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一种新的微型无人机数字图像无线传输系统.doc

一种新的微型无人机数字图像无线传输系统

俄冷漠的表情
2018-03-02 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《一种新的微型无人机数字图像无线传输系统doc》,可适用于社会民生领域

一种新的微型无人机数字图像无线传输系统一种新的微型无人机数字图像无线传输系统R豢eVieW一种新的微型无人机数字图像无线传输系统高珍邓甲昊,宋崧,孙骥北京理工大学宇航科学技术学院北京擅翼数字图像无线传输是微型无人机执行侦察,监视任务的重要组成部分针对微型无人机的特点及其对图像传输的实时性要求,采用基于内嵌延拓提升小波的改进SPECK图像压缩算法,基于Turbo码的信道纠错编码及扩频发射技术提出一种新型数字图像无线传输系统通过分析该系统的结构和原理,讨论了所涉及的关键技术及解决方案,就内嵌延拓提升小波算法进行了硬件设计与仿真结果表明,该结构算法简单,占硬件资源少,运算速度快,功耗低所设计的系统压缩性能高,抗差错能力强及传输可靠,能满足微型无人机的特殊任务需求关词微型无人机图像无线传输提升小波变换SPECK改进算法Turbo码扩频技术中圈分类号V,TN文献标识码A文章缩号()NovelDigitalImageWirelessTrsmissionSystemforM’cnransmlsystemicrMUnmannedAirVehicleGAOZhen,DENGJiahao,SONGSong,SUNJiSchoolofAerospaceScienceandEngineering,BeijingInstituteofTechnology,Bering,ChinaP,tnametThedigitalimagewirelesstransmissionisanimportantcomponentforspecialtasksofsurveillanceofmicrounmannedairvehicleAccordingtotheneedsofmicrounmannedairvehicleandthespecificrequirementforimagetransmission,anoveldigitalimagewirelesstransmissionsystemisproposedinthispaper,whichadoptstheimprovedSPECKcompressionalgorithmbasedonembeddedextensionliftingwavelettransforms,channelerrorcorrectioncodingbasedonTurbocodesandspreadspectrumtechnologyItsstructure,principles,keytechnologiesarediscussedThehardwarearchitectureofembeddedextensionliftingwaveletisdesignedandsimulatedTheresultsshowthatthealgorithmissimple,thehardwarerequirementislow,thetransformspeedishigh,withlowpowerconsumptionthedesignedsystemenjoysahighcompressibility,theabilityofresistingerrorandreliabletransmissionperformanceTherefore,itisapplicableforthespecifictasksofmicrounmannedairKeywordsmicrounmannedairvehicleimagewirelesstransmissionliftingwavelettransformSPECKimprovedalgorithmTurbocodesspreadspectrumtechnology微型无人机(MicroUnmannedAirVehicle,MUAV)概念是由于其体积小,重量RichardOHundley于年提出的轻,隐藏性好,在军事上被用于侦察,监视等领域f,民用中可实现昼夜巡视,航空摄影等这些应用希望获得高分辨率,二维或三维的目标图像信息,需通过机载图像无线传输系统实现但高分辨率图像数据量相当大,而微型无人机体积重量又有严格限制,故图像数据的高速可靠传输是微型无人机研究的重大课题国外对此课题早有研究,但由于技术保密性,相关资料甚少国内在该方面的研究起步较晚,技术相对落后主要采用模拟方式,系统易受干扰,传输距离有限即便是研究比较成熟的无人机载图像实时传输系统,其图像压缩算法也是采用适于自然图像的标准算法,其图像质量指标较低,信道编码效率低,频谱利用率不高,抗干扰差故迫切需要研究一种新型的微型无人机数字图像无线传输系统本研究针对微型无人机图像无线传输系统工作的特殊性提出一种新的数字图像压缩及传输方案,该方案采用基于内嵌延拓提升小波变换的改进SPECK图像压缩算法,基于Turbo码的无线信道纠错编码,对感兴趣图像信息进行压缩与传输,使得系统体积小,功耗低,压缩性能好,运算速度快,抗差错性强及传输可靠收稿日期:作者简介:高珍北京市海淀区中关村南大街号北京理工大学宇