廣角極光成像儀圖像采集與快顯多功能監(jiān)測系統(tǒng)

王 雪，宋克非

(中國科學(xué)院 長春光學(xué)精密機械與物理研究所，吉林 長春 130033)

1 引 言

空間探測為國防偵查、資源勘測、氣象預(yù)報等各個領(lǐng)域提供科學(xué)依據(jù)，已成為國家建設(shè)中必不可少的一部分[1]。廣角極光成像儀作為FY-3(04)衛(wèi)星主要載荷之一對極光FUV輻射中的N2分子輻射的LBH帶(140～180 nm)進行成像觀測，獲得極光橢圓區(qū)域的光強分布。廣角極光成像儀采用2個相同的光學(xué)系統(tǒng)拼接構(gòu)成130°×10°的瞬時視場，由掃描機構(gòu)對10°視場方向進行沿軌掃描，最終實現(xiàn)在2 min曝光時間內(nèi)對130°×130°的極區(qū)范圍成像。電子學(xué)單元對讀數(shù)進行畸變校正和位移校正，將每一個掃描位置的圖像處理后疊加到RAM中的虛擬像元中，完成一次掃描后即得到一幅完整的極光圖像。

廣角極光成像儀工作獲取的極光圖像數(shù)據(jù)、成像儀及衛(wèi)星的工作狀態(tài)信息等被封裝成遙感數(shù)據(jù)包下傳至地面，為獲取遙感數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)解析并形成極光圖像，研制一款設(shè)備以實現(xiàn)實時安全地將這些下傳遙感數(shù)據(jù)采集、存儲、解析并快速顯示成像對于成像儀的研制過程具有重要意義。

目前，對于不同的空間探測儀器，由于系統(tǒng)工程需求不同，下傳遙感數(shù)據(jù)的接口、數(shù)據(jù)傳輸速率、解析協(xié)議等各異，因此相應(yīng)的檢測設(shè)備的設(shè)計也就各不相同[2-4]。大體上，常用的圖像采集并顯示的處理方法是將圖像采集卡輸出的數(shù)據(jù)保存在計算機硬盤，再利用軟件讀取數(shù)據(jù)進行圖像顯示和處理，這種方法沒有實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的同時進行圖像實時顯示和處理[5]。因此，為實現(xiàn)實時的圖像顯示，針對廣角極光成像儀單機特性，集成多種功能實現(xiàn)，設(shè)計并實現(xiàn)了廣角極光成像儀圖像采集與快顯多功能監(jiān)測系統(tǒng)(以下簡稱廣角快顯系統(tǒng))，系統(tǒng)用數(shù)據(jù)采集卡接收來自RS-422接口的遙感數(shù)據(jù)，上位機軟件利用采集卡配套程序庫進行數(shù)據(jù)采集，同時進行數(shù)據(jù)解析及圖像實時顯示[6]，并且提供了用戶友好的多種功能實現(xiàn)。通過試驗，驗證了該系統(tǒng)功能全面、性能穩(wěn)定、實時性強，滿足設(shè)備調(diào)試與測試需求。

2 系統(tǒng)組成及工作原理

廣角快顯系統(tǒng)由RS-422同步數(shù)據(jù)采集卡和上位機軟件組成，通過數(shù)據(jù)采集卡建立廣角極光成像儀和PC間的同步RS-422串口通訊，計算機系統(tǒng)上的上位機軟件提供用戶友好的工作界面，負(fù)責(zé)遙感數(shù)據(jù)的解析及圖像顯示，并提供多種功能實現(xiàn)為成像儀的測試及下傳數(shù)據(jù)分析提供便利。

系統(tǒng)工作流程如下：上位機軟件進行數(shù)據(jù)采集控制，由采集卡實現(xiàn)同步RS-422串口數(shù)據(jù)的接收，獲取的遙感數(shù)據(jù)經(jīng)PCI總線傳送至計算機內(nèi)存，上位機軟件負(fù)責(zé)將內(nèi)存數(shù)據(jù)順序存儲至計算機硬盤實現(xiàn)數(shù)據(jù)記錄，同時實時的將計算機內(nèi)存中數(shù)據(jù)按數(shù)傳協(xié)議進行數(shù)據(jù)解析處理，完成多模式下的圖像解析，以及圖像和輔助信息的快速顯示。在后期生成原始數(shù)據(jù)曲線及回放圖像文件時，上位機軟件將硬盤中數(shù)據(jù)順序讀取到計算機內(nèi)存中進行解析并顯示給顯存。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 廣角快顯系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Diagram of the system architecture

