eng
Выпуск #2/2019
М. В. Агринский, А. В. Голицин, В. В. Старцев
Проект комплекса гиперспектрального дистанционного зондирования земель с помощью БПЛА. Часть 1
Проект комплекса гиперспектрального дистанционного зондирования земель с помощью БПЛА. Часть 1
Просмотры: 3705
С помощью беспилотного летательного аппарата, оборудованного гиперспектральной аппаратурой, можно с высоким разрешением собрать спектрально-топологическую информацию об интересующем локальном районе. Такие возможности открывают большой потенциал использования гиперспектральных комплексов в мониторинге за использованием и состоянием земель сельскохозяйственного назначения. Для целей получения детальной, а не интегральной спектральной информации рассмотрена элементная база, выбраны структурные элементы и создана практическая модель отечественного комплекса гиперспектрального зондирования. В первой части статьи рассмотрена конструкция телевизионной камеры и ее взаимодействие с сопрягаемыми узлами.
DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2019.13.2.184.201
DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2019.13.2.184.201
Теги: hyperspectral equipment monitoring the use and condition of agricultural land television camera uavs бпла гиперспектральное оборудование мониторинг за использованием и состоянием земель сельскохозяйств телевизионная камера
Статья поступила в редакцию 16.11.2018
Статья принята к публикации 24.11.2018
Наблюдение за использованием и состоянием земель сельскохозяйственного назначения – необходимый элемент системы регулирования агропромышленного комплекса. Информация о наличии и использовании пахотных земель должна содержать данные о пространственном размещении используемых пахотных земель и посевов сельскохозяйственных культур, а также данные оперативного обнаружения заболеваний хозяйственно значимых растений, степени поражений посевов различными фитопатогенами и оценки состояния земель. Таким образом, создание комплекса мониторинга земель сельскохозяйственного назначения связано с задачами обеспечения заинтересованных пользователей информацией о площадях пахотных земель и посевов различных типов, их продуктивности, оперативной информацией о их состоянии.
Для реализации задач мониторинга сельскохозяйственных угодий и получения объективной информации об их использовании и состоянии предлагается использовать методы дистанционного зондирования сельскохозяйственных земель с помощью беспилотных летательных аппаратов, оснащенных аппаратурой для проведения авиационной цифровой съемки протяженных площадей и объектов. Применение современных данных дистанционного зондирования позволяет оптимизировать и повысить эффективность территориальной организации сельского хозяйства.
Типичными задачами здесь являются:
• обеспечение текущего контроля за состоянием посевов сельскохозяйственных культур;
• раннее прогнозирование урожайности сельскохозяйственных культур;
• мониторинг темпов уборки урожая одновременно по территориям крупных регионов;
• оперативного мониторинга обнаружения заболеваний растений и степени поражений различными фитопатогенами;
• определение емкости пастбищ различных типов и продуктивности сенокосов и др.
При дистанционном зондировании (ДЗ), наряду с многоспектральными системами, все более широкое применение находят гиперспектральные системы, установленные на беспилотный летательный аппарат (БПЛА). Уникальность гиперспектральной системы заключается в ее возможности фиксировать излучение в сотнях очень узких спектральных диапазонах, которые позволяют оценить физико-химические свойства исследуемых объектов. Среди наиболее актуальных проблем мониторинга, решаемых с помощью гиперспектральных сенсоров, можно выделить следующие:
• определение фенофаз развития растений и своевременное выявление их аномалий;
• обнаружение процессов полегания, вымокания и увязания посевов, связанных с недостатком влаги;
• контроль фитосанитарного состояния посевов и лесных массивов;
• наблюдение за динамикой развития сельскохозяйственных культур и прогнозирование урожайности посевов.
Эти задачи могут быть успешно решены с помощью беспилотного летательного аппарата, оборудованного гиперспектральной аппаратурой, который сможет обеспечить сбор спектрально-топологических данных высокого разрешения в интересующем районе без значительных затрат.
Анализ современных разработок гиперспектрального оборудования показал, что состав отечественных перспективных разработок в основном представлен гиперспектральными приборами космического назначения. Для использования в наземном пространстве приборов гиперспектральной съемки, установленных на БПЛА, рынок предлагает продукцию фирм XIMEA, Resonon, Cubert и некоторых других. Однако эти приборы обеспечивают получение лишь интегральной (площадной), а не детальной информации и, кроме того, имеют высокую цену. Мы создали практическую модель отечественного гиперспектрометрического комплекса, предназначенного для наблюдения за использованием и состоянием земель сельскохозяйственного назначения с помощью беспилотного летательного аппарата (БПЛА). В настоящей работе проведен анализ принципов работы, рассмотрена элементная база, обоснован выбор структурных элементов.
УСТРОЙСТВО ГИПЕРСПЕКТРОМЕТРА
Проведем анализ устройства гиперспектрометра для понимания принципов его работы и определения возможных составных частей его конструкции.
Гиперспектрометр – прибор, осуществляющий съемку изображения исследуемой поверхности, причем для каждой точки этого изображения можно получить спектр яркости отраженного излучения в заданном диапазоне электромагнитного излучения. Спектр яркости представляется ограниченным набором спектральных каналов с заданными полосами пропускания.
Наиболее распространенными на сегодняшний день являются гиперспектрометры, которые в каждый момент времени регистрируют узкий отрезок поверхности под собой. Такие гиперспектрометры относятся к типу «pushbroom». Функциональная схема гиперспектрометра типа pushbroom показана на рис. 1. Гиперспектрометр включает в себя оптическую систему формирования изображения, спектроделитель и фотоприемное устройство.
Формирование изображения узкого отрезка поверхности производится посредством щели, которая устанавливается на задней фокальной плоскости входного объектива. После коллимирующего объектива изображение в параллельных лучах попадает на спектроделитель, в качестве которого может использоваться плоская одномерная дифракционная решетка, где происходит разложение в спектр и затем проецируется на фотоприемную матрицу камеры телевизионной.
Оптическая система и дифракционная решетка гиперспектрометра формируют на фотоприемной матрице изображение. По одной оси изображения отложена Y координата узкой полоски поверхности Земли (см. рис. 1), по другой λ – длина волны, отражаемого от поверхности Земли излучения, а величина заряда, накапливаемого внутри каждого элемента матрицы (пиксела), пропорциональна спектральной плотности излучения на данной длине волны. Таким образом, на фотоприемной матрице получается набор спектральных зависимостей отраженного от поверхности Земли излучения в зависимости от координаты Y определенного участка поверхности Земли.
Величина полосы по Y определяется углом поля зрения камеры телевизионной α и высотой полета летательного аппарата.
Вследствие того, что летательный аппарат, на котором находится гиперспектрометр, движется вдоль координаты X (см. рис. 1), то происходит сканирование поверхности Земли в направлении X.
В качестве фотоприемника используется матричное фотоприемное устройство (матрица). Для управления матрицей, организации съема и сохранения и выдачи цифровых видеоданных используется программируемая логическая интегральная схема (ПЛИС) со встроенным процессором, которая в совокупности представляет собой камеру телевизионную [1−3].
Далее приведем анализ основных составных частей гиперспектрометра для обоснованного выбора структурных элементов.
АНАЛИЗ КОНСТРУКЦИИ КАМЕРЫ ТЕЛЕВИЗИОННОЙ
Камера телевизионная (КТ) предназначена для работы в составе гиперспектральной камеры на борту беспилотного летательного аппарата (БПЛА). КТ преобразует оптическое изображение, спроецированное оптической системой на фотоприемник телевизионной камеры, в видеосигнал изображения и выдает его в цифровом и аналоговом виде в сопрягаемые системы.
Основные технические характеристики
1. Число фоточувствительных элементов матрицы, используемых для формирования выходного видеосигнала 2 048 Ч 2 048 элементов (пикселов), с размером фоточувствительного элемента 5,5 Ч 5,5 мкм.
