一種基于系留無人機的圖像遙測系統(tǒng)設(shè)計

汪 洋 沈 力 周述勇

(1.中國人民解放軍92941部隊，遼寧125001；2.航天工程大學(xué)，北京101416；3.北京無線電計量測試研究所，北京100039)

1 引言

圖像遙測系統(tǒng)的主要功能是完成視頻信號的遠距離傳輸任務(wù)，可廣泛用于指定區(qū)域的遠程監(jiān)控。該系統(tǒng)通過圖像采集裝置完成信號的采集，隨后進入遙測裝置中完成信號的編碼、調(diào)制、功放和發(fā)射，再通過地面遙測站對信號進行接收、解調(diào)、解碼后獲得圖像數(shù)據(jù)，從而完成對指定區(qū)域遠程實時監(jiān)控和長時間大容量存儲的任務(wù)。隨著攝錄設(shè)備的小型化、輕量化，將高性能的攝像機安裝于無人機可變?yōu)楝F(xiàn)實[1]。本文介紹一種基于系留無人機的圖像遙測系統(tǒng)設(shè)計，該系統(tǒng)的特點是將圖像采集裝置和遙測裝置安裝于水面船舶的系留無人機上，可完成對船舶甲板全區(qū)域的監(jiān)控覆蓋，有著廣泛的應(yīng)用前景。

2 系統(tǒng)組成

為全方位對船舶甲板情況進行監(jiān)控，可在船頭或船尾通過系留方式安裝無人機，無人機的有效載荷為圖像采集裝置和遙測裝置，為保證圖像穩(wěn)定可增加云臺，無人機飛行高度應(yīng)結(jié)合視場要求和攝像頭焦距等指標進行設(shè)計，系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 圖像遙測系統(tǒng)組成框圖Fig.1 Composition of image telemetry system

2.1 硬件組成

無人機圖像遙測系統(tǒng)由無人機平臺、圖像采集裝置(IP攝像頭、云臺)、遙測裝置(遙測編碼器、發(fā)射機、天線)、電源轉(zhuǎn)換裝置(油機、系留電纜、電池、脫落插頭及轉(zhuǎn)換裝置)、遙測接收機(接收天線、接收通道、解調(diào)與數(shù)據(jù)處理)等組成。無人機為圖像遙測系統(tǒng)提供搭載平臺，并與地面進行控制通信，無人機及其載荷通過系留電纜供電，無人機下安裝圖像采集裝置和遙測裝置，該兩種設(shè)備為無人機有效載荷，為便于攜帶掛機，應(yīng)對兩種設(shè)備進行一體化設(shè)計安裝。位于無人機下的IP攝像頭因獲得了較大的視場，所以只需一路即可，該路攝像頭采集的圖像經(jīng)壓縮后直接通過網(wǎng)線接入遙測編碼器，遙測編碼器形成PCM碼流，最終的PCM碼流送至發(fā)射機和天線進行PCM-FM調(diào)制、放大和發(fā)射。岸邊的地面遙測站接收信號，信號解調(diào)后分選圖像數(shù)據(jù)，并進行解壓縮處理，獲取該路攝像頭的圖像信息，可進行實時播放并存儲，系統(tǒng)硬件組成如圖2所示。

圖2 硬件組成框圖Fig.2 Hardware composition

2.2 軟件組成

系統(tǒng)軟件分為IP攝像頭軟件、遙測裝置軟件、遙測接收機軟件、播放軟件等四部分，攝像頭的圖像壓縮協(xié)議采用MPEG-4協(xié)議，壓縮倍數(shù)根據(jù)圖像質(zhì)量的不同，壓縮倍數(shù)不同，一般情況下約為60～90倍，該協(xié)議通常集成于網(wǎng)絡(luò)IP攝像頭內(nèi)。

攝像頭網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議按照ONVIF協(xié)議標準進行編寫，遙測裝置根據(jù)協(xié)議的要求獲取攝像頭數(shù)據(jù)，通過遙測信道編碼傳輸后解調(diào)數(shù)據(jù)，再根據(jù)ONVIF協(xié)議還原出數(shù)據(jù)進行播放，軟件組成如圖3所示。

