專利名稱：基于近紅外智能相機(jī)的大尺度粒子圖像測速儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種明渠水流監(jiān)測儀器，尤其涉及一種基于近紅外智能相機(jī)的大尺度粒子圖像測速儀，屬于非接觸式明渠測流技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
洪水期間精確的流速、流場、時序信息以及總徑流變化速率的高分辨率估計(jì)，是河流水文學(xué)、河流地貌學(xué)以及河流生態(tài)學(xué)研究的重要依據(jù)。然而，高洪時期的水流往往具有含沙量高，混雜物多，流速快等特點(diǎn)，導(dǎo)致傳統(tǒng)測流儀器無法正常施測。大尺度粒子圖像測速(Large-Scale Particle Image Velocimetry,LSPIV)是一種安全、高效的全場流速測量技術(shù)。它采用模式識別的方法匹配、跟蹤無畸變連續(xù)視頻圖像中的水面示蹤物，實(shí)現(xiàn)流場的定量表示及可視化。作為實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下的粒子圖像測速(PIV)技術(shù)在大尺度現(xiàn)場環(huán)境下的擴(kuò)展，不僅可用于常規(guī)條件下天然河道水流紊動特性的研究，其非接觸特性更使之成為極端 條件下河流流量測量少數(shù)可行的方法之一。在LSPIV發(fā)展與應(yīng)用的十多年中，各研究團(tuán)隊(duì)在原型系統(tǒng)開發(fā)方面開展了積極的研究，構(gòu)建的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)驗(yàn)證了 LSPIV在現(xiàn)場應(yīng)用的可行性。但現(xiàn)有系統(tǒng)多是水文或水利學(xué)專家采用電子消費(fèi)類數(shù)碼相機(jī)或監(jiān)控?cái)z像機(jī)產(chǎn)品和其他測量設(shè)備組合而成，沒有形成產(chǎn)品化的專用儀器。這些基于可見光成像的系統(tǒng)難以滿足復(fù)雜水面光學(xué)環(huán)境下可靠、穩(wěn)定、連續(xù)檢測水面弱小示蹤物的要求，易造成流場估計(jì)誤差過大；并且在圖像采集能力、系統(tǒng)處理能力、數(shù)據(jù)傳輸能力以及集成度和便攜性等方面都存在不足，限制了 LSPIV技術(shù)的推廣。因此，有必要根據(jù)LSPIV在現(xiàn)場環(huán)境下的應(yīng)用特點(diǎn)以及水體和示蹤物的光譜特性開發(fā)一套專用儀器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有大尺度粒子圖像測速系統(tǒng)存在的不足，提供了一種基于近紅外智能相機(jī)的大尺度粒子圖像測速儀。本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)
基于近紅外智能相機(jī)的大尺度粒子圖像測速儀，采用智能相機(jī)的系統(tǒng)架構(gòu)，由處理器模塊、圖像傳感器模塊、光學(xué)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)通信模塊和電源模塊組成。其特征在于處理器模塊以一片32位定點(diǎn)DSP芯片TMS320DM642為核心，用于圖像數(shù)據(jù)的處理及傳輸；圖像傳感器模塊采用分辨率為130萬像素的單色CMOS圖像傳感器MT9M001，用于圖像數(shù)據(jù)的采集；光學(xué)系統(tǒng)由雙濾鏡切換器、電動三可變鏡頭、紅外LED補(bǔ)光燈、電機(jī)驅(qū)動模塊及照明控制模塊構(gòu)成，用于實(shí)現(xiàn)近紅外波段或全光譜波段下光學(xué)成像的遠(yuǎn)程控制；采用PoE方式供電，可以和數(shù)據(jù)傳輸共用一根電纜。