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CN110084822A - 一种面向卫星在轨应用的目标探测实时处理系统及方法 - Google Patents

一种面向卫星在轨应用的目标探测实时处理系统及方法 Download PDF

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CN110084822A CN201910366373.3A CN201910366373A CN110084822A CN 110084822 A CN110084822 A CN 110084822A CN 201910366373 A CN201910366373 A CN 201910366373A CN 110084822 A CN110084822 A CN 110084822A
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张占月
王鹏
薛武
任昊利
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李森
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Abstract

本发明公开了一种面向卫星在轨应用的目标探测实时处理系统及方法。公开的系统包括FPGA模块、DSP图像处理模块和ARM模块，所述DSP图像处理模块、ARM模块均与FPGA模块连接，FPGA模块和ARM模块均与外部星载计算机连接，FPGA模块还与外部相机、发射机连接。能够对卫星在轨获取图像进行实时处理，以获取高价值的目标位置信息，从而实现面向卫星在轨应用的目标实时探测。

Description

一种面向卫星在轨应用的目标探测实时处理系统及方法
技术领域
本发明涉及目标探测实时处理领域，尤其涉及一种面向卫星在轨应用的目标探测实时处理系统及方法。
背景技术
目前卫星遥感图像主要在地面站处理中心完成，高价值信息获取的时间严重滞后，难以快速、有效探测时敏目标。另外，受星地数据带宽限制，遥感图像传输要执行4:1-8:1的有损压缩，地面解压后的图像将会丢失细节信息，一种解决手段是发展星上数据实时处理技术。
2000年以来，国外已有不少在遥感卫星上实现特定实时处理功能的报道，如美海军地球绘图观测者(Naval Earth Map Observer,NEMO)卫星、德国宇航局的双光谱红外探测(Bispectral Infrared Detection,BIRD)小卫星、法国研制的下一代高分辨光学卫星Pleiades-HR等。国内的浦江一号卫星采用基于星上数据处理的自主任务规划技术实现了多种有效载荷的协同工作，也有的在研究星载处理设备软件在轨重构技术。不过，目前星上处理功能主要集中在图像预处理、数据压缩等方面，而星上目标探测实时处理技术尚未成熟。
因此，如何能够对卫星在轨获取图像进行实时处理，以获取高价值的目标位置信息，从而实现面向卫星在轨应用的目标实时探测成为了本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：如何能够对卫星在轨获取图像进行实时处理，以获取高价值的目标位置信息，从而实现面向卫星在轨应用的目标实时探测。
本发明的技术解决方案是：
一种面向卫星在轨应用的目标探测实时处理系统，包括FPGA模块、DSP图像处理模块和ARM模块，所述DSP图像处理模块、ARM模块均与FPGA模块连接，FPGA模块和ARM模块均与外部星载计算机连接，FPGA模块还与外部相机、发射机连接，其中：
FPGA模块，用于对外部相机接口、发射机接口和星载计算机接口进行接口控制；接收相机视频图像进行数据压缩和数据存储，并将视频图像发送给DSP图像处理模块；接收ARM模块发送的遥控指令；接收DSP模块发送的目标位置信息和ARM模块发送的遥测信息，并传给发射机；
DSP图像处理模块，用于接收FPGA模块发送的视频图像后进行处理，以检测出视频图像中的目标位置信息，并将处理得到的目标位置信息传给FPGA模块；
ARM模块，用于通过CAN总线与星载计算机进行信息交互；将星载计算机发送的遥控指令发送给FPGA模块；同时采集系统内部的供电以及系统的工作状态，作为遥测信息发送给FPGA模块。
优选地，所述FPGA模块包括接口控制模块、数据收发模块、信息存储模块、视频图像压缩模块、视频图像处理模块，其中：
所述接口控制模块，用于对外部相机接口、发射机接口和星载计算机接口进行接口控制；