3 關(guān)鍵設(shè)備設(shè)計

圖像遙測系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備包括IP攝像頭、無人機平臺、遙測裝置及電源轉(zhuǎn)換裝置等，下面將對關(guān)鍵設(shè)備設(shè)計進行介紹。

圖3 軟件組成框圖Fig.3 Software composition

3.1 IP攝像頭參數(shù)設(shè)計

IP攝像頭采用CMOS成像傳感器，與CCD相比，CMOS器件具有功耗低、集成度高等優(yōu)點[2]。CMOS攝像頭采用可變焦設(shè)計，以備在突發(fā)狀況時可對特定區(qū)域進行更為清晰的成像，從而為遠程人員提供應(yīng)急處置的判斷依據(jù)。假設(shè)甲板長度為180m，寬度20m，無人機懸停高度為100m。為完整覆蓋監(jiān)測區(qū)域，感光芯片對角線尺寸選定為16mm，焦距范圍為(8～128)mm，此時攝像頭監(jiān)測區(qū)域為(12.5～200)m，即可覆蓋200m甲板的長度，又可對最小12.5m范圍進行詳細監(jiān)測，幾何示意圖如圖4所示。

圖4 攝像頭焦距分析Fig.4 Camera focal length analysis

對于無人機載的遙測系統(tǒng)，由于視場很寬，要達到一定的分辨率，必須采用高清攝像頭，可采用1280×960 的分辨率，幀頻 60Hz[3]，對 180m 的視場，分辨率能達到60mm，采用TPC編碼后，此時遙測裝置數(shù)據(jù)率約為9.5Mbps。圖像傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)接口為RJ45、支持10M/100M網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，防護等級IP66，產(chǎn)品重量小于1.5kg。若遙測頻段內(nèi)有2個頻點可以應(yīng)用，則可采用2個低碼率的通道進行傳輸，從而增大作用距離，以無人機載設(shè)備為例，可采用2個5Mbps的通道進行傳輸。

3.2 無人機平臺功能設(shè)計

無人機主要負責(zé)空中搭載任務(wù)，因此其載重量和穩(wěn)定性至關(guān)重要，并且在滿足使用需求的前提下，應(yīng)盡量避免功耗的浪費。無人機的載荷包括圖像采集裝置、遙測裝置、電池、系留電纜等，其中，圖像采集裝置、遙測裝置、電池的總重量為13kg，而系留電纜是船舶為無人機進行供電的設(shè)備，電纜的重量與無人機旋翼拉力的功耗成正比，即當供電電壓一定時，功耗越大、電流越大、電纜直徑越大、電纜越重。另外，為應(yīng)對海上復(fù)雜氣候，應(yīng)選用抗風(fēng)能力較強的八旋翼無人機，該類型無人機采用直流電動機，拖動系統(tǒng)易于穩(wěn)定運行，通過遙控器的控制可將無人機可懸停在100m高度。

系留電纜的額定電流及自重見表1，使用10AWG輸電線較為合適，該線纜由正負兩根線組成回路，在100m高度時，輸電線的重量為66×2×100=13200g=13.2kg，因此載荷總重量是13+13.2=26.2kg，無人機額定40kg的載重量可以滿足26.2kg的需求，此時經(jīng)過輸電線的電流約為75A，也滿足系留電纜的額定要求。

表1 系留電纜的額定電流及自重Tab.1 Rated current and deadweight of the tethered cable

無人機的基本參數(shù)分為機架參數(shù)和飛行參數(shù)，機架參數(shù)包括對稱電機軸距1800mm、單臂長度650mm。飛行參數(shù)包括直流供電電壓50V、機身自重12kg、最大載重重量40kg、最大功耗5kW、最大垂直上升速度6m/s、自動巡航速度(6～10)m/s、最大平飛速度15 m/s、抗風(fēng)能力最大5級(8.0～10.7)m/s、工作極限溫度 -20℃ ～+55℃、存儲環(huán)境穩(wěn)定 -20℃ ～+65℃。無人機有效載荷重量估計表見表2。

