diǎn)位置反映了圖像幀間的相對(duì)位置。在計(jì)算匹配參數(shù)過(guò)程中，如果參與運(yùn)算的數(shù)據(jù)過(guò)大，容易引起FPGA的數(shù)據(jù)溢出或者占用更多資源、降低運(yùn)算速度；如果過(guò)小，難以滿足高精度的擾動(dòng)測(cè)量需要，因此提出根據(jù)實(shí)際參與計(jì)算的相關(guān)參數(shù)的位數(shù)對(duì)運(yùn)算過(guò)程中的匹配參數(shù)進(jìn)行同步的左移(增大)或者右移(減小)的調(diào)整。使用自適應(yīng)的數(shù)據(jù)位移方法，保證了匹配計(jì)算的精度。

假設(shè)要進(jìn)行二維FFT變換的成像數(shù)據(jù)的像素灰度階數(shù)為m位，m為正整數(shù)且8≤m≤12，成像數(shù)據(jù)的行數(shù)、列數(shù)均為2的n次冪，n為正整數(shù)且4≤n≤9，設(shè)置FPGA的FFT核為X＝4m位輸入，設(shè)置實(shí)部結(jié)果、虛部結(jié)果的存儲(chǔ)器為有符號(hào)Y＝2m位；

當(dāng)對(duì)成像數(shù)據(jù)每一行進(jìn)行一維的FFT變換時(shí)，使得成像數(shù)據(jù)在行FFT變換后的有效位增加p1位，當(dāng)對(duì)成像數(shù)據(jù)每一列進(jìn)行一維的FFT變換時(shí)，得到結(jié)果數(shù)據(jù)，使得結(jié)果數(shù)據(jù)在列FFT變換后的有效位增加p2位，其中，m+p1+p2＝Y(jié)，p1+p2＝m，當(dāng)m為奇數(shù)時(shí)，p1＝p2+1，當(dāng)m為偶數(shù)時(shí)，p1＝p2；進(jìn)而得到p1、p2；

將成像數(shù)據(jù)中各個(gè)像元的灰度值增大2的L1次冪，L1＝X-m，然后對(duì)成像數(shù)據(jù)每一行進(jìn)行一維的FFT變換，得到行FFT變換結(jié)果數(shù)據(jù)，將行FFT變換結(jié)果數(shù)據(jù)中0頻率處的數(shù)據(jù)縮小2的n/2次冪，然后對(duì)0頻率處數(shù)據(jù)縮小后的行FFT變換結(jié)果數(shù)據(jù)中所有數(shù)據(jù)縮小2的(L1-p1-n/2)次冪，最后將低Y位數(shù)據(jù)存儲(chǔ)并作為行FFT變換存儲(chǔ)結(jié)果數(shù)據(jù)至存儲(chǔ)器。其中n/2的結(jié)果取整數(shù)部分；

將行FFT變換存儲(chǔ)結(jié)果數(shù)據(jù)中各個(gè)像元的灰度值增大2的L2次冪，L2＝X-(m+p1)，對(duì)增大后的行FFT變換存儲(chǔ)結(jié)果數(shù)據(jù)每一列進(jìn)行一維的FFT變換，得到列FFT變換結(jié)果數(shù)據(jù)，將列FFT變換結(jié)果數(shù)據(jù)中0頻率處的數(shù)據(jù)縮小2的n/2次冪，然后對(duì)0頻率處數(shù)據(jù)縮小后的列FFT變換結(jié)果數(shù)據(jù)中所有數(shù)據(jù)縮小2的[(n+X)-(Y+n/2)]次冪，作為最終變換結(jié)果并存儲(chǔ)至存儲(chǔ)器，進(jìn)而得到二維FFT的結(jié)果矩陣。其中n/2的結(jié)果取整數(shù)部分。這樣就在有限FPGA資源下，保證了二維FFT變換的更為準(zhǔn)確的結(jié)果。

2)HDR算法

目前獲取HDR圖像的方法為多曝光圖像融合技術(shù)，即利用每個(gè)曝光時(shí)間相對(duì)應(yīng)最佳細(xì)節(jié)的圖像合成最終的HDR圖像，能提供更多的動(dòng)態(tài)方位和圖像細(xì)節(jié)。在軌相機(jī)或其他航空航天載荷受平臺(tái)擾動(dòng)、目標(biāo)移動(dòng)等因素的影響，直接進(jìn)行多曝光圖像融合往往會(huì)使融合后的圖像產(chǎn)生“鬼影”。同時(shí)目前的多曝光圖像融合技術(shù)在目標(biāo)動(dòng)態(tài)范圍較大的時(shí)候，會(huì)丟失部分細(xì)節(jié)信息。

本發(fā)明采用將擾動(dòng)測(cè)量結(jié)果與多曝光融合技術(shù)結(jié)合，在融合前利用擾動(dòng)測(cè)量結(jié)果將動(dòng)態(tài)圖像轉(zhuǎn)化為靜態(tài)圖像，從而消除了融合圖像時(shí)“鬼影”、丟失細(xì)節(jié)等問(wèn)題。同時(shí)為保證實(shí)時(shí)性，將多幅多曝光圖像進(jìn)行累加，獲得HDR圖像

根據(jù)本發(fā)明的運(yùn)算結(jié)果及多曝光融合的需求設(shè)計(jì)算法，算法的主要實(shí)施過(guò)程為：

(1)焦面驅(qū)動(dòng)程序根據(jù)HDR算法需求控制CMOS的曝光時(shí)間，依次輸出多幅低動(dòng)態(tài)范圍(LDR)的圖像，并解調(diào)存儲(chǔ)于高速乒乓存儲(chǔ)設(shè)備中。

(2)像移測(cè)量算法實(shí)時(shí)進(jìn)行運(yùn)算，得出圖像的幀間位移。同時(shí)圖像復(fù)原算法對(duì)各圖像進(jìn)行復(fù)原。

(3)當(dāng)完成圖像復(fù)原后，將圖像進(jìn)行累加，實(shí)時(shí)獲到HDR圖像。

數(shù)字TDI技術(shù)是一種有效拓展傳感器積分時(shí)間從而提高探測(cè)系統(tǒng)靈敏度的方法。在本發(fā)明中，利用擾動(dòng)測(cè)量程序?qū)σ恍袌D像的像移量進(jìn)行測(cè)量，完成后根據(jù)結(jié)果對(duì)當(dāng)前行進(jìn)行復(fù)原，與前一行進(jìn)行累加并存儲(chǔ)。如此不斷累加，直至滿足數(shù)字TDI的級(jí)數(shù)要求后，將累加后的行數(shù)據(jù)輸出。本發(fā)明將像移測(cè)量與數(shù)字TDI相結(jié)合，可有效地避免因平臺(tái)擾動(dòng)造成的行數(shù)據(jù)錯(cuò)位，從而降低TDI圖像的信噪比。

本發(fā)明說(shuō)明書(shū)中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬本領(lǐng)域技術(shù)人員的公知技術(shù)。