2. Размер активной зоны фоточувствительного поля матрицы составляет 11,264 мм по горизонтали и 11,264 мм по вертикали (диагональ 15,8 мм);
3. Спектральный диапазон работы КТ определяется спектральными характеристиками фотоприемника (справочный параметр) и составляет от 0,4 до 1,0 мкм.
4. КТ работает в режиме прогрессивной развертки и имеет разрешающую способность по строке на цифровом выходе в центральной зоне поля зрения не менее 750 телевизионных линий при освещенности в плоскости фоточувствительной поверхности матрицы не менее 10 лк и глубине модуляции 5%.
5. Рабочий диапазон освещенностей на фоточувствительной матрице КТ простирается от минимальной 0,2 лк до максимальной 700 лк с автоматической регулировкой чувствительности во всем диапазоне освещенностей на фотоприемнике.
6. КТ обеспечивает выходной цифровой видеосигнал по каналу Base Camera Link без сжатия видеоизображения, тип развертки – прогрессивный с частотой кадров не менее 50 Гц.
7. КТ обеспечивает выходной аналоговый видеосигнал по ГОСТ 7845-92 (для черно-белого изображения), используемый при технологических проверках и настройках.
8. Электропитание КТ осуществляется от бортовой системы электроснабжения постоянного тока основного объекта напряжением от 22 до 29 В, потребляемая мощность не превышает 10 Вт.
9. Время готовности КТ к работе с момента подачи питания не превышает 10 с.
Выбор типа преобразователя свет-сигнал
Главным структурным элементом цифровой телевизионной камеры, обеспечивающим реализацию основных характеристик камеры (разрешающей способности, частоте кадров, динамического диапазона и т. д.), является преобразователь свет–сигнал в качестве которого используются полупроводниковые твердотельные матричные фотоприемные устройства или матрицы.
В настоящее время в современных цифровых телевизионных камерах в основном используются два типа матриц: ПЗС-матрицы (рис. 2) (прибор с зарядовой связью, англ. Charge Coupled Device, CCD) и КМОП-матрицы (комплементарный металлооксидный полупроводник, англ. Complementary Metal Oxide Semiconductor, CMOS).
В ПЗС- и КМОП-матрицах для преобразования света в электрический сигнал изображения используются фотодиоды. Однако их принцип работы существенно различается.
В приборах с зарядовой связью падающий свет, регистрируемый фотодиодом каждого пиксела, преобразуется в электрический заряд (рис. 3). Заряд пиксела перемещается в вертикальную «транспортную шину», расположенную сбоку от пиксела. Прилагаемое напряжение затем перемещает заряды по вертикальным и горизонтальным транспортным шинам, пока они не достигнут усилителя. На выходе получается аналоговый сигнал с различным напряжением (в зависимости от количества света, попавшего на пиксел). Перед обработкой этот сигнал пересылается на отдельный (расположенный вне чипа) аналого-цифровой преобразователь, и получившиеся цифровые данные преобразуются в байты, представляющие строчку изображения, полученного сенсором.
Так как ПЗС-устройства передают электрический заряд, который обладает низким сопротивлением и меньше подвержен помехам других электронных компонентов, то результирующий сигнал, как правило, содержит меньше различных шумов по сравнению с сигналом КМОП-сенсоров.
Информация с каждой чувствительной ячейки считывается последовательно, что не позволяет сделать следующий кадр до того, как считаются все данные прошлого кадра (в данный момент от этой проблемы частично избавились, увеличив буфер памяти). Это не позволяет использовать ПЗС-технологии в потоковой видеозаписи, поэтому данные матрицы постепенно вытесняются технологией КМОП, матрицы которых могут производить видеозапись посредством самой матрицы.
В конструкции ПЗС-матриц существует проблема, называемая «тянущиеся продолжения» («смаз»). Они возникают, когда очень яркий падающий свет за счет утечки попадает на вертикальную транспортную шину и создает избыточный заряд, который проявляется на изображении как яркая вертикальная полоса. Однако радикально проблема смаза решается в приборах с межстрочным переносом, завоевавших доминирующее положение на рынке бытовой видеотехники.
В отличие от матриц с кадровым переносом, функции накопления заряда и его переноса здесь разделены. Заряд из элементов накопления (это, как правило, фотодиоды – они тоже обладают емкостью и способны накапливать заряд) передается в закрытые от света ПЗС-регистры переноса, то есть секция переноса как бы вставлена в секцию накопления. Теперь перенос зарядового рельефа всего кадра происходит за один такт, и «смаз», связанный с переносом, не возникает. По сравнению с матрицами с кадровым переносом фактор заполнения в матрицах с межстрочным переносом примерно вдвое меньше, так как около половины площади фоточувствительной поверхности закрыто от света.
Подобная структура также требует высоких напряжений для попеременного открывания и закрывания затворов, которые должны иметься в составе всех пикселов для управления временной последовательностью потока зарядов.
Мощность, потребляемая ПЗС-матрицами, особенно велика для формата высокой четкости, когда требуется быстрое считывание большого числа пикселов. ПЗС обладают лучшей квантовой эффективностью и низким уровнем шумов и обеспечивают гибкость с точки зрения затрат при разработке системы. Они продолжают господствовать там, где требуется наилучшее качество изображения, например, в большинстве промышленных, научных и медицинских применений.
В КМОП-датчиках каждый пиксел имеет свой преобразователь заряда в напряжение (рис. 4). И датчик часто содержит схемы для оцифровки, благодаря чему на выход микросхемы поступает цифровой сигнал. Сечение пиксела КМОП-матрицы приведено на рис. 5.
Эти дополнительные функциональные узлы отнимают площадь кристалла, доступную для сбора падающего света. Кроме того, однородность выходов, ключевой фактор качества изображения), у этих датчиков хуже, так как каждый пиксел имеет свой преобразователь. Но, с другой стороны, КМОП-датчик требует меньше внешних схем для выполнения основных операций.
Проблема с тянущимися продолжениям и здесь отсутствует, так как падающий свет не оказывает воздействия на электрический сигнал. Вместо затворов в КМОП-матрице используются переключатели и внутренние цепи, управляющие последовательностью выходных сигналов. Использование внутренних переключателей позволяет существенно снизить потребляемую мощность при ускорении процесса одновременного считывания большого числа пикселов. Эффективность считывания оказывается вполне достаточной для поддержки прогрессивного разложения HD изображений. В одночиповых КМОП-датчиках становится принципиально возможным одновременное считывание сигналов R, G и В.
КМОП-датчики обеспечивают большую интеграцию (больше функций на кристалле), меньшую рассеиваемую мощность (на уровне кристалла) и меньший размер системы за счет качества изображения и гибкости. Они хорошо подходят для малогабаритных изделий.
Стоимость кристаллов для обоих типов датчиков (ПЗС и КМОП) примерно одинакова. Раньше сторонники установки КМОП-датчиков утверждали, что они намного дешевле, так как их можно изготавливать на тех же технологических линиях, что и большинство микросхем логики и памяти высокой плотности. Это оказалось не так. Чтобы получить хорошее качество изображения, для производства КМОП-датчиков требуются специальные технологические процессы, характерные для устройств обработки смешанных сигналов низкой плотности. КМОП-датчики также требуют больше кремния на пиксел. КМОП-камера может содержать меньше компонентов и потреблять меньшую мощность, но она может также потребовать применения схем обработки сигнала для компенсации потерь качества изображения.
Чтобы повысить эффективность сбора фотонов, используется микрорастр – массив небольших микролинз. Он формируется очень просто: на поверхность пластины с уже формированными структурами матрицы наносится слой оптической легкоплавкой пластмассы, из которого методом фотолитографии вырезаются изолированные квадратики, лежащие над каждым элементом. Зазор между отдельными квадратиками невелик. Затем пластина нагревается, пластмасса подплавляется, и поверхность отдельных квадратиков приобретает близкую к сферической форму, фокусируя приходящий на ее поверхность свет на фоточувствительный элемент матрицы (рис. 6).
