光电经纬仪中图像及附加信息同步记录的设计与实现

摘 要：针对经纬仪中图像及附加信息同步记录的需要，设计出将图像数据及附加信息统一编码、传输，实现同步记录的方法。利用时码终端作为系统的同步源，高速FPGA作为数据编解码控制器。实验结果表明，利用这种方法，实现了图像数据以及附加信息同步记录的目的。

【关键词】同步记录 数字相机接口 异步串行通讯 编解码

在光电经纬仪跟踪目标记录图像和数据过程中，需要将图像数据以及图像对应的角度和时间码等附加信息进行同步记录，用于事后判读。视频图像可分为数字视频和模拟视频两大类，其中数字视频又包括camera link、channel link、SDI等多种图像传输模式。

在数字图像和附加信息同步记录过程中，无论是针对哪种格式的视频图像，都需要将图像和附加信息按照图像帧频进行同步存储。由于图像及其同步信息来源于光电经纬仪不同的分系统，多个数据流到达存储终端后会产生不同的时延，再加上存储终端对于不同的数据流采用了相对独立的接收单元这一因素，就出现了图像和数据在实际存储过程中丢帧、错帧的现象。针对以上实际问题，设计了将附加信息和图像数据统一编码继而传输到图像记录终端进行记录的方法。通过实际使用证明，该方法有效地解决了图像和附加信息在存储过程中错帧、丢帧的现象。提高了图像存储系统的可靠性。

1 图像及附加信息同步存储工作原理

如图1所示：图像存储系统包括时统终端、相机、编码器、信息同步单元和记录终端5个部分。时统终端在系统中为其他单元提供同步脉冲，同时为信息同步单元提供时间码。信息同步单元接收图像数据，根据同步脉冲关系，将时间码和编码器输出的角度值等附加信息统一编码，之后将同步数据发送给记录终端，在记录终端由图像采集卡完成对图像和附加信息的同步记录。

2 设计方案与实现方法

从上述内容可见，实现同步记录的重点和难点在于信息同步单元的设计，具体实现如下。

2.1 同步时序的设计

要达到图像和附加信息同步存储的目的，就必须保证相机输出的图像信息和附加信息是同步的，经过多次实验，系统采用以下工作时序，如图2所示。

由图2可见，秒信号是时统终端解调出的同步信号，作为所有同步信号的基准，发送给编码器、相机以及信息同步单元的同步信号都是用秒信号作为同步基准的，即其他同步脉冲的下降沿和秒信号的下降沿是对齐的。相机同步工作频率为100Hz，脉冲低电平部分表示相机曝光时间，相机是在外触发模式下工作的，输出图像的场信号和外触发信号必须是同步的，频率也为100Hz，场信号有效时为高电平，低电平时表示场信号无效。角度和时间码作为同步信息，采样频率也为100Hz，为了保证图像和同步信息严格同步，图像附加信息的采样时刻和相机曝光信号的中心时刻应当是对齐的。

通过以上的时序设计，才可以保证进入到信息同步单元的图像数据、时间码和角度值等附加信息数据流都是同步的。

2.2 图像的接收

考虑到相机图像输出的方式为Camera Link方式，首先要把四路高速的LVDS数据信号以及像素时钟信号转换为TTL信号，以便于信息同步单元的FPGA模块接收信号。利用美国半导体公司生产的DS90CR288实现LVDS信号和TTL信号之间的转换。把5路LVDS信号转换为1路TTL时钟信号和28路TTL数据信号，FPGA根据DS90CR288输出的时序信号，将解码后的图像数据读入到FPGA内部。

2.3 附加信息的接收

附加信息包括角度信息和时间信息两部分，通讯方式为异步串行通讯，波特率为230.4Kbps，时间信息采样频率为100Hz，角度信息采样频率为每秒1000帧。

为了实现异步串行通讯，系统采用高度集成化的方法，在FPGA内部编写符合异步串行通讯的逻辑时序，可以根据需要设置串行通讯格式，包括停止位、起始位、校验位以及通讯波特率等参数。在对串行数据的解串操作完成后，可以由FPGA读取恢复成具有伴随时钟的8位并行数据，。

2.4 图像数据和附加信息的统一编码

FPGA读取图像数据和附加信息后，首先对二者统一编码，考虑到图像数据最后是由记录终端通过Camera Link采集卡读取，所以最终要将统一编码的图像和附加信息数据仍以Camera Link通讯模式发送出去。统一编码后的数据发送时序要和原图像时序基本一致，同时在每帧图像信息中包括角度信息和时间码等附加信息。

2.4.1确立统一编码方法

通过多次实验，总结出2种统一数据编码方法：

A）不改变原图像的时序，即像元数为1280（H）1024（V），帧频为100Hz，利用最后一行信息记录附加信息。

B）改变原图像的时序，每帧增加一行数据，即像元数为1280（H）1025（V），帧频为100Hz，同样利用最后一行记录附加信息。

通过比较，两种方法各有优缺点，方法A优点是不改变原图像格式，没有加数据量，但是损失了一行有效图像。方法B优点是图像没有损失，但是改变了图像的原有格式，增加了一行的数据量。根据经纬仪工作特点，在实际工作过程中，目标往往是位于图像的中心区域，因此，系统中采用了方法A。

2.4.2统一编码方法的实现

根据2.4.1中对方法A的论述，同步记录的关键在于在每帧图像的第1280行，记录附加信息。图像时序关系如图3所示。

由图2可以看出，图像信息、角度信息以及时间信息的输出时刻并不相同，考虑到图像信息的解码，异步串行数据的解码，以及中间线路的传输等客观因素，这对到达FPGA内部的图像信号和附加信息解串后的并行信号之间的同步性会有一定的影响。所以有必要对图像数据、附加信息进行缓冲再进行同步操作。

存储系统中在FPGA内部引入了FIFO，利用FIFO乒乓操作实现数据的缓冲以及再同步功能。

图4是主要时序仿真图，图中主要包括如下输入输出信号：Fifo1_Wrreq和Fifo2_Wrreq两个FIFO写请求信号； Fifo_Rdclk和Fifo_Wrclk分别是两个FIFO的读时钟和写时钟；Fifo1_Rdreq，Fifo2_Rdreq分别是两个FIFO的读请求信号；Fifo1_Rst，Fifo2_Rst分别是两个FIFO的复位信号；Data_in是由DS90CR288转换而来的28位并行TTL信号；Data_out是从FIFO中读出的数据。由图4可见：通过FIFO的缓冲机制，可以将两路异步的数据转换为FPGA可用的同步数据。

2.4.3 同步数据的输出

由于同步数据输出的方式也是Camera Link方式，利用DS90CR287实现LVDS信号和TTL信号之间的转换。把28路TTL信号和1路TTL时钟信号转换为4路LVDS数据信号和1路LVDS时钟信号，由图像采集卡接收数据，完成最终的同步数据记录功能。

3 结论

经过连续不断电高风险测试，光电经纬仪图像记录没有发现丢帧和错帧现象。同时，通过使用MC1302、1M60、长波红外等多种相机，均可实现图像和附加信息同步记录的功能。

实践证明：在经纬仪中使用把图像数据及附加信息统一编码传输到图像存储系统终端记录的方法，有效地解决了以往出现的图像和同步信息间错帧丢帧的问题，极大地提高了图像存储系统的可靠性。该记录方法满足经纬仪图像和附加信息同步记录的要求。

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作者单位

92853部队 辽宁省葫芦岛市 125106