基于FPGA的電視測(cè)角儀檢測(cè)技術(shù)方案

摘要：通過(guò)分析電視測(cè)角儀的性能測(cè)試需求，結(jié)合視頻圖像圖像處理技術(shù)，提出了以EP2C35為核心的視頻檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，通過(guò)對(duì)CCD采集到的模擬環(huán)境的視頻圖像信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理，結(jié)合電視測(cè)角儀參數(shù)檢測(cè)原理，對(duì)測(cè)角儀基本性能指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，整個(gè)系統(tǒng)以視頻圖像采集系統(tǒng)為基礎(chǔ)，以視頻圖像處理為核心，為電視測(cè)角儀的檢測(cè)研究提供了一種新的思路。

關(guān)鍵詞：電視測(cè)角儀;參數(shù)檢測(cè);視頻圖像處理;EP2C35芯片

電視測(cè)角儀是某型裝備的地面制導(dǎo)設(shè)備，它集光、機(jī)、電于一體，屬于技術(shù)密集的光電儀器。在該裝備系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中它的作用主要體現(xiàn)在3個(gè)方面：1)測(cè)量導(dǎo)彈偏離瞄準(zhǔn)線(xiàn)的角偏差;2)供射手觀察和瞄準(zhǔn)目標(biāo);3)給出自檢信號(hào)與控制箱配合，實(shí)現(xiàn)地面控制設(shè)備自檢。電視測(cè)角儀對(duì)導(dǎo)彈角偏差的測(cè)量是整個(gè)武器系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，直接決定了導(dǎo)彈命中的準(zhǔn)度與精度。在生產(chǎn)，日常維護(hù)中，需要快速測(cè)定測(cè)角儀的技術(shù)指標(biāo)是否正常準(zhǔn)確。FPGA(Field Programmable GateArray)內(nèi)部含有豐富的可編程硬件資源，容易實(shí)現(xiàn)分布式算法結(jié)構(gòu)，能夠同時(shí)兼顧速度和靈活性，提高電路集成度。利用FPGA來(lái)實(shí)現(xiàn)“DSP系統(tǒng)”己十分普遍，應(yīng)用在諸如實(shí)時(shí)圖像處理、聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)無(wú)線(xiàn)電通信系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)攝像等領(lǐng)域。因此應(yīng)用FPGA設(shè)計(jì)一種基于測(cè)角儀視頻圖像信號(hào)采集及處理的檢測(cè)方案成為可能。

CycloneII系列是Altera公司推出的低成本FPGA，采用90 nm工藝。在并行數(shù)據(jù)處理，數(shù)字信號(hào)處理方面，CycloneII FPGA都具有明顯的優(yōu)勢(shì)。以FPGA(Cyclone IIEP2C35)為核心的測(cè)角儀視頻信號(hào)解決方案可以彌補(bǔ)測(cè)角儀檢測(cè)儀價(jià)格昂貴，裝備數(shù)量少等不足。實(shí)現(xiàn)測(cè)角儀基

本功能的檢測(cè)。

1 基于FPGA的電視測(cè)角儀檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 測(cè)角儀關(guān)鍵參數(shù)分析

1)精度：電視測(cè)角儀有2個(gè)精度指標(biāo)，一是攻擊400 m處的目標(biāo)，精度應(yīng)該小于3.4’，另一個(gè)是攻擊3 000 m處的目標(biāo)，精度應(yīng)該小于20.6”。導(dǎo)彈飛至400 m處相對(duì)于電視測(cè)角儀的變焦時(shí)間為3.8 s。3 000 m處對(duì)應(yīng)的變焦時(shí)間為28 s。因此可以根據(jù)測(cè)量導(dǎo)彈偏離瞄準(zhǔn)線(xiàn)的角偏差來(lái)測(cè)試測(cè)角儀的測(cè)角精度。

2)靈敏度：靈敏度是電視測(cè)角儀對(duì)彈標(biāo)信號(hào)的提取能力，一般情況下，通過(guò)改變模擬光學(xué)環(huán)境下背景與彈標(biāo)的對(duì)比度來(lái)檢驗(yàn)測(cè)角儀靈敏度。在背景電平為0.5±0.05 V，彈標(biāo)信號(hào)高出背景0.2～0.3 V以上，電視測(cè)角儀能穩(wěn)定可靠地捕捉彈標(biāo)信號(hào)。

