某型裝備電視攝像機(jī)成像組件國(guó)產(chǎn)化設(shè)計(jì)研究

秦彥君 李敏

摘要：某型國(guó)外引進(jìn)裝備的電視攝像機(jī)成像組件隨著使用年限的增加，成像面出現(xiàn)老化、靈敏度下降，光電轉(zhuǎn)換后的圖像變模糊、成像質(zhì)量下降，針對(duì)上述問(wèn)題開(kāi)展國(guó)產(chǎn)化研究。通過(guò)逆向工程結(jié)合數(shù)字成像技術(shù)，利用CMOS傳感器設(shè)計(jì)出國(guó)產(chǎn)化成像組件，替代原攝像機(jī)中硅靶攝像管成像組件成像，經(jīng)裝機(jī)驗(yàn)證滿足引進(jìn)裝備的使用要求。

關(guān)鍵詞：電視攝像機(jī)；成像組件；國(guó)產(chǎn)化；CMOS傳感器；硅靶攝像管

Keywords：TV camera；imaging module；localization；CMOS sensor；Si-vidicon

0 引言

某型國(guó)外引進(jìn)裝備導(dǎo)引頭采用電視制導(dǎo)方式，其攝像機(jī)為國(guó)外上世紀(jì)70年代設(shè)計(jì)定型產(chǎn)品，成像器件是采用攝像光電技術(shù)的硅靶攝像管。硅靶攝像管由硅片、二氧化硅絕緣層及涂層材料組成，通過(guò)電子空穴對(duì)運(yùn)動(dòng)和電子線掃描，實(shí)現(xiàn)光信號(hào)向電信號(hào)的轉(zhuǎn)換[1-2]。隨著使用年限的增加，攝像管靶面硅片和涂層出現(xiàn)耗損，年限越長(zhǎng)耗損越大，光敏感性下降明顯，光電轉(zhuǎn)換后的圖像模糊，攝像機(jī)成像質(zhì)量下降明顯[3]。該成像技術(shù)在國(guó)外已逐步被淘汰，硅靶攝像管的生產(chǎn)線也已全部撤銷(xiāo)，備件采購(gòu)極為困難，攝像機(jī)發(fā)生類(lèi)似故障后無(wú)法修復(fù)。

目前，CMOS成像技術(shù)已廣泛用于多型國(guó)產(chǎn)裝備中，其具有靈敏度高、抗強(qiáng)光、畸變小、成像清晰、畫(huà)面均勻等優(yōu)點(diǎn)。因此，為保證裝備的完好率，有必要對(duì)硅靶攝像管成像組件進(jìn)行反設(shè)計(jì)，利用CMOS成像器設(shè)計(jì)出國(guó)產(chǎn)化成像組件，替代原攝像機(jī)中的硅靶攝像管成像組件，從而解決裝備因備件緊缺、采購(gòu)困難而無(wú)法得到及時(shí)修復(fù)的問(wèn)題。

1 電視攝像機(jī)成像組件國(guó)產(chǎn)化設(shè)計(jì)

1.1 總體設(shè)計(jì)思路

該型電視攝像機(jī)由鏡頭組合、焦距電機(jī)、光圈電機(jī)、光線通道和硅靶攝像管成像組件組成，其中硅靶攝像管成像組件包括硅靶攝像管、偏轉(zhuǎn)線圈組、預(yù)視放電路三部分。國(guó)產(chǎn)化總體思路是保留電視攝像機(jī)鏡頭組合、焦距電機(jī)、光圈電機(jī)和光線通道，研制以CMOS傳感器為核心的成像組件替換硅靶攝像管成像組件，如圖1所示。由于CMOS成像組件僅替代硅靶攝像管成像組件，為保證重心和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不變，CMOS成像組件封裝尺寸、重量應(yīng)與硅靶攝像管成像組件尺寸、重量保持一致。

1.2 詳細(xì)設(shè)計(jì)

