熊智慧

（廣東嶺南職業(yè)技術(shù)學(xué)院現(xiàn)代制造學(xué)院，廣東 廣州 510663）

0引言

在航天測(cè)控系統(tǒng)中，光學(xué)測(cè)量主要用于火箭飛行的初始段和一級(jí)飛行段的彈道測(cè)量，測(cè)量數(shù)據(jù)幫助評(píng)價(jià)和鑒定火箭制導(dǎo)系統(tǒng)的精度及性能。光學(xué)測(cè)量是在地面上用攝像機(jī)將火箭的運(yùn)行過(guò)程拍攝下來(lái)，再通過(guò)對(duì)所拍攝圖像的分析和處理，就可以得到火箭運(yùn)行時(shí)候的三維姿態(tài)等技術(shù)參數(shù)。因?yàn)楣鈱W(xué)測(cè)量是非接觸、高精度的全場(chǎng)測(cè)量，相對(duì)于傳感器等其他測(cè)量技術(shù)，光學(xué)測(cè)量技術(shù)具有簡(jiǎn)單、方便、可靠、價(jià)格低廉等優(yōu)勢(shì)。靶場(chǎng)光學(xué)測(cè)量設(shè)備長(zhǎng)期以來(lái)一直采用高速攝影機(jī)。

1 高速攝影局限性

基地光學(xué)測(cè)量在火箭起飛初始段一直采用多臺(tái)固定式高速攝影機(jī)外定標(biāo)的方法得到有限視場(chǎng)內(nèi)粗略的彈道數(shù)據(jù)，跟蹤火箭時(shí)獲取的原始觀測(cè)數(shù)據(jù)以點(diǎn)陣形式記錄在膠片上，在數(shù)據(jù)處理前需對(duì)膠片進(jìn)行沖洗和印制，然后在判讀儀上判讀出脫靶量。采用光學(xué)機(jī)械式的高速攝影不足之處：

（1）設(shè)備復(fù)雜，而且需消耗大量膠片，故使用成本高；

（2）處理時(shí)間長(zhǎng)，要做到實(shí)時(shí)再現(xiàn)和數(shù)據(jù)輸出是不可能的；

（3）當(dāng)需要觀測(cè)某種間斷性的或要捕捉某種隨機(jī)性的高速運(yùn)動(dòng)事件時(shí)很不方便；

（4）觀察、分析既費(fèi)時(shí)又費(fèi)力，不能馬上得到結(jié)果，而且圖像邊緣發(fā)虛，分析者必須主觀確定邊緣的真實(shí)位置。

總之，采用高速攝影機(jī)，不能對(duì)試驗(yàn)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，影像分析不能令人滿意，且后處理速度慢，誤差較大。在試驗(yàn)中較易受到干擾，難以保證在試驗(yàn)中抓拍到物體，試驗(yàn)后相片的沖洗、運(yùn)動(dòng)物體的判讀均易引起誤差，這些難以滿足高技術(shù)環(huán)境試驗(yàn)的要求[1-2]。

因此，為了更好地滿足對(duì)高速運(yùn)動(dòng)分析之需要，人們發(fā)展了一種新穎的技術(shù)——高速電視攝像。從獲得數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性來(lái)看，光學(xué)機(jī)械式攝影要有足夠長(zhǎng)的事后處理過(guò)程，而高速電視攝像則能即時(shí)得到圖像和所需的數(shù)據(jù)，所以它的實(shí)時(shí)性是光學(xué)機(jī)械式攝影設(shè)備所無(wú)法比擬的[3]。

2 高速電視攝像系統(tǒng)

2.1 高速電視攝像系統(tǒng)基本構(gòu)成[4-7]

高速電視攝像機(jī)構(gòu)成原理框圖如圖1所示。

圖1 高速電視攝像機(jī)構(gòu)成原理框圖

高速電視攝像頭主要由圖像傳感器和光學(xué)系統(tǒng)組成。

數(shù)字化單元由A/D轉(zhuǎn)換器及相應(yīng)電路構(gòu)成，功能是將圖像傳感器輸出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，以便能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)字存儲(chǔ)和計(jì)算機(jī)處理。

驅(qū)動(dòng)及控制電路由時(shí)序產(chǎn)生電路等構(gòu)成，功能是為了CCD（或CMOS）芯片提供正確的驅(qū)動(dòng)脈沖，控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作。

