秦彥君 張劍

摘要：針對某型電視導引頭上電自檢結束后觀察外界景象時成像畫面出現(xiàn)曝光的現(xiàn)象開展故障分析。通過研究導引頭成像系統(tǒng)的工作原理及工作流程，建立故障樹模型，逐層開展相關部件的原因分析，查找出故障最終原因，并對導引頭進行修復。

關鍵詞：電視導引頭；成像畫面；曝光；成像系統(tǒng)；修復

Keywords：TV seeker；imaging picture；exposure；imaging system；repair

0 引言

某型導引頭通過電視攝像機獲取外界景象實現(xiàn)成像，導引頭以景物反射的自然光線為攝取對象，通過光電傳感器和監(jiān)視系統(tǒng)實現(xiàn)成像畫面的光電轉換和重組再現(xiàn)，成像畫面質量好壞直接影響操控員對外界景象的觀測。在多批次產(chǎn)品修理中，出現(xiàn)數(shù)枚導引頭上電自檢結束后觀察外界景象時成像畫面曝光的故障現(xiàn)象，故障現(xiàn)象如圖1所示。

1 成像系統(tǒng)工作原理

導引頭成像系統(tǒng)主要由電視攝像機、采集視頻電路、采集控制電路、字符顯示電路、波門光標電路及鏡頭控制電路組成。電視攝像機作為成像系統(tǒng)的核心部件，由光學鏡頭、光電傳感器（CCD）、光圈機構、變焦機構組成。景物反射的自然光線進入光學鏡頭，通過光學鏡頭聚焦于光電傳感器的光敏面上，在光電傳感器的轉換作用下形成視頻信號即原始視頻。原始視頻經(jīng)采集視頻電路雜波抑制、干擾濾除、初級放大后與字符顯示電路和波門光標電路產(chǎn)生的字符、波門、光標信號疊加，形成復合視頻。復合視頻經(jīng)鏡頭控制電路輸出至監(jiān)視系統(tǒng)，實現(xiàn)圖像畫面再現(xiàn)。鏡頭控制電路依據(jù)操控員指令控制光學鏡頭進行焦距變換，同時依據(jù)復合視頻幅值大小對成像系統(tǒng)實施反饋控制。鏡頭控制電路通過對復合視頻幅值大小的判斷，控制光圈電機帶動光學鏡頭上的光圈實現(xiàn)進光量的自動調整，從而控制成像畫面始終處于清晰狀態(tài)。導引頭成像系統(tǒng)工作原理如圖2所示。

2 故障原因分析

依據(jù)導引頭成像系統(tǒng)工作流程及視頻信號走向進行判斷，成像畫面曝光故障現(xiàn)象與電視攝像機、采集視頻電路及鏡頭控制電路相關，因此以“成像畫面曝光”故障現(xiàn)象為頂事件建立故障樹（見圖3），依據(jù)故障樹逐層展開相關部件的原因分析。

2.1 電視攝像機

1）光電傳感器

電視攝像機采用的光電傳感器為電荷耦合器件，即常說的CCD，由MOS光敏元、移位寄存器、電荷轉移柵等部分組成。通過MOS光敏元將光信息轉換成電脈沖信號，且每個脈沖只反映一個光敏元的受光情況，脈沖幅度的高低反映該光敏元受光照的強弱，脈沖的順序反映該光敏元的位置。MOS光敏元由金屬（M）、氧化物（O）、半導體（S）三層物質組成，依據(jù)半導體的光生伏特效應，將入射光信號轉換為電荷，由移位寄存器收集后，經(jīng)電荷轉移柵輸出，成為原始視頻信號。MOS光敏元作為視頻信號的源頭，其內(nèi)部的氧化物和半導體隨時間推移會出現(xiàn)耗損，敏感性逐漸下降，導致轉換成的電脈沖信號無法反映出該光敏元的受光情況，光照強弱等特征信息丟失，累積效應即為“成像畫面曝光”現(xiàn)象。MOS光敏元在顯微鏡下的照片及曝光效應如圖4所示。

2）光圈機構

光圈機構由光學鏡頭上的光圈和光圈電機組成。光圈位于攝像機光學鏡頭與光電傳感器件之間，光圈電機根據(jù)鏡頭控制電路的指令，通過帶動光圈收縮和放大，減少或增加光學鏡頭的進光量，從而控制成像畫面的清晰狀態(tài)。光圈和光圈電機中任一發(fā)生故障，光圈機構的控制效應將失效，若此時光圈處于最大狀態(tài)，進光量達到最大，光照強度超出MOS光敏元的耐受范圍，處于過飽和輸出狀態(tài)，信號經(jīng)監(jiān)視系統(tǒng)圖像再現(xiàn)后，在視覺上表現(xiàn)為“成像畫面曝光”現(xiàn)象。

