航空顯示信號測試中的筆劃數(shù)據(jù)處理

張 彤，叢林虎，顧佼佼，叢 晉，王昌金

(1.海軍駐洛陽407廠軍事代表室，河南 洛陽 471039; 2.海軍航空工程學(xué)院，山東 煙臺 264001)

0 引言

在最新一代的戰(zhàn)斗機(jī)航空顯示中已基本采用純光柵顯示方式，但目前正在服役的多數(shù)機(jī)型仍使用光柵筆劃疊加畫面顯示器。文獻(xiàn)［1］中利用光柵筆劃信號的時序關(guān)系，將光柵筆劃疊加信號分解成為可由通用儀器產(chǎn)生與測量的分量信號。從而摒棄了傳統(tǒng)的專用設(shè)備檢測思路。這種方法在采集筆劃畫面各路信號時，由于儀器自身及外界干擾等因素的影響，從設(shè)備采集得到的數(shù)據(jù)一般都包含大量的噪聲，從而在測控計算機(jī)上復(fù)現(xiàn)純筆劃畫面及光柵筆劃疊加畫面時，由于采集得到的筆劃信號數(shù)據(jù)未進(jìn)行過預(yù)處理，致使顯示的畫面不夠清晰美觀并影響了識別、測試等后續(xù)工作的開展。因此，為了更加真實清晰地復(fù)現(xiàn)出筆劃畫面，有必要對采集后的筆劃信號進(jìn)行處理，即通過一系列預(yù)處理方法降低采集后的筆劃信號中的噪聲水平，從而為后續(xù)工作的開展提供更為可靠的信號數(shù)據(jù)集。

1 光柵筆劃疊加顯示方式

海空作戰(zhàn)中，戰(zhàn)斗機(jī)飛行員主要通過平視顯示器和多功能顯示器來獲得飛機(jī)與作戰(zhàn)信息。這些信息是通過光柵和筆劃這兩種掃描機(jī)制完全不同的信號組合產(chǎn)生并疊加顯示的［2］。光柵筆劃顯示器由工作模式和光柵筆劃切換信號(S/R)控制，既可工作于純筆劃方式、純光柵方式，又可以工作于光柵筆劃疊加顯示方式。當(dāng)顯示器工作于光柵筆劃疊加顯示方式時，顯示器在光柵筆劃切換信號的控制下，在光柵視頻信號的場消隱期間顯示筆劃信號，其他時間顯示光柵信號。這樣用戶在屏幕上看到的就是筆劃視頻畫面疊加在光柵視頻畫面上的疊加畫面［3］。

光柵視頻信號、偏轉(zhuǎn)信號、顏色信號、光柵筆劃切換信號等要保持同步關(guān)系，邏輯關(guān)系如圖1所示。

圖1 筆劃信號Fig.1 Stroke signal

對單色多功能顯示器，則只有一個顏色信號或輝亮信號。在圖1中，光柵視頻場同步信號的下降沿表示視頻信號要進(jìn)入場消隱，即將顯示筆劃畫面。光柵筆劃切換信號的上升沿標(biāo)示了一幅筆劃畫面的開始，下降沿標(biāo)示了筆劃畫面的結(jié)束。在光柵筆劃切換信號有效期間內(nèi)，筆劃的位置由偏轉(zhuǎn)X和偏轉(zhuǎn)Y信號確定，筆劃顏色由筆劃顏色R、筆劃顏色G、筆劃顏色B這3路信號共同決定。筆劃畫面繪制完成后繼續(xù)顯示光柵畫面。

2 航空顯示信號測試

2.1 測試基本原理

針對光柵筆劃疊加畫面顯示信號及其邏輯關(guān)系的特點，同樣考慮ATS的通用化原則，選擇多通道并行數(shù)據(jù)采集模塊、光柵視頻采集模塊、通信模塊和相應(yīng)電源模塊來完成光柵筆劃信號采集、復(fù)現(xiàn)、顯示和測量的任務(wù)，如圖2所示。

圖2 測試系統(tǒng)總體設(shè)計Fig.2 Design of the test system

控制計算機(jī)控制光柵視頻采集模塊采集光柵視頻信號，控制多通道并行數(shù)據(jù)采集模塊采集其他分量信號，然后根據(jù)光柵筆劃信號各分量信號之間的時序關(guān)系復(fù)現(xiàn)、顯示光柵畫面、筆劃畫面和光柵筆劃疊加畫面。通信模塊則用于模擬有通信功能的多功能顯示器，完成與顯示驅(qū)動設(shè)備之間進(jìn)行的設(shè)置工作方式、查詢周邊鍵狀態(tài)等通信功能［4］。

