基于RS碼的某運載火箭圖像測量系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

，，，

(1.上海宇航系統(tǒng)工程研究所,上海 201109; 2.上海航天電子技術(shù)研究所, 上海 201109)

0 引言

近幾年，中國運載火箭迎來高密度發(fā)射期，為更好的掌握火箭飛行試驗過程的狀態(tài)信息，深入了解產(chǎn)品性能，提高產(chǎn)品的可靠性，豐富傳統(tǒng)測試手段，伴隨5 Mbps、10 Mbps以及更高碼率傳輸體制[1-2]的應(yīng)用為基礎(chǔ)，圖像視頻測量技術(shù)越來越多的被使用。

測試場地的變化、發(fā)射衛(wèi)星不同、飛行過程中火焰擾動等干擾因素的存在，可能造成圖像信道誤碼，地面解調(diào)時出現(xiàn)馬賽克、花屏、卡頓的現(xiàn)象。給出一種基于RS碼的圖像測量系統(tǒng)設(shè)計方案，能有效改善信道誤碼、提高信道增益[3-4]，有效提高圖像畫質(zhì)質(zhì)量。

1 RS碼時域編碼方法

對于RS(n，K)碼，假定：

待編碼的信息碼矢M為:

M=[Mk-1Mk-2…M1M0]

(1)

即信息多項式M(x)為:

(2)

C=[Ck-1Ck-2…C1C0]

(3)

即碼字多項式C(x)為:

g(x)=∏(x-αi)=(x-α)(x-α2)…(x-α(2t))

(4)

編碼時，用xn-kM(x)除以g(x)，所得余數(shù)r(x)是校驗多項式，將r(x)置于信息多項式M(x)之后，就形成RS碼，由4所示。

C(x)=xn-kM(x)+r(x)

=xn-kM(x)+xn-kM(x)mod(g(x))

(5)

式中,

RS碼為:

伊恩·羅蘭的悲壯犧牲幾乎使斯通的探險計劃成為泡影。一個隊員護(hù)送伊恩的尸體回蘇格蘭。其余的隊員都憤怒地指責(zé)斯通，說他作為隊長，對洞穴著了迷，工作熱心得過了頭。一時間，探察隊里人們的關(guān)系緊張起來。幸好經(jīng)過會議表決后，剩下的隊員都同意留下，但他們要求攝影師韋斯·史基爾斯把洞穴已知部分用文字記錄下來。

C=[Cn-1Cn-1 …C1C0]=

[Mk-1Mk-2 …M0rn-k-1rn-k-2…r0]

(6)

其中信息位為前k位，校驗位為后n-k位，這個算法為RS碼的時域編碼算法[5-8]，步驟可以歸納為：

1)用xn-k乘以信息多項式M(x)，，得到xn-kM(x);

2)用xn-kM(x)除以生成多項式g(x)，取其余式，得到校驗多項式r(x);

3)聯(lián)合信息多項式M(x)和校驗多項式r(x)，得到碼字多項式C(x)。

圖像測量系統(tǒng)碼流格式除去子幀同步碼和子幀計數(shù)，一個子幀有效數(shù)據(jù)為184 byte，校驗長度選擇16 byte ，采用RS(184，168)格式進(jìn)行編碼，信道利用率可達(dá)到91%，滿足圖像傳輸要求。

2 圖像測量系統(tǒng)設(shè)計

圖像測量系統(tǒng)用于監(jiān)測火箭飛行過程中的關(guān)鍵事件，由攝像機(jī)、圖像壓縮編碼器、發(fā)射機(jī)、天線、電池、配電器等組成。圖像壓縮編碼器將攝像頭送入的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集壓縮、RS編碼、數(shù)據(jù)綜合編幀形成PCM碼流，通過發(fā)射機(jī)調(diào)制后，由天線進(jìn)行信號發(fā)射下傳。圖像測量系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖像測量系統(tǒng)采用S波段點頻，PCM-FM調(diào)制體制。文中將對攝像機(jī)和圖像壓縮編碼器設(shè)計原理進(jìn)行介紹，傳統(tǒng)遙測傳輸體制設(shè)計不做過多闡述。