因電纜使用環(huán)境為海上，因此應(yīng)注意海風(fēng)和潮濕對電纜的腐蝕，在選用時電纜質(zhì)量等級至少為適應(yīng)海上作業(yè)環(huán)境的工業(yè)級產(chǎn)品，并且能承受一定的拉力，在電纜兩端連接處注意防護，增加轉(zhuǎn)彎半徑并留有一定余量，確保在晃動時能避免額外受力、磨損或脫落。

表2 無人機有效載荷重量估計表Tab.2 Payload weight assessment of the drone

3.3 無人機平臺安全性設(shè)計

由于無人機飛行高度高自重大，為保證甲板人員和設(shè)備的安全，需要對平臺的安全性進行充分設(shè)計，采用不斷優(yōu)化的智能算法。同時，無人機控制信號、導(dǎo)航信號、遙測信號容易被干擾和截獲，因此還應(yīng)加強物理層和MAC層的協(xié)議和策略[4]。

無人機飛行到指定高度和區(qū)域后會進行懸停操作，此時無人機會根據(jù)風(fēng)速和氣流變化適當調(diào)整位置和姿態(tài)，同時無人機接收的衛(wèi)星導(dǎo)航信號也輔助控制系統(tǒng)進行判斷。無人機可能會受到壓制式干擾和欺騙式干擾[5]，為避免無人機的控制信號受到欺騙式干擾，控制信號應(yīng)采用擴頻通信方式，即使用擴頻序列、頻率跳變、時間跳變等方式來提升信號抗干擾能力，擴展信號頻譜使有用信號淹沒在噪聲之下不易被偵測到[6]。當無人機的控制信號受到壓制式干擾，飛行控制軟件應(yīng)以衛(wèi)星導(dǎo)航信號和慣性導(dǎo)航信號作為信息主要來源，并按照預(yù)定程序正常執(zhí)行，在任務(wù)完成后自動降落至甲板。當衛(wèi)星導(dǎo)航信號受到壓制式或欺騙式干擾時，飛行控制軟件應(yīng)以人工控制和慣性導(dǎo)航信號作為信息主要來源[7]，軟件中可采用卡爾曼濾波法對飛行器的位置和姿態(tài)進行預(yù)測，根據(jù)各類干擾環(huán)境，逐步對算法進行優(yōu)化[8]。同時，無人機的控制信號和遙測裝置的信號應(yīng)在收發(fā)端使用加密芯片來進行保密。

3.4 遙測裝置設(shè)計

3.4.1 遙測體制選擇

目前國內(nèi)較為常用的遙測體制包括PCM-FM，PCM-QPSK，PCM-BPSK等，下面結(jié)合具體使用環(huán)境和參數(shù)選擇進行比較。

從抗多徑衰落的能力進行分析。多徑衰落問題在通信系統(tǒng)中非常普遍，尤其是海面環(huán)境比陸地環(huán)境還要嚴重數(shù)倍，將對接收系統(tǒng)產(chǎn)生不良影響。多徑衰落產(chǎn)生原因是發(fā)射信號經(jīng)過不同路徑到達接收機，變化的相位產(chǎn)生了疊加，導(dǎo)致最終的接收信號出現(xiàn)幅度衰落[9]。PSK通過鑒相獲得信息，因此受多徑影響較大，而FM通過前后相位的相對關(guān)系獲得信息，因此受多徑影響較小。因此，PCM-FM體制在抗多徑衰落方面具有優(yōu)勢，更適用于海面環(huán)境的遙測任務(wù)。

從信號傳輸帶寬能力進行分析，PSK比FM更易傳輸較大帶寬的信號，目前的移動通信中一般采用8PSK、QPSK的調(diào)相的方式進行傳輸，可支持數(shù)百兆的信號帶寬，但常規(guī)遙測系統(tǒng)一般只需10MHz以下碼速率，PSK的優(yōu)勢并不能體現(xiàn)出來，F(xiàn)M足以滿足使用要求。另外，從信號自身占用帶寬進行分析，在相同碼速率情況下，以占有99%以上信號能量帶寬為考量，F(xiàn)M約為1.16倍碼速率帶寬，而PSK約為1.5倍碼速率帶寬，由此可見FM頻譜更加集中，因此接收機在進行接收時，中頻濾波帶寬可以更窄，從而使得FM的接收靈敏度更高一些(現(xiàn)有接收機FM靈敏度較PSK高1dB)，尤其當多通道遙測的使用環(huán)境下，F(xiàn)M抗通道間干擾的能力更強。