2.2 信號采集和顯示

對光柵視頻信號，直接采用視頻信號采集模塊進(jìn)行采集，將視頻畫面保留在內(nèi)存或保存在圖像文件中。

對光柵視頻場同步、光柵筆劃切換、偏轉(zhuǎn)X、偏轉(zhuǎn)Y、顏色等信號，采用高速并行數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行同步采集，每次采樣時間大于兩個視頻信號場周期，保證能采集到一幅完整的筆劃畫面。在采樣數(shù)據(jù)序列中，光柵筆劃切換信號的上升沿標(biāo)示了一幅筆劃畫面的開始，下降沿標(biāo)示了筆劃畫面的結(jié)束。在筆劃畫面期間，偏轉(zhuǎn)X和偏轉(zhuǎn)Y信號確定了筆劃的位置，顏色信號則表示筆劃的顏色。根據(jù)各種分量信號之間關(guān)系，利用軟件將筆劃畫面疊加到保存的光柵視頻畫面或空白畫面之上。先用最簡單的畫點方法將筆劃畫面疊加到光柵畫面上。若在(X，Y)點，光柵筆劃切換和顏色信號有效，則在保存的光柵畫面上的相應(yīng)位置上畫一個點。如此這般將所有筆劃上的點全部畫在光柵畫面上，就形成了一幅完整的光柵筆劃疊加顯示畫面。也可采用分段畫線的方法來顯示筆劃畫面，即若在(X1，Y1)點到(X2，Y2)點光柵筆劃切換和顏色信號均持續(xù)有效，則可將兩點之間所有筆劃上的點都畫在光柵畫面上且點與點之間用直線連接。疊加后的光柵筆劃畫面可直接在測控計算機(jī)屏上顯示。

在光柵筆劃疊加顯示方式下，筆劃信號在光柵視頻信號的場消隱期間顯示，光柵視頻信號采用PAL制式，場頻為50場/s，幀頻為25幀/s，掃描線為625行，場消隱時間為幾毫秒，故筆劃信號的顯示時間為毫秒級。一般飛機(jī)平顯的分辨率為512*512，假設(shè)有一幅很復(fù)雜的筆劃畫面，在沒有空筆移動的情況下，其畫面占據(jù)了半個屏幕，則這幅筆劃畫面所占據(jù)的像素點為(512*512)/2，這些像素點要在場消隱期間顯示完，則筆劃信號的頻率為幾十兆。一般的筆劃畫面主要是字符、數(shù)字和表示航向、距離、高度等重要信息的特定技術(shù)符號，畫面比較簡單，其占據(jù)的像素點并不多，在毫秒級的場消隱時間相應(yīng)的頻率為幾兆。則在實際采樣過程中的采樣頻率要達(dá)到幾十兆。

3 測試數(shù)據(jù)處理

3.1 測試數(shù)據(jù)分析

筆劃信號主要由顏色信號及偏轉(zhuǎn)信號組成。對單色多功能顯示器，只有一個顏色信號或輝亮信號。彩色多功能顯示器則包含筆劃顏色R、筆劃顏色G、筆劃顏色B這3路信號。對彩色多功能顯示器中3路顏色信號的處理可按照單色多功能顯示器中輝亮信號的處理方法進(jìn)行類似處理。

輝亮信號為RS422電平，該種電平采用差分傳輸(平衡傳輸)的方式。采用該種傳輸方式輝亮信號在采集過程中抗干擾能力強(qiáng)［5］，對采集后的輝亮信號只需進(jìn)行二值處理就基本能夠消除噪聲的影響并能達(dá)到時序的要求。