圖1 圖像測量系統(tǒng)原理框圖

2.1 攝像機(jī)

攝像機(jī)分為兩個模塊，包括光學(xué)部分和電學(xué)部分。攝像機(jī)可實現(xiàn)了圖像采集、數(shù)據(jù)輸出等功能，為了滿足系統(tǒng)對攝像裝置體積小及重量輕的要求，攝像機(jī)選用了集成度較高且焦面尺寸較小的感光元件作為sensor，sensor自身集成了復(fù)合視頻輸出接口，其與圖像編碼器之間只有供電線路及復(fù)合視頻接口。其原理框圖如圖2所示。

圖2 攝像機(jī)原理框圖

2.1.1 光學(xué)部分

光學(xué)系統(tǒng)共9片透鏡，第一片透鏡的通光口徑最大，為φ13.2 mm。從鏡頭第一面到最后一面的長度為42 mm，后工作距離為2 mm，總長(第一面中心到像面)為45 mm。單片透鏡平均透過率達(dá)到97.6%，光學(xué)系統(tǒng)的透過率為0.9769=80.3%。

光學(xué)系統(tǒng)采用了無熱設(shè)計，在-40～60 ℃溫度區(qū)間內(nèi)全視場全波段范圍內(nèi)畸變≤1.2%(全視場)。在-40～60 ℃范圍內(nèi)，0.7歸一化視場與中心視場的相對照度20 ℃時為93.3%、-15 ℃時為93.2%、50 ℃時為93.4%，差別很小且一致性較好；定焦面0.2 m，0.7視場75 lp/mm時傳遞函數(shù)值均在0.45以上，全視場75 lp/mm時傳遞函數(shù)值均在0.35以上；定焦面0.4 m，0.7視場85 lp/mm時傳遞函數(shù)值均在0.5以上，全視場85 lp/mm時傳遞函數(shù)值均在0.38以上；定焦面1 m，0.7視場70 lp/mm時傳遞函數(shù)值均在0.5以上，全視場70 lp/mm時傳遞函數(shù)值均在0.28以上；定焦面10 m，0.7視場60 lp/mm時傳遞函數(shù)值均在0.5以上，全視場60 lp/mm時傳遞函數(shù)值均在0.38以上；定焦面50 m，0.7視場60 lp/mm時傳遞函數(shù)值均在0.5以上，全視場60 lp/mm時傳遞函數(shù)值均在0.38以上。攝像機(jī)攝像距離最短可到0.2 m，最遠(yuǎn)不小于50 m。線對數(shù)85 lp/mm，0.7視場傳遞函數(shù)可達(dá)到≥0.4、全視場傳遞函數(shù)≥0.3。

圖3 光學(xué)部分布局圖

2.1.2 電學(xué)部分

攝像機(jī)采用光學(xué)、電子學(xué)系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)一體化的設(shè)計形式，使用Omnivision公司OV10635的CMOS傳感器作為感光元件，該傳感器是將圖像預(yù)處理功能集成于一片SOC上的集成電路。攝像機(jī)電學(xué)部分由一塊印制板構(gòu)成，主要包含一個CMOS sensor、一片視頻運放、晶振、一片F(xiàn)PGA、一片ADV7393及兩個LDO等器件組成，它完成傳感器的圖像成像及輸出、驅(qū)動的功能。CMOS sensor在通過FPGA控制配置相應(yīng)寄存器的控制下完成圖像數(shù)據(jù)采集、預(yù)處理等功能，并輸出RGB格式的信號，F(xiàn)PGA再將此RGB格式的信號轉(zhuǎn)換成BT656/SDI格式的圖像數(shù)據(jù)，最終由ADV7393/GV7600輸出標(biāo)準(zhǔn)PAL-D制式的圖像數(shù)據(jù)。兩個LDO則用于將輸入的+5 V供電轉(zhuǎn)換為器件工作所需的+3.3 V和+1.5 V工作電壓，通過一個一體化接插件實現(xiàn)對外的輸入輸出接口。攝像機(jī)的電原理框圖如圖4所示。

