现场可编程逻辑阵列的实时计算光斑质心检测装置制造方法及图纸

本发明专利技术属于光电成像跟踪技术领域，涉及现场可编程逻辑阵列的实时计算光斑质心检测装置。该装置的组成有图像输入单元（２１），图像输出单元（２４）、质心数据输出单元（２５），还有现场可编程逻辑阵列（３１）、现场可编程逻辑阵列辅助器件单元（３２）；本装置能够在几十个纳秒内解算出一幅图像的光斑质心数据，所以使得ＡＰＴ系统的瓶颈带宽限制由图像处理设备转移到了光电成像设备即ＣＣＤ相机或ＣＭＯＳ相机，从而大大提高了ＡＰＴ系统的整体带宽。计算速度由现有的ＤＳＰ嵌入式图像处理系统的每秒５００幅～２０００幅图像提高到每秒３０００幅～１０００００００幅图像；设备体积由原来的２００ｍｍ×３００ｍｍ×３０ｍｍ～３００ｍｍ×５００ｍｍ×８００ｍｍ减小到１５０ｍｍ×１５０ｍｍ×３０ｍｍ；功耗由原来的０．８Ｗ～２．０Ｗ下降到０．５Ｗ；器件数量由原来的２０个～３０个减少到１５个。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于光电成像跟踪
，涉及现场可编程逻辑阵列的实时 计算光斑质心检测装置。技术背景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装置的结构示意图。由粗跟踪相机单元ll、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。粗跟踪相机单元11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。其中，DSP嵌入式图像处理系统是相对而言各项性能指标较为理想的一 种图像处理装置。图2是APT装置的DSP嵌入式图像处理系统结构示意图。 由图像输入单元21、数字信号处理器(DSP)单元22、 DSP辅助器件单元23、 图像输出单元24和质心数据输出单元25组成。(参考文献博士论文《嵌 入式彩色电视跟踪系统的设计和实现》，公开发表刊物名称？ ？ ？作者顾 海军)但是，DSP单元22与图像处理设备单元13的其它装置一样，存在着运 算度低、体积大、功耗高、器件数量众多等问题。
技术实现思路
为了克服APT装置的DSP嵌入式图像处理系统存在运算速度低、体积大、 功耗高、器件数量众多等问题，本专利技术提供一种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。根据现场可编程逻辑阵列的制造原理可知，该图像处理计算方式是基于 纯硬件数字电路基础上的，所以具有实时高速、体积小、功耗低、多线程等 优点。如图3所示，本专利技术的基于现场可编程逻辑阵列的实时计算光斑质心检 测装置的组成有图像输入单元21，图像输出单元24、质心数据输出单元25， 还有现场可编程逻辑阵列31、现场可编程逻辑阵列辅助器件单元32;所述的 现场可编程逻辑阵列31分别与图像输入单元21，图像输出单元24、质心数 据输出单元25，现场可编程逻辑阵列辅助器件单元32连接。使用时，本专利技术的一种基于现场可编程逻辑阵列的实时计算光斑质心检 测装置与APT装置的粗跟踪相机单元11、精跟踪相机单元12和两轴伺服转 台单元14连接；本专利技术的一种基于现场可编程逻辑阵列的实时计算光斑质心检测装置的 动态工作过程如下由粗跟踪相机单元11或精跟踪相机单元12传送出的数 字图像信号，经过图像输入单元21转换成并行数字信号后进入现场可编程逻 辑阵列单元31中进行处理。使用硬件描述语言(VHDL、 Verylog、 AHDL皆 可)编制软件，并将该软件编译后下载至现场可编程逻辑阵列单元31中，该 软件完成如下技术功能a) 改变输入信号的时序，存入FIFO中缓冲；b) 对输入的数字图像进行初始化处理，去除无用信号，提高信躁比，获得 更易识别的光斑图像；c) 对所有像素灰度进行判别，识别光斑所占像素，获得光斑形状信息；d) 对光斑所占像元进行解算，获得质心坐标数据；e) 将质心坐标数据通过质心数据输出单元25传送给两轴伺服转台14;f) 适当选择某些连续图像通过图象输出单元24输出给其它设备，其它监 视设备可以为VGA显示器、PAL/NTSC监视器，用来进行人工监视及其它用 途处理。进入现场可编程逻辑阵列单元31的数字图像是需要实时处理的图像信 息，对该数字图像进行简化抽帧处理后可以通过图像输出单元24传送给其它 监视设备，图像输出单元24可以为CameraLink接口方式、VGA接口方式、 LVDS差分输出、1394接口方式、USB接口方式、串行输出方式、LVTTL并 行输出方式、PAL制式或NTSC制式。其它监视设备可以为VGA显示器、 PAL/NTSC监视器，用来进行人工监视及其它用途处理。输出方式可选择数字 信号输出或模拟信号输出。由现场可编程逻辑阵列单元31结算出光斑质心后，质心数据通过质心数 据输出单元25输出给两轴伺服转台单元14。