所述的處理器模塊在DSP內(nèi)集成了視頻口 VPORTl、外部存儲器接口 EMIFA、增強(qiáng)型媒體存取控制器EMAC和I2C總線等功能模塊用于連接各種外設(shè)；在DSP的CEO空間通過EMIFA接口外擴(kuò)四片32MX16bit的SDRAM存儲芯片MT48LC32M16A2，使數(shù)據(jù)存儲器空間達(dá)到256MB ;在DSP的CEl空間外擴(kuò)一片4MB的FLASH存儲芯片AM29LV033C作為程序存儲器；采用一片CPLD芯片EPM570擴(kuò)展連接外設(shè)的數(shù)字接口，包括三根譯碼控制線用于擴(kuò)展FLASH芯片的地址總線，四路PWM信號分別用于電動三可變鏡頭的變焦、對焦、光圈調(diào)節(jié)和雙濾鏡切換器控制，一組開關(guān)信號用于照明控制模塊的驅(qū)動。所述的圖像傳感器模塊中CMOS圖像傳感器通過ΙΟ-bit并行數(shù)字接口和DSP的視頻口 VPORTl相連，輸出像素?cái)?shù)據(jù)D[9:0];通過SCL和SDA接口和DSP的I2C接口相連，用于內(nèi)部寄存器的配置，實(shí)現(xiàn)圖像大小、位置、曝光時間及亮度增益的調(diào)節(jié)；CM0S傳感器的像素時鐘信號PIXCLK和行同步信號LINE_VALID分別和DSP的VPORTl接口中的VP1CLK0和VP1CTL0引腳相連；CPLD向CMOS傳感器提供48MHz的主時鐘CLKIN，通過內(nèi)嵌的可編程脈沖信號發(fā)生器輸出快門觸發(fā)信號TRIGGER，并接收來自CMOS傳感器的補(bǔ)光燈觸發(fā)信號STROBEo所述的雙濾鏡切換器安裝于CMOS傳感器前，具有C型標(biāo)準(zhǔn)鏡頭座用于連接光學(xué)鏡 頭；內(nèi)嵌8mm (長度)X 8mm (寬度)X O. 5mm (厚度)的近紅外長通濾光片(波長850_1050nm)和全光譜濾光片(波長400-1050nm)各一片，分別用于光照充足和光照不足的場合。所述的電動三可變鏡頭具有l(wèi)/2-inch的C型標(biāo)準(zhǔn)接口，焦距調(diào)節(jié)范圍為8mm-80mm，對焦調(diào)節(jié)范圍為I. 5m- ^，光圈調(diào)節(jié)范圍為Fl. 2-F22。所述的紅外LED補(bǔ)光燈采用波長為850nm的LED燈管；具有鋁質(zhì)及強(qiáng)化玻璃的防水封裝；供電電源為12V直流，額定功率小于15W，有效照明距離大于50m。所述的電機(jī)驅(qū)動模塊具有四組相同且獨(dú)立的帶光耦隔離的H橋驅(qū)動電路；模塊的輸入為CPLD提供的四路脈寬為O. Is的PWM信號；模塊的輸出為四路放大信號，一路FILTER信號用于驅(qū)動雙濾鏡切換器中的旋轉(zhuǎn)式磁控體產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)雙濾鏡的切換，另外三路ZOOM、IRIS和FOCUS信號分別用于電動三可變鏡頭的變焦、光圈和對焦的調(diào)節(jié)。所述的照明控制模塊的輸入為CPLD輸出的3. 3V開關(guān)信號，開關(guān)信號經(jīng)光耦隔離后驅(qū)動12V直流繼電器的初級線圈，進(jìn)而控制和繼電器次級線圈串聯(lián)的紅外LED補(bǔ)光燈的通斷。所述的網(wǎng)絡(luò)通信模塊采用物理層芯片RTL8201、網(wǎng)絡(luò)傳輸變壓器和RJ45網(wǎng)絡(luò)接口作為物理層接口，提供一條符合IEEE 802. 3協(xié)議的以太網(wǎng)接入通道，用以傳輸全部圖像數(shù)據(jù)、流場數(shù)據(jù)、狀態(tài)信息及控制指令；
所述的電源模塊包括PoE分路器和電源變換器兩部分PoE分路器從以太網(wǎng)電纜的空閑線對中分離出48V的直流電源，其中第4、5線為正，第7、8線為負(fù)。電源變換器中的雙輸出降壓模塊HKS014R5將PoE分路器輸出的48V直流電源轉(zhuǎn)換為12V/1. 25A和5V/1. 5A的兩路電源，總輸出功率為22. 5W ;電源變換器中的降壓式DC-DC變換器A0Z1010組成兩路開關(guān)電源轉(zhuǎn)換HKS014R5輸出的5V/1. 5A電源一路輸出3. 3V電壓作為DSP的10電源及整個系統(tǒng)的數(shù)字電源，一路輸出I. 4V電壓給DSP的內(nèi)核供電，兩路的最大輸出電流均為2A。本發(fā)明具有以下有益效果