偏轉(zhuǎn)信號為±5 V范圍內(nèi)的連續(xù)模擬信號，在采集過程中由于儀器自身及外界干擾等因素的影響，致使采集后的偏轉(zhuǎn)信號有大量的噪聲，筆劃偏轉(zhuǎn)信號的偏轉(zhuǎn)精度高，噪聲對其影響明顯。若不對筆劃偏轉(zhuǎn)信號進(jìn)行處理就直接利用這些數(shù)據(jù)進(jìn)行筆劃畫面的復(fù)現(xiàn)，那么顯示出的畫面會模糊不清并影響圖像識別、測試等后續(xù)工作的開展。筆劃偏轉(zhuǎn)信號頻率分布不均，在輝亮信號消隱時的頻率要高于輝亮信號有效時的頻率，在采集過程中產(chǎn)生的噪聲干擾一般分布在高頻段，這就造成在進(jìn)行濾波時對輝亮信號消隱段內(nèi)筆劃偏轉(zhuǎn)信號的處理更加困難，由前文對筆劃畫面形成的分析可知，在輝亮信號消隱期內(nèi)是不顯示筆劃的，因此可以考慮采用分段濾波的方法對偏轉(zhuǎn)信號進(jìn)行處理，即只對輝亮信號有效期內(nèi)的筆劃偏轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理而不管輝亮信號消隱期內(nèi)的偏轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)。對筆劃偏轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分段濾波處理，不僅節(jié)省了濾波時間而且還可以充分考慮每段偏轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)的特點從而使處理過程更有針對性，效果也會更好。

筆劃各路信號之間存在著嚴(yán)格的時序和邏輯關(guān)系，這就要求在處理過程中要包含一定時頻的信息，在傳統(tǒng)的傅里葉分析中，信號完全是在頻域展開的，不包含任何時頻的信息，故若單單只使用低通濾波器、帶通濾波器等簡單的頻域處理方法進(jìn)行濾波則很容易就將大量有用的信息損失掉［6］?？紤]到筆劃畫面顯示的主要內(nèi)容是字符、數(shù)字和表示航向、距離、高度等重要信息的特定技術(shù)符號，在顯示這些字符、符號時，往往是按照其形狀特征進(jìn)行編程實現(xiàn)的，所以產(chǎn)生的用來確定筆劃位置的偏轉(zhuǎn)X、偏轉(zhuǎn)Y信號數(shù)據(jù)前后聯(lián)系緊密且變化緩和，故考慮使用空域濾波的方法對采集得到的筆劃偏轉(zhuǎn)信號進(jìn)行處理。

綜上所述，輝亮信號在采集過程中抗干擾能力強(qiáng)，對采集后的數(shù)據(jù)只需進(jìn)行二值處理即可。筆劃偏轉(zhuǎn)信號受噪聲影響明顯，要進(jìn)行預(yù)處理后才能用于筆劃畫面的復(fù)現(xiàn)。考慮到筆劃畫面的形成過程及筆劃各路信號之間存在著嚴(yán)格的時序和邏輯關(guān)系，最終選用分段空域濾波的方法對筆劃偏轉(zhuǎn)信號進(jìn)行處理。

3.2 Savitzky-Golay平滑濾波器

Savitzky和Golay提出的S-G平滑濾波器，又稱最小二乘方法或數(shù)據(jù)平滑多項式濾波器。該濾波器通過將一個多項函數(shù)對信號進(jìn)行逐個擬合，使含有噪聲的信號變得平滑。通過該濾波器處理過的數(shù)據(jù)能夠清晰地反映出數(shù)據(jù)的長期變化趨勢以及局部的突變信息，且不受數(shù)據(jù)時間空間尺度和采集設(shè)備的限制。近年來，基于S-G濾波方法的NDVI時間序列重建取得了較好的效果［7］?，F(xiàn)將該方法運(yùn)用于對筆劃偏轉(zhuǎn)信號數(shù)據(jù)的處理。

S-G濾波的公式為

其中:Yj+i為原始筆劃偏轉(zhuǎn)信號數(shù)據(jù)序列中的第j+i位的值;為平滑過后序列中的第j位的數(shù)據(jù)值;m為滑動窗口中的單側(cè)數(shù)據(jù)點數(shù);Ci為從過濾器首部開始第i個筆劃偏轉(zhuǎn)信號數(shù)據(jù)值的權(quán)值;N為過濾器的長度，同時也可以表示為(2m+1)［8－9］。

因此S-G濾波器要人為設(shè)定兩個參數(shù):第一個是m;第二個是多項式擬合的階數(shù)。通常m值越大結(jié)果越平滑，被平滑的峰谷值也就越多;多項式擬合的階數(shù)一般設(shè)在2～4之內(nèi)，較低的次數(shù)可以得到更平滑的結(jié)果，但會引進(jìn)誤差，較高的次數(shù)可以降低這個誤差，但是可能過于擬合得到一個更多噪聲的結(jié)果。