航科学技术学院,博士研究生,Email:gaozhyahooconen邓甲昊(通信作者)北京市海淀区中关村南大街号北京理工大学宇航科学技术学院,教授,Email:bitdjhsohucon科技导报,()系统组成及工作原理微型无人机数字图像无线传输系统整体结构方案如图所示该系统主要由机载探测与发射,地面接收与识别两大子系统组成其基本原理是:微型摄像头输出其捕捉到的目标图像信息由于图像数据量巨大,为了实现完整,实时,准确地传输感兴趣的图像信息,需选择性能好,易于硬件实现,功耗低的图像压缩算法对压缩后的信息码流进行渐进式传输,即优先传输重要的目标特征信息(如轮廓信息等),以便目标识别为了避免在恶劣的电磁环境传输中产生误码和码间干扰,需对压缩后的码流进行纠错编码图像压缩及信道编码通过微处理器实现对编码后的信息采用数字调制方式,以便信号发射然后通过基于扩频技术的高频信号发射电路将处理后的图像信息实时快速地传回地面控制站,进行目标图像信息处理与识别将处理后的有用控制信息远程无线传回机载设备,使机载设备,地面控制中心实现不断的信息交流和通信图微型无人机数字图像无线传输系统结构示意FigDigitalimagewirelesstransmissionarchitectureforMUAV数字图像无线传输系统关键技术及解决方案这种新型数字图像无线传输系统的主要关键技术体现在以下方面基于内嵌延拓提升小波的改进SPECK图像压缩编码算法技术微型摄像头输出的图像数据很大,而无线信道的带宽较窄,误码率高,故必须对其进行图像压缩目前图像压缩编码算法较多,针对本研究图像压缩特点,可采用不可逆Daubechies小波或可逆小波提取其重要特征信息D需个乘法器和个加法器,运算时间较长,占硬件资源大,实现复杂本研究图像压缩需重点考虑图像压缩的运算时间,而小波无需乘法器,只需移位和个加法器可减少运算量,降低硬件资源同时,由于提升方案具有原位运算的优点,可节省大量存储空间,提高运算速度故采用提升小波提取图像的重要特征系数提升方案的基本思想是将Mallat算法中每一级滤波运算分解为分裂(split),预测(predict)和更新(update)步通过预测和更新两个提升环节实现信号高低频的分离,避免了传统小波变换卷积操作的步骤,仅需移位,加减运算,算法简单快捷R豢eVeW提升小波变换原理图如图所示,其具体算法如下奇寺偶分裂图,提升小波原理示意FigDiagramofIiffingwavelet预测:()()一lf,nlif()更新:()(n)ly(n)yd(n)fio()LrJ式中,”lJ’’表示取整,(),Xe~(n)表示经边界延拓后的序列值小波变换需要对图像的边界数据进行对称周期性延拓,若按传统延拓方式实现,会增加存储空间和读写操作,从而增加功耗因此本文采用一种”内嵌延拓”提升小波变换算法,可有效降低存储空间,提高运算速度,减小功耗本研究的目标图像是在带宽窄,误码率高的无线信道中实时传输的,而交互性高精度,连续图像的传输,其图像压缩就需采用高效,压缩性能好,算法简单的压缩编码技术目前SPIHT,SPECK和SPBLS算法具有很好的压缩特性其中,SPIHT运算量大,执行时间慢,硬件实现复杂SPECK计算复,杂度低,动态存储需求少且信噪比高:SPBLS与SPECK相似但硬件实现复杂,压缩速率较慢选大小为x的坦克灰度图像为实验对象(图),小波基选提升小波运用Matlab对其进行分解和重构,实验结果见表,表图坦克灰度图像(x)FigTankgraypicture(x)科技导报,()R豢eView压缩算法压缩比:::|警鬻麓ls】GK麓||u=t|l隧OI由表,表可知,从运行时间来看,SPECK最快:从压缩效果来看,种压缩算法的峰值信噪比接近,但SPBLS编码速度较慢,且改进后的SPECK算法可节省存储资源经综合考虑图像压缩的实际要求选择基于内嵌延拓提升小波变换的改进SPECK算法复杂战场环境下抗码间干扰的无线信道纠错编码技术微型无人机图像无线传输信道属于瑞利衰落信道,易产生误码和码间干扰,同时,改进的SPECK算法产生的码流在该信道下对差错也特别敏感,故很有必要对图像压缩信息进行纠错编码,降低其误码率,减小系统传输时延,以实现可靠传输通过分析知,Turbo码适合宽带图像信息的远距离无线传输,满足纠错编码的要求此外,具有删余特性的Turbo码适合对压缩后的信息进行非平等纠错保护(UnequalErrorProtectionUEP)~故在微型无人机的数字图像无线传输中,利用删余Turbo码对图像压缩信息进行纠错编码,不仅能实现较高的峰值信噪比,且能在变化的噪声干扰信道环境中更稳健,更可靠地传输Turbo码在瑞利衰落信道,AWGN信道下的误码性能比较如图所示从图可看出,瑞利衰落信道下Turbo码的性图Turbo码的误码性能比较FigComparisonforerrorcodeperformanceofTurbocodes科技导报()能比AWGN信道下大约差dB若不采用编码技术S在瑞利衰落信道下须使误比特率Pb=lO,信噪比至少为OdB相对于无编码技术,Turbo码有大约dB的编码增益因此Turbo码实现图像无线传输过程的纠错编码具有很强的抗差错能力基于扩频技术的数字图像信号调制及高频发射电路设计欲提高图像传输距离需提高发射信号功率,提高接收灵敏度及采用高增益天线,因此图像数字信号调制与高频信号发射电路设计非常关键目前市场上有多种不同频段的无线专用集成收发模块,如nRF,I~I’R,nRFL等但针对微型无人机的特殊应用场合,若采