I、抗干擾能力強(qiáng)。近紅外波段成像，可有效抑制復(fù)雜的水面光學(xué)噪聲、增強(qiáng)目標(biāo)與背景間的亮度對比，從而提高水流示蹤物運(yùn)動矢量估計(jì)的準(zhǔn)確性。儀器采用采用在單色CMOS圖像傳感器前加裝近紅外紅外濾光片這種簡單易行的光學(xué)濾波方法，使后續(xù)流程中原本復(fù)雜的圖像增強(qiáng)算法得以省略或簡化。
2、時空分辨率高。儀器在成像性能方面突破了現(xiàn)有模擬視頻系統(tǒng)在圖像分辨率和幀速率上的限制，實(shí)現(xiàn)了 130萬像素分辨率下30幀/秒的圖像捕獲能力，并向上兼容同系列300萬像素的CMOS傳感器，可在大視場下捕獲更多微觀尺度的水面示蹤物。3、系統(tǒng)靈活高效?；谥悄芟鄼C(jī)的系統(tǒng)架構(gòu)將圖像采集、網(wǎng)絡(luò)通信、雙濾鏡切換及鏡頭、和補(bǔ)光燈控制等任務(wù)集成在DSP和CPLD芯片內(nèi)完成，實(shí)現(xiàn)了多任務(wù)的并行執(zhí)行和各系統(tǒng)間的緊耦合，在提高系統(tǒng)可靠性的同時，儀器得以小型化和輕量化，能夠滿足應(yīng)急測驗(yàn)對便攜性的要求。鑒于以上特點(diǎn)，本系統(tǒng)能夠克服傳統(tǒng)接觸式測流儀器的不足，以較小的代價安全、快速地完成現(xiàn)場部署，可實(shí)現(xiàn)對關(guān)鍵河段的水位、流速、流量等水情信息進(jìn)行常規(guī)監(jiān)測，并在突發(fā)性洪水等極端條件下及時、準(zhǔn)確地捕獲測驗(yàn)信息，為洪水成因及季節(jié)性、區(qū)域性演進(jìn)規(guī)律的科學(xué)研究提供數(shù)據(jù)積累，進(jìn)而為防洪規(guī)劃設(shè)計(jì)提供參考，降低洪災(zāi)損失。


圖I是本發(fā)明的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。圖2是本發(fā)明涉及的圖像傳感器模塊的原理圖。圖3是本發(fā)明涉及的電機(jī)驅(qū)動模塊的原理圖。圖4是本發(fā)明涉及的照明控制模塊的原理圖。圖5是本發(fā)明涉及的電源變換器的原理圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明
本發(fā)明的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖I所示。采用了一體化智能相機(jī)的體系結(jié)構(gòu)，由處理器模塊、圖像傳感器模塊、光學(xué)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)通信模塊和電源模塊組成。智能相機(jī)是一種高度集成化、智能化、可獨(dú)立操作的嵌入式機(jī)器視覺系統(tǒng)。它將圖像的采集、處理及通信功能集成于單一系統(tǒng)內(nèi)，能夠在信息獲取的前端處理原始數(shù)據(jù)，并提取特征信息甚至直接獲得用戶關(guān)心的流場、流量結(jié)果。可大大降低高分辨率圖像在遠(yuǎn)距離傳輸時對通信帶寬的要求和監(jiān)測中心的處理壓力，有利于分布式水情遙測物聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)建。處理器模塊以一片32位定點(diǎn)DSP芯片TMS320DM642為核心，用于圖像數(shù)據(jù)的處理及傳輸。其內(nèi)部鎖相環(huán)(PLL)將外部有源晶振提供的50MHz時鐘倍頻到600MHz作為主時鐘，每秒可執(zhí)行4. 