綜上所述，PCM-FM體系具有較強的抗多徑衰落能力、較高的接收靈敏度、較好的多通道適應(yīng)性、較簡單的實現(xiàn)方式且滿足遙測信息傳輸速率，因此適合應(yīng)用于本系統(tǒng)。

3.4.2 編碼器與發(fā)射機設(shè)計

遙測裝置編碼器采用數(shù)字調(diào)制方式，內(nèi)部使用Z7系列的FPGA作為控制器，內(nèi)部集成2顆ARM9內(nèi)核，具備硬件的網(wǎng)口，可實現(xiàn)對攝像頭的數(shù)據(jù)讀取。同時，使用AD9957作為數(shù)字信號合成器，可實現(xiàn)對調(diào)制模式的軟件控制，對發(fā)射頻點在(2 200～2 300)MHz之間的自由設(shè)置。其主要功能包括：接收網(wǎng)口數(shù)字量信息、按照幀格式插入到PCM碼流中、數(shù)字可編成的TPC信道編碼。遙測發(fā)射機采用數(shù)字合成進行調(diào)制信號，將調(diào)制后的射頻信號上變頻至S頻段，并進行雙路5W功率放大[10]。遙測裝置還應(yīng)將接收到的遙測電源28V進行二次電源變換，提供遙測裝置內(nèi)部使用的±12V，±5V等電源的功能。其重量約為0.8kg，功能框圖如圖5所示。

3.4.3 遙測天線設(shè)計

圖5 遙測編碼器和發(fā)射機功能框圖Fig.5 Telemetry encoder and transmitter composition

天線設(shè)計需考慮使用環(huán)境、覆蓋區(qū)域、頻率范圍、增益大小等。海面環(huán)境下多徑衰落對于水平極化方向影響較大，但對垂直極化信號影響較小，因此天線采用垂直線極化方式。為實現(xiàn)方位360°、俯仰-20°～60°的區(qū)域覆蓋，可采用兩個180°全向微帶天線組合而成，天線形式為振子，帶寬100MHz，增益在(-3～+5)dB之間，重量小于0.2kg。

3.5 電源轉(zhuǎn)換器設(shè)計

電源轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)從柴油發(fā)電機輸出電壓到無人機動力電壓以及機載設(shè)備電壓的轉(zhuǎn)換，為減小傳輸電纜的重量，無人機和機載設(shè)備采用同樣的電壓，因此要求機載設(shè)備使用能夠兼容(20～50)V供電電壓的寬電壓DC/DC模塊。無人機電機耗電量較大，此時系統(tǒng)輸出功率約為5000W，電源轉(zhuǎn)換器體積約為300mm×150mm×50mm。同時，還需增加50V的10000mAh的鋰電池，保證無人機載系統(tǒng)在供電電纜切斷后或意外中斷后能有6min時間正常起降。無人機有效載荷經(jīng)DC/DC轉(zhuǎn)化后采用+24V電池供電，在裝置內(nèi)部實現(xiàn)電壓的二次變換，其中遙測編碼器采用+5V供電，遙測發(fā)射機采用+10V供電，攝像頭采用+12V供電，表3是各部分的功率需求。若考慮二次電源的轉(zhuǎn)換效率為75%，則功率需求約為44.1/0.75=58.8W，若采用24V電源供電，則電流需求為58.8/24=2.45A，無人機有效載荷功耗見表3。除此之外，還需要增加系留電纜供電與電池供電轉(zhuǎn)換裝置，該裝置用于地面供電與機載電源供電的轉(zhuǎn)換，采用8個繼電器分別對8個電機供電進行控制。繼電器由地面電源控制，而繼電器開關(guān)連接在電池供電回路中，如圖6所示。無人機開始工作時由地面線纜通過脫落插頭給電機供電，同時也驅(qū)動繼電器線圈使得繼電器斷開(繼電器采用常閉觸點)，當工作完成轉(zhuǎn)入電池供電時，采用控制電磁解鎖或機械力解鎖的方式進行解鎖，將線纜與無人機脫落插頭脫開，地面供電中斷，繼電器恢復(fù)常閉狀態(tài)，此時由機載電池接通供電，在6min時間內(nèi)完成無人機降落。