圖4 攝像機(jī)電原理框圖

CMOS sensor選擇OminiVision公司的OV10635芯片，這是一款像元尺寸6 um，像元數(shù)1 280×720的CMOS圖像傳感器作為光電轉(zhuǎn)換芯片。該CMOS圖像傳感器將圖像的成像、預(yù)處理、3A控制等功能整合在一個片上系統(tǒng)中，這樣可以極大地減小單機(jī)尺寸、功耗及sensor外圍信號處理電路設(shè)計的復(fù)雜度；并且該芯片動態(tài)范圍寬、靈敏度高、工作方式靈活，可直接輸出PAL制復(fù)合視頻信號。該芯片集成了CMOS sensor、微處理器，用于實現(xiàn)自動曝光、自動增益控制、自動白平衡等算法，具備圖像自動修正、降噪和增強功能?？扉T類型為電子卷簾快門，數(shù)據(jù)輸出采用SCCB(兼容I2C總線)串行總線接口，通過改變CMOS傳感器內(nèi)部寄存器的設(shè)定值可以對傳感器的電子增益、像素積分時間、傳感器曝光時間、輸出圖像大小、輸出圖像位置和圖像輸出幀率分別進(jìn)行控制。

2.2 圖像壓縮編碼器

圖像壓縮編碼器接收攝像機(jī)輸出的標(biāo)清PAL制或高清SDI視頻信號，對該信號進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換后以一定格式的數(shù)字信號輸出， DSP完成圖像數(shù)據(jù)的編碼及輸出， FPGA完成RS編碼和圖像數(shù)據(jù)組幀，由此實現(xiàn)動態(tài)視頻的糾錯壓縮編碼功能。圖像壓縮編碼器原理框圖如圖5所示。

圖5 圖像壓縮編碼器原理框圖

2.2.1 信號處理硬件

圖像壓縮編碼器主要完成復(fù)合視頻選通及A/D變換、動態(tài)視頻的H.264編碼、RS編碼、數(shù)據(jù)組幀等功能。其數(shù)據(jù)流圖如圖6所示。

圖6 圖像壓縮編碼器數(shù)據(jù)流圖

圖像壓縮編碼器接收攝像機(jī)輸出的復(fù)合視頻模擬信號，在進(jìn)入DSP編碼前需要對該模擬信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。同時轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號必須是H.264壓縮編碼所規(guī)定數(shù)字視頻碼流，所以對于A/D后的數(shù)據(jù)還需要進(jìn)行相應(yīng)數(shù)字視頻幀格式化處理。

復(fù)合視頻A/D轉(zhuǎn)換及數(shù)字視頻幀格式處理選用ADV7180芯片實現(xiàn)。對于外部輸入的模擬視頻，可以自動識別NTSC制式、PAL制式，并將此標(biāo)準(zhǔn)的模擬基帶視頻信號轉(zhuǎn)換成符合ITU-R BT656接口標(biāo)準(zhǔn)的4：2：2的分量視頻數(shù)字信號。主要由前端數(shù)據(jù)選通和A/D轉(zhuǎn)換部分、數(shù)據(jù)處理部分及數(shù)據(jù)輸出部分組成，DSP通過I2C接口實現(xiàn)對ADV7180的寄存器控制。模擬信號通過濾波器后進(jìn)行選通，將選通后的模擬視頻信號送入ADC，再由ADC將模擬視頻信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號；該數(shù)字信號進(jìn)入信號處理部分，自動進(jìn)行色調(diào)、色飽和度和亮度調(diào)整并進(jìn)行亮色分離；最后通過數(shù)據(jù)輸出部分將經(jīng)過處理的數(shù)字信號進(jìn)行相應(yīng)的格式變換，產(chǎn)生符合BT.656格式的視頻數(shù)據(jù)。通過緩沖區(qū)后在P7-P0口進(jìn)行輸出。