8億條指令，可高效地完成系統(tǒng)控制、圖像采集、圖像處理及數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜蝿?wù)。利用TI提供的BIOS操作系統(tǒng)、DDK驅(qū)動開發(fā)包及NDK網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧開發(fā)包，可優(yōu)化資源配置并降低設(shè)計(jì)復(fù)雜度。相比基于FPGA和ARM的方案，具有速度快、易于控制、累加成本低等優(yōu)點(diǎn)。TMS320DM642的片內(nèi)集成了視頻口 VPORTl、外部存儲器接口 EMIFA、增強(qiáng)型媒體存取控制器EMAC和I2C總線等功能模塊用于連接各種外設(shè)。處理器模塊在TMS320DM642的CEO空間通過EMIFA接口外擴(kuò)四片32MX 16bit的SDRAM存儲芯片MT48LC32M16A2，使數(shù)據(jù)存儲器空間達(dá)到256MB ;在TMS320DM642的CEl空間外擴(kuò)一片4MB的FLASH存儲芯片AM29LV033C作為程序存儲器；并采用一片CPLD芯片EPM570擴(kuò)展連接外設(shè)的數(shù)字接口，包括三根譯碼控制線用于擴(kuò)展FLASH芯片的地址總線，四路PWM信號分別用于電動三可變鏡頭的變焦、對焦、光圈調(diào)節(jié)和雙濾鏡切換器控制，一組開關(guān)信號用于照明控制模塊的驅(qū)動。
圖像傳感器模塊采用分辨率為130萬像素的單色CMOS圖像傳感器MT9M001，用于圖像數(shù)據(jù)的采集。MT9M001通過ΙΟ-bit并行接數(shù)字接口和TMS320DM642的VPORTl接口相連，輸出像素?cái)?shù)據(jù)D[9:0];通過SCL和SDA接口和TMS320DM642的I2C接口相連，用于內(nèi)部寄存器的配置，實(shí)現(xiàn)圖像大小、位置、曝光時間及亮度增益的調(diào)節(jié)。MT9M001的像素時鐘信號PIXCLK和行同步信號LINE_VALID分別和TMS320DM642的VPORTl接口中的VP1CLK0和VPICTLO引腳相連。EPM570向MT9M001提供48MHz的主時鐘CLKIN，通過內(nèi)嵌的可編程脈沖信號發(fā)生器輸出快門觸發(fā)信號TRIGGER，并接收來自MT9M001的補(bǔ)光燈觸發(fā)信號STROBE。光學(xué)系統(tǒng)由雙濾鏡切換器、電動三可變鏡頭、紅外LED補(bǔ)光燈、電機(jī)驅(qū)動模塊及照明控制模塊構(gòu)成，用于實(shí)現(xiàn)近紅外波段或全光譜波段下光學(xué)成像的遠(yuǎn)程控制。雙濾鏡切換器安裝于CMOS傳感器前，具有C型標(biāo)準(zhǔn)鏡頭座用于連接光學(xué)鏡頭；內(nèi)嵌8mm (長度)X8mm(寬度)X0. 5mm (厚度)的近紅外長通濾光片(波長850_1050nm)和全光譜濾光片(波長400-1050nm)各一片，分別用于光照充足和光照不足的場合。電動三可變鏡頭的型號為H10Z0812M，具有l(wèi)/2-inch的C型標(biāo)準(zhǔn)接口，焦距調(diào)節(jié)范圍為8mm-80mm，對焦調(diào)節(jié)范圍為 I.5m- c ，光圈調(diào)節(jié)范圍為Fl. 2-F22。紅外LED補(bǔ)光燈采用波長為850nm的LED燈管；具有鋁質(zhì)及強(qiáng)化玻璃的防水封裝；供電電源為12V直流，額定功率小于15W，有效照明距離大于50m。相比可見光，紅外光不會吸引昆蟲，可減少外部干擾；配合850nm的紅外濾鏡使用時，在同等光強(qiáng)下，光輻射的利用率更高；而相比紅外激光光源，其功率密度小，不會對人眼造成傷害或造成光污染。