3)抗干擾：在真實(shí)環(huán)境下，測(cè)角儀工作會(huì)受到各種干擾信號(hào)影響，這就需要測(cè)角儀有一定的抗干擾能力，在模擬光學(xué)環(huán)境下通過(guò)設(shè)置干擾光點(diǎn)時(shí)，觀察電視測(cè)角儀對(duì)彈標(biāo)信號(hào)的捕捉能力來(lái)判斷抗干擾能力是否正常。電視測(cè)角儀抗干擾的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)是：當(dāng)背景電平在0.5± 0.05 V，干擾信號(hào)幅值為1.1 V時(shí)，跟蹤窗口不捕獲。

1.2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

根據(jù)電視測(cè)角儀的工作原理及以上參數(shù)的分析，結(jié)合CCD靶面上像元與數(shù)字圖像中像素對(duì)應(yīng)關(guān)系，我們可將電視模擬環(huán)境視頻信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字圖像信號(hào)，通過(guò)圖像檢測(cè)技術(shù)對(duì)各參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，將得到的數(shù)據(jù)與測(cè)角儀所得數(shù)據(jù)比較，以檢測(cè)測(cè)角儀性能。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

通過(guò)控制室內(nèi)光學(xué)模擬環(huán)境的背景電壓和彈標(biāo)信號(hào)電壓，為測(cè)角儀和CCD圖像采集模塊提供信號(hào)，使用EP2C35完成圖像的采集、處理與顯示功能，分析數(shù)字圖像信息，應(yīng)用圖像分割技術(shù)提取彈標(biāo)信號(hào)，并使用預(yù)先植入FPGA芯片的角偏差相應(yīng)算法程序計(jì)算角偏差數(shù)據(jù)，并與測(cè)角儀通信，獲取測(cè)角儀所得數(shù)據(jù)，進(jìn)行比較，輸出檢測(cè)結(jié)果。同時(shí)輸出測(cè)角儀模擬視頻信號(hào)。

1.3 硬件設(shè)計(jì)

1)FPGA最小系統(tǒng)包括EP2C35芯片、電源模塊、晶振、SDRAM芯片、FLASH芯片、JTAG接口模塊，晶振用來(lái)給系統(tǒng)提供50 MHz的時(shí)鐘頻率，在利用視頻圖像信號(hào)對(duì)測(cè)角儀進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，需要存儲(chǔ)大量的數(shù)據(jù)，因此選用具有掉電不丟失數(shù)據(jù)特性的閃存(FLASH)來(lái)保存程序，而同步動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器(SDRAM)來(lái)存儲(chǔ)中間數(shù)據(jù)。

2)CCD視頻圖像采集與顯示模塊：檢測(cè)系統(tǒng)需要采集模擬光環(huán)境的視頻圖像信號(hào)，最終還需對(duì)外輸出標(biāo)準(zhǔn)CCIR制視頻信號(hào)。圖像采集模塊選用飛利浦公司的芯片SAA7113，它具有高速、低功耗的特點(diǎn)，可將輸入的模擬信號(hào)解碼成標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字信號(hào)，相當(dāng)于一種A/D器件。SAA7113的參考電壓源和時(shí)鐘由內(nèi)部提供，圖2為視頻圖像采集框圖。測(cè)角儀視頻的顯示采用A/D公司的ADV7123進(jìn)行信號(hào)的D/A轉(zhuǎn)換，可將數(shù)字化視頻數(shù)據(jù)編碼為NTSC/PAL制式的標(biāo)準(zhǔn)電視信號(hào)，并在顯示器上進(jìn)行顯示。

3)串口模塊：系統(tǒng)在測(cè)試過(guò)程中，F(xiàn)PGA最小系統(tǒng)需要測(cè)角儀相互進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，串口通信有多種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，本系統(tǒng)采用的是RS232接口電平規(guī)范。

1.4 軟件設(shè)計(jì)

電視測(cè)角儀軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于Altera公司推出的QuartusⅡ開(kāi)發(fā)環(huán)境，其功能強(qiáng)大，使用快捷，本設(shè)計(jì)使用Verilog語(yǔ)言編程，采用自頂向下的設(shè)計(jì)方法完成各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)總體功能，圖3為系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖。

2 性能參數(shù)檢測(cè)