Для получения максимально качественных изображений с минимумом шумов лучше использовать ПЗС-матрицы. Однако при необходимости вести высокоскоростную съемку оптимальным выбором будет КМОП-матрица. Для съемки научных экспериментов, регистрации быстропротекающих процессов, наладки и контроля технологических процессов в производстве широко используются высокоскоростные видеокамеры на базе КМОП-матриц.
В настоящее время наблюдается значительный прогресс в технологии КМОП-матриц, их характеристики приближаются к характеристикам ПЗС-матриц. Однако в ряде задач КМОП-матрицы обладают существенными преимуществами, например, при необходимости произвольной выборки по координатам, при реализации процессов слежения за объектом с помощью окна (области) заданного размера, который может меняться в процессе слежения, а также при необходимости аппаратной обработки данных (в самой КМОП-матрице) в режиме реального времени.
Технология ПЗС существует уже более 30 лет, и на сегодня в рамках этой технологии разработаны многочисленные модификации, приспособленные для решения разных задач.
Недостаток матриц, изготовленных по этой технологии, – ограничение тактовой частоты считывания величиной 30–40 МГц. Для преодоления этого недостатка разработчикам матриц приходится делать несколько выходных устройств, что в свою очередь приводит к сложным проблемам выравнивания уровня черного и линейности усиления. На изображении это проявляется как разная яркость половинок или четвертинок изображения (в зависимости от того, два или четыре выхода используются).
Кроме того, схемотехника ТВ-камер, разработанных на базе ПЗС-матриц, существенно сложнее, чем у ТВ-камер, построенных на базе КМОП-матриц, что приводит еще и к увеличению потребления этих ТВ-камер.
Технология КМОП имеет преимущество – дешевизна производства (матрицы производятся по хорошо отработанной КМОП-технологии) и возможность размещать схемотехнические решения для обработки сигнала с матрицы на одном кристалле с самой матрицей. Таким образом, микросхема может содержать не только преобразователь свет-сигнал, но и аналого-цифровой преобразователь (АЦП), синхрогенератор и т. д.
Недостатком данной технологии до последнего времени являлись более низкая чувствительность матриц и ограниченная регулировка времени накопления (shutter).
Однако в последнее время новые технологические достижения в разработке КМОП-матриц позволили в значительной степени преодолеть эти недостатки и привели к появлению современных сенсоров, сопоставимых с ПЗС-матрицами по чувствительности и уровню шумов, которые, вкупе с большой кадровой частотой, делают их незаменимыми для огромного количества применений.
Семейство высокоскоростных КМОП-сенсоров с кадровым затвором имеют разрешение от VGA до 20 миллионов пикселов. Сенсоры состоят из матриц пикселов конвейерного типа с «кадровым» затвором, позволяющих производить экспозицию во время считывания предыдущего кадра, а также осуществлять двойную коррелированную выборку (ДКВ), значительно уменьшающую долю шумов и темновых токов в полезном сигнале.
Отличительной чертой современных КМОП-сенсоров является их сверхвысокая кадровая частота при полном разрешении и возможность ее увеличения посредством частичного считывания, оконного режима и режима субдискретизации.
Схема считывания состоит из цифровых последовательных выходов LVDS. Сенсор включает в себя усилитель с программируемым коэффициентом усиления и имеет возможность регулировки смещения. Все настройки, как правило, производятся через последовательный периферийный интерфейс SPI. Внутренний тактовый генератор выдает сигналы синхронизации, необходимые для считывания и управления экспозицией. Внешнее управление экспозицией также возможно. В зависимости от модели сенсоры поддерживают 8-, 10- и / или 12-битный АЦП.
Отличительные особенности КМОП-сенсоров:
• высокая частота кадров;
• возможность выделения нескольких областей интереса;
• встроенная ФАПЧ (фазовая автоподстройка частоты);
• встроенный датчик температуры;
• встроенный тактовый генератор;
• интерфейс SPI;
• монохромная и цветная версии.
КМОП-сенсоры находят широкое применение в следующих областях:
• машинное зрение;
• высокоскоростной контроль;
• телевещание;
• аэрофотосъемка;
• космос / астрономия;
• видеонаблюдение.
Для сравнения приведем характеристики наиболее высококачественных матриц, созданных по ПЗС- и КМОП-технологиям (см. табл. 1).
Матрица KAI‑02050 создана по ПЗС технологии, имеет 4 выхода (для обеспечения высокой кадровой частоты) и, соответственно, требует четыре АЦП, много драйверов для управления фазами матрицы, несколько источников питания для обеспечения работы матрицы. Кроме того, ее чувствительность уступает матрице EV76C560.
Матрица EV76C560 фирмы E2V при испытаниях показала следующие результаты: при освещенности в плоскости матрицы 5 · 10–3 лк отношение сигнал-шум S / N = 4 при экспозиции 40 мс. В данной матрице есть возможность также использовать 2 разных метода считывания сигнала с матрицы – так называемые режимы Global shutter и Rolling shutter.
Global shutter – это считывание заряда со всех пикселов матрицы одновременно, а Rolling shutter – это последовательное считывание строк матрицы. Следовательно, при наличии движущегося объекта в кадре при экспозиции типа Global shutter будет «смаз», величина которого зависит от скорости объекта наблюдения и времени экспозиции, а при экспозиции типа Rolling shutter объект будет искажен геометрически, т. к. разные его части будут считаны в разное время.
Однако при Rolling shutter в КМОП-матрице существенно меньше шум (отношение сигнал / шум S / N = 8 при освещенности 5 · 10–3 лк и экспозиции 40 мс). Режимы считывания переключаются командами по последовательному интерфейсу с матрицей в процессе работы.
Также в этой матрице впервые для матриц, изготовленных по КМОП-технологии, введен режим биннинга (объединение четырех рядом расположенных пикселов в один). Это обеспечивает в условиях низкой освещенности повышение чувствительности за счет уменьшения пространственного разрешения в два раза.
Уровень чувствительности этой матрицы в режиме биннинга и Rollig shutter приближается к характеристикам наиболее чувствительных ПЗС матриц (например, матрицы SONYICX429ALL).
Проведенные нами испытания матрицы CMV4000 фирмы CMOSIS показали, что чувствительность этой матрицы несколько уступает матрице EV76C560, кроме того, режимов биннинга и Rollingshutter в этой матрице не имеется, однако эта матрица позволяет формировать изображение с частотой до 180 кадр / с.
На основании анализа вышеприведенных материалов целесообразно в телевизионной камере для гиперспектрального канала применить КМОП-матрицу CMV4000ES‑3E5M1PP и цветную CMV4000ES‑3E5C1PP соответственно. В табл. 2 приведены основные технические характеристики КМОП-матрицы CMV4000ES.
Анализ структурной схемы камеры телевизионной
Ниже приведено описание разработанной нами для работы в составе гиперспектрометра телевизионной камеры.
Структурная схема камеры телевизионной (КТ) изображена на рис. 7.
Камера телевизионная состоит из следующих модулей:
• видеосенсора;
• модуля цифровой обработки (МЦО);
• модуля питания.
Видеосенсор представляет собой матричное фотоприемное устройство (МФПУ), работающее в видимом диапазоне длин волн 0,4–1,0 мкм. В качестве видеосенсора используется КМОП-матрица CMV4000 форматом 2 048 Ч 2 048 пикселов фирмы CMOSIS (Бельгия).
Видеосенсор на матрице CMV4000 осуществляет преобразование изображения с фоточувствительной поверхности матрицы в массив цифровых данных, который далее поступают в модуль цифровой обработки.
Модуль цифровой обработки (МЦО) обеспечивает реализацию следующих функций:
• ввод цифровых данных, поступающих от видеосенсора;
• обработку сигналов от видеосенсора и преобразование их в требуемый формат изображения при передаче пиксел в пиксел;
• формирование выходного цифрового видеосигнала, выдаваемого с частотой кадров 50 Гц по 5 LVDS парам, используя протокол Base Camera Link;
• формирование стандартного аналогового видеосигнала по ГОСТ 7845-92 на видеовыход при нагрузке (75 ± 7,5) Ом для технологических целей;
• регулировку времени накопления видеоинформации в ручном и автоматическом режиме;
• возможность изменения положения и размера окна видеоданных;
• встроенный контроль готовности;
• дополнительную обработку изображения.