電機(jī)驅(qū)動模塊具有四組相同且獨(dú)立的帶光耦隔離的H橋放大電路，工作電壓為12V ;模塊的輸入為CPLD提供的四路脈寬為O. Is的PWM信號；模塊的輸出為四路放大信號，一路FILTER信號用于驅(qū)動雙濾鏡切換器中的旋轉(zhuǎn)式磁控體產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)雙濾鏡的切換，另外三路ZOOM、IRIS和FOCUS信號分別用于電動三可變鏡頭的變焦、光圈和對焦的調(diào)節(jié)。照明控制模塊的輸入為CPLD輸出的3. 3V開關(guān)信號，開關(guān)信號經(jīng)光耦隔離后驅(qū)動12V直流繼電器的初級線圈，進(jìn)而控制和繼電器次級線圈串聯(lián)的紅外LED補(bǔ)光燈的通斷。網(wǎng)絡(luò)通信模塊采用物理層芯片RTL8201、網(wǎng)絡(luò)傳輸變壓器和RJ45網(wǎng)絡(luò)接口作為物理層接口，提供一條符合IEEE 802. 3協(xié)議的以太網(wǎng)接入通道，而TMS320DM642內(nèi)部集成了EMAC接口用以控制物理層芯片與DSP內(nèi)核之間的數(shù)據(jù)包交換。模塊用于傳輸全部圖像數(shù)據(jù)、流場數(shù)據(jù)、狀態(tài)信息及控制指令，傳輸帶寬為100Mbit，無中繼傳輸距離可達(dá)百米。電源模塊包括PoE分路器和電源變換器兩部分。首先，采用PoE分路器從以太網(wǎng)電纜的空閑線對中分離出48V的直流電源，其中第4、5線為正，第7、8線為負(fù)；然后采用電源變換器中的雙路輸出線性直流穩(wěn)壓模塊HKS014R5將PoE分路器輸出的48V直流電源轉(zhuǎn)換為12V/1. 25A和5V/1. 5A的兩路電源，總輸出功率為22. 5W ;最后采用電源變換器中的降壓式DC-DC變換器A0Z1010組成兩路開關(guān)電源轉(zhuǎn)換HKS014R5輸出的5V/1. 5A電源一路輸出3. 3V電壓作為DSP的10電源及整個系統(tǒng)的數(shù)字電源，一路輸出I. 4V電壓給DSP的內(nèi)核供電，兩路的最大輸出電流均為2A。本發(fā)明的圖像傳感器模塊原理圖如圖2所示。圖中Ul為CMOS圖像傳感器MT9M001。P1、P2均為連接處理器模塊和圖像傳感器模塊的接插件，引腳數(shù)為I X 12，引腳間距為 2. 00mm。Ul 的 24、25、26、27、28、32、33、34、35、36 引腳為 10-bit 并行數(shù)據(jù)輸出端口，分別通過Pl的4、7引腳和P2的8、7、6、5、4、3、2、1引腳與TMS320DM642視頻口 VP0RT1的A通道數(shù)據(jù)接口 D[9:0]相連；U1的45、46引腳為SDA、SCL接口，分別通過P2的10、9引腳和TMS320DM642的I2C接口相連。Ul的39引腳輸出補(bǔ)光燈觸發(fā)信號STROBE，通過P2的11引腳和EPM570相連。Ul的8引腳輸入快門觸發(fā)信號TRIGGER，通過Pl的I引腳和EPM570相連。Ul的31引腳為像素時鐘信號PIXCLK，通過Pl的10引腳和TMS320DM642視頻口 VPORTl的VP1CLK0相連。Ul的40引腳為行同步信號LINE_VALID，通過Pl的6引腳和TMS320DM642視頻口 VPORTl的VP1CTL0相連。Ul的7引腳為待機(jī)控制接口，通過電阻Rl接地使Ul工作于正常狀態(tài)。Ul的10引腳為復(fù)位信號輸入端，通過Pl的引腳3接入處理器模塊，并通過電阻R2接3. 3V電源，使Ul上電復(fù)位完成后保持高電平。Ul的13引腳為芯片的使能信號輸入端，通過Pl的引腳9接入處理器模塊，并通過電阻R3接地，使Ul處于使能狀態(tài)。Ul的29引腳為主時鐘CLKIN的輸入端，通過Pl的引腳8和EPM570相連，時鐘頻率為48MHz。電容Cl、C2、C3、C4、C5、C6、C7均為貼片濾波電容，用于濾除電源中的高頻噪聲。本發(fā)明的電機(jī)驅(qū)動模塊的原理圖如圖3所示。