3 系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

廣角快顯系統(tǒng)在硬件方面利用RS-422同步串口通訊卡完成從數(shù)傳單元接收數(shù)據(jù)至計算機內(nèi)存；軟件在VC++平臺上進行開發(fā)，應(yīng)用多線程與定時器聯(lián)合編程實現(xiàn)并行的數(shù)據(jù)采集控制、數(shù)據(jù)存儲、圖像處理及快速顯示，并實現(xiàn)了光子計數(shù)率顯示、圖像各坐標(biāo)點亮度值顯示、圖像亮度值調(diào)節(jié)、生成原始數(shù)據(jù)曲線、圖像回放、圖像局部放大等多種功能。將系統(tǒng)按功能劃分為4個模塊：數(shù)據(jù)采集與存儲、數(shù)據(jù)解析、圖像信息實時顯示、數(shù)據(jù)回放。

3.1 數(shù)據(jù)采集與存儲

廣角快顯系統(tǒng)選用神舟飛航公司型號為AEC422-PCI-2S/S1的同步串口通訊卡作為本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集卡，該型號通訊卡集成了FPGA、高速緩存等部件，完成串并轉(zhuǎn)換后將數(shù)據(jù)經(jīng)由PCI總線傳送至計算機。該數(shù)據(jù)采集卡具有良好的兼容性，性能穩(wěn)定，滿足廣角快顯系統(tǒng)需求，為系統(tǒng)的實現(xiàn)提供了堅實的基礎(chǔ)。

圖2 數(shù)據(jù)采集與存儲模塊程序流程圖Fig.2 Flow diagram of data acquisition and storage module

安裝數(shù)據(jù)采集卡及設(shè)備驅(qū)動程序后，即可進行應(yīng)用程序的開發(fā)。首先加載數(shù)據(jù)采集卡配套庫文件AEC422X5.dll和AEC422X5.lib，引用函數(shù)庫頭文件AEC422X5_lib.h，在應(yīng)用程序中調(diào)用接口函數(shù)進行板卡操作即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集。

為保證不間斷的實時接收下傳的數(shù)據(jù)并同時存儲在PC硬盤，軟件采用多線程方式實現(xiàn)讀寫操作的同步進行。讀線程與寫線程分別調(diào)用板卡接口函數(shù)，以FIFO方式訪問數(shù)據(jù)。讀線程循環(huán)訪問采集卡數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，接收下傳數(shù)據(jù)至CRecvFifo的實例中；同時，寫線程不斷獲取CRecvFifo實例中的數(shù)據(jù)量，若大于0則將數(shù)據(jù)寫入計算機硬盤，存儲路徑接受用戶設(shè)置。調(diào)用Windows系統(tǒng)提供的CreateFile()等文件操作來進行數(shù)據(jù)的硬盤存儲，存儲格式為.raw。數(shù)據(jù)采集與存儲的同時進行數(shù)據(jù)解析，以保證解析和成像的實時性。數(shù)據(jù)采集與存儲模塊程序流程圖如圖2所示。

3.2 數(shù)據(jù)解析

由于廣角極光成像儀采用2個光學(xué)系統(tǒng)拼接，因此獲得的完整極光圖像相應(yīng)由來自左右2個光學(xué)系統(tǒng)探測器的2幅極光圖像拼接而成。數(shù)據(jù)包解析按包格式中的包頭、包長度、分組標(biāo)志來進行數(shù)據(jù)解包，嚴(yán)格遵循數(shù)傳協(xié)議將數(shù)據(jù)進行按位解析。

3.2.1 輔助參數(shù)解析

事先將數(shù)據(jù)域信息及數(shù)據(jù)格式存儲在配置文件中，啟動輔助參數(shù)解析定時器，數(shù)據(jù)采集讀線程將輔助數(shù)據(jù)存儲到相應(yīng)的數(shù)組中，數(shù)據(jù)解析函數(shù)通過讀取配置文件將輔助數(shù)據(jù)數(shù)組中元素按參數(shù)類型和參數(shù)長度等進行信息分類和數(shù)據(jù)重組，再分別調(diào)用溫度解析，數(shù)值解析等子函數(shù)來實現(xiàn)輔助信息的分類解析。

