基于圖象模式的CCD視頻信息采集技術(shù)

王漢兵，黃 濤，雷 磊，周永平，陳世純

（1.武漢軍械士官學(xué)校，湖北 武漢 430075；2.總裝3303工廠，湖北 武漢 430200）

0 引 言

CCD觀測器能夠根據(jù)輻射源自動、實(shí)時地測量飛行器偏離瞄準(zhǔn)線的角偏差，以串碼形式供給控制箱編制控制指令，它實(shí)質(zhì)上是一個測量角偏差的精密光電系統(tǒng)。CCD觀測器的主要性能參數(shù)包括測角精度、抗干擾能力和電子學(xué)的靈敏度。為有效完成以上參數(shù)采集，應(yīng)用計算機(jī)、虛擬儀器、自動化、數(shù)據(jù)庫等技術(shù)，設(shè)計了一套CCD觀測器自動測試系統(tǒng)。

該文側(cè)重對CCD觀測器的主要輸出信號即視頻信號的提取及關(guān)鍵軟硬件設(shè)計進(jìn)行闡述，并給出測角精度、抗干擾能力和靈敏度的分析處理方法。

1 CCD觀測器功能原理

CCD觀測器是以單片機(jī)為核心的光機(jī)電系統(tǒng)，它的變焦光學(xué)系統(tǒng)接收彈尾輻射源能量，并分成主次2路，通過不同的濾光片后投射到各自的CCD攝像機(jī)靶面上，分別形成彈標(biāo)和背景及干擾的全視頻信號。經(jīng)過鉗位、放大后相減，再經(jīng)窗口選通和比較，取出彈標(biāo)信號，該信號輸送給測角電路，根據(jù)彈標(biāo)信號在CCD攝像機(jī)靶面上的位置及光學(xué)系統(tǒng)的焦距，即可求出角偏差量。高低和俯仰方向的角偏差數(shù)字量通過單片機(jī)串口以一定傳輸方式傳輸?shù)娇刂葡鋄1]。CCD觀測器的工作原理框圖如圖1所示。

圖1 CCD觀測器的工作原理框圖

表1 CCD觀測器主要技術(shù)性能

圖2 測試系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

CCD觀測器主要技術(shù)性能如表1所示。測角精度包括大視場精度和小視場精度，大視場精度指發(fā)射時間為3.8s時（相當(dāng)于測量400m處），目標(biāo)的精度指標(biāo)；小視場精度是指發(fā)射時間為20s時（相當(dāng)于測量3000m處），目標(biāo)的精度指標(biāo)?？垢蓴_能力是指CCD觀測器在最惡劣的外場環(huán)境下對最強(qiáng)干擾光源的不捕獲能力。靈敏度是指CCD觀測器的信號提取能力，能對真實(shí)目標(biāo)進(jìn)行可靠捕獲和精確跟蹤。

2 測試系統(tǒng)的方案設(shè)計

2.1 總體結(jié)構(gòu)

CCD觀測器測試系統(tǒng)采用PXI總線模塊作為硬件開發(fā)平臺，系統(tǒng)框圖如圖2所示，包括UUT部分、適配部分和PXI總線部分。

可以看出，檢測觀測器需要施加的信號有DC信號、數(shù)字I/O信號、開關(guān)信號等，用來給照明燈、目標(biāo)燈供電，模擬發(fā)射同步信號和自檢信號，控制CCD觀測器饋電，提供測試環(huán)境、測試條件和激勵等。觀測器響應(yīng)的信號主要有DC信號、視頻信號、電阻信號、數(shù)字信號等，通過A/D采集或者數(shù)字萬用表測量，主控機(jī)獲取相關(guān)信號的數(shù)據(jù)。

2.2 測試原理

檢測觀測器時，需要給觀測器提供一個模擬輻射源，這個信號相對于觀測器來說是個無窮遠(yuǎn)的信號，同時還需要模擬實(shí)際背景。通過觀看觀測器的視頻輸出，可以對觀測器做一個定性的或定量的判斷。

圖3 平行光管

為此，建立一套室內(nèi)光學(xué)模擬系統(tǒng)，包括照明系統(tǒng)、平行光管、調(diào)整機(jī)構(gòu)、底座等。該系統(tǒng)通過鹵素?zé)粽彰?，?jīng)過聚光鏡和四方棱鏡，使得平行光管周圍4個區(qū)域光強(qiáng)均勻分布，同時在平行光管的出口處安裝4只光敏三極管，檢測光的強(qiáng)弱和分布情況。在平行光管的焦平面上設(shè)置測精度分劃板、測抗干擾分劃板和測靈敏度分劃板3種分劃板，以及相對應(yīng)的3種中性濾波片，分別提供檢測3個性能參數(shù)所需的適當(dāng)背景、目標(biāo)和測試條件，還安裝磷砷化鎵小燈泡來模擬真實(shí)目標(biāo)。調(diào)整機(jī)構(gòu)用來做高低和方位2個方向的調(diào)整，以便被測CCD觀測器對準(zhǔn)平行光管，并瞄準(zhǔn)相應(yīng)的分劃板。測試系統(tǒng)采用了平行光管作為室內(nèi)光學(xué)模擬系統(tǒng)，為測試系統(tǒng)提供目標(biāo)、干擾目標(biāo)和背景。平行光管的外觀如圖3所示。