四組相同且獨(dú)立的帶光耦隔離的H橋驅(qū)動電路組成了電機(jī)驅(qū)動模塊，一組用于驅(qū)動雙濾鏡切換器中的旋轉(zhuǎn)式磁控體產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)雙濾鏡的切換，另外三組分別用于電動三可變鏡頭的變焦、光圈和對焦的調(diào)節(jié)，這里僅介紹其中一組。電路的輸入為兩路來自CPLD的PWM信號CPLD_PWM1和CPLD_PWM2，兩路信號脈寬均為O. Is但極性相反。兩路信號通過U2雙路光耦PC827的1、3引腳輸入，經(jīng) 光電隔離后分別從7、5引腳輸出至9013三極管Ql和Q2的基極。8550三極管Q3、Q4和8050三極管Q5、Q6共同構(gòu)成H橋結(jié)構(gòu)的驅(qū)動電路，R10、R11通過對5V和12V電源分壓為H橋提供8. 5V電源。Q3、Q4的發(fā)射極和8. 5V電源相連，Q5、Q6的發(fā)射極和地相連。Q3、Q5的集電極和直流電機(jī)Ml的正極相連，Q4、Q6的集電極和直流電機(jī)Ml的負(fù)極相連。電機(jī)兩端并聯(lián)O. IuF的濾波電容C8。Q2的集電極和發(fā)射極分別通過電阻R13、R14和Q4、Q5的基極相連，Q3的集電極和發(fā)射極分別通過電阻R12、R15和Q3、Q6的基極相連。當(dāng)CPLD輸出的CPLD_PWM1信號為高電平時，三極管Q1、Q4、Q5導(dǎo)通，驅(qū)動直流電機(jī)正轉(zhuǎn)；相反，當(dāng)CPLD輸出的CPLD_PWM2信號為高電平時，三極管Q2、Q3、Q6導(dǎo)通，驅(qū)動直流電機(jī)反轉(zhuǎn)。本發(fā)明的照明控制模塊的原理圖如圖4所示。P3為模塊的輸入接口，I引腳接地，3引腳接入來自電源模塊的12V直流電源，2引腳接入CPLD輸出的3. 3V開關(guān)信號。U3為單路光耦PC817。LEDl和LED2分別為光耦隔離前后的工作狀態(tài)指示燈。R16、R17和R18分別為LED1、三極管Q7和LED2的限流電阻。Kl為12V直流繼電器，Dl為與Kl的初級線圈并聯(lián)的二極管，用于消除反向耦合電壓。P4為模塊的輸出接口，和紅外LED補(bǔ)光燈串聯(lián)。當(dāng)P3的2引腳輸入高電平時，U3的發(fā)射端處于導(dǎo)通狀態(tài)，與R16和LEDl形成閉合回路，LEDl點(diǎn)亮，U3的接收端受到光照后使Q7反相導(dǎo)通處于低電位，LED2被點(diǎn)亮，同時Kl的線圈上電吸合開關(guān)，紅外LED補(bǔ)光燈處于開啟狀態(tài)；反之則處于關(guān)閉狀態(tài)。本發(fā)明的電源變換器的原理圖如圖5所示。P5為48V電源輸入接口，和電源模塊中PoE分路器的輸出相連，I引腳接48V，2引腳接地。鋁電解電容C9、陶瓷電容ClO均為輸入端的濾波電容，和48V電源并聯(lián)。U4為雙輸出降壓模塊HKS014R5 ；U4的I引腳接48V ;2、3引腳接地；4引腳和信號地間并聯(lián)鋁電解電容Cl I、陶瓷電容C12，輸出5V/1. 5A的直流電源；5引腳和信號地間并聯(lián)鋁電解電容C13、陶瓷電容C14，輸出12V/1. 25A的直流電源，總輸出功率為22. 5ff0 U5、U6為降壓式DC-DC變換器A0Z1010，將HKS014R5輸出的5V/1. 5A電源轉(zhuǎn)換為兩路輸出一路輸出3. 3V電壓作為DSP的IO電源及整個系統(tǒng)的數(shù)字電源，一路輸出I. 4V電壓給DSP的內(nèi)核供電，兩路的最大輸出電流均為2A。
權(quán)利要求