2.2 采集視頻電路

采集視頻電路由A/D轉換器、存儲器、同步提取電路、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、D/A轉換器組成，主要實現(xiàn)視頻圖像的模數(shù)轉化及標準行、場同步信號和非標行、場同步信號的輸出。其工作原理是利用A/D轉換器將電視攝像機輸出的原始視頻轉換成數(shù)字信號，一路送存儲器，一路經(jīng)D/A轉換器轉換成模擬信號后輸出。同步提取電路從模擬視頻信號中提取標準行、場同步信號，再經(jīng)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器展寬后轉換成非標行、場同步信號，標準行、場同步信號和非標行、場同步信號同時提供給其他電路使用。A/D轉換器和D/A轉換器作為采集視頻電路的核心，任一發(fā)生故障，轉換過程中的視頻信號隨即會出現(xiàn)幅值削低、同步錯位、特征丟失等受損情況，特征信息不全的視頻信號通過監(jiān)視器圖像再現(xiàn)，即表現(xiàn)為“成像畫面曝光”現(xiàn)象。采集視頻電路工作原理如圖5所示。

2.3 鏡頭控制電路

鏡頭控制電路由幅值比較電路、數(shù)字邏輯電路、電機驅動器組成，主要實現(xiàn)對光圈機構和變焦機構的控制。其中焦距變換指令經(jīng)數(shù)字邏輯電路和電機驅動器后驅動焦距電機運轉，實現(xiàn)光學鏡頭的長短焦變化。采集視頻電路輸出的模擬視頻信號經(jīng)幅值比較電路與預設幅值電壓進行比較，依據(jù)比較計算結果給出光圈控制指令。指令經(jīng)電機驅動器后驅動光圈電機運轉，帶動光圈變化，實現(xiàn)光學鏡頭進光量的控制，使視頻圖像始終保持良好的對比度，從而保證成像畫面的持續(xù)清晰。幅值比較電路和電機驅動器任一發(fā)生故障，光圈機構將無法按照視頻幅值大小實時控制光圈，當光線增強時，進光量始終保持增大趨勢，此時成像畫面將出現(xiàn)“曝光”現(xiàn)象。鏡頭控制電路工作原理如圖6所示。

3 故障排查

電視攝像機、采集視頻電路、鏡頭控制電路都具有互換性，依據(jù)圖3故障樹模型采用排除法進行故障定位，利用性能合格的電視攝像機、采集視頻電路、鏡頭控制電路進行替換排故。更換為性能合格的電視攝像機和采集視頻電路后，導引頭成像畫面依然呈現(xiàn)為曝光現(xiàn)象，更換為鏡頭控制電路后，導引頭成像畫面正常，曝光現(xiàn)象消失，由此判定故障點存在于鏡頭控制電路。通過對鏡頭控制電路組成特點及原理進行分析，認為故障點應與幅值比較電路、電機驅動器相關聯(lián)。

如圖7所示，幅值比較電路由6個運算放大器和若干電阻、電容、二極管、可調電位計組成?？烧{電位計RP1、RP2、RP3通過調整，預設幅值電壓分別為2.5V、0.8V、0.7V。視頻信號通過運算放大器N8A第2引腳輸入，經(jīng)N8B、N3A、N3B、N2A、N2B等5個運算放大器，與3個預設幅值電壓比較計算后，計算結果分別通過運算放大器N2A第1引腳和N2B第7引腳輸出至電機驅動器L293B的第2和第7引腳。電機驅動器L293B通過第3、第6引腳輸出驅動電壓，驅動光圈電機正轉或反轉，從而控制光圈收縮或打開。鑒于幅值比較電路的組成特點，為定位故障元器件，采用將電視攝像機鏡頭對準室內(nèi)、室外不同景物或采用燈光遮擋等手段模擬外界照度變化，檢測電機驅動器 L293B第3和第6引腳以及運算放大器N2A第1引腳、N2B第7引腳、N8A第1引腳、N8B第7引腳、N3A第1引腳、N3B第7引腳的輸出信號波形是否隨外界照度變化而變化。檢測結果表明，運算放大器N8A第1引腳、N8B第7引腳、N3A第1引腳、N3B第7引腳輸出信號隨外界照度在0.15～2.8V之間變化，N2A第1引腳和N2B第7引腳的輸出始終保持在0.18V，電機驅動器L293B第3和第6引腳的輸出驅動電壓同樣始終保持在0.35V。由于該驅動電壓過于微弱，無法驅動光圈電機運轉，光學鏡頭進光量得不到控制，視頻圖像無法保持良好的對比度，從而出現(xiàn)曝光現(xiàn)象。由此判定故障器件為運算放大器N2A和N2B，更換同型號運算放大器后，成像畫面曝光現(xiàn)象消失，圖像恢復正常。

4 結束語

該型導引頭成像系統(tǒng)屬于閉環(huán)類系統(tǒng)，即外界光線經(jīng)光學鏡頭和光電傳感器后形成視頻信號，視頻信號經(jīng)采集視頻電路濾除干擾、初級放大后送至鏡頭控制電路，鏡頭控制電路再依據(jù)視頻信號幅值大小控制光學鏡頭進光量，進光量的變化返回影響視頻信號的產(chǎn)生和幅值。因此，整個導引頭成像系統(tǒng)近似于自適應、自調節(jié)的閉環(huán)系統(tǒng)。針對該類閉環(huán)系統(tǒng)的排故和修理是較為復雜的，需要按照信號的產(chǎn)生和流向采用替換法逐層縮小故障排查范圍，再依據(jù)電路特點和信號檢測數(shù)據(jù)實現(xiàn)故障元器件的準確定位。

作者簡介

秦彥君，高級工程師，主要從事光學制導專業(yè)的技術研究。

張劍，工程師，主要從事電子元器件、航空裝備修理質量監(jiān)督管理工作。