3.2.2 多模式圖像數(shù)據(jù)解析

廣角極光成像儀通過6種工作模式來采集圖像數(shù)據(jù)：自檢坐標(biāo)模式、自檢原始模式、凝視坐標(biāo)模式、暗計數(shù)、坐標(biāo)掃描模式、原始掃描模式，相應(yīng)形成的圖像大小規(guī)格分別為：500×500、500×500、150×500、500×500、1 000×500、1 000×500。圖像數(shù)據(jù)解析函數(shù)將圖像數(shù)據(jù)按拍攝模式進行分類解析，圖像模式可以分為2類：坐標(biāo)模式、原始模式。3種坐標(biāo)模式只區(qū)別于圖像大小，3種原始模式除了圖像大小不同，原始掃描模式由于衛(wèi)星與地球的相對運動產(chǎn)生像移，因此在解析時進行像移補償運算。

坐標(biāo)模式圖像數(shù)據(jù)為按序獲得的相應(yīng)坐標(biāo)點的灰度值。將灰度值提取存儲到圖像亮度值數(shù)組相應(yīng)坐標(biāo)點位置，右側(cè)探測器圖像上移500個像素點后再進行圖像亮度值數(shù)組的賦值，左右探測器圖像經(jīng)拼接合成整幅圖即完成坐標(biāo)模式圖像解析。

(1)

表1 各參數(shù)的取值范圍

原始掃描模式是一種特殊的原始模式，由于掃描拍攝時成像儀掃描方向與衛(wèi)星飛行方向一致而產(chǎn)生像移，在圖像解析時需進行像移補償計算，將一次拍攝的多次曝光圖像進行疊加來還原實際圖像。在忽略衛(wèi)星偏航情況下，需要綜合考慮成像儀掃描速度，衛(wèi)星飛行速度、曝光時間、像元尺寸，圖3是成像儀進行前向掃描時圖像疊加的示意圖。

圖3 前向運動掃描示意圖Fig.3 Diagram of scan forward

廣角極光成像儀掃描方式為勻速連續(xù)掃描，掃描速度VScan=1.125°/s，單次曝光時間為dt=0.5 s，總共曝光次數(shù)為N=214次。第i次曝光結(jié)束后對應(yīng)的時間為t=i×dt，掃描過的角度為θ=VScan×t，掃描引起的像移量為θ/pixel。衛(wèi)星軌道角速度為ω=0.059°/s，因此衛(wèi)星運動引起的像移量為ωt/pixel。圖中a、b分別表示相鄰時刻10°視場對應(yīng)的星下點范圍，可見掃描起始和結(jié)束位置對應(yīng)視場相對中間位置有更大的拉伸。綜合考慮后經(jīng)復(fù)雜運算得到總像移量為：Δxf。XI、YI為虛擬圖像的坐標(biāo)，XIC、YIC為瞬時圖像坐標(biāo)，則圖像坐標(biāo)計算公式為：

(2)

圖像解析功能模塊的軟件程序流程圖如圖4所示。

3.2.3 計算光子計數(shù)率

在進行原始模式數(shù)據(jù)解析的同時進行光子數(shù)統(tǒng)計，將每次拍攝的光子數(shù)累加和除以曝光時間得到該幅圖像的光子計數(shù)率。

3.3 圖像信息實時顯示

圖像信息顯示同步于數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)解析，數(shù)據(jù)開始采集的同時啟動輔助參數(shù)顯示定時器、圖像顯示定時器、統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示定時器，調(diào)用Windows操作系統(tǒng)提供的庫函數(shù)SetTimer()實現(xiàn)[10]，毫秒級定時刷新圖像顯示信息以保證信息實時性。

3.3.1 輔助參數(shù)顯示

用戶界面采用列表控件及tab頁形式，便于切換顯示2個探測器輔助數(shù)據(jù)信息。系統(tǒng)將參數(shù)名稱、源碼、解析值實時的顯示并更新，同時通過各解析值判斷儀器狀態(tài)是否正常，如發(fā)現(xiàn)異常則

圖4 圖像解析功能模塊程序流程圖Fig.4 Program flow diagram of image analysis module

將相應(yīng)信息位標(biāo)紅處理，提示用戶注意監(jiān)測儀器狀態(tài)。

3.3.2 圖像快顯

圖像快顯通過調(diào)用StretchDIBits函數(shù)實現(xiàn)。系統(tǒng)分配內(nèi)存給imageData數(shù)組用于存儲圖像亮度值，隨著接收并解析圖像數(shù)據(jù)，imageData數(shù)組被不斷賦值，快顯函數(shù)毫秒級定時訪問imageData數(shù)組，將獲得的最新圖像數(shù)據(jù)顯示成像，由此完成了圖像的快速更新，即圖像快顯。