1.一種基于近紅外智能相機(jī)的大尺度粒子圖像測速儀，采用智能相機(jī)的系統(tǒng)架構(gòu)，由處理器模塊、圖像傳感器模塊、光學(xué)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)通信模塊和電源模塊組成，其特征在于處理器模塊以一片32位定點(diǎn)DSP芯片TMS320DM642為核心，用于圖像數(shù)據(jù)的處理及傳輸；圖像傳感器模塊采用分辨率為130萬像素的單色CMOS圖像傳感器MT9M001，用于圖像數(shù)據(jù)的采集；光學(xué)系統(tǒng)由雙濾鏡切換器、電動三可變鏡頭、紅外LED補(bǔ)光燈、電機(jī)驅(qū)動模塊及照明控制模塊構(gòu)成，用于實(shí)現(xiàn)近紅外波段或全光譜波段下光學(xué)成像的遠(yuǎn)程控制；采用PoE方式供電，可以和數(shù)據(jù)傳輸共用一根電纜。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于近紅外智能相機(jī)的大尺度粒子圖像測速儀，其特征在于所述的處理器模塊在DSP內(nèi)集成了視頻口 VP0RT1、外部存儲器接口 EMIFA、增強(qiáng)型媒體存取控制器EMAC和I2C總線等功能模塊用于連接各種外設(shè)；在DSP的CEO空間通過EMIFA接口外擴(kuò)四片32MX16bit的SDRAM存儲芯片MT48LC32M16A2，使數(shù)據(jù)存儲器空間達(dá)到256MB ;在DSP的CEl空間外擴(kuò)一片4MB的FLASH存儲芯片AM29LV033C作為程序存儲器；采用一片CPLD芯片EPM570擴(kuò)展連接外設(shè)的數(shù)字接口，包括三根譯碼控制線用于擴(kuò)展FLASH芯片的地址總線，四路PWM信號分別用于電動三可變鏡頭的變焦、對焦、光圈調(diào)節(jié)和雙濾鏡切換器控制，一組開關(guān)信號用于照明控制模塊的驅(qū)動。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于近紅外智能相機(jī)的大尺度粒子圖像測速儀，其特征在于所述的圖像傳感器模塊中CMOS圖像傳感器通過ΙΟ-bit并行數(shù)字接口和DSP的視頻口 VPORTl相連，輸出像素?cái)?shù)據(jù)D[9:0];通過SCL和SDA接口和DSP的I2C接口相連，用于內(nèi)部寄存器的配置，實(shí)現(xiàn)圖像大小、位置、曝光時間及亮度增益的調(diào)節(jié)；CM0S傳感器的像素時鐘信號PIXCLK和行同步信號LINE_VALID分別和DSP的VPORTl接口中的VP1CLK0和VP1CTL0引腳相連；CPLD向CMOS傳感器提供48MHz的主時鐘CLKIN，通過內(nèi)嵌的可編程脈沖信號發(fā)生器輸出快門觸發(fā)信號TRIGGER，并接收來自CMOS傳感器的補(bǔ)光燈觸發(fā)信號STROBEo
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于近紅外智能相機(jī)的大尺度粒子圖像測速儀，其特征在于所述的雙濾鏡切換器安裝于CMOS傳感器前，具有C型標(biāo)準(zhǔn)鏡頭座用于連接光學(xué)鏡頭；內(nèi)嵌8mm (長度)X 8mm (寬度)XO. 5mm (厚度)的近紅外長通濾光片(波長850_1050nm)和全光譜濾光片(波長400-1050nm)各一片，分別用于光照充足和光照不足的場合。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于近紅外智能相機(jī)的大尺度粒子圖像測速儀，其特征在于所述的電動三可變鏡頭具有l(wèi)/2-inch的C型標(biāo)準(zhǔn)接口，焦距調(diào)節(jié)范圍為8mm-80mm，對焦調(diào)節(jié)范圍為I. 5m-⑴，光圈調(diào)節(jié)范圍為Fl. 2-F22。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于近紅外智能相機(jī)的大尺度粒子圖像測速儀，其特征在于所述的紅外LED補(bǔ)光燈采用波長為850nm的LED燈管；具有鋁質(zhì)及強(qiáng)化玻璃的防水封裝；供電電源為12V直流，額定功率小于15W，有效照明距離大于50m。