圖像數(shù)據(jù)編碼由DSP完成，選用TI公司C6000系列的DSP6467。該DSP可以完成對ADV7180的寄存器訪問控制、圖像數(shù)據(jù)編碼及數(shù)據(jù)輸出等一系列功能。帶有視頻處理子系統(tǒng)Video Processing Subsystem(VPSS)，包括兩路用于視頻采集的VPIF輸入。圖像數(shù)據(jù)編碼采用H.264編碼算法，H.264具有比以前各種標(biāo)準(zhǔn)更好的壓縮效率，可使傳輸帶寬降低到原來的1/4。H.264編碼在幀內(nèi)預(yù)測編碼、幀間預(yù)測編碼、隔行編碼、變換編碼、去塊效應(yīng)濾波、系數(shù)掃描方式、熵編碼、差錯恢復(fù)工具等方面都進(jìn)行極大改進(jìn)，有效提高編碼效率。H.264支持YUV 4:2:0格式、YUV 4:2:2格式的數(shù)據(jù)輸入。設(shè)計中采用YUV 4:2:2格式圖像輸入格式。

DSP實現(xiàn)動態(tài)圖像壓縮功能，通過調(diào)用FPGA內(nèi)的各子模塊完成與外部信號的接口連接，讀取壓縮圖像數(shù)據(jù)，進(jìn)行RS編碼，完成圖像數(shù)據(jù)組幀的功能，輸出PCM流到發(fā)射機(jī)。

2.2.2 軟件設(shè)計

軟件結(jié)構(gòu)圖如圖7～8所示。

圖像壓縮編碼器中DSP軟件主要完成視頻AD轉(zhuǎn)換芯片ADV7180送出的BT656格式的視頻輸出，調(diào)用H.264視頻編碼庫完成視頻壓縮編碼，完成后送FPGA。另外接收遙控指令，進(jìn)行動態(tài)壓縮編碼切換。主要包括復(fù)合視頻AD轉(zhuǎn)換模塊、初始化控制程序模塊、視頻編碼模塊。

圖7 圖像壓縮編碼器DSP軟件結(jié)構(gòu)圖

圖8 圖像壓縮編碼器FPGA軟件流程圖

圖像壓縮編碼器FPGA軟件主要完成整個系統(tǒng)與外部信號的接口控制、RS編碼、數(shù)據(jù)編幀。FPGA作為系統(tǒng)的協(xié)處理器，對DSP和其他器件進(jìn)行復(fù)位，對DSP程序進(jìn)行控制，按照傳輸協(xié)議對DSP編碼數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，按照中心程序單元時鐘要求對圖像編碼數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。

3 試驗結(jié)果與分析

圖像測量系統(tǒng)參加運載火箭總裝總測廠房某型號Y47火箭全箭集成綜合試驗以驗證系統(tǒng)的有效性。集成綜合試驗是運載火箭出廠前箭上和地面各個電氣系統(tǒng)的一次大型匹配試驗。地面采用一體化測發(fā)控系統(tǒng)進(jìn)行測試，箭上參試系統(tǒng)包括控制、推進(jìn)劑利用、遙測(含圖像測量系統(tǒng))、外測安全和動力(姿控發(fā)動機(jī))系統(tǒng)。圖像測量系統(tǒng)參加此試驗，可驗證圖像測量系統(tǒng)與遙測系統(tǒng)等箭上產(chǎn)品之間工作的正確性、協(xié)調(diào)性和匹配性；驗證圖像測量系統(tǒng)箭上設(shè)備工作的正確性、協(xié)調(diào)性和匹配性；驗證圖像地面解碼設(shè)備軟解及硬解解調(diào)畫面的正確性和有效性；檢查圖像測量系統(tǒng)與其他系統(tǒng)的同時工作的干擾情況。

