基于FPGA某型裝備電視測角儀檢測技術(shù)研究

摘要：通過分析電視測角儀的性能測試需求，結(jié)合視頻圖像圖像處理技術(shù)，提出了以EP2C35為核心的視頻檢測系統(tǒng)設(shè)計方案，通過對CCD采集到的模擬環(huán)境的視頻圖像信號進行數(shù)字化處理，結(jié)合電視測角儀參數(shù)檢測原理，對測角儀基本性能指標進行檢測，整個系統(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，為電視測角儀的檢測研究提供了一種新的思路。
關(guān)鍵詞：電視測角儀；參數(shù)檢測；視頻圖像處理；EP2C35芯片

電視測角儀是某型裝備的地面制導(dǎo)設(shè)備，它集光、機、電于一體，屬于技術(shù)密集的光電儀器。在該裝備系統(tǒng)運行過程中它的作用主要體現(xiàn)在3個方面：1)測量導(dǎo)彈偏離瞄準線的角偏差；2)供射手觀察和瞄準目標；3)給出自檢信號與控制箱配合，實現(xiàn)地面控制設(shè)備自檢。電視測角儀對導(dǎo)彈角偏差的測量是整個武器系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，直接決定了導(dǎo)彈命中的準度與精度。在生產(chǎn)，日常維護中，需要快速測定測角儀的技術(shù)指標是否正常準確。FPGA(Field Programmable GateArray)內(nèi)部含有豐富的可編程硬件資源，容易實現(xiàn)分布式算法結(jié)構(gòu)，能夠同時兼顧速度和靈活性，提高電路集成度。利用FPGA來實現(xiàn)“DSP系統(tǒng)”己十分普遍，應(yīng)用在諸如實時圖像處理、聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)無線電通信系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)攝像等領(lǐng)域。因此應(yīng)用FPGA設(shè)計一種基于測角儀視頻圖像信號采集及處理的檢測方案成為可能。
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)字信號處理方面，CycloneII FPGA都具有明顯的優(yōu)勢。以FPGA(Cyclone IIEP2C35)為核心的測角儀視頻信號解決方案可以彌補測角儀檢測儀價格昂貴，裝備數(shù)量少等不足。實現(xiàn)測角儀基
本功能的檢測。

1 基于FPGA的電視測角儀檢測系統(tǒng)設(shè)計
1．1 測角儀關(guān)鍵參數(shù)分析
1)精度：電視測角儀有2個精度指標，一是攻擊400 m處的目標，精度應(yīng)該小于3．4’，另一個是攻擊3 000 m處的目標，精度應(yīng)該小于20．6”。導(dǎo)彈飛至400 m處相對于電視測角儀的變焦時間為3．8 s。3 000 m處對應(yīng)的變焦時間為28 s。因此可以根據(jù)測量導(dǎo)彈偏離瞄準線的角偏差來測試測角儀的測角精度。
2)靈敏度：靈敏度是電視測角儀對彈標信號的提取能力，一般情況下，通過改變模擬光學(xué)環(huán)境下背景與彈標的對比度來檢驗測角儀靈敏度。在背景電平為0．5±0．05 V，彈標信號高出背景0．2～0．3 V以上，電視測角儀能穩(wěn)定可靠地捕捉彈標信號。
3)抗干擾：在真實環(huán)境下，測角儀工作會受到各種干擾信號影響，這就需要測角儀有一定的抗干擾能力，在模擬光學(xué)環(huán)境下通過設(shè)置干擾光點時，觀察電視測角儀對彈標信號的捕捉能力來判斷抗干擾能力是否正常。電視測角儀抗干擾的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標是：當背景電平在0．5± 0．05 V，干擾信號幅值為1．1 V時，跟蹤窗口不捕獲。
1．2 系統(tǒng)總體設(shè)計
根據(jù)電視測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)字圖像中像素對應(yīng)關(guān)系，我們可將電視模擬環(huán)境視頻信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字圖像信號，通過圖像檢測技術(shù)對各參數(shù)進行檢測，將得到的數(shù)據(jù)與測角儀所得數(shù)據(jù)比較，以檢測測角儀性能。系統(tǒng)總體設(shè)計框圖如圖1所示。