高速電視攝像系統(tǒng)是指攝像機(jī)把被攝物體成像在攝像管靶面上（CCD陣列器件作圖像傳感器），靶面各像素的電荷數(shù)與圖像照度成正比，然后按時(shí)序輸出這一電荷圖像信號(hào)，經(jīng)處理后存儲(chǔ)在磁帶或磁盤上。

這類相機(jī)具有實(shí)時(shí)記錄的特點(diǎn)，配有圖像數(shù)據(jù)自動(dòng)分析處理系統(tǒng)，使用方便，工作效率高。磁帶或磁盤可以反復(fù)利用，免去了膠片記錄事后各種繁瑣的處理工作。

2.2 高速攝影與高速電視攝像比較[8-9]

光學(xué)機(jī)械式高速攝影與高速電視攝像相比，從信息的傳遞和記錄方式來(lái)看，前者是以并行的方式進(jìn)行，即一幅圖像的全部信息都是同時(shí)進(jìn)行傳遞和記錄的；而高速電視攝像信息的傳遞和記錄則是以順序的方式進(jìn)行，即將呈現(xiàn)在攝像管靶面上的光學(xué)像通過(guò)電子束逐點(diǎn)掃描，將一幅空間圖像轉(zhuǎn)換成以時(shí)間為坐標(biāo)的視頻信號(hào)。為此要提高信息傳遞和記錄速度，就必須擴(kuò)大系統(tǒng)的信息容量。由此可知，拍攝頻率的提高，對(duì)高速攝影相機(jī)來(lái)說(shuō)，受膠片強(qiáng)度和機(jī)械強(qiáng)度的限制，而高速電視攝像則受系統(tǒng)帶寬的限制。

從獲得數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性來(lái)看，光學(xué)機(jī)械式攝影要有足夠長(zhǎng)的事后處理過(guò)程；而高速電視攝像則能即時(shí)得到圖像和所需的數(shù)據(jù)，所以高速電視攝影的實(shí)時(shí)性是光學(xué)機(jī)械式攝影設(shè)備無(wú)法比擬的。

3 高速電視測(cè)量系統(tǒng)

隨著靶場(chǎng)試驗(yàn)任務(wù)的增多，靶場(chǎng)的安全性得到了充分重視，對(duì)初始段光學(xué)測(cè)量設(shè)備要求也越來(lái)越高。需要逐步形成適合我國(guó)航天靶場(chǎng)飛行試驗(yàn)要求的光電測(cè)量系統(tǒng)，為試驗(yàn)提供精確的測(cè)量數(shù)據(jù)和珍貴的事件實(shí)況記錄資料，為分析檢驗(yàn)和評(píng)定系統(tǒng)性能提供科學(xué)依據(jù)。隨著光學(xué)測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，高速電視的出現(xiàn)使得高速電視測(cè)量系統(tǒng)的研制成為必然。

3.1 高速電視測(cè)量系統(tǒng)組成

整個(gè)高速電視測(cè)量系統(tǒng)由3臺(tái)高速電視測(cè)量?jī)x和主控臺(tái)組成，每臺(tái)儀器配置B碼終端系統(tǒng)，可直接接收經(jīng)控制中心轉(zhuǎn)發(fā)基地B碼的時(shí)統(tǒng)時(shí)間信號(hào)，使全系統(tǒng)同步工作，并與基地測(cè)控時(shí)間基準(zhǔn)嚴(yán)格一致。

主控臺(tái)由主控計(jì)算機(jī)、GPS/B碼設(shè)備及打印機(jī)等外圍設(shè)備組成，接收單臺(tái)高速電視測(cè)量?jī)x的測(cè)量信息，進(jìn)行交會(huì)處理形成綜合彈道參數(shù)，送往中心計(jì)算機(jī)，為實(shí)時(shí)控制提供決策信息；同時(shí)主控臺(tái)接收中心計(jì)算機(jī)送來(lái)的外引導(dǎo)信息，并實(shí)時(shí)處理成目標(biāo)彈道參數(shù)，送給各臺(tái)高速電視測(cè)量?jī)x，完成引導(dǎo)跟蹤飛行目標(biāo)。高速電視測(cè)量?jī)x外部連接圖見(jiàn)圖2。

