基于FPGA某型裝備電視測角儀檢測技術(shù)研究

摘要：通過(guò)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(shù)，提出了以EP2C35為核心的視頻檢測系統設計方案，通過(guò)對CCD采集到的模擬環(huán)境的視頻圖像信號進(jìn)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(jìn)行檢測，整個(gè)系統以視頻圖像采集系統為基礎，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(guān)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(shù)密集的光電儀器。在該裝備系統運行過(guò)程中它的作用主要體現在3個(gè)方面：1)測量導彈偏離瞄準線(xiàn)的角偏差；2)供射手觀(guān)察和瞄準目標；3)給出自檢信號與控制箱配合，實(shí)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(gè)武器系統的關(guān)鍵環(huán)節，直接決定了導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)內部含有豐富的可編程硬件資源，容易實(shí)現分布式算法結構，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“DSP系統”己十分普遍，應用在諸如實(shí)時(shí)圖像處理、聯(lián)合戰術(shù)無(wú)線(xiàn)電通信系統、網(wǎng)絡(luò )攝像等領(lǐng)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(jià)格昂貴，裝備數量少等不足。實(shí)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設計
1．1 測角儀關(guān)鍵參數分析
1)精度：電視測角儀有2個(gè)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(gè)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(shí)間為3．8 s。3 000 m處對應的變焦時(shí)間為28 s。因此可以根據測量導彈偏離瞄準線(xiàn)的角偏差來(lái)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(guò)改變模擬光學(xué)環(huán)境下背景與彈標的對比度來(lái)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，電視測角儀能穩定可靠地捕捉彈標信號。
3)抗干擾：在真實(shí)環(huán)境下，測角儀工作會(huì )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(guò)設置干擾光點(diǎn)時(shí)，觀(guān)察電視測角儀對彈標信號的捕捉能力來(lái)判斷抗干擾能力是否正常。電視測角儀抗干擾的戰術(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(shí)，跟蹤窗口不捕獲。
1．2 系統總體設計
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(guān)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(guò)圖像檢測技術(shù)對各參數進(jìn)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。系統總體設計框圖如圖1所示。

通過(guò)控制室內光學(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，分析數字圖像信息，應用圖像分割技術(shù)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(jìn)行比較，輸出檢測結果。同時(shí)輸出測角儀模擬視頻信號。
1．3 硬件設計
1)FPGA最小系統包括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)給系統提供50 MHz的時(shí)鐘頻率，在利用視頻圖像信號對測角儀進(jìn)行檢測時(shí)，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(lái)保存程序，而同步動(dòng)態(tài)存儲器(SDRAM)來(lái)存儲中間數據。
2)CCD視頻圖像采集與顯示模塊：檢測系統需要采集模擬光環(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(diǎn)，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(shí)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(jìn)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(jìn)行顯示。

3)串口模塊：系統在測試過(guò)程中，FPGA最小系統需要測角儀相互進(jìn)行數據通信，串口通信有多種工業(yè)標準，本系統采用的是RS232接口電平規范。
1．4 軟件設計
電視測角儀軟件系統設計基于A(yíng)ltera公司推出的QuartusⅡ開(kāi)發(fā)環(huán)境，其功能強大，使用快捷，本設計使用Verilog語(yǔ)言編程，采用自頂向下的設計方法完成各個(gè)模塊的設計，實(shí)現總體功能，圖3為系統軟件設計流程圖。

2 性能參數檢測
在光學(xué)模擬環(huán)境下通過(guò)控制背景光源和目標光源，為電視測角儀提供近似戰場(chǎng)環(huán)境和彈標信號，通過(guò)對圖像進(jìn)行采集處理，觀(guān)察彈標捕獲線(xiàn)、提取彈標點(diǎn)位置坐標并計算角偏差數據、檢測圖像變化來(lái)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(jīng)過(guò)模數(A／D)轉換過(guò)程。模／數轉換包含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)間上連續的模擬信號變成時(shí)間上離散的信號，量化是將幅度上連續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，在圖像處理系統中，這些組成畫(huà)面的細小單元稱(chēng)為像素?？梢愿鶕曨l圖像像素分辨率來(lái)編程構造水平像素計數器與垂直像素計數器。通過(guò)圖像特征點(diǎn)像素計數器數值確定其坐標，圖4為水平像素計數模塊時(shí)序圖。

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

也就是說(shuō)由彈標點(diǎn)的水平垂直像素數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(jìn)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(guò)在追蹤窗口(彈標點(diǎn)兩旁的垂直捕獲線(xiàn))中檢測有無(wú)彈標信號來(lái)實(shí)現。電視測角儀檢測系統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(diǎn)，彈標點(diǎn)兩側是模擬彈標捕獲線(xiàn)。

3 結論
采用以EP2C35為核心的電視測角儀檢測系統，與以往的專(zhuān)用檢測設備相比，處理數據能力得到提高，通過(guò)視頻采集系統將模擬視頻信號數字化，結合數字圖像處理技術(shù)，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(shí)裝損耗，提高了便攜性，為電視測角儀檢測帶來(lái)了一條新的思路。