表3 無人機有效載荷功耗估計表Tab.3 Drone payload power consumption

圖6 系列供電與電池供電轉(zhuǎn)換裝置Fig.6 Power conversion device

4 系統(tǒng)綜合性能分析

4.1 遙測距離分析

4.1.1 不考慮地球曲率的遙測距離分析

由信號傳輸公式可得，接收機靈敏度為

式中：Smin——接收機靈敏度；Pt——發(fā)射功率；Gt——發(fā)射天線增益；λ——信號波長；Gr——接收天線增益；R——傳輸距離；L——多徑、遮擋等帶來的信號損耗。

假設(shè)傳輸碼速率約為10MHz，根據(jù)實際選用的產(chǎn)品指標可知：Smin=-122dBW，Pt=5W，Gt=4dB，λ =1/2250=0.1334m，Gr=26.4dB，L=9dB(海面情況典型值)，則10logR=59.95dB，R≈100km。

若采用2個遙測頻點進行傳輸，傳輸碼速率約為5MHz，根據(jù)實際選用的產(chǎn)品指標可知：Smin=-125dBW，Pt=5W，Gt=4dB，λ =1/2250=0.1334m，Gr=26.4dB，L=9dB(海面情況典型值)，則10logR=61.45dB，R≈140km。

若采用MSD+TPC編碼的方式，以上兩種情況的R可進一步增大，作用距離見表4。

表4 作用距離情況表Tab.4 Working distance

4.1.2 考慮地球曲率的遙測距離分析

遙測裝置采用無人機載方式，發(fā)射天線高度為100m，考慮地球曲率的影響，作用距離約為96km。由表4的分析可以看出，4種碼速率方式都可以達到最遠使用距離。若要進行更遠距離的圖像遙測，可增加無人機中繼，若無人機高度為100m，則每增加一個中繼點，距離可增加約70km。

在96km作用不變情況下，由于接收機靈敏度的變化，使得4種方式獲得信息的誤碼率見表5。

表5 接收誤碼率統(tǒng)計表Tab.5 Receive error rate statistics

4.2 圖像數(shù)據(jù)延遲分析

圖像延遲的總時間是各分系統(tǒng)延遲的總和，在網(wǎng)絡(luò)傳輸時，誤碼率過大等易造成數(shù)據(jù)的重法，數(shù)據(jù)延遲時間約為幾十個時鐘周期，采用100M網(wǎng)時，延遲時間不超過1ms。在進行圖像壓縮時，要進行幀間預(yù)測，同時隨著圖像質(zhì)量的不同，壓縮后數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量變化，而100M網(wǎng)的傳輸速率為數(shù)據(jù)量的10倍，緩存可以較小，目前設(shè)置為10幀，以60Hz的幀頻計算，延遲約為16ms。遙測組幀延遲不超過一個幀周期，約為5ms。其它延遲包括芯片信號處理延遲和線纜延遲等，因此系統(tǒng)整體延遲合計小于25ms。

5 結(jié)束語

本文介紹的基于系留無人機的圖像遙測系統(tǒng)設(shè)計方案，為甲板圖像監(jiān)控提供了一種通用的方法，該方法已經(jīng)過實際驗證，可行有效，回傳的圖像清晰的顯示了甲板上作業(yè)情況。根據(jù)自身測量需求，可調(diào)整攝像頭的分辨率、焦距，無人機的載重量，遙測裝置的功率、通道數(shù)量、信號編碼方式、信號調(diào)制方式等，最終可以實現(xiàn)對船舶甲板進行全方位、遠距離、長時間、實時監(jiān)控。