МЦО выполнен на базе ПЛИС CYCLONEIII фирмы ALTERA, обеспечивающей гибко программируемую логику управления телевизионной камерой и необходимую обработку сигнала. Пониженное потребление по сравнению с предыдущими поколениями ПЛИС (CYCLONEII) обеспечивает необходимый тепловой режим телевизионной камеры.
В ПЛИС реализуются все виды обработки сигнала, буферизация данных в ОЗУ, цифровые сигналы управления видеосенсором.
На ПЛИС реализовано управление ЦАП для вывода аналогового телевизионного сигнала по ГОСТ 7845–92, цифрового видеосигнала по 5 LVDS парам, используя протокол в формате CameraLink. ПЛИС также принимает управляющую информацию от сопрягаемого оборудования и выдает телеметрию по интерфейсу CAN2.0b.
Модуль питания, размещаемый в камере, формирует вторичные источники для электропитания ПЛИС, матрицы, ОЗУ, ПЗУ, АЦП, цифровой и аналоговой части телевизионной камеры. Модуль питания обеспечивает выходные стабилизированные напряжения для питания составных частей камеры телевизионной при входном напряжении питания 22–29 В.
Модуль питания имеет гальваническую развязку по входу, фильтр синфазных помех и выходные фильтры.Основные технические характеристики камеры телевизионной приведены в табл. 3.
Взаимодействие с сопрягаемыми изделиями
Выходной информацией КТ является цифровой и аналоговый видеосигнал изображения, выдаваемый по 5-ти парам LVDS, с использованием протокола Base Camera Link и ГОСТ 7845-92 соответственно. Аналоговый видеосигнал используется для технологических целей.
Управление режимами работы КТ и режимами вывода видеоинформации осуществляется по внешним командам (сигналам), поступающим по цифровому интерфейсу CAN2.0b согласно ISO‑11898 (управление режимами работы КТ возможно осуществлять по цифровому последовательному интерфейсу RS‑485). Информация о состоянии КТ (сигналы готовности, исправности и т. д.) выдается в оптико-электронную систему по цифровому интерфейсу CAN2.0b.
Для формирования выходного видеосигнала в режиме внешней синхронизации в КТ от внешней аппаратуры поступают синхроимпульсы с периодом повторения не менее 10 мс.
Интерфейс LVDS (Low Voltage Differential Signaling – низковольтный дифференциальный сигнал) использует дифференциальную передачу сигналов с малыми сигнальными уровнями. Наиболее часто LVDS- передатчик и приемник используются в конфигурации точка- точка.
Интерфейс LVDS обеспечивает высокую скорость передачи данных. Амплитуда дифференциального сигнала равна 350 мВ, что позволяет сделать более резкие фронты сигналов и теоретически возможную скорость передачи данных 1,923 Гбит / сек в среде без потерь. Этот интерфейс нечувствителен к синфазным наводкам до ±1 В на дифференциальные входы. Так как LVDS использует при передаче информации режим переключения тока, то при проектировании устройств необходимо особое внимание уделять энергоемкости и электромагнитным наводкам на соседние шины, что является платой за скорость.
Передатчик управляет дифференциальной линией. В линию выдается токовая посылка с током 3,5 мА. Нагрузкой линии служат параллельно включенные дифференциальный LVDS-приемник и 100 Ом резистор. Сам приемник имеет высокое входное сопротивление, и основное формирование сигнала происходит на нагрузочном резисторе. При токе линии 3,5 мА на нем формируется падение напряжения 350 мВ, которое и детектируется приемником. При переключении направления тока в линии меняется полярность напряжения на нагрузочном резисторе, формируя состояния логического нуля и логической единицы.
Используемая схема передачи имеет целый ряд преимуществ. LVDS-интерфейс имеет высокую скорость передачи данных. Определенная стандартом максимальная скорость составляет до 622 Мбит / с, что сравнимо с оптическим интерфейсом. При этом реальное быстродействие LVDS-канала ограничивается двумя факторами: скоростью подачи и съема данных и параметрами среды передачи.
Используемый дифференциальный метод передачи сигналов позволяет максимально снизить влияние внешних наводок. Малое изменение напряжения, симметричные линии передачи и низкое нарастание напряжения (1 В / нс) обусловливают малый уровень наводок от самого интерфейса. В свою очередь, малый уровень перекрестных наводок и низкая чувствительность к внешним наводкам позволяют использовать высокую плотность соединений как на печатной плате, так и в кабеле. Метод передачи LVDS не зависит от напряжения питания и работает при напряжении питания передатчика и приемника 5 В, 3 В или 2,5 В. При этом сопряжение устройств с разным напряжением питания не является проблемой.
Используемый метод передачи позволяет также существенно снизить энергопотребление интерфейса. На 100 Ом нагрузке LVDS при падении напряжения 400 мВ составляет 1,2 мВт. Для сравнения, интерфейс RS‑422 имеет рассеиваемую мощность на нагрузке порядка 90 мВт, что в 75 раз больше.
Следует отметить и простоту терминирования сигнальных LVDS-линий – для этого требуется всего один резистор для каждой пары, и все. Для сравнения, другие скоростные методы требуют пары резисторов, один из которых подключается на землю, а второй к питанию, причем зачастую не напрямую, а через специальный источник.
Цифровой интерфейс CameraLink, основанный на интерфейсе LVDS, представляет собой последовательный протокол передачи данных, разработанный для задач машинного зрения. Диапазон частот интерфейса Camera Link позволяет работать с камерами, разрешающая способность которых достигает мегапикселов, а скорость – нескольких сотен кадров в секунду. Для камер, рассчитанных на пропускную способность канала 100–850 Мбайт / с, рекомендуется использовать стандартизованный интерфейс Camera Link.
Поскольку Camera Link был разработан специально для камер машинного зрения, он гарантирует очень высокую скорость видеосигнала, простоту использования и сохранность данных. Интерфейс Camera Link имеет три варианта конфигурации Base, Medium и Full. Скорость для разных вариантов конфигурации: Base – 255 Mбайт / с, Medium – 510 Mбайт / с; Full – 850 Mбайт / с.
Информационное взаимодействие КТ с сопрягаемыми системами в составе гиперспектральной камеры оформляется соответствующими схемами связей и протоколами взаимодействия, определяющими логику взаимодействия, параметры и сигналы связей, разрабатываемыми и согласуемыми на этапе разработки КД [4−6].
Электропитание и оценка энергопотребления
Электропитание КТ осуществляться постоянным напряжением от 22 до 29 В от источника питания основного объекта. Коэффициент пульсации в цепи питания от 22 до 29 В не более 7,4%. Мощность, потребляемая КТ от источника питания – не более 10 Вт. КТ имеет защиту от перегрузок в электрических цепях и короткого замыкания при неправильном подключении к источникам электропитания цепей питания.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Гонсалес Р., Вудс Р. Цифровая обработка изображений / Пер. с англ. под ред. Чочиа П.А. – М.: Техносфера. 2005.
Gonsales R., Vuds R. Cifrovaya obrabotka izobrazhenij / Per. s angl. pod red. Chochia P.A. – M.: Tekhnosfera. 2005.
2. Brailean J.C., Kleihorst R.P., Efstratiadis S., Katsaggelos A.K., Lagendijk R.L. Noise Reduction Filters for Dynamic Image Sequences: A Review. Proceedings of IEEE, 2015; 83(9): 1272–1292.
3. Голицын А. В., Ефремов В. С., Шлишевский В. Б. Некоторые варианты оптических систем на основе жидкостных элементов. Сборник трудов XI Международной конференции «Прикладная оптика–2014». – СПб.: Опт. общ. им. Д.С. Рождественского. 2014; 3: 55.
Golicyn A. V., Efremov V. S., Shlishevskij V. B. Nekotorye varianty opticheskih sistem na osnove zhidkostnyh elementov. Sbornik trudov XI Mezhdunarodnoj konferencii «Prikladnaya optika–2014». – SPb.: Opt.obsh. im. D.S. Rozhdestvenskogo. 2014; 3: 55.