用无线收发模块实现信号调制及高频发射,由于其发射频率固定,在实际传输时极易受敌方干扰故需要专门设计高频发射电路本研究采用扩频技术,该技术抗干扰能力强,信号功率谱密度低,利于信号隐蔽及防止窃听,信息传输可靠性高其结构原理如图所示图扩频技术实现数字图像信号调制和收发原理示意FigDigitalsignalmodulationandR,schematicdiagramusingspreadspectrum微型无人机目标图像稳像技术由于微型无人机飞行姿态多变,其拍摄的图像信号质量极不稳定,难以满足战场上的需求因此,如何稳定所拍摄的目标图像是一个需要解决的关键技术问题目前常用的图像稳像手段有机械式稳像,光学稳像和电子稳像,其中电子稳像应用较为广泛根据微型无人机自身的特点,图像无线传输系统体积重量的限制,这种手段均无法完成目标图像的稳定本研究先将目标图像通过该新型无线传输系统传回地面,然后借助地面站图像稳定软件进行稳像,以便于军事侦察与目标识别提升小波内嵌延拓算法硬件实现本研究中数字图像压缩的重要环节是提升小波变换,故须对其硬件实现做进一步的研究内嵌延拓提升小波变换算法是将对称周期延拓内嵌于提升小波变换模块中,使其算法简单,硬件体积减小,功耗降低该算法采用分段函数表示,可分为个阶段:起始阶段,根据式(),式()处理左延拓数据正常运行阶段,根据式(),式()处理中间正常数据结束阶段,根据式(),式()处理右延拓数据y(io)=x(io)x(iol()y((『l()y(i,)=x(it)x(ir)()y(:(f)ll()根据上述算法原理设计其硬件结构,如图所示以x的数据块为例,对该结构进行VHDL设计输入,并在ISEi环境下运用ModelSim进行仿真验证,其部分仿真波形如图所示验证表明,该结构在工作主频为MHz下约占个LC其小波变换时间约为ins如果采用现有的传统硬件结构实现,则需要约个LC,变换时间约为ins,显然,该结构占用硬件资源少,运算时间短,与文献【】比较,每行(每列)减少两个运算模块,计算复杂度低,且具体实现时采用最新的大容量,低功耗芯片,故可进一步降低其功耗eVeW图内嵌延拓,提升小波变换硬件结构FigHardwarearchitectureofembeddedextensionliftingwavelet图部分仿真输出波形FigOutputwaveformofpartsimulation结论提出了一种应用于微型无人机特殊任务的新型数字图像无线传输系统,探讨了该系统的关键技术及其解决方案针对其内嵌延拓提升小波变换算法设计了硬件结构,并进行了仿真验证实验表明,该结构所需硬件资源少,运算速度快,算法实现简单,功耗低,很好地满足了其硬件设计要求高效SPECK改进压缩算法具有压缩性能好,运算速度快,实时等特点而复杂战场环境下的Turbo纠错编码技术具有很强的抗差错,衰落能力,采用扩频技术设计的高频发射电路抗干扰能力强,传输可靠因此,该新型数字图像无线传输系统非常适合用于微型无人机的特殊侦察任务是一种可行的系统方案参考文献(References)】StevenAPalmsizespyplanesMechanicalEngineering,,f:f】高珍,邓甲吴,孙骥,等微型无人机图像无线传输系统的发展现状与其关键技术【J】科技导报,,():GaoZhen,DengJiahao,SunJi,etoScienceTechnologyReview,():】刘荣科,张晓林无人机载图像实时传输方案的研究北京航空航天大学学报,,():LiuRongke,ZhangXiaolinJournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronautics,,():】刘文耀小波图像编码与专用VLSI设计M】北京:电子工业出版社,LiuWenyaoWaveletimagecodingandspecialVLSIdesignMBering:PublishingHouseofElectronicsIndustry,】陈大科,韩九强提升小波变换及逆变换的FPGA设计方法『JJ东南大学学报:自然科学版,,(s):ChenDake,HanJiuqiangJournalofSoutheastUniversity:NaturalScienceEd,,(S):】朱锦华,许茹,陈华宾基于提升小波变换的SPECK图像编码算法『JJ电子工程师,f):ZhuJinhua,XuRu,ChenHuabinElectronicEngineer,,f:】ThomosNikolaos,BoulgourisNVWirelessimagetransmissionusingturbocodesandoptimalunequalerrorprotectionJIEEETrausonImageProc,,():】陈跃波,黄旭方,覃团发Turbo码在瑞利慢衰落信道中的性能仿真与分析『J】广西科学,,l():ChenYuebo,HuangXufang,QinTuanfaGuangxiSciences,,l():l一l【】TanKCB,ArslanTLowpowerembeddedextensionalgorithmforliftingbaseddiscretewavelettransforminJPEGJCElectronicsLetters,,():(t任缟辑代丽)科技导报(l

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