质心数据输出单元25可以为 RS485串行方式、RS232串行方式、LVDS差分输出方式或LVTTL输出方式 无论采用何种方式输出质心数据，都要满足输入图像帧频要求，严格做到每 来到一幅图像则输出一组质心数据。本专利技术有益的效果本专利技术由于采用了纯硬件的数字电路方式来进行数 字图像处理，具有多线程、高集成度等特点。本装置的现场可编程逻辑阵列 器件能够在几十个纳秒内解算出一幅图像的光斑质心数据，所以使得APT系 统的瓶颈带宽限制由图像处理设备转移到了光电成像设备即CCD相机或CMOS相机，从而大大提高了 APT系统的整体带宽。本专利技术具有速度快、体积小、功耗低、器件数量少等优点，提高系统可 靠性，降低了成本。计算速度由原专利技术的DSP嵌入式图像处理系统的每秒500 幅 2000幅图像提高到每秒3000 10000000幅图像；设备体积由原来的 200mmx300mmx30mm 300mmx500mmx800mm 减 小 至ij 150mmxl50mmx30mm;功耗由原来的0.8w 2.0w下降到0.5w;器件数量由 原来的20个 30个减少到15个。附图说明图1是APT的结构示意图。图2是DSP嵌入式图像处理系统结构示意图。图3是本专利技术一种基于现场可编程逻辑阵列的实时计算光斑质心检测装 置结构示意图。图4实施例1的结构示意图。 图5软件示意图。具体实施例方式实施例l如图3所示，本专利技术的基于现场可编程逻辑阵列的实时计算光斑质心检 测装置的组成有图像输入单元21，图像输出单元24、质心数据输出单元25， 还有现场可编程逻辑阵列31、现场可编程逻辑阵列辅助器件单元32;所述的 现场可编程逻辑阵列31分别与图像输入单元21，图像输出单元24、质心数 据输出单元25，现场可编程逻辑阵列辅助器件单元32连接。使用时，本专利技术的一种基于现场可编程逻辑阵列的实时计算光斑质心检 测装置与APT装置的粗跟踪相机单元11、精跟踪相机单元12和两轴伺服转 台单元14连接。图4所示的装置，是如图3所示的本专利技术的基于现场可编程逻辑阵列的 实时计算光斑质心检测装置的具体实施方案之一1)现场可编程逻辑阵列单元31，使用硬件描述语言(VHDL、 Verylog 或AHDL皆可)编制软件，并将该软件编译后下载至现场可编程逻辑阵列单 元31中。如图5所示，与软件对应的结构单元的构成为时钟管理模块51、 图像接口模块52、自适应阀值模块53、 3x3窗口模块54、行列计数器模块55、 光斑判断模块56、质心计算模块57、 VGA显示模块58和脱耙量输出模块59;所述的时钟管理模块51与VGA显示模块58连接；图像接口模块52与 时钟管理模块51、自适应阀值模块53、 3x3窗口模块54、行列计数器模块55 和VGA显示模块58分别连接；光斑判断模块56与自适应阀值模块53、 3" 窗口模块54和质心计算模块57分别连接；质心计算模块57还与行列计数器 模块55和脱靶量输出模块59分别连接；V本文档来自技高网...

【技术保护点】
现场可编程逻辑阵列的实时计算光斑质心检测装置，该装置的组成有图像输入单元（２１），图像输出单元（２４）、质心数据输出单元（２５），其特征在于，还有现场可编程逻辑阵列（３１）、现场可编程逻辑阵列辅助器件单元（３２）；所述的现场可编程逻辑阵列（３１）分别与图像输入单元（２１），图像输出单元（２４）、质心数据输出单元（２５），现场可编程逻辑阵列辅助器件单元（３２）连接；所述的现场可编程逻辑阵列的实时计算光斑质心检测装置与ＡＰＴ装置的粗跟踪相机单元（１１）、精跟踪相机单元（１２）和两轴伺服转台单元（１４）连接；由粗跟踪相机单元（１１）或精跟踪相机单元（１２）传送出的数字图像信号，经过图像输入单元（２１）转换成并行数字信号后进入现场可编程逻辑阵列单元（３１）中进行处理；进入现场可编程逻辑阵列单元（３１）的数字图像是需要实时处理的图像信息，对该数字图像进行简化抽帧处理后可以通过图像输出单元（２４）传送给其它监视设备；图像输出单元（２４）可以为ＣａｍｅｒａＬｉｎｋ接口方式、ＶＧＡ接口方式、ＬＶＤＳ差分输出方式、１３９４接口方式、ＵＳＢ接口方式、串行输出接口方式、ＬＶＴＴＬ并行输出方式、ＰＡＬ制式或ＮＴＳＣ制式；所述的其它监视设备可以为ＶＧＡ显示器、ＰＡＬ／ＮＴＳＣ监视器，输出方式可选择数字信号输出或模拟信号输出；由现场可编程逻辑阵列单元（３１）结算出光斑质心后，质心数据通过质心数据输出单元（２５）输出给两轴伺服转台单元（１４）；质心输出单元（２５）可以为ＲＳ４８５串行方式、ＲＳ２３２串行方式、ＬＶＤＳ差分输出方式或ＬＶＴＴＬ输出方式。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：沈同圣，佟首峰，刘云清，王世峰，陈剑锋，刘鹏，齐宇岚，
申请(专利权)人：长春理工大学，
类型：发明
国别省市：82[中国|长春]