所述数据收发模块，用于接收相机发送的视频图像、DSP图像处理模块发送的目标位置信息以及ARM模块发送的遥控指令和遥测信息，将视频图像发送给视频图像处理模块和视频图像压缩模块，将目标位置信息和遥测信息发送给发射机；
所述视频图像压缩模块，用于进行视频图像压缩，并将压缩的视频图像，发送给信息存储模块；
所述信息存储模块，用于对压缩的视频图像进行信息存储；
所述视频图像处理模块，用于对视频图像进行预处理，并将预处理后的视频图像发送给DSP图像处理模块。
优选地，所述ARM模块包括控制管理模块、系统状态采集模块，其中：
所述控制管理模块，用于控制CAN总线与星载计算机进行信息交互；将星载计算机发送的遥控指令发送给FPGA模块；控制块信息存储芯片的读写；完成存储信息的文件管理；
所述系统状态采集模块，用于采集系统内部的供电以及系统的工作状态，作为遥测信息发送给FPGA模块。
优选地，所述DSP图像处理模块的处理器采用TI公司的DSP芯片TMS320C6678。
本发明使用上述所述的面向卫星在轨应用的目标探测实时处理系统还提供一种面向卫星在轨应用的目标探测实时处理方法，包括以下步骤：
步骤S100：FPGA模块读取相机的原始视频图像，进行预处理后，发送给DSP图像处理模块；
步骤S200：DSP图像处理模块对图像进行中值滤波，以去除噪声；
步骤S300：DSP图像处理模块对图像进行增强，以增加图像的对比度；
步骤S400：DSP图像处理模块对图像进行阈值分割，把像素点的像素值和阈值相比较，根据比较的结果把该像素划分成两类——前景和背景；
步骤S500：DSP图像处理模块对阈值分割后的图像进行连通域标记；
步骤S600：DSP图像处理模块求解连通域的质心；
步骤S700：计算得到目标的位置信息。
优选地，所述步骤S400的阈值分割采用最大类间方差法。
优选地，步骤S700具体为：对目标角度进行测量，计算出目标在探测坐标系中的方位角和仰角。
优选地，步骤S700具体为：
步骤S701：计算目标在图像中的角度信息，目标在图像中的方位角Azi和仰角Ele为：
Azi＝atan(Y/X)
其中，X、Y为目标质心像素坐标，IFOV为相机瞬时视场角；
步骤S702：结合卫星平台提供的相机转角，即可求出目标在探测坐标系下的方位角和仰角。
本发明能够对卫星在轨获取图像进行实时处理，以获取高价值的目标位置信息，从而实现面向卫星在轨应用的目标实时探测。
附图说明
图1为本发明提供的一种面向卫星在轨应用的目标探测实时处理系统的结构框图；
图2为本发明提供的一种面向卫星在轨应用的目标探测实时处理方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明提供的面向卫星在轨应用的目标探测实时处理系统及方法做进一步说明。
参见图1，图1为本发明提供的面向卫星在轨应用的目标探测实时处理系统的结构框图。
一种面向卫星在轨应用的目标探测实时处理系统，包括FPGA模块100、DSP图像处理模块200和ARM模块300，所述DSP图像处理模块200、ARM模块300均与FPGA模块100连接，FPGA模块100和ARM模块300均与外部星载计算机003连接，FPGA模块100还与外部相机001、发射机002连接，其中：
FPGA模块100，用于对外部相机001接口、发射机002接口和星载计算机003接口进行接口控制；接收相机001发送的视频图像进行数据压缩和数据存储，并将预处理后的视频图像发送给DSP图像处理模块200；接收ARM模块300发送的遥控指令；接收DSP图像处理模块200发送的目标位置信息和ARM模块200发送的遥测信息，并传给发射机002。发射机002把目标位置信息和遥测信息实时传送给地面。
DSP图像处理模块200，用于接收FPGA模块100发送的视频图像进行处理，检测出视频图像中的目标位置信息，并将处理得到的目标位置信息传给FPGA模块100；
ARM模块300，用于通过CAN总线与星载计算机003进行信息交互；将星载计算机003发送的遥控指令发送给FPGA模块100；同时采集系统内部的供电以及系统的工作状态，作为遥测信息发送给FPGA模块100，完成遥测功能。
本发明提供的面向卫星在轨应用的目标探测实时处理系统具有较高计算、处理、控制能力，能够对卫星在轨获取图像进行实时处理，得到高价值的目标位置信息，从而实现面向卫星在轨应用的目标实时探测。
下面对各个模块进行进一步的解释说明。
所述FPGA模块100包括接口控制模块101、数据收发模块102、信息存储模块103、视频图像压缩模块104、视频图像处理模块105，其中：所述接口控制模块101，用于对外部相机001接口、发射机002接口和星载计算机003接口进行接口控制；