4. Каталог продукции. Камеры телевизионные ОКТБ «Омега» http://new.oktb-omega.ru/index.php/produktsiya
Katalog produkcii. Kamery televizionnye OKTB «Omega» http://new.oktb-omega.ru/index.php/produktsiya
5. https://www.sony-semicon.co.jp/products_en/new_pro/october_2013/icx808ala_e.html.
6. https://www.onsemi.com/pub/Collateral/KAI-02150-D.PDF.
Статья принята к публикации 24.11.2018
Наблюдение за использованием и состоянием земель сельскохозяйственного назначения – необходимый элемент системы регулирования агропромышленного комплекса. Информация о наличии и использовании пахотных земель должна содержать данные о пространственном размещении используемых пахотных земель и посевов сельскохозяйственных культур, а также данные оперативного обнаружения заболеваний хозяйственно значимых растений, степени поражений посевов различными фитопатогенами и оценки состояния земель. Таким образом, создание комплекса мониторинга земель сельскохозяйственного назначения связано с задачами обеспечения заинтересованных пользователей информацией о площадях пахотных земель и посевов различных типов, их продуктивности, оперативной информацией о их состоянии.
Для реализации задач мониторинга сельскохозяйственных угодий и получения объективной информации об их использовании и состоянии предлагается использовать методы дистанционного зондирования сельскохозяйственных земель с помощью беспилотных летательных аппаратов, оснащенных аппаратурой для проведения авиационной цифровой съемки протяженных площадей и объектов. Применение современных данных дистанционного зондирования позволяет оптимизировать и повысить эффективность территориальной организации сельского хозяйства.
Типичными задачами здесь являются:
• обеспечение текущего контроля за состоянием посевов сельскохозяйственных культур;
• раннее прогнозирование урожайности сельскохозяйственных культур;
• мониторинг темпов уборки урожая одновременно по территориям крупных регионов;
• оперативного мониторинга обнаружения заболеваний растений и степени поражений различными фитопатогенами;
• определение емкости пастбищ различных типов и продуктивности сенокосов и др.
При дистанционном зондировании (ДЗ), наряду с многоспектральными системами, все более широкое применение находят гиперспектральные системы, установленные на беспилотный летательный аппарат (БПЛА). Уникальность гиперспектральной системы заключается в ее возможности фиксировать излучение в сотнях очень узких спектральных диапазонах, которые позволяют оценить физико-химические свойства исследуемых объектов. Среди наиболее актуальных проблем мониторинга, решаемых с помощью гиперспектральных сенсоров, можно выделить следующие:
• определение фенофаз развития растений и своевременное выявление их аномалий;
• обнаружение процессов полегания, вымокания и увязания посевов, связанных с недостатком влаги;
• контроль фитосанитарного состояния посевов и лесных массивов;
• наблюдение за динамикой развития сельскохозяйственных культур и прогнозирование урожайности посевов.
Эти задачи могут быть успешно решены с помощью беспилотного летательного аппарата, оборудованного гиперспектральной аппаратурой, который сможет обеспечить сбор спектрально-топологических данных высокого разрешения в интересующем районе без значительных затрат.
Анализ современных разработок гиперспектрального оборудования показал, что состав отечественных перспективных разработок в основном представлен гиперспектральными приборами космического назначения. Для использования в наземном пространстве приборов гиперспектральной съемки, установленных на БПЛА, рынок предлагает продукцию фирм XIMEA, Resonon, Cubert и некоторых других. Однако эти приборы обеспечивают получение лишь интегральной (площадной), а не детальной информации и, кроме того, имеют высокую цену. Мы создали практическую модель отечественного гиперспектрометрического комплекса, предназначенного для наблюдения за использованием и состоянием земель сельскохозяйственного назначения с помощью беспилотного летательного аппарата (БПЛА). В настоящей работе проведен анализ принципов работы, рассмотрена элементная база, обоснован выбор структурных элементов.
УСТРОЙСТВО ГИПЕРСПЕКТРОМЕТРА
Проведем анализ устройства гиперспектрометра для понимания принципов его работы и определения возможных составных частей его конструкции.
Гиперспектрометр – прибор, осуществляющий съемку изображения исследуемой поверхности, причем для каждой точки этого изображения можно получить спектр яркости отраженного излучения в заданном диапазоне электромагнитного излучения. Спектр яркости представляется ограниченным набором спектральных каналов с заданными полосами пропускания.
Наиболее распространенными на сегодняшний день являются гиперспектрометры, которые в каждый момент времени регистрируют узкий отрезок поверхности под собой. Такие гиперспектрометры относятся к типу «pushbroom». Функциональная схема гиперспектрометра типа pushbroom показана на рис. 1. Гиперспектрометр включает в себя оптическую систему формирования изображения, спектроделитель и фотоприемное устройство.
Формирование изображения узкого отрезка поверхности производится посредством щели, которая устанавливается на задней фокальной плоскости входного объектива. После коллимирующего объектива изображение в параллельных лучах попадает на спектроделитель, в качестве которого может использоваться плоская одномерная дифракционная решетка, где происходит разложение в спектр и затем проецируется на фотоприемную матрицу камеры телевизионной.
Оптическая система и дифракционная решетка гиперспектрометра формируют на фотоприемной матрице изображение. По одной оси изображения отложена Y координата узкой полоски поверхности Земли (см. рис. 1), по другой λ – длина волны, отражаемого от поверхности Земли излучения, а величина заряда, накапливаемого внутри каждого элемента матрицы (пиксела), пропорциональна спектральной плотности излучения на данной длине волны. Таким образом, на фотоприемной матрице получается набор спектральных зависимостей отраженного от поверхности Земли излучения в зависимости от координаты Y определенного участка поверхности Земли.
Величина полосы по Y определяется углом поля зрения камеры телевизионной α и высотой полета летательного аппарата.
Вследствие того, что летательный аппарат, на котором находится гиперспектрометр, движется вдоль координаты X (см. рис. 1), то происходит сканирование поверхности Земли в направлении X.
В качестве фотоприемника используется матричное фотоприемное устройство (матрица). Для управления матрицей, организации съема и сохранения и выдачи цифровых видеоданных используется программируемая логическая интегральная схема (ПЛИС) со встроенным процессором, которая в совокупности представляет собой камеру телевизионную [1−3].
Далее приведем анализ основных составных частей гиперспектрометра для обоснованного выбора структурных элементов.
АНАЛИЗ КОНСТРУКЦИИ КАМЕРЫ ТЕЛЕВИЗИОННОЙ
Камера телевизионная (КТ) предназначена для работы в составе гиперспектральной камеры на борту беспилотного летательного аппарата (БПЛА). КТ преобразует оптическое изображение, спроецированное оптической системой на фотоприемник телевизионной камеры, в видеосигнал изображения и выдает его в цифровом и аналоговом виде в сопрягаемые системы.
Основные технические характеристики
1. Число фоточувствительных элементов матрицы, используемых для формирования выходного видеосигнала 2 048 Ч 2 048 элементов (пикселов), с размером фоточувствительного элемента 5,5 Ч 5,5 мкм.
2. Размер активной зоны фоточувствительного поля матрицы составляет 11,264 мм по горизонтали и 11,264 мм по вертикали (диагональ 15,8 мм);
3. Спектральный диапазон работы КТ определяется спектральными характеристиками фотоприемника (справочный параметр) и составляет от 0,4 до 1,0 мкм.
4. КТ работает в режиме прогрессивной развертки и имеет разрешающую способность по строке на цифровом выходе в центральной зоне поля зрения не менее 750 телевизионных линий при освещенности в плоскости фоточувствительной поверхности матрицы не менее 10 лк и глубине модуляции 5%.
5. Рабочий диапазон освещенностей на фоточувствительной матрице КТ простирается от минимальной 0,2 лк до максимальной 700 лк с автоматической регулировкой чувствительности во всем диапазоне освещенностей на фотоприемнике.