3 測試系統(tǒng)適配電路設(shè)計

3.1 串口匹配與通信電路設(shè)計

觀測器的角偏差是觀測器測試的最重要部分。角偏差反映了觀測器的精度特性，是對觀測器定量測試的重要指標(biāo)。

在進(jìn)行精度測試時，CCD觀測器內(nèi)部8098單片機(jī)以特定波特率按固定的串行通信方式輸出在水平和俯仰2個方向上的角偏差（觀測器每40ms發(fā)一楨角偏差數(shù)據(jù)，每楨11個字節(jié)，波特率為93.75KB），主控計算機(jī)RS232串口接收并解算出其數(shù)值。

單片機(jī)與主控機(jī)實(shí)現(xiàn)通信，需要滿足2個條件：（1）電平匹配；（2）波特率匹配[2]。這里，使用 MAX232芯片進(jìn)行TTL電平與RS232電平轉(zhuǎn)換。CCD觀測器的串口波特率是93.75 KB，是由其內(nèi)部單片機(jī)的晶振頻率和分頻器數(shù)值決定，作為裝備這一數(shù)值是不能改變的，而主控機(jī)的串口波特率也是一些特定的離散值，沒有93.75KB的波特率。因此，觀測器與主控機(jī)的直接通信將變得不可能。

為此，在適配電路中設(shè)計了一個由51單片機(jī)作為過渡的波特率轉(zhuǎn)換電路。選擇合適的晶振和設(shè)定適當(dāng)?shù)姆诸l器值，以93.75 KB波特率接收來自CCD觀測器的串碼。經(jīng)過適當(dāng)裁剪處理，通過信號切換電路，再以2400B波特率發(fā)送給主控機(jī)串口，實(shí)現(xiàn)對有效角偏差數(shù)據(jù)地實(shí)時獲取。由于單片機(jī)的串口需要分別與武器裝備和主控機(jī)進(jìn)行通信，特別是在接收觀測器角偏差的時候，單片機(jī)首先要在方式二的工作方式下[3]，使用93.75 KB的波特率接收觀測器角偏差，完成單片機(jī)與觀測器串行通信，角偏差存入單片機(jī)的RAM中；然后將單片機(jī)的工作方式設(shè)為方式一，波特率設(shè)為2 400 B，完成單片機(jī)與主控機(jī)的串行通行，單片機(jī)RAM中的角偏差送入主控機(jī)。串口匹配與通信原理框圖如圖4所示。

圖4 串口匹配與通信原理框圖

3.2 平行光管出口光強(qiáng)控制電路設(shè)計

在進(jìn)行CCD觀測器精度、抗干擾性和靈敏度測試時，都需要一個合乎要求的背景，即通過閉環(huán)控制平行光管出口的光強(qiáng)大小和分布情況來實(shí)現(xiàn)。平行光管出口光強(qiáng)的閉環(huán)控制如圖5所示。出口光強(qiáng)由安裝在出口處上下左右的4個光敏三極管來敏感，將光強(qiáng)轉(zhuǎn)換為直流電壓信號，經(jīng)過濾波、放大由A/D采樣，送入主控計算機(jī)進(jìn)行邏輯判斷，通過虛擬面板上的4個綠色指示燈和4個紅色指示燈來顯示。當(dāng)電壓小于0.4V時，綠燈不亮表示背景光太弱；當(dāng)電壓在0.4～0.6 V之間時，綠燈點(diǎn)亮表示背景光適合；當(dāng)電壓大于0.6V時，紅綠燈都點(diǎn)亮表示背景光太強(qiáng)；如果4個綠燈同時點(diǎn)亮或熄滅，說明出口光強(qiáng)是均勻的。電壓值的或大或小，通過適當(dāng)?shù)暮瘮?shù)關(guān)系控制D/A模塊的模擬電壓輸出大小，控制照明供電電路輸出一定功率的電壓提供給照明鹵素?zé)簦瑥亩鴮?shí)現(xiàn)對出口光強(qiáng)的閉環(huán)控制，滿足CCD觀測器的測試條件。