所述数据收发模块102，用于接收相机001发送的视频图像、DSP图像处理模块200发送的目标位置信息以及ARM模块300发送的遥控指令和遥测信息，将视频图像发送给视频图像处理模块105和视频图像压缩模块104，将目标位置信息和遥测信息发送给发射机002；所述视频图像压缩模块104，用于进行视频图像压缩，并将压缩的视频图像，发送给信息存储模块103；所述信息存储模块103，用于对压缩的视频图像进行信息存储；所述视频图像处理模块105，用于对视频图像进行预处理，并将预处理后的视频图像发送给DSP图像处理模块200。
所述视频图像处理模块105用于实现DSP图像处理模块200处理前可能需要的数据预处理。视频图像处理模块105预处理后得到清晰可用的图像，再由DSP图像处理模块200后处理实现目标检测获取目标位置情报信息。
所述ARM模块300包括控制管理模块301、系统状态采集模块302，其中：
所述控制管理模块301，用于控制CAN总线与星载计算机003进行信息交互；将星载计算机003发送的遥控指令发送给FPGA模块100；控制块信息存储芯片的读写；完成存储信息的文件管理；所述系统状态采集模块302，用于采集系统内部的供电以及系统的工作状态，作为遥测信息发送给FPGA模块100。
在更进一步的方案中，所述DSP图像处理模块200的处理器采用TI公司的DSP芯片TMS320C6678。它是一款高性能定点DSP，工作主频最高达1.25GHZ，其内部有8个并行处理单元，最大处理能力可达每秒320GMAC的定点加法和乘法运算次数或160GFLOP的浮点运算次数。TMS320C6678芯片具有强大的运算能力，能够实现单帧和多帧图像数据的实时处理。
参见图2，图2为本发明提供的一种面向卫星在轨应用的目标探测实时处理方法的流程图。
一种使用上述的面向卫星在轨应用的目标探测实时处理系统的面向卫星在轨应用的目标探测实时处理方法，所述方法包括以下步骤：
步骤S100：FPGA模块读取相机的原始视频图像，进行预处理后，发送给DSP图像处理模块。
所述面向卫星在轨应用的目标探测实时处理方法要对FPGA模块读取相机的原始视频图像的每一帧图像分别进行处理并对其中的目标进行检测。
步骤S200：DSP图像处理模块对图像进行中值滤波，以去除噪声；图像一般会存在椒盐噪声，采用中值滤波进行处理，以较好地去除椒盐噪声。中值滤波是一种非线性滤波，对脉冲噪声有良好的滤除效果，同时保护图像的边缘，不模糊。
所述中值滤波是基于排序统计理论的，不需要图像的统计特性，比较方便。在一定的条件下，可以克服线性滤波器所带来的图像细节模糊问题，而且对滤除脉冲干扰及图像扫描噪声非常有效。中值滤波的目的是保护图像边缘的同时去除噪声。
步骤S300：DSP图像处理模块对图像进行增强，以增加图像的对比度。
步骤S400：DSP图像处理模块对图像进行阈值分割，把像素点的像素值和阈值相比较，根据比较的结果把该像素划分成两类——前景和背景。
所述阈值分割是具体确定一个阈值，然后把像素点的像素值和阈值相比较，根据比较的结果把该像素划分成两类——前景和背景。
所述阈值分割采用的是最大类间方差法，也被称为OTSU方法，这种方法对类间方差为单峰的图像有较好的分割效果。
OTSU方法具体为寻找一个阈值使公式(1)的方差最大，阈值把图像分为前景点和背景，前景点的比例为w0，背景的比例为w1，前景点的平均灰度为u0，背景的平均灰度为u1。则可以得到方差为：
g＝w0×w1×(u0-u1)2 (1)
步骤S500：DSP图像处理模块对阈值分割后的图像进行连通域标记；连通域标记方法能够有效提取准目标点、计算目标所占像素数、提取质心等，而且较易实现连通域标记算法的硬件加速。
步骤S600：DSP图像处理模块求解连通域的质心；通过对阈值分割后的点目标图像进行连通域标记，可求解得到连通域的质心。
步骤S700：计算目标的位置。所述计算目标的位置具体为：对目标角度进行测量，计算出目标在探测坐标系中的方位角和仰角。
优选地，步骤S701：计算目标在图像中的角度信息，目标在图像中的方位角Azi和仰角Ele计算公式为：
Azi＝atan(Y/X)
其中，X、Y为目标质心像素坐标，IFOV为相机瞬时视场角
根据公式(2)可以计算得到目标的方位角和仰角。
步骤S702：结合卫星平台提供的相机转角，即可求出目标在探测坐标系下的方位角和仰角。
基于一种面向卫星在轨应用的目标探测实时处理系统，实现了一种面向卫星在轨应用的目标探测实时处理方法，通过中值滤波、阈值分割、连通域标记和角度测量等方法，能够对卫星在轨获取图像进行实时处理，以获取高价值的目标位置信息，从而实现面向卫星在轨应用的目标实时探测。