6. КТ обеспечивает выходной цифровой видеосигнал по каналу Base Camera Link без сжатия видеоизображения, тип развертки – прогрессивный с частотой кадров не менее 50 Гц.
7. КТ обеспечивает выходной аналоговый видеосигнал по ГОСТ 7845-92 (для черно-белого изображения), используемый при технологических проверках и настройках.
8. Электропитание КТ осуществляется от бортовой системы электроснабжения постоянного тока основного объекта напряжением от 22 до 29 В, потребляемая мощность не превышает 10 Вт.
9. Время готовности КТ к работе с момента подачи питания не превышает 10 с.
Выбор типа преобразователя свет-сигнал
Главным структурным элементом цифровой телевизионной камеры, обеспечивающим реализацию основных характеристик камеры (разрешающей способности, частоте кадров, динамического диапазона и т. д.), является преобразователь свет–сигнал в качестве которого используются полупроводниковые твердотельные матричные фотоприемные устройства или матрицы.
В настоящее время в современных цифровых телевизионных камерах в основном используются два типа матриц: ПЗС-матрицы (рис. 2) (прибор с зарядовой связью, англ. Charge Coupled Device, CCD) и КМОП-матрицы (комплементарный металлооксидный полупроводник, англ. Complementary Metal Oxide Semiconductor, CMOS).
В ПЗС- и КМОП-матрицах для преобразования света в электрический сигнал изображения используются фотодиоды. Однако их принцип работы существенно различается.
В приборах с зарядовой связью падающий свет, регистрируемый фотодиодом каждого пиксела, преобразуется в электрический заряд (рис. 3). Заряд пиксела перемещается в вертикальную «транспортную шину», расположенную сбоку от пиксела. Прилагаемое напряжение затем перемещает заряды по вертикальным и горизонтальным транспортным шинам, пока они не достигнут усилителя. На выходе получается аналоговый сигнал с различным напряжением (в зависимости от количества света, попавшего на пиксел). Перед обработкой этот сигнал пересылается на отдельный (расположенный вне чипа) аналого-цифровой преобразователь, и получившиеся цифровые данные преобразуются в байты, представляющие строчку изображения, полученного сенсором.
Так как ПЗС-устройства передают электрический заряд, который обладает низким сопротивлением и меньше подвержен помехам других электронных компонентов, то результирующий сигнал, как правило, содержит меньше различных шумов по сравнению с сигналом КМОП-сенсоров.
Информация с каждой чувствительной ячейки считывается последовательно, что не позволяет сделать следующий кадр до того, как считаются все данные прошлого кадра (в данный момент от этой проблемы частично избавились, увеличив буфер памяти). Это не позволяет использовать ПЗС-технологии в потоковой видеозаписи, поэтому данные матрицы постепенно вытесняются технологией КМОП, матрицы которых могут производить видеозапись посредством самой матрицы.
В конструкции ПЗС-матриц существует проблема, называемая «тянущиеся продолжения» («смаз»). Они возникают, когда очень яркий падающий свет за счет утечки попадает на вертикальную транспортную шину и создает избыточный заряд, который проявляется на изображении как яркая вертикальная полоса. Однако радикально проблема смаза решается в приборах с межстрочным переносом, завоевавших доминирующее положение на рынке бытовой видеотехники.
В отличие от матриц с кадровым переносом, функции накопления заряда и его переноса здесь разделены. Заряд из элементов накопления (это, как правило, фотодиоды – они тоже обладают емкостью и способны накапливать заряд) передается в закрытые от света ПЗС-регистры переноса, то есть секция переноса как бы вставлена в секцию накопления. Теперь перенос зарядового рельефа всего кадра происходит за один такт, и «смаз», связанный с переносом, не возникает. По сравнению с матрицами с кадровым переносом фактор заполнения в матрицах с межстрочным переносом примерно вдвое меньше, так как около половины площади фоточувствительной поверхности закрыто от света.
Подобная структура также требует высоких напряжений для попеременного открывания и закрывания затворов, которые должны иметься в составе всех пикселов для управления временной последовательностью потока зарядов.
Мощность, потребляемая ПЗС-матрицами, особенно велика для формата высокой четкости, когда требуется быстрое считывание большого числа пикселов. ПЗС обладают лучшей квантовой эффективностью и низким уровнем шумов и обеспечивают гибкость с точки зрения затрат при разработке системы. Они продолжают господствовать там, где требуется наилучшее качество изображения, например, в большинстве промышленных, научных и медицинских применений.
В КМОП-датчиках каждый пиксел имеет свой преобразователь заряда в напряжение (рис. 4). И датчик часто содержит схемы для оцифровки, благодаря чему на выход микросхемы поступает цифровой сигнал. Сечение пиксела КМОП-матрицы приведено на рис. 5.
Эти дополнительные функциональные узлы отнимают площадь кристалла, доступную для сбора падающего света. Кроме того, однородность выходов, ключевой фактор качества изображения), у этих датчиков хуже, так как каждый пиксел имеет свой преобразователь. Но, с другой стороны, КМОП-датчик требует меньше внешних схем для выполнения основных операций.
Проблема с тянущимися продолжениям и здесь отсутствует, так как падающий свет не оказывает воздействия на электрический сигнал. Вместо затворов в КМОП-матрице используются переключатели и внутренние цепи, управляющие последовательностью выходных сигналов. Использование внутренних переключателей позволяет существенно снизить потребляемую мощность при ускорении процесса одновременного считывания большого числа пикселов. Эффективность считывания оказывается вполне достаточной для поддержки прогрессивного разложения HD изображений. В одночиповых КМОП-датчиках становится принципиально возможным одновременное считывание сигналов R, G и В.
КМОП-датчики обеспечивают большую интеграцию (больше функций на кристалле), меньшую рассеиваемую мощность (на уровне кристалла) и меньший размер системы за счет качества изображения и гибкости. Они хорошо подходят для малогабаритных изделий.
Стоимость кристаллов для обоих типов датчиков (ПЗС и КМОП) примерно одинакова. Раньше сторонники установки КМОП-датчиков утверждали, что они намного дешевле, так как их можно изготавливать на тех же технологических линиях, что и большинство микросхем логики и памяти высокой плотности. Это оказалось не так. Чтобы получить хорошее качество изображения, для производства КМОП-датчиков требуются специальные технологические процессы, характерные для устройств обработки смешанных сигналов низкой плотности. КМОП-датчики также требуют больше кремния на пиксел. КМОП-камера может содержать меньше компонентов и потреблять меньшую мощность, но она может также потребовать применения схем обработки сигнала для компенсации потерь качества изображения.
Чтобы повысить эффективность сбора фотонов, используется микрорастр – массив небольших микролинз. Он формируется очень просто: на поверхность пластины с уже формированными структурами матрицы наносится слой оптической легкоплавкой пластмассы, из которого методом фотолитографии вырезаются изолированные квадратики, лежащие над каждым элементом. Зазор между отдельными квадратиками невелик. Затем пластина нагревается, пластмасса подплавляется, и поверхность отдельных квадратиков приобретает близкую к сферической форму, фокусируя приходящий на ее поверхность свет на фоточувствительный элемент матрицы (рис. 6).
Для получения максимально качественных изображений с минимумом шумов лучше использовать ПЗС-матрицы. Однако при необходимости вести высокоскоростную съемку оптимальным выбором будет КМОП-матрица. Для съемки научных экспериментов, регистрации быстропротекающих процессов, наладки и контроля технологических процессов в производстве широко используются высокоскоростные видеокамеры на базе КМОП-матриц.
В настоящее время наблюдается значительный прогресс в технологии КМОП-матриц, их характеристики приближаются к характеристикам ПЗС-матриц. Однако в ряде задач КМОП-матрицы обладают существенными преимуществами, например, при необходимости произвольной выборки по координатам, при реализации процессов слежения за объектом с помощью окна (области) заданного размера, который может меняться в процессе слежения, а также при необходимости аппаратной обработки данных (в самой КМОП-матрице) в режиме реального времени.