CMOS成像組件主要由外殼、CMOS圖像傳感器模塊、FPGA圖像處理模塊、殼體底座及支架組成，其結(jié)構(gòu)組成如圖2所示。

1）CMOS圖像傳感器模塊

CMOS圖像傳感器模塊包括傳感器的電源轉(zhuǎn)換電路、CMOS傳感器電路、與FPGA圖像處理模塊連接的接插件以及為傳感器提供時(shí)鐘信號(hào)的有源晶振。其中，CMOS傳感器電路實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，有源晶振JZ5032（74.25MHz）為CMOS圖像傳感器提供主時(shí)鐘，電源轉(zhuǎn)換電路將由接插件輸入的電源轉(zhuǎn)換成CMOS圖像傳感器和有源晶振工作所需的電壓。驅(qū)動(dòng)信號(hào)通過(guò)接插件由FPGA圖像處理模塊傳輸至傳感器模塊，促使CMOS圖像傳感器正常工作，其工作時(shí)輸出的圖像數(shù)據(jù)則通過(guò)接插件傳輸至FPGA圖像處理模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。CMOS圖像傳感器采用型號(hào)為IMX304LLR的黑白CMOS傳感器。模塊主體結(jié)構(gòu)組成如圖3所示。

CMOS圖像傳感器模塊上的電源轉(zhuǎn)換電路主要由LDO電源轉(zhuǎn)換器和磁珠整流濾波電路組成，提供+3.3V、+1.8V模擬電源和+1.2V數(shù)字電源，其中+3.3V電源直接供給CMOS圖像傳感器和有源晶振工作，+1.2V和+1.8V經(jīng)過(guò)磁珠整流濾波電路后再提供給CMOS圖像傳感器接口及其他配屬電路使用。

2）FPGA圖像處理模塊

FPGA圖像處理模塊是成像組件的主板，主要包括FPGA工作模塊、DA數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、FPGA模塊電源、外同步輸入光耦及與CMOS圖像傳感器模塊連接的接插件。FPGA工作模塊主要包括FPGA芯片、DDR、FLASH及有源晶振，模塊主體結(jié)構(gòu)如圖4所示。其中，F(xiàn)PGA芯片實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)處理[4]，DDR在單個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)傳輸兩次數(shù)據(jù)，并采用DLL（延遲鎖相環(huán)）技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行精確定位，F(xiàn)LASH則主要完成圖像數(shù)據(jù)的快速寫(xiě)入和讀取[5]。

DA數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊由數(shù)字寄存器、模擬電子開(kāi)關(guān)、位權(quán)網(wǎng)絡(luò)、求和運(yùn)算放大器和恒流源組成，用于存儲(chǔ)數(shù)字寄存器數(shù)字量的各位數(shù)碼，分別控制對(duì)應(yīng)位的模擬電子開(kāi)關(guān)，使數(shù)碼為1的位在位權(quán)網(wǎng)絡(luò)上產(chǎn)生與其位權(quán)成正比的電流值，再由運(yùn)算放大器對(duì)各電流值求和，并轉(zhuǎn)換成電壓值，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字量轉(zhuǎn)變成模擬量。

外同步輸入光耦電路作為開(kāi)關(guān)將外同步信號(hào)輸入至FPGA工作模塊，促使其工作頻率與裝備導(dǎo)引頭保持一致[6]。FPGA模塊電源主要由DC-DC電源轉(zhuǎn)換器和LDO電源轉(zhuǎn)換器組成，向FPGA圖像處理模塊提供+1V、+1.2V、+1.8V、+3.3V工作電壓，其中+1V、+1.2V、+1.8V為FPGA工作電壓，+3.3V為ADV數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、FLASH芯片、串口芯片、有源晶振、光耦等的工作電壓。

3）電氣線路改裝

硅靶攝像管成像組件內(nèi)電子槍及偏轉(zhuǎn)線圈組組成的電子束掃描控制系統(tǒng)需要高壓供電才能正常工作，高電壓由攝像機(jī)連接器Ш1輸入，電子束掃描控制由攝像機(jī)連接器Ш2輸入。CMOS成像組件替代硅靶攝像管成像組件后，不需要高壓供電和電子束掃描控制，因此高壓及電子束掃描控制信號(hào)需在連接器處斷開(kāi)，改裝前后針腳定義如表1所示。

