基于FPGA某型裝備電視測角儀檢測技術研究

摘要：通過分析電視測角儀的性能測試需求，結合視頻圖像圖像處理技術，提出了以EP2C35為核心的視頻檢測系統(tǒng)設計方案，通過對CCD采集到的模擬環(huán)境的視頻圖像信號進行數字化處理，結合電視測角儀參數檢測原理，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，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。
關鍵詞：電視測角儀；參數檢測；視頻圖像處理；EP2C35芯片

電視測角儀是某型裝備的地面制導設備，它集光、機、電于一體，屬于技術密集的光電儀器。在該裝備系統(tǒng)運行過程中它的作用主要體現在3個方面：1)測量導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，實現地面控制設備自檢。電視測角儀對導彈角偏差的測量是整個武器系統(tǒng)的關鍵環(huán)節(jié)，直接決定了導彈命中的準度與精度。在生產，日常維護中，需要快速測定測角儀的技術指標是否正常準確。FPGA(Field Programmable GateArray)內部含有豐富的可編程硬件資源，容易實現分布式算法結構，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“DSP系統(tǒng)”己十分普遍，應用在諸如實時圖像處理、聯(lián)合戰(zhàn)術無線電通信系統(tǒng)、網絡攝像等領域。因此應用FPGA設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。在并行數據處理，數字信號處理方面，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，裝備數量少等不足。實現測角儀基
本功能的檢測。

1 基于FPGA的電視測角儀檢測系統(tǒng)設計
1．1 測角儀關鍵參數分析
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，精度應該小于3．4’，另一個是攻擊3 000 m處的目標，精度應該小于20．6”。導彈飛至400 m處相對于電視測角儀的變焦時間為3．8 s。3 000 m處對應的變焦時間為28 s。因此可以根據測量導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，在模擬光學環(huán)境下通過設置干擾光點時，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)術技術指標是：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)總體設計
根據電視測角儀的工作原理及以上參數的分析，結合CCD靶面上像元與數字圖像中像素對應關系，我們可將電視模擬環(huán)境視頻信號轉化為數字圖像信號，通過圖像檢測技術對各參數進行檢測，將得到的數據與測角儀所得數據比較，以檢測測角儀性能。系統(tǒng)總體設計框圖如圖1所示。

通過控制室內光學模擬環(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，分析數字圖像信息，應用圖像分割技術提取彈標信號，并使用預先植入FPGA芯片的角偏差相應算法程序計算角偏差數據，并與測角儀通信，獲取測角儀所得數據，進行比較，輸出檢測結果。同時輸出測角儀模擬視頻信號。
1．3 硬件設計
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，需要存儲大量的數據，因此選用具有掉電不丟失數據特性的閃存(FLASH)來保存程序，而同步動態(tài)存儲器(SDRAM)來存儲中間數據。
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字信號，相當于一種A／D器件。SAA7113的參考電壓源和時鐘由內部提供，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轉換，可將數字化視頻數據編碼為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，FPGA最小系統(tǒng)需要測角儀相互進行數據通信，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 軟件設計
電視測角儀軟件系統(tǒng)設計基于Altera公司推出的QuartusⅡ開發(fā)環(huán)境，其功能強大，使用快捷，本設計使用Verilog語言編程，采用自頂向下的設計方法完成各個模塊的設計，實現總體功能，圖3為系統(tǒng)軟件設計流程圖。

2 性能參數檢測
在光學模擬環(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據、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字電視信號要經過模數(A／D)轉換過程。模／數轉換包含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曨l圖像像素分辨率來編程構造水平像素計數器與垂直像素計數器。通過圖像特征點像素計數器數值確定其坐標，圖4為水平像素計數模塊時序圖。

檢測精度時，如圖5所示，在圖像靶面設置坐標系，坐標系的設置可通過將圖像分解的水平、垂直像素來實現，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目來實現。設電子光學焦距為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據，彈標水平像素數即為其水平坐標，同理其垂直像素計數器值即為其垂直坐標，繼而可以據此計算得到角偏差等數據，將得到數據與測角儀所得數據進行比較，以檢測其精度性能參數。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。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，彈標點兩側是模擬彈標捕獲線。

3 結論
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備相比，處理數據能力得到提高，通過視頻采集系統(tǒng)將模擬視頻信號數字化，結合數字圖像處理技術，將各項參數的檢測轉化為對數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。