Технология ПЗС существует уже более 30 лет, и на сегодня в рамках этой технологии разработаны многочисленные модификации, приспособленные для решения разных задач.
Недостаток матриц, изготовленных по этой технологии, – ограничение тактовой частоты считывания величиной 30–40 МГц. Для преодоления этого недостатка разработчикам матриц приходится делать несколько выходных устройств, что в свою очередь приводит к сложным проблемам выравнивания уровня черного и линейности усиления. На изображении это проявляется как разная яркость половинок или четвертинок изображения (в зависимости от того, два или четыре выхода используются).
Кроме того, схемотехника ТВ-камер, разработанных на базе ПЗС-матриц, существенно сложнее, чем у ТВ-камер, построенных на базе КМОП-матриц, что приводит еще и к увеличению потребления этих ТВ-камер.
Технология КМОП имеет преимущество – дешевизна производства (матрицы производятся по хорошо отработанной КМОП-технологии) и возможность размещать схемотехнические решения для обработки сигнала с матрицы на одном кристалле с самой матрицей. Таким образом, микросхема может содержать не только преобразователь свет-сигнал, но и аналого-цифровой преобразователь (АЦП), синхрогенератор и т. д.
Недостатком данной технологии до последнего времени являлись более низкая чувствительность матриц и ограниченная регулировка времени накопления (shutter).
Однако в последнее время новые технологические достижения в разработке КМОП-матриц позволили в значительной степени преодолеть эти недостатки и привели к появлению современных сенсоров, сопоставимых с ПЗС-матрицами по чувствительности и уровню шумов, которые, вкупе с большой кадровой частотой, делают их незаменимыми для огромного количества применений.
Семейство высокоскоростных КМОП-сенсоров с кадровым затвором имеют разрешение от VGA до 20 миллионов пикселов. Сенсоры состоят из матриц пикселов конвейерного типа с «кадровым» затвором, позволяющих производить экспозицию во время считывания предыдущего кадра, а также осуществлять двойную коррелированную выборку (ДКВ), значительно уменьшающую долю шумов и темновых токов в полезном сигнале.
Отличительной чертой современных КМОП-сенсоров является их сверхвысокая кадровая частота при полном разрешении и возможность ее увеличения посредством частичного считывания, оконного режима и режима субдискретизации.
Схема считывания состоит из цифровых последовательных выходов LVDS. Сенсор включает в себя усилитель с программируемым коэффициентом усиления и имеет возможность регулировки смещения. Все настройки, как правило, производятся через последовательный периферийный интерфейс SPI. Внутренний тактовый генератор выдает сигналы синхронизации, необходимые для считывания и управления экспозицией. Внешнее управление экспозицией также возможно. В зависимости от модели сенсоры поддерживают 8-, 10- и / или 12-битный АЦП.
Отличительные особенности КМОП-сенсоров:
• высокая частота кадров;
• возможность выделения нескольких областей интереса;
• встроенная ФАПЧ (фазовая автоподстройка частоты);
• встроенный датчик температуры;
• встроенный тактовый генератор;
• интерфейс SPI;
• монохромная и цветная версии.
КМОП-сенсоры находят широкое применение в следующих областях:
• машинное зрение;
• высокоскоростной контроль;
• телевещание;
• аэрофотосъемка;
• космос / астрономия;
• видеонаблюдение.
Для сравнения приведем характеристики наиболее высококачественных матриц, созданных по ПЗС- и КМОП-технологиям (см. табл. 1).
Матрица KAI‑02050 создана по ПЗС технологии, имеет 4 выхода (для обеспечения высокой кадровой частоты) и, соответственно, требует четыре АЦП, много драйверов для управления фазами матрицы, несколько источников питания для обеспечения работы матрицы. Кроме того, ее чувствительность уступает матрице EV76C560.
Матрица EV76C560 фирмы E2V при испытаниях показала следующие результаты: при освещенности в плоскости матрицы 5 · 10–3 лк отношение сигнал-шум S / N = 4 при экспозиции 40 мс. В данной матрице есть возможность также использовать 2 разных метода считывания сигнала с матрицы – так называемые режимы Global shutter и Rolling shutter.
Global shutter – это считывание заряда со всех пикселов матрицы одновременно, а Rolling shutter – это последовательное считывание строк матрицы. Следовательно, при наличии движущегося объекта в кадре при экспозиции типа Global shutter будет «смаз», величина которого зависит от скорости объекта наблюдения и времени экспозиции, а при экспозиции типа Rolling shutter объект будет искажен геометрически, т. к. разные его части будут считаны в разное время.
Однако при Rolling shutter в КМОП-матрице существенно меньше шум (отношение сигнал / шум S / N = 8 при освещенности 5 · 10–3 лк и экспозиции 40 мс). Режимы считывания переключаются командами по последовательному интерфейсу с матрицей в процессе работы.
Также в этой матрице впервые для матриц, изготовленных по КМОП-технологии, введен режим биннинга (объединение четырех рядом расположенных пикселов в один). Это обеспечивает в условиях низкой освещенности повышение чувствительности за счет уменьшения пространственного разрешения в два раза.
Уровень чувствительности этой матрицы в режиме биннинга и Rollig shutter приближается к характеристикам наиболее чувствительных ПЗС матриц (например, матрицы SONYICX429ALL).
Проведенные нами испытания матрицы CMV4000 фирмы CMOSIS показали, что чувствительность этой матрицы несколько уступает матрице EV76C560, кроме того, режимов биннинга и Rollingshutter в этой матрице не имеется, однако эта матрица позволяет формировать изображение с частотой до 180 кадр / с.
На основании анализа вышеприведенных материалов целесообразно в телевизионной камере для гиперспектрального канала применить КМОП-матрицу CMV4000ES‑3E5M1PP и цветную CMV4000ES‑3E5C1PP соответственно. В табл. 2 приведены основные технические характеристики КМОП-матрицы CMV4000ES.
Анализ структурной схемы камеры телевизионной
Ниже приведено описание разработанной нами для работы в составе гиперспектрометра телевизионной камеры.
Структурная схема камеры телевизионной (КТ) изображена на рис. 7.
Камера телевизионная состоит из следующих модулей:
• видеосенсора;
• модуля цифровой обработки (МЦО);
• модуля питания.
Видеосенсор представляет собой матричное фотоприемное устройство (МФПУ), работающее в видимом диапазоне длин волн 0,4–1,0 мкм. В качестве видеосенсора используется КМОП-матрица CMV4000 форматом 2 048 Ч 2 048 пикселов фирмы CMOSIS (Бельгия).
Видеосенсор на матрице CMV4000 осуществляет преобразование изображения с фоточувствительной поверхности матрицы в массив цифровых данных, который далее поступают в модуль цифровой обработки.
Модуль цифровой обработки (МЦО) обеспечивает реализацию следующих функций:
• ввод цифровых данных, поступающих от видеосенсора;
• обработку сигналов от видеосенсора и преобразование их в требуемый формат изображения при передаче пиксел в пиксел;
• формирование выходного цифрового видеосигнала, выдаваемого с частотой кадров 50 Гц по 5 LVDS парам, используя протокол Base Camera Link;
• формирование стандартного аналогового видеосигнала по ГОСТ 7845-92 на видеовыход при нагрузке (75 ± 7,5) Ом для технологических целей;
• регулировку времени накопления видеоинформации в ручном и автоматическом режиме;
• возможность изменения положения и размера окна видеоданных;
• встроенный контроль готовности;
• дополнительную обработку изображения.
МЦО выполнен на базе ПЛИС CYCLONEIII фирмы ALTERA, обеспечивающей гибко программируемую логику управления телевизионной камерой и необходимую обработку сигнала. Пониженное потребление по сравнению с предыдущими поколениями ПЛИС (CYCLONEII) обеспечивает необходимый тепловой режим телевизионной камеры.
В ПЛИС реализуются все виды обработки сигнала, буферизация данных в ОЗУ, цифровые сигналы управления видеосенсором.