1.3 信號(hào)傳輸及處理過(guò)程

CMOS成像組件接收導(dǎo)引頭電子艙產(chǎn)生的外同步信號(hào)，經(jīng)過(guò)光耦傳輸至FPGA模塊。FPGA模塊接收光耦的同步信號(hào)后為CMOS圖像傳感器提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)，CMOS圖像傳感器同時(shí)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，輸出低電平的LVDS數(shù)字圖像信號(hào)。LVDS數(shù)字圖像信號(hào)傳回至FPGA模塊，在FPGA模塊中經(jīng)過(guò)Binning模式后進(jìn)行縮圖，將圖像進(jìn)行縮放，而后進(jìn)行二維濾波、圖像銳化、90°旋轉(zhuǎn)及格式轉(zhuǎn)換后輸出至DA數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊。DA數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊將處理過(guò)的數(shù)字圖像信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬CVBS圖像信號(hào)后輸出至外部。FPGA中圖像處理過(guò)程如圖5所示。

2 關(guān)鍵技術(shù)及解決途徑

2.1 視頻制式的轉(zhuǎn)換

硅靶攝像管輸出的視頻信號(hào)為非標(biāo)制式，而CMOS傳感器輸出的視頻信號(hào)為PAL制式，為減少對(duì)導(dǎo)引頭后續(xù)電路的改動(dòng)，需保證國(guó)產(chǎn)化后成像組件輸出的視頻信號(hào)與硅靶攝像管成像組件輸出的視頻信號(hào)一致。通過(guò)設(shè)計(jì)FPGA圖像處理模塊，采用高速圖像數(shù)據(jù)接收技術(shù)，使Slave模式下工作的CMOS傳感器在XVS和XHS的同步下按照固定時(shí)序穩(wěn)定輸出LVDS串行圖像數(shù)據(jù)。LVDS串行圖像數(shù)據(jù)按照設(shè)定算法進(jìn)行編碼，接收模塊將串行數(shù)據(jù)解碼恢復(fù)成為并行數(shù)據(jù)后，再根據(jù)數(shù)據(jù)的排列方式格式化輸出，從而實(shí)現(xiàn)圖像信號(hào)制式的轉(zhuǎn)換。

2.2 視頻圖像的旋轉(zhuǎn)

硅靶攝像管成像組件使用硅靶攝像管進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，采用垂直掃描方式，其水平方向按576行輸出，垂直方向按768個(gè)點(diǎn)采樣，最后按隔行輸出，其圖像旋轉(zhuǎn)90°并進(jìn)行了鏡像。CMOS傳感器采取的是水平逐行掃描，為匹配導(dǎo)引頭后級(jí)處理系統(tǒng)，其視頻圖像需進(jìn)行旋轉(zhuǎn)和鏡像處理。針對(duì)該問(wèn)題，采用FPGA優(yōu)化硬件資源實(shí)現(xiàn)圖像的旋轉(zhuǎn)和拉伸。通過(guò)FPGA將經(jīng)過(guò)拉伸、濾波、銳化等處理后的數(shù)字圖像按相對(duì)合適的大小分割成若干塊，每一小塊圖像分別進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，再將完成旋轉(zhuǎn)后的每一小塊圖像拼合成一幅768×576的圖像，從而實(shí)現(xiàn)視頻圖像的旋轉(zhuǎn)和鏡像處理。

3 調(diào)試與驗(yàn)證

在將CMOS成像組件替換硅靶攝像管成像組件后，裝機(jī)進(jìn)行調(diào)試驗(yàn)證，通過(guò)了上電測(cè)試。與原電視攝像機(jī)相比，替換后的電視攝像機(jī)成像分辨率達(dá)到450線，優(yōu)于原電視攝像機(jī)400線要求，成像效果更為細(xì)膩，特征更為明顯，如圖6所示。視場(chǎng)角、圖像質(zhì)量等其他性能指標(biāo)均達(dá)到原技術(shù)指標(biāo)要求，如表2所示。

4 結(jié)論

電視攝像機(jī)處于引進(jìn)裝備的最前端，是裝備的核心部件之一，其性能好壞直接影響著裝備的命中精度。通過(guò)國(guó)產(chǎn)化的CMOS成像組件替代原硅靶攝像管成像組件成像，不僅解決了備件停產(chǎn)、裝備無(wú)法修復(fù)問(wèn)題，還有效提高了裝備的成像質(zhì)量，提升了裝備性能，同時(shí)該國(guó)產(chǎn)化方法可運(yùn)用于其他同類(lèi)型引進(jìn)裝備。

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作者簡(jiǎn)介

秦彥君，高級(jí)工程師，主要從事光學(xué)制導(dǎo)技術(shù)研究。