通過控制室內(nèi)光學(xué)模擬環(huán)境的背景電壓和彈標信號電壓，為測角儀和CCD圖像采集模塊提供信號，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)提取彈標信號，并使用預(yù)先植入FPGA芯片的角偏差相應(yīng)算法程序計算角偏差數(shù)據(jù)，并與測角儀通信，獲取測角儀所得數(shù)據(jù)，進行比較，輸出檢測結(jié)果。同時輸出測角儀模擬視頻信號。
1．3 硬件設(shè)計
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，晶振用來給系統(tǒng)提供50 MHz的時鐘頻率，在利用視頻圖像信號對測角儀進行檢測時，需要存儲大量的數(shù)據(jù)，因此選用具有掉電不丟失數(shù)據(jù)特性的閃存(FLASH)來保存程序，而同步動態(tài)存儲器(SDRAM)來存儲中間數(shù)據(jù)。
2)CCD視頻圖像采集與顯示模塊：檢測系統(tǒng)需要采集模擬光環(huán)境的視頻圖像信號，最終還需對外輸出標準CCIR制視頻信號。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，可將輸入的模擬信號解碼成標準的數(shù)字信號，相當于一種A／D器件。SAA7113的參考電壓源和時鐘由內(nèi)部提供，圖2為視頻圖像采集框圖。測角儀視頻的顯示采用A／D公司的ADV7123進行信號的D／A轉(zhuǎn)換，可將數(shù)字化視頻數(shù)據(jù)編碼為NTSC／PAL制式的標準電視信號，并在顯示器上進行顯示。

3)串口模塊：系統(tǒng)在測試過程中，F(xiàn)PGA最小系統(tǒng)需要測角儀相互進行數(shù)據(jù)通信，串口通信有多種工業(yè)標準，本系統(tǒng)采用的是RS232接口電平規(guī)范。
1．4 軟件設(shè)計
電視測角儀軟件系統(tǒng)設(shè)計基于Altera公司推出的QuartusⅡ開發(fā)環(huán)境，其功能強大，使用快捷，本設(shè)計使用Verilog語言編程，采用自頂向下的設(shè)計方法完成各個模塊的設(shè)計，實現(xiàn)總體功能，圖3為系統(tǒng)軟件設(shè)計流程圖。

2 性能參數(shù)檢測
在光學(xué)模擬環(huán)境下通過控制背景光源和目標光源，為電視測角儀提供近似戰(zhàn)場環(huán)境和彈標信號，通過對圖像進行采集處理，觀察彈標捕獲線、提取彈標點位置坐標并計算角偏差數(shù)據(jù)、檢測圖像變化來檢測測角儀各種性能指標是否正常。
CCD攝像頭在采集視頻圖像信號后，得到的都是模擬信號，將模擬電視信號變成數(shù)字電視信號要經(jīng)過模數(shù)(A／D)轉(zhuǎn)換過程。模／數(shù)轉(zhuǎn)換包含3個過程，即取樣、量化及編碼。其中，取樣的目的是將時間上連續(xù)的模擬信號變成時間上離散的信號，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制數(shù)碼。我們此時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，這些組成畫面的細小單元稱為像素?？梢愿鶕?jù)視頻圖像像素分辨率來編程構(gòu)造水平像素計數(shù)器與垂直像素計數(shù)器。通過圖像特征點像素計數(shù)器數(shù)值確定其坐標，圖4為水平像素計數(shù)模塊時序圖。

檢測精度時，如圖5所示，在圖像靶面設(shè)置坐標系，坐標系的設(shè)置可通過將圖像分解的水平、垂直像素來實現(xiàn)，彈標點偏離坐標原點的偏差△X’、△Y’可以由測量水平與垂直方向的像素數(shù)目來實現(xiàn)。設(shè)電子光學(xué)焦距為f，角偏差為δ，則如式(1)所示。

也就是說由彈標點的水平垂直像素數(shù)目可以確定其在圖像視場的位置，進而通過算法得到角偏差數(shù)據(jù)，彈標水平像素數(shù)即為其水平坐標，同理其垂直像素計數(shù)器值即為其垂直坐標，繼而可以據(jù)此計算得到角偏差等數(shù)據(jù)，將得到數(shù)據(jù)與測角儀所得數(shù)據(jù)進行比較，以檢測其精度性能參數(shù)。靈敏度與抗干擾指標的檢測可通過在追蹤窗口(彈標點兩旁的垂直捕獲線)中檢測有無彈標信號來實現(xiàn)。電視測角儀檢測系統(tǒng)輸出測角儀視頻圖像如圖6所示，白色光源為模擬光環(huán)境下的彈標點，彈標點兩側(cè)是模擬彈標捕獲線。

3 結(jié)論
采用以EP2C35為核心的電視測角儀檢測系統(tǒng)，與以往的專用檢測設(shè)備相比，處理數(shù)據(jù)能力得到提高，通過視頻采集系統(tǒng)將模擬視頻信號數(shù)字化，結(jié)合數(shù)字圖像處理技術(shù)，將各項參數(shù)的檢測轉(zhuǎn)化為對數(shù)字圖像中各部分像素值及灰度的檢測，可以完成對測角儀基本性能參數(shù)的檢測，并且有效降低了成本，減少實裝損耗，提高了便攜性，為電視測角儀檢測帶來了一條新的思路。