在光學(xué)模擬環(huán)境下通過(guò)控制背景光源和目標(biāo)光源，為電視測(cè)角儀提供近似戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境和彈標(biāo)信號(hào)，通過(guò)對(duì)圖像進(jìn)行采集處理，觀察彈標(biāo)捕獲線(xiàn)、提取彈標(biāo)點(diǎn)位置坐標(biāo)并計(jì)算角偏差數(shù)據(jù)、檢測(cè)圖像變化來(lái)檢測(cè)測(cè)角儀各種性能指標(biāo)是否正常。

CCD攝像頭在采集視頻圖像信號(hào)后，得到的都是模擬信號(hào)，將模擬電視信號(hào)變成數(shù)字電視信號(hào)要經(jīng)過(guò)模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換過(guò)程。模/數(shù)轉(zhuǎn)換包含3個(gè)過(guò)程，即取樣、量化及編碼。其中，取樣的目的是將時(shí)間上連續(xù)的模擬信號(hào)變成時(shí)間上離散的信號(hào)，量化是將幅度上連續(xù)的取樣值變成幅度上離散的取樣值，而編碼的作用是將離散化的取樣值編成二進(jìn)制數(shù)碼。我們此時(shí)可以把圖像可以看成是由許許多多的小單元組成，在圖像處理系統(tǒng)中，這些組成畫(huà)面的細(xì)小單元稱(chēng)為像素?？梢愿鶕?jù)視頻圖像像素分辨率來(lái)編程構(gòu)造水平像素計(jì)數(shù)器與垂直像素計(jì)數(shù)器。通過(guò)圖像特征點(diǎn)像素計(jì)數(shù)器數(shù)值確定其坐標(biāo)，圖4為水平像素計(jì)數(shù)模塊時(shí)序圖。

檢測(cè)精度時(shí)，如圖5所示，在圖像靶面設(shè)置坐標(biāo)系，坐標(biāo)系的設(shè)置可通過(guò)將圖像分解的水平、垂直像素來(lái)實(shí)現(xiàn)，彈標(biāo)點(diǎn)偏離坐標(biāo)原點(diǎn)的偏差△X’、△Y’可以由測(cè)量水平與垂直方向的像素?cái)?shù)目來(lái)實(shí)現(xiàn)。設(shè)電子光學(xué)焦距為f，角偏差為δ，則如式(1)所示。

也就是說(shuō)由彈標(biāo)點(diǎn)的水平垂直像素?cái)?shù)目可以確定其在圖像視場(chǎng)的位置，進(jìn)而通過(guò)算法得到角偏差數(shù)據(jù)，彈標(biāo)水平像素?cái)?shù)即為其水平坐標(biāo)，同理其垂直像素計(jì)數(shù)器值即為其垂直坐標(biāo)，繼而可以據(jù)此計(jì)算得到角偏差等數(shù)據(jù)，將得到數(shù)據(jù)與測(cè)角儀所得數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，以檢測(cè)其精度性能參數(shù)。靈敏度與抗干擾指標(biāo)的檢測(cè)可通過(guò)在追蹤窗口(彈標(biāo)點(diǎn)兩旁的垂直捕獲線(xiàn))中檢測(cè)有無(wú)彈標(biāo)信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)。電視測(cè)角儀檢測(cè)系統(tǒng)輸出測(cè)角儀視頻圖像如圖6所示，白色光源為模擬光環(huán)境下的彈標(biāo)點(diǎn)，彈標(biāo)點(diǎn)兩側(cè)是模擬彈標(biāo)捕獲線(xiàn)。

3 結(jié)論

采用以EP2C35為核心的電視測(cè)角儀檢測(cè)系統(tǒng)，與以往的專(zhuān)用檢測(cè)設(shè)備相比，處理數(shù)據(jù)能力得到提高，通過(guò)視頻采集系統(tǒng)將模擬視頻信號(hào)數(shù)字化，結(jié)合數(shù)字圖像處理技術(shù)，將各項(xiàng)參數(shù)的檢測(cè)轉(zhuǎn)化為對(duì)數(shù)字圖像中各部分像素值及灰度的檢測(cè)，可以完成對(duì)測(cè)角儀基本性能參數(shù)的檢測(cè)，并且有效降低了成本，減少實(shí)裝損耗，提高了便攜性，為電視測(cè)角儀檢測(cè)帶來(lái)了一條新的思路。