基于FPGA的電視測角儀檢測技術(shù)方案

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(jìn)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(biāo)進(jìn)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(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(zhǔn)線的角偏差;2)供射手觀察和瞄準(zhǔn)目標(biāo);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(zhǔn)度與精度。在生產(chǎn)，日常維護(hù)中，需要快速測定測角儀的技術(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(bǔ)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(biāo)，一是攻擊400 m處的目標(biāo)，精度應(yīng)該小于3.4’，另一個是攻擊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(zhǔn)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(biāo)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(biāo)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(biāo)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(biāo)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(biāo)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(biāo)是：當(dāng)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(jìn)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(biāo)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(biāo)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(jìn)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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字信號，相當(dāng)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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)電視信號，并在顯示器上進(jìn)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(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

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(qiáng)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(biāo)光源，為電視測角儀提供近似戰(zhàn)場環(huán)境和彈標(biāo)信號，通過對圖像進(jìn)行采集處理，觀察彈標(biāo)捕獲線、提取彈標(biāo)點位置坐標(biāo)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(biāo)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(jìn)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(xì)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(biāo)，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(biāo)系，坐標(biāo)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(biāo)點偏離坐標(biāo)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(biāo)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(jìn)而通過算法得到角偏差數(shù)據(jù)，彈標(biāo)水平像素數(shù)即為其水平坐標(biāo)，同理其垂直像素計數(shù)器值即為其垂直坐標(biāo)，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(jìn)行比較，以檢測其精度性能參數(shù)。靈敏度與抗干擾指標(biāo)的檢測可通過在追蹤窗口(彈標(biāo)點兩旁的垂直捕獲線)中檢測有無彈標(biāo)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(biāo)點，彈標(biāo)點兩側(cè)是模擬彈標(biāo)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。