На ПЛИС реализовано управление ЦАП для вывода аналогового телевизионного сигнала по ГОСТ 7845–92, цифрового видеосигнала по 5 LVDS парам, используя протокол в формате CameraLink. ПЛИС также принимает управляющую информацию от сопрягаемого оборудования и выдает телеметрию по интерфейсу CAN2.0b.
Модуль питания, размещаемый в камере, формирует вторичные источники для электропитания ПЛИС, матрицы, ОЗУ, ПЗУ, АЦП, цифровой и аналоговой части телевизионной камеры. Модуль питания обеспечивает выходные стабилизированные напряжения для питания составных частей камеры телевизионной при входном напряжении питания 22–29 В.
Модуль питания имеет гальваническую развязку по входу, фильтр синфазных помех и выходные фильтры.Основные технические характеристики камеры телевизионной приведены в табл. 3.
Взаимодействие с сопрягаемыми изделиями
Выходной информацией КТ является цифровой и аналоговый видеосигнал изображения, выдаваемый по 5-ти парам LVDS, с использованием протокола Base Camera Link и ГОСТ 7845-92 соответственно. Аналоговый видеосигнал используется для технологических целей.
Управление режимами работы КТ и режимами вывода видеоинформации осуществляется по внешним командам (сигналам), поступающим по цифровому интерфейсу CAN2.0b согласно ISO‑11898 (управление режимами работы КТ возможно осуществлять по цифровому последовательному интерфейсу RS‑485). Информация о состоянии КТ (сигналы готовности, исправности и т. д.) выдается в оптико-электронную систему по цифровому интерфейсу CAN2.0b.
Для формирования выходного видеосигнала в режиме внешней синхронизации в КТ от внешней аппаратуры поступают синхроимпульсы с периодом повторения не менее 10 мс.
Интерфейс LVDS (Low Voltage Differential Signaling – низковольтный дифференциальный сигнал) использует дифференциальную передачу сигналов с малыми сигнальными уровнями. Наиболее часто LVDS- передатчик и приемник используются в конфигурации точка- точка.
Интерфейс LVDS обеспечивает высокую скорость передачи данных. Амплитуда дифференциального сигнала равна 350 мВ, что позволяет сделать более резкие фронты сигналов и теоретически возможную скорость передачи данных 1,923 Гбит / сек в среде без потерь. Этот интерфейс нечувствителен к синфазным наводкам до ±1 В на дифференциальные входы. Так как LVDS использует при передаче информации режим переключения тока, то при проектировании устройств необходимо особое внимание уделять энергоемкости и электромагнитным наводкам на соседние шины, что является платой за скорость.
Передатчик управляет дифференциальной линией. В линию выдается токовая посылка с током 3,5 мА. Нагрузкой линии служат параллельно включенные дифференциальный LVDS-приемник и 100 Ом резистор. Сам приемник имеет высокое входное сопротивление, и основное формирование сигнала происходит на нагрузочном резисторе. При токе линии 3,5 мА на нем формируется падение напряжения 350 мВ, которое и детектируется приемником. При переключении направления тока в линии меняется полярность напряжения на нагрузочном резисторе, формируя состояния логического нуля и логической единицы.
Используемая схема передачи имеет целый ряд преимуществ. LVDS-интерфейс имеет высокую скорость передачи данных. Определенная стандартом максимальная скорость составляет до 622 Мбит / с, что сравнимо с оптическим интерфейсом. При этом реальное быстродействие LVDS-канала ограничивается двумя факторами: скоростью подачи и съема данных и параметрами среды передачи.
Используемый дифференциальный метод передачи сигналов позволяет максимально снизить влияние внешних наводок. Малое изменение напряжения, симметричные линии передачи и низкое нарастание напряжения (1 В / нс) обусловливают малый уровень наводок от самого интерфейса. В свою очередь, малый уровень перекрестных наводок и низкая чувствительность к внешним наводкам позволяют использовать высокую плотность соединений как на печатной плате, так и в кабеле. Метод передачи LVDS не зависит от напряжения питания и работает при напряжении питания передатчика и приемника 5 В, 3 В или 2,5 В. При этом сопряжение устройств с разным напряжением питания не является проблемой.
Используемый метод передачи позволяет также существенно снизить энергопотребление интерфейса. На 100 Ом нагрузке LVDS при падении напряжения 400 мВ составляет 1,2 мВт. Для сравнения, интерфейс RS‑422 имеет рассеиваемую мощность на нагрузке порядка 90 мВт, что в 75 раз больше.
Следует отметить и простоту терминирования сигнальных LVDS-линий – для этого требуется всего один резистор для каждой пары, и все. Для сравнения, другие скоростные методы требуют пары резисторов, один из которых подключается на землю, а второй к питанию, причем зачастую не напрямую, а через специальный источник.
Цифровой интерфейс CameraLink, основанный на интерфейсе LVDS, представляет собой последовательный протокол передачи данных, разработанный для задач машинного зрения. Диапазон частот интерфейса Camera Link позволяет работать с камерами, разрешающая способность которых достигает мегапикселов, а скорость – нескольких сотен кадров в секунду. Для камер, рассчитанных на пропускную способность канала 100–850 Мбайт / с, рекомендуется использовать стандартизованный интерфейс Camera Link.
Поскольку Camera Link был разработан специально для камер машинного зрения, он гарантирует очень высокую скорость видеосигнала, простоту использования и сохранность данных. Интерфейс Camera Link имеет три варианта конфигурации Base, Medium и Full. Скорость для разных вариантов конфигурации: Base – 255 Mбайт / с, Medium – 510 Mбайт / с; Full – 850 Mбайт / с.
Информационное взаимодействие КТ с сопрягаемыми системами в составе гиперспектральной камеры оформляется соответствующими схемами связей и протоколами взаимодействия, определяющими логику взаимодействия, параметры и сигналы связей, разрабатываемыми и согласуемыми на этапе разработки КД [4−6].
Электропитание и оценка энергопотребления
Электропитание КТ осуществляться постоянным напряжением от 22 до 29 В от источника питания основного объекта. Коэффициент пульсации в цепи питания от 22 до 29 В не более 7,4%. Мощность, потребляемая КТ от источника питания – не более 10 Вт. КТ имеет защиту от перегрузок в электрических цепях и короткого замыкания при неправильном подключении к источникам электропитания цепей питания.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Гонсалес Р., Вудс Р. Цифровая обработка изображений / Пер. с англ. под ред. Чочиа П.А. – М.: Техносфера. 2005.
Gonsales R., Vuds R. Cifrovaya obrabotka izobrazhenij / Per. s angl. pod red. Chochia P.A. – M.: Tekhnosfera. 2005.
2. Brailean J.C., Kleihorst R.P., Efstratiadis S., Katsaggelos A.K., Lagendijk R.L. Noise Reduction Filters for Dynamic Image Sequences: A Review. Proceedings of IEEE, 2015; 83(9): 1272–1292.
3. Голицын А. В., Ефремов В. С., Шлишевский В. Б. Некоторые варианты оптических систем на основе жидкостных элементов. Сборник трудов XI Международной конференции «Прикладная оптика–2014». – СПб.: Опт. общ. им. Д.С. Рождественского. 2014; 3: 55.
Golicyn A. V., Efremov V. S., Shlishevskij V. B. Nekotorye varianty opticheskih sistem na osnove zhidkostnyh elementov. Sbornik trudov XI Mezhdunarodnoj konferencii «Prikladnaya optika–2014». – SPb.: Opt.obsh. im. D.S. Rozhdestvenskogo. 2014; 3: 55.
4. Каталог продукции. Камеры телевизионные ОКТБ «Омега» http://new.oktb-omega.ru/index.php/produktsiya
Katalog produkcii. Kamery televizionnye OKTB «Omega» http://new.oktb-omega.ru/index.php/produktsiya
5. https://www.sony-semicon.co.jp/products_en/new_pro/october_2013/icx808ala_e.html.
6. https://www.onsemi.com/pub/Collateral/KAI-02150-D.PDF.
Отзывы читателей