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于近紅外智能相機(jī)的大尺度粒子圖像測速儀，其特征在于所述的電機(jī)驅(qū)動模塊具有四組相同且獨(dú)立的帶光耦隔離的H橋驅(qū)動電路；模塊的輸入為CPLD提供的四路脈寬為O. Is的PWM信號；模塊的輸出為四路放大信號，一路FILTER信號用于驅(qū)動雙濾鏡切換器中的旋轉(zhuǎn)式磁控體產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)雙濾鏡的切換，另外三路ZOOM、IRIS和FOCUS信號分別用于電動三可變鏡頭的變焦、光圈和對焦的調(diào)節(jié)。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于近紅外智能相機(jī)的大尺度粒子圖像測速儀，其特征在于所述的照明控制模塊的輸入為CPLD輸出的3. 3V開關(guān)信號，開關(guān)信號經(jīng)光耦隔離后驅(qū)動12V直流繼電器的初級線圈，進(jìn)而控制和繼電器次級線圈串聯(lián)的紅外LED補(bǔ)光燈的通斷。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于近紅外智能相機(jī)的大尺度粒子圖像測速儀，其特征在于所述的網(wǎng)絡(luò)通信模塊采用物理層芯片RTL8201、網(wǎng)絡(luò)傳輸變壓器和RJ45網(wǎng)絡(luò)接口作為物理層接口，提供一條符合IEEE 802. 3協(xié)議的以太網(wǎng)接入通道，用以傳輸全部圖像數(shù)據(jù)、流場數(shù)據(jù)、狀態(tài)信息及控制指令。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于近紅外智能相機(jī)的大尺度粒子圖像測速儀，其特征在于所述的電源模塊包括P0E分路器和電源變換器兩部分PoE分路器從以太網(wǎng)電纜的空閑線對中分離出48V的直流電源，其中第4、5線為正，第7、8線為負(fù)；電源變換器中的雙輸出降壓模塊HKS014R5將PoE分路器輸出的48V直流電源轉(zhuǎn)換為12V/1. 25A和5V/1. 5A的兩路電源，總輸出功率為22. 5W ;電源變換器中的降壓式DC-DC變換器A0Z1010組成兩路開關(guān)電源轉(zhuǎn)換HKS014R5輸出的5V/1. 5A電源一路輸出3. 3V電壓作為DSP的IO電源及整個系統(tǒng)的數(shù)字電源，一路輸出I. 4V電壓給DSP的內(nèi)核供電，兩路的最大輸出電流均為2A。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于近紅外智能相機(jī)的大尺度粒子圖像測速儀，屬于非接觸式明渠測流技術(shù)領(lǐng)域。儀器由處理器模塊、圖像傳感器模塊、光學(xué)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)通信模塊和電源模塊組成。處理器模塊以32位定點(diǎn)DSP芯片為核心，代替PC完成圖像的采集、處理及數(shù)據(jù)傳輸；圖像傳感器模塊采用數(shù)字接口的單色CMOS圖像傳感器；光學(xué)系統(tǒng)由雙濾鏡切換器、電動三可變鏡頭、紅外LED補(bǔ)光燈、電機(jī)驅(qū)動模塊及照明控制模塊構(gòu)成，用于實(shí)現(xiàn)近紅外波段或全光譜波段下光學(xué)成像的遠(yuǎn)程控制。儀器采用符合IEEE802.3協(xié)議的以太網(wǎng)傳輸圖像、流場數(shù)據(jù)、狀態(tài)信息及控制指令，并通過PoE方式供電，可以和數(shù)據(jù)傳輸共用一根電纜。本發(fā)明具有抗干擾能力強(qiáng)、時空分辨率高、系統(tǒng)靈活高效的特點(diǎn)。
文檔編號G01P5/26GK102914667SQ20121034500
公開日2013年2月6日 申請日期2012年9月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月18日
發(fā)明者張振, 王鑫, 徐立中, 陳婷, 姚嵐, 賈浪, 嚴(yán)錫君, 樊棠懷 申請人:河海大學(xué)