以上所述的实施方式，并不构成对该技术方案保护范围的限定。任何在上述实施方式的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本技术方案的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种面向卫星在轨应用的目标探测实时处理系统，其特征在于，包括FPGA模块、DSP图像处理模块和ARM模块，所述DSP图像处理模块、ARM模块均与FPGA模块连接，FPGA模块和ARM模块均与外部星载计算机连接，FPGA模块还与外部相机、发射机连接，其中：
FPGA模块，用于对外部相机接口、发射机接口和星载计算机接口进行接口控制；接收相机视频图像进行数据压缩和数据存储，并将视频图像发送给DSP图像处理模块；接收ARM模块发送的遥控指令；接收DSP图像处理模块发送的目标位置信息和ARM模块发送的遥测信息，并传给发射机；
DSP图像处理模块，用于接收FPGA模块发送的视频图像后进行处理，以检测出视频图像中的目标位置信息，并将处理得到的目标位置信息传给FPGA模块；
ARM模块，用于通过CAN总线与星载计算机进行信息交互；将星载计算机发送的遥控指令发送给FPGA模块；同时采集系统内部的供电以及系统的工作状态，作为遥测信息发送给FPGA模块。
2.根据权利要求1所述的面向卫星在轨应用的目标探测实时处理系统，其特征在于，所述FPGA模块包括接口控制模块、数据收发模块、信息存储模块、视频图像压缩模块、视频图像处理模块，其中：
所述接口控制模块，用于对外部相机接口、发射机接口和星载计算机接口进行接口控制；
所述数据收发模块，用于接收相机发送的视频图像、DSP图像处理模块发送的目标位置信息以及ARM模块发送的遥控指令和遥测信息，将视频图像发送给视频图像处理模块和视频图像压缩模块，将目标位置信息和遥测信息发送给发射机；
所述视频图像压缩模块，用于进行视频图像压缩，并将压缩的视频图像，发送给信息存储模块；
所述信息存储模块，用于对压缩的视频图像进行信息存储；
所述视频图像处理模块，用于对视频图像进行预处理，并将预处理后的视频图像发送给DSP图像处理模块。
3.根据权利要求2所述的面向卫星在轨应用的目标探测实时处理系统，其特征在于，所述ARM模块包括控制管理模块、系统状态采集模块，其中：
所述控制管理模块，用于控制CAN总线与星载计算机进行信息交互；将星载计算机发送的遥控指令发送给FPGA模块；控制块信息存储芯片的读写；完成存储信息的文件管理；
所述系统状态采集模块，用于采集系统内部的供电以及系统的工作状态，作为遥测信息发送给FPGA模块。
4.根据权利要求3所述的面向卫星在轨应用的目标探测实时处理系统，其特征在于，所述DSP图像处理模块的处理器采用TI公司的DSP芯片TMS320C6678。
5.一种使用如权利要求1至4任一项所述的面向卫星在轨应用的目标探测实时处理系统的面向卫星在轨应用的目标探测实时处理方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤S100：FPGA模块读取相机的原始视频图像，进行预处理后，发送给DSP图像处理模块；
步骤S200：DSP图像处理模块对图像进行中值滤波，以去除噪声；
步骤S300：DSP图像处理模块对图像进行增强，以增加图像的对比度；
步骤S400：DSP图像处理模块对图像进行阈值分割，把像素点的像素值和阈值相比较，根据比较的结果把该像素划分成两类——前景和背景；
步骤S500：DSP图像处理模块对阈值分割后的图像进行连通域标记；
步骤S600：DSP图像处理模块求解连通域的质心；
步骤S700：计算得到目标的位置信息。
6.根据权利要求5所述的面向卫星在轨应用的目标探测实时处理方法，其特征在于，所述步骤S400的阈值分割采用最大类间方差法。
7.根据权利要求6所述的面向卫星在轨应用的目标探测实时处理方法，其特征在于，所述步骤S700具体为：对目标角度进行测量，计算出目标在探测坐标系中的方位角和仰角。
8.根据权利要求7所述的面向卫星在轨应用的目标探测实时处理方法，其特征在于，所述步骤S700具体为：
步骤S701：计算目标在图像中的角度信息，目标在图像中的方位角Azi和仰角Ele为：
Azi＝atan(Y/X)
其中，X、Y为目标质心像素坐标，IFOV为相机瞬时视场角；
步骤S702：结合卫星平台提供的相机转角，即可求出目标在探测坐标系下的方位角和仰角。
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