基于FPGA某型装备电视测角仪检测技术研究

摘要：通过分析电视测角仪的性能测试需求，结合视频图像图像处理技术，提出了以EP2C35为核心的视频检测系统设计方案，通过对CCD采集到的模拟环境的视频图像信号进行数字化处理，结合电视测角仪参数检测原理，对测角仪基本性能指标进行检测，整个系统以视频图像采集系统为基础，以视频图像处理为核心，为电视测角仪的检测研究提供了一种新的思路。
关键词：电视测角仪；参数检测；视频图像处理；EP2C35芯片

    电视测角仪是某型装备的地面制导设备，它集光、机、电于一体，属于技术密集的光电仪器。在该装备系统运行过程中它的作用主要体现在3个方面：1)测量导弹偏离瞄准线的角偏差；2)供射手观察和瞄准目标；3)给出自检信号与控制箱配合，实现地面控制设备自检。电视测角仪对导弹角偏差的测量是整个武器系统的关键环节，直接决定了导弹命中的准度与精度。在生产，日常维护中，需要快速测定测角仪的技术指标是否正常准确。FPGA(Field Programmable GateArray)内部含有丰富的可编程硬件资源，容易实现分布式算法结构，能够同时兼顾速度和灵活性，提高电路集成度。利用FPGA来实现“DSP系统”己十分普遍，应用在诸如实时图像处理、联合战术无线电通信系统、网络摄像等领域。因此应用FPGA设计一种基于测角仪视频图像信号采集及处理的检测方案成为可能。
    CycloneII系列是Altera公司推出的低成本FPGA，采用90 nm工艺。在并行数据处理，数字信号处理方面，CycloneII FPGA都具有明显的优势。以FPGA(Cyclone IIEP2C35)为核心的测角仪视频信号解决方案可以弥补测角仪检测仪价格昂贵，装备数量少等不足。实现测角仪基
本功能的检测。

1 基于FPGA的电视测角仪检测系统设计
1．1 测角仪关键参数分析
    1)精度：电视测角仪有2个精度指标，一是攻击400 m处的目标，精度应该小于3．4’，另一个是攻击3 000 m处的目标，精度应该小于20．6”。导弹飞至400 m处相对于电视测角仪的变焦时间为3．8 s。3 000 m处对应的变焦时间为28 s。因此可以根据测量导弹偏离瞄准线的角偏差来测试测角仪的测角精度。
    2)灵敏度：灵敏度是电视测角仪对弹标信号的提取能力，一般情况下，通过改变模拟光学环境下背景与弹标的对比度来检验测角仪灵敏度。在背景电平为0．5±0．05 V，弹标信号高出背景0．2～0．3 V以上，电视测角仪能稳定可靠地捕捉弹标信号。
    3)抗干扰：在真实环境下，测角仪工作会受到各种干扰信号影响，这就需要测角仪有一定的抗干扰能力，在模拟光学环境下通过设置干扰光点时，观察电视测角仪对弹标信号的捕捉能力来判断抗干扰能力是否正常。电视测角仪抗干扰的战术技术指标是：当背景电平在0．5± 0．05 V，干扰信号幅值为1．1 V时，跟踪窗口不捕获。
1．2 系统总体设计
    根据电视测角仪的工作原理及以上参数的分析，结合CCD靶面上像元与数字图像中像素对应关系，我们可将电视模拟环境视频信号转化为数字图像信号，通过图像检测技术对各参数进行检测，将得到的数据与测角仪所得数据比较，以检测测角仪性能。系统总体设计框图如图1所示。