圖5 平行光管出口光強(qiáng)閉環(huán)控制

3.3 背景電平和目標(biāo)電平的控制

在進(jìn)行抗干擾性和靈敏度測試時，對背景電平和目標(biāo)電平都有著明確的定量要求，以便于CCD觀測器性能測試[4]。背景電平和目標(biāo)電平大小的閉環(huán)控制如圖6所示。對CCD觀測器輸出的視頻信號進(jìn)行高速A/D采樣，獲取其中背景電平和目標(biāo)電平的大小，依據(jù)測試要求進(jìn)行判斷。通過相應(yīng)的函數(shù)關(guān)系控制D/A模塊的2路模擬電壓輸出大小，分別控制照明燈和目標(biāo)燈的供電電壓，使其達(dá)到合適的亮度，再由CCD觀測器拾取輸出視頻信號，最終經(jīng)過反復(fù)調(diào)整，使其背景電平和目標(biāo)電平滿足測試要求[5]。加有目標(biāo)的視頻信號波形如圖7所示。

3.4 視頻處理電路

為了監(jiān)視CCD觀測器在測試過程中對目標(biāo)的捕獲情況，需要實(shí)時顯示帶有目標(biāo)的視頻圖像。由于CCD觀測器工作時自動輸出2路全視頻信號，為此，在A路視頻信號中混疊選通窗口信號和目標(biāo)加亮信號再經(jīng)過驅(qū)動電路，而B路視頻信號僅經(jīng)過驅(qū)動。2路視頻信號經(jīng)過單刀雙擲繼電器的切換，由視頻采集模塊捕獲視頻圖像并顯示出來，便于人們觀察比較[6]。

圖6 背景電平與目標(biāo)電平閉環(huán)控制

圖7 加有目標(biāo)的視頻信號波形

4 軟件實(shí)現(xiàn)

4.1 測角精度

4.1.1 主控機(jī)軟件流程

在精度測試時，主控機(jī)軟件需要完成以下5項(xiàng)任務(wù)：

（1）完成進(jìn)行精度測試的條件設(shè)置，包括提示測試人員將大平行光管打到精度測試檔和調(diào)節(jié)大平行光管的背景燈亮度；

（2）打開A路視頻監(jiān)控，將觀測器設(shè)置為測角精度測試狀態(tài)；

（3）打開主控機(jī)串口，設(shè)置波特率；

（4）完成角偏差的接收；

（5）測試12次后，計算測角精度、變焦起止時間。主控機(jī)串行通信軟件流程圖如圖8所示。

4.1.2 測角精度的計算

主控機(jī)接收到的角偏差，已經(jīng)經(jīng)過適配板單片機(jī)軟件的處理。每一幀數(shù)據(jù)有5個字節(jié)，前2位是Y方向角偏差，第3、4位是X方向角偏差，第5位是變焦齒數(shù)。

由于CCD觀測器精度指標(biāo)包括大視場精度和小視場精度，因此在計算精度時，分別取發(fā)射時間為3.8 s和20 s時的角偏差數(shù)據(jù)計算。由于觀測器每0.04s發(fā)一幀角偏差數(shù)據(jù)，所以大小視場時刻可以據(jù)此確定。經(jīng)計算，大視場取第95幀數(shù)據(jù)，小視場取第500幀數(shù)據(jù)。

圖8 測試軟件流程圖

圖9 測試軟件流程

為了準(zhǔn)確地評估CCD觀測器的精度，總共進(jìn)行12次測量，以它們的均方根值作為精度的測量值。CCD觀測器的精度均方根計算公式為

式中：σ——均方根；

xi——水平方向角偏差；

yi——俯仰方向角偏差；

n——測量次數(shù)[7]，此處n=12。

4.1.3 精度測試的視頻顯示

測試系統(tǒng)集成了視頻采集模塊，用于顯示觀測器捕獲目標(biāo)的情況。正常情況下，當(dāng)變焦時間小于3.8s時，目標(biāo)應(yīng)被捕獲，并且目標(biāo)的兩側(cè)各有一條加亮線。

4.2 抗干擾性能

抗干擾檢測的軟件流程圖見圖9。如果調(diào)整觀測器使干擾目標(biāo)在全視場內(nèi)移動，CCD觀測器都不捕獲干擾目標(biāo)，則說明其抗干擾性能合格。

5 結(jié)束語

該文介紹了CCD觀測器的組成及工作原理，并以此為依據(jù)，詳細(xì)介紹了CCD觀測器視頻采集系統(tǒng)的整體設(shè)計方案及系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計，對觀測器輸出的重要信號給出了分析處理方法。系統(tǒng)測試界面友好，功能齊全，分析直觀，具有良好的開發(fā)拓展功能。

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