隨著高速電視攝像機(jī)和計(jì)算機(jī)大容量存儲(chǔ)與處理技術(shù)的發(fā)展，用高速高分辨率攝像機(jī)實(shí)現(xiàn)高精度的火箭起飛段測(cè)量也變得越來(lái)越現(xiàn)實(shí)。

3.2 高速電視測(cè)量?jī)x的特點(diǎn)

高速電視測(cè)量?jī)x是一種機(jī)動(dòng)靈活、使用方便的小型光電跟蹤測(cè)量設(shè)備，主要用于火箭起飛段的彈道測(cè)量和實(shí)況記錄，為指揮人員和工程技術(shù)人員提供電視圖像供事后分析，還可完成火箭的起飛漂移量測(cè)量。

高速電視測(cè)量?jī)x與其他高速攝影測(cè)量?jī)x相比，具有以下特點(diǎn)：

3.2.1 采用硬盤高幀頻數(shù)字圖像記錄

實(shí)現(xiàn)了高速（100C/s）長(zhǎng)時(shí)間（5min）連續(xù)對(duì)圖像的監(jiān)視、采集和存儲(chǔ)。同時(shí)，采用多媒體技術(shù)，將圖像與絕對(duì)時(shí)、軸角編碼器的角度值、焦距值等數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。實(shí)現(xiàn)了圖像監(jiān)視和控制界面的同屏合成，圖像監(jiān)視、采集和存儲(chǔ)共用一個(gè)界面，使設(shè)備簡(jiǎn)化、觀察操作簡(jiǎn)便。

3.2.2 主控臺(tái)交會(huì)空間彈道

按基地信息約定與基地中心計(jì)算機(jī)和各分站實(shí)現(xiàn)通信，對(duì)數(shù)據(jù)的采集、交會(huì)理論彈道產(chǎn)生引導(dǎo)信息，可引導(dǎo)其他測(cè)量設(shè)備，提升了設(shè)備的測(cè)量能力。

3.2.3 采用20倍長(zhǎng)變焦測(cè)量、跟蹤技術(shù)

首次采用連續(xù)變焦距鏡頭用于測(cè)量，跟蹤和測(cè)量共用一組鏡頭，簡(jiǎn)化了設(shè)備的復(fù)雜性，使操作更容易，跟蹤更準(zhǔn)確。依據(jù)理論彈道實(shí)現(xiàn)程序控制自動(dòng)變焦，保證目標(biāo)在視場(chǎng)中大小穩(wěn)定，圖像在變焦區(qū)間內(nèi)基本不變，提高了姿態(tài)測(cè)量的質(zhì)量，并提供了現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)校設(shè)施和標(biāo)校方法。

3.2.4 采用面向?qū)ο蟮慕Y(jié)構(gòu)化編程技術(shù)

采用面向?qū)ο蟮慕Y(jié)構(gòu)化編程技術(shù)，使各控制模塊盡可能相互獨(dú)立，并運(yùn)用多媒體技術(shù)，使界面更加友好，軟件的可靠性和可維護(hù)性更高，主控臺(tái)和單站操作臺(tái)具有實(shí)用性強(qiáng)的操作界面。

3.2.5 自適應(yīng)復(fù)合性電視跟蹤

電視跟蹤器采用了自適應(yīng)脫靶量提取技術(shù)，在圖像變化時(shí)也能保證正確的提取目標(biāo)，增加了引導(dǎo)信息加單杠隨時(shí)修正和“綜合評(píng)估加權(quán)”多種“復(fù)合型”跟蹤方法，保證了跟蹤的穩(wěn)定性和可靠性。

3.2.6 點(diǎn)目標(biāo)自動(dòng)調(diào)光

采用了灰度跟蹤測(cè)量和峰值點(diǎn)目標(biāo)調(diào)光技術(shù)，更符合基地晚間發(fā)射時(shí)的調(diào)光要求，調(diào)光準(zhǔn)確穩(wěn)定，有效防止了過(guò)度曝光和曝光不足的問(wèn)題發(fā)生，有利于脫靶量的提取。