    通过控制室内光学模拟环境的背景电压和弹标信号电压，为测角仪和CCD图像采集模块提供信号，使用EP2C35完成图像的采集、处理与显示功能，分析数字图像信息，应用图像分割技术提取弹标信号，并使用预先植入FPGA芯片的角偏差相应算法程序计算角偏差数据，并与测角仪通信，获取测角仪所得数据，进行比较，输出检测结果。同时输出测角仪模拟视频信号。
1．3 硬件设计
    1)FPGA最小系统包括EP2C35芯片、电源模块、晶振、SDRAM芯片、FLASH芯片、JTAG接口模块，晶振用来给系统提供50 MHz的时钟频率，在利用视频图像信号对测角仪进行检测时，需要存储大量的数据，因此选用具有掉电不丢失数据特性的闪存(FLASH)来保存程序，而同步动态存储器(SDRAM)来存储中间数据。
    2)CCD视频图像采集与显示模块：检测系统需要采集模拟光环境的视频图像信号，最终还需对外输出标准CCIR制视频信号。图像采集模块选用飞利浦公司的芯片SAA7113，它具有高速、低功耗的特点，可将输入的模拟信号解码成标准的数字信号，相当于一种A／D器件。SAA7113的参考电压源和时钟由内部提供，图2为视频图像采集框图。测角仪视频的显示采用A／D公司的ADV7123进行信号的D／A转换，可将数字化视频数据编码为NTSC／PAL制式的标准电视信号，并在显示器上进行显示。

    3)串口模块：系统在测试过程中，FPGA最小系统需要测角仪相互进行数据通信，串口通信有多种工业标准，本系统采用的是RS232接口电平规范。
1．4 软件设计
    电视测角仪软件系统设计基于Altera公司推出的QuartusⅡ开发环境，其功能强大，使用快捷，本设计使用Verilog语言编程，采用自顶向下的设计方法完成各个模块的设计，实现总体功能，图3为系统软件设计流程图。

2 性能参数检测
    在光学模拟环境下通过控制背景光源和目标光源，为电视测角仪提供近似战场环境和弹标信号，通过对图像进行采集处理，观察弹标捕获线、提取弹标点位置坐标并计算角偏差数据、检测图像变化来检测测角仪各种性能指标是否正常。
    CCD摄像头在采集视频图像信号后，得到的都是模拟信号，将模拟电视信号变成数字电视信号要经过模数(A／D)转换过程。模／数转换包含3个过程，即取样、量化及编码。其中，取样的目的是将时间上连续的模拟信号变成时间上离散的信号，量化是将幅度上连续的取样值变成幅度上离散的取样值，而编码的作用是将离散化的取样值编成二进制数码。我们此时可以把图像可以看成是由许许多多的小单元组成，在图像处理系统中，这些组成画面的细小单元称为像素。可以根据视频图像像素分辨率来编程构造水平像素计数器与垂直像素计数器。通过图像特征点像素计数器数值确定其坐标，图4为水平像素计数模块时序图。

    检测精度时，如图5所示，在图像靶面设置坐标系，坐标系的设置可通过将图像分解的水平、垂直像素来实现，弹标点偏离坐标原点的偏差△X’、△Y’可以由测量水平与垂直方向的像素数目来实现。设电子光学焦距为f，角偏差为δ，则如式(1)所示。
   

    也就是说由弹标点的水平垂直像素数目可以确定其在图像视场的位置，进而通过算法得到角偏差数据，弹标水平像素数即为其水平坐标，同理其垂直像素计数器值即为其垂直坐标，继而可以据此计算得到角偏差等数据，将得到数据与测角仪所得数据进行比较，以检测其精度性能参数。灵敏度与抗干扰指标的检测可通过在追踪窗口(弹标点两旁的垂直捕获线)中检测有无弹标信号来实现。电视测角仪检测系统输出测角仪视频图像如图6所示，白色光源为模拟光环境下的弹标点，弹标点两侧是模拟弹标捕获线。

3 结论
    采用以EP2C35为核心的电视测角仪检测系统，与以往的专用检测设备相比，处理数据能力得到提高，通过视频采集系统将模拟视频信号数字化，结合数字图像处理技术，将各项参数的检测转化为对数字图像中各部分像素值及灰度的检测，可以完成对测角仪基本性能参数的检测，并且有效降低了成本，减少实装损耗，提高了便携性，为电视测角仪检测带来了一条新的思路。