圖像系統(tǒng)箭上設(shè)備：攝像機(jī)、圖像壓縮編碼器、發(fā)射機(jī)、天線及設(shè)備間的連接電纜，按照箭上設(shè)備安裝要求安裝到箭體各個艙段。圖像地面測試設(shè)備：接收天線、低噪聲功率放大器、天線驅(qū)動機(jī)構(gòu)、接收機(jī)、遙測解碼計算機(jī)、以太網(wǎng)交換機(jī)、圖像地面解碼設(shè)備、視頻顯示器，固定擺放在廠房設(shè)備測試間。圖像測量系統(tǒng)的加電時間、順序依據(jù)電氣系統(tǒng)總測試流程進(jìn)行，按照控制系統(tǒng)、推進(jìn)劑利用系統(tǒng)、外側(cè)安全系統(tǒng)、遙測系統(tǒng)(含圖像測量系統(tǒng))依次加電，進(jìn)行模擬發(fā)射程序驗證。圖像測量系統(tǒng)加電后，地面接收天線接收箭上射頻設(shè)備下傳的無線信號，經(jīng)饋源、低噪聲功率放大器、功分器、自動增益控制、接收機(jī)、視頻綜合處理單元、遙測地面處理軟件，將圖像全幀數(shù)據(jù)挑好后通過以太網(wǎng)交換機(jī)以UDP方式傳送給圖像地面解碼設(shè)備。圖像地面解碼設(shè)備有兩種解碼方式，分別為軟件解碼和硬件解碼。圖像地面解碼設(shè)備接收到遙測地面處理軟件轉(zhuǎn)發(fā)的全幀數(shù)據(jù)，一部分送到硬件解調(diào)卡，解調(diào)出2路PAL制式信號，傳送到支持PAL-D格式的標(biāo)清顯示器實時顯示采集圖像，未啟動前顯示標(biāo)準(zhǔn)彩條自檢信號；一部分通過軟件進(jìn)行解碼，利用H.264圖像壓縮編碼算法以及RS交錯碼原理進(jìn)行解調(diào)處理，實時顯示采集畫面。

圖9顯示解碼畫面為未進(jìn)行RS編碼的測試畫面，左邊為硬件解碼顯示器顯示畫面、右邊為軟件解碼顯示畫面。整個試驗期間，硬件解碼畫面多次出現(xiàn)花屏、軟件解碼畫面多次出現(xiàn)馬賽克、卡頓現(xiàn)象，監(jiān)測圖像點頻數(shù)據(jù)無線信號頻譜特性，信號增益較差，調(diào)整天線方位無改善，查看源碼數(shù)據(jù)，幀同步錯位較多，導(dǎo)致圖像壓縮編碼算法幀內(nèi)預(yù)測和幀間預(yù)測出現(xiàn)錯誤疊加，出現(xiàn)解調(diào)畫面問題。總裝總 測廠房里停放箭體較多、工裝設(shè)備較多，容易產(chǎn)生信號多 徑效應(yīng)，造成圖像無線信號弱、信道增益不強、容錯性差。 圖像壓縮編碼器增加ＲＳ編碼算法模塊，地面解碼設(shè)備增加 ＲＳ解碼模塊，通過集成綜合試驗項目其余項目測試，全程 解調(diào)畫面清晰、流暢，無此類現(xiàn)象出現(xiàn)。ＲＳ編碼后的飛行 試驗解調(diào)的畫面如圖１０所示，全程畫面清晰、流暢，關(guān)鍵 過程動作信息均能清晰捕捉到位、試驗關(guān)注場景均能有效 呈現(xiàn)。試驗結(jié)果表明ＲＳ編碼能有效降低信道誤碼，提高改 善圖像解調(diào)畫面質(zhì)量。

圖9 無RS編碼的集成綜合試驗測試圖面

圖10 RS編碼后的飛行試驗畫面

4 結(jié)束語

為了改善某運載火箭集成綜合試驗圖像測試畫面出現(xiàn)馬賽克、花屏、卡頓的現(xiàn)象，給出了一種基于RS碼為糾錯碼的圖像測量系統(tǒng)設(shè)計方案?；鸺w行試驗結(jié)果表明，RS編碼后，能有效降低信道誤碼、提高信道增益，提升無線信道傳輸質(zhì)量，為某型號運載火箭圖像測量手段成功應(yīng)用提供了解決方法。