光子計數(shù)率的顯示隨圖像快顯同步進行。

圖像亮度值調(diào)節(jié)接受界面用戶輸入，從而調(diào)節(jié)圖像顯示的明暗程度，將16位數(shù)據(jù)長度的亮度值轉(zhuǎn)換為相應(yīng)計算機顯示的RGB值，達到過濾雜光的效果。

在圖像顯示區(qū)域內(nèi)對WM_MOUSEMOVE進行了消息響應(yīng)處理，獲取當(dāng)前鼠標(biāo)位置并轉(zhuǎn)換為圖像相應(yīng)坐標(biāo)點，提取該坐標(biāo)點亮度值顯示。

3.3.3 統(tǒng)計信息顯示

統(tǒng)計信息包括接收數(shù)據(jù)包總數(shù)、圖像幀計數(shù)、丟失包計數(shù)等。統(tǒng)計信息實時刷新表明數(shù)據(jù)接收狀態(tài)。統(tǒng)計信息被寫進日志文件存儲在計算機硬盤。

3.4 數(shù)據(jù)回放

3.4.1 生成原始數(shù)據(jù)曲線

3.4.2 圖像回放

每幅圖像對應(yīng)一個圖像回放文件，以接收時間及拍攝模式命名，直接存儲數(shù)據(jù)解析后獲得的輔助信息和圖像數(shù)據(jù)在計算機硬盤。用戶選擇回放文件名后，回放函數(shù)讀取數(shù)據(jù)并完成快速顯示。

應(yīng)用程序運用CrectTracker類實現(xiàn)橡皮筋選中圖像放大區(qū)域，調(diào)用StretchDIBits函數(shù)實現(xiàn)了用戶所選擇特定區(qū)域圖像的放大，以方便查看圖像細(xì)節(jié)?？蛇B續(xù)進行圖像放大操作，最大放大倍數(shù)為250。

4 系統(tǒng)測試結(jié)果

廣角快顯系統(tǒng)與廣角極光成像儀進行了聯(lián)合測試，完成多種模式成像。將光源照射帶有弧形分布的圓形通孔的背板，光線入射到廣角極光成像儀探測器，成像儀與廣角快顯系統(tǒng)連接，上位機軟件調(diào)節(jié)原始模式參數(shù)設(shè)置，設(shè)定K=5.0、a1=1.000、b1=0.000、c1=0.000、a2=1.000、b2=0.000、c2=0.000、x0=340、y=380，控制成像儀進行原始掃描模式拍攝，其產(chǎn)生的遙感數(shù)據(jù)以200 kbit/s速率下傳，由廣角快顯系統(tǒng)采集并處理后在上位機上顯示成像。

下傳原始數(shù)據(jù)被存儲在用戶設(shè)置的指定PC目錄下，查原始數(shù)據(jù)表明數(shù)據(jù)包完整且包連續(xù)，未發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失的現(xiàn)象。輔助參數(shù)的實時解析正確，更新及時。隨著采集數(shù)據(jù)量的增加圖像像素點相應(yīng)逐漸增多，漸漸形成圖像，數(shù)據(jù)采集結(jié)束則圖像顯示完成，證實了圖像數(shù)據(jù)解析成像的實時性。圖5(a)為對弧形分布的圓形通孔進行原始掃描模式成像的效果圖，原始數(shù)據(jù)經(jīng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換及像移計算后成像與實際目標(biāo)保持一致，證實數(shù)據(jù)解析正確，原始掃描模式算法正確。

對分辨率板進行暗計數(shù)模式拍攝所采集的圖像如圖5(b)所示，經(jīng)放大后圖像如圖5(c)所示。放大后圖像各坐標(biāo)點灰度值與原圖像保持一致，表明坐標(biāo)及灰度值計算正確，圖像局部放大功能執(zhí)行正確。

測試結(jié)果表明，廣角快顯系統(tǒng)能保證數(shù)據(jù)采集完整，數(shù)據(jù)解析準(zhǔn)確，快速成像，各模式圖像解析算法正確，多種功能執(zhí)行正確。

圖5 試驗采集的圖像Fig.5 Image of experiment

5 結(jié) 論

根據(jù)空間載荷研發(fā)工程需求，設(shè)計了廣角極光成像儀圖像采集與快顯多功能監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)與廣角極光成像儀通過RS-422接口相連，實現(xiàn)對遙感數(shù)據(jù)的采集與解析，圖像的快速顯示。通過與廣角極光成像儀的聯(lián)合成像試驗，證實了本系統(tǒng)的正確性與實時性。目前，系統(tǒng)已應(yīng)用于廣角極光成像儀研制過程中的各項試驗及測試，對研制任務(wù)的順利進行起到至關(guān)重要的作用。

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