圖2 高速電視測(cè)量?jī)x外部連接圖

高速電視測(cè)量?jī)x提供數(shù)字電視圖像，供事后分析，可遠(yuǎn)程操作，數(shù)字圖象清晰、易判讀、精度高（視頻圖象事后判讀誤差σ≤1/2象元），具有多種跟蹤方式。

4 高速電視測(cè)量系統(tǒng)軟件

4.1 主控軟件功能

主控軟件是高速電視測(cè)量系統(tǒng)軟件中最重要的組成部分，要求具有數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳輸和信息顯示等多項(xiàng)功能。在系統(tǒng)設(shè)備正常情況下，能自動(dòng)地進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、加工、存儲(chǔ)、傳輸、顯示和記錄，并能完成交會(huì)任務(wù)。接收單臺(tái)高速電視測(cè)量?jī)x的測(cè)量信息，進(jìn)行控制；遙控3臺(tái)測(cè)量?jī)x進(jìn)行程序引導(dǎo)跟蹤；單臺(tái)分系統(tǒng)的故障診斷[3]。

4.2 軟件環(huán)境

主控軟件系統(tǒng)由系統(tǒng)支撐軟件和實(shí)時(shí)監(jiān)控應(yīng)用軟件組成。系統(tǒng)支撐軟件包括Windows 2000，Delphi7.0集成開(kāi)發(fā)軟件包；實(shí)時(shí)監(jiān)控應(yīng)用軟件即設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的監(jiān)控子系統(tǒng)應(yīng)用軟件。

4.3 主控軟件模塊結(jié)構(gòu)

根據(jù)實(shí)時(shí)任務(wù)監(jiān)控軟件的功能需求，主控軟件主要模塊具體如下：

4.3.1 界面模塊

主要分為主界面和子界面，子界面又分為遠(yuǎn)程調(diào)試子界面和實(shí)時(shí)監(jiān)控子界面，便于直觀地監(jiān)視動(dòng)態(tài)信息。遠(yuǎn)程調(diào)試子界面主要在任務(wù)準(zhǔn)備階段，重點(diǎn)對(duì)3臺(tái)高速電視測(cè)量?jī)x進(jìn)行調(diào)試，采用遠(yuǎn)程控制，多種方式引導(dǎo)模擬，檢查各分系統(tǒng)運(yùn)行是否正常、傳輸數(shù)據(jù)是否正確等。

4.3.2 主控模塊

主要完成C502串口卡和PCI1751控制卡的初始化，根據(jù)設(shè)置成功狀態(tài)判定是進(jìn)一步創(chuàng)建各線程還是告知用戶該硬件有問(wèn)題。

4.3.3 實(shí)時(shí)控制模塊

主要完成引導(dǎo)及工作方式的切換，分為工作方式切換軟件單元、數(shù)引數(shù)據(jù)產(chǎn)生軟件單元及工作方式操控部分。交會(huì)引導(dǎo)程序模塊是實(shí)時(shí)控制模塊的核心。

4.3.4 數(shù)據(jù)通信模塊

數(shù)據(jù)通信模塊主要完成交會(huì)軟件與外部設(shè)備之間信息交換，如與中心計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)通信、B碼時(shí)統(tǒng)終端，遠(yuǎn)端高速電視測(cè)量設(shè)備等。

4.3.5 信息顯示模塊

主要完成時(shí)間顯示、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的顯示及設(shè)備跟蹤狀態(tài)顯示。

4.3.6 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊

主要進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)工作，便于事后數(shù)據(jù)分析和歸檔。在該存儲(chǔ)過(guò)程進(jìn)行期間，界面同時(shí)給出進(jìn)度指示和存儲(chǔ)時(shí)間指示。

5 結(jié)束語(yǔ)

高速電視攝像系統(tǒng)經(jīng)過(guò)多次調(diào)試、修改和完善，已正式在靶場(chǎng)承擔(dān)光學(xué)測(cè)量任務(wù)，替代靶場(chǎng)傳統(tǒng)的膠片式高速攝影系統(tǒng)。高速電視攝像是高速攝影領(lǐng)域中正在發(fā)展的新技術(shù)，在我國(guó)還處在起步階段，需要不斷深入研究[10]。

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[3] 吳能偉.經(jīng)緯儀實(shí)時(shí)引導(dǎo)的研究[D].長(zhǎng)春：中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，2003.

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