3.3 S-G平滑濾波方法改進(jìn)

由于在采集筆劃偏轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)過程中可能出現(xiàn)由于某些元件造成的異常點。因此，在使用Savitzky-Golay濾波算法對筆劃偏轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理之前，可以先采用3σ準(zhǔn)則進(jìn)行異常點檢測［10］，經(jīng)過異常點檢測后的數(shù)據(jù)集能更好的進(jìn)行濾波。

3σ準(zhǔn)則又稱拉伊達(dá)準(zhǔn)則，其數(shù)學(xué)方法如下:設(shè)樣本數(shù)據(jù)為y1，y2，…，yn，平均值為，偏差為vi=yi－，(i=1，2，…，n)。計算出標(biāo)準(zhǔn)差為

如果某一樣本數(shù)據(jù)yk的偏差vk(1≤k≤n)滿足|vk|＞3σ，則認(rèn)為該數(shù)據(jù)不合理。

在筆劃畫面中出現(xiàn)的字符、符號形狀不同，大小各異，復(fù)雜程度也有區(qū)別，這就使得對于每一個字符、符號其采集得到的數(shù)據(jù)量不同，因此，平滑窗口寬度不能為固定值。本設(shè)計采用動態(tài)的方法，即每次預(yù)處理采用的窗寬與需要處理的數(shù)據(jù)數(shù)量有關(guān)，根據(jù)數(shù)量的多少來確定窗寬。

3.4 數(shù)據(jù)處理流程

對筆劃偏轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分段處理后，首先進(jìn)行異常點檢測，具體算法如下:

3)計算ΔX中絕對值大于3×σ的數(shù)據(jù)點，認(rèn)為是異常點，并刪除;

4)對于被刪除的異常點，用該點兩側(cè)的正常數(shù)據(jù)進(jìn)行線性差值，并作為改點數(shù)據(jù)。

由于上述設(shè)計的多通道并行數(shù)據(jù)采集模塊的采樣率是固定的，每個點之間的時間間隔是相同的，即偏轉(zhuǎn)X、偏轉(zhuǎn)Y等數(shù)據(jù)對應(yīng)的曲線的橫坐標(biāo)是均勻的，因此可以對其使用Savitzky-Golay法。綜上所述采取下面的預(yù)處理算法:

1)對筆劃偏轉(zhuǎn)X、偏轉(zhuǎn)Y數(shù)據(jù)進(jìn)行異常點剔除;

2)對上一步處理的結(jié)果進(jìn)行卷積平滑以消除噪聲，可用Savitzky-Golay法求得，這里需要確定的參數(shù)是窗口半寬w和平滑多項式的階數(shù)。

在進(jìn)行濾波前，首先要確定窗寬及多項式的階數(shù)。經(jīng)過多次試取，可選取窗口半寬w=m，為數(shù)據(jù)點的1/30時效果最佳。筆劃偏轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)變化比較緩和，分別采用一階、二階、三階、四階多項式進(jìn)行處理，當(dāng)多項式階數(shù)定位三階時效果最令人滿意。

3.5 數(shù)據(jù)處理效果

下面通過一個仿真實驗來檢測一下數(shù)據(jù)預(yù)處理的效果。本實驗利用LabView軟件，根據(jù)筆劃信號的時序關(guān)系產(chǎn)生出3路信號數(shù)據(jù)，即偏轉(zhuǎn)X、偏轉(zhuǎn)Y和輝亮信號，并將這3路信號數(shù)據(jù)分別保存在3個文件中。在產(chǎn)生過程中人為地進(jìn)行均勻白噪聲干擾，目的是模擬在實際采集過程中由于儀器自身或外界干擾等因素造成的噪聲。每路信號數(shù)據(jù)長度為100 kB，筆劃偏轉(zhuǎn)電壓±5 V。

圖3 偏轉(zhuǎn)X處理前后對比Fig.3 The effect of deflection X processing

通過LabView讀取這3個包含噪聲的數(shù)據(jù)文件，采用分段畫線的方法顯示出由這3路信號數(shù)據(jù)形成的筆劃畫面，即若在(X1，Y1)點到(X2，Y2)點輝亮信號持續(xù)有效，則可將兩點之間所有筆劃上的點都顯示出來且點與點之間用直線連接。在讀取這3個包含噪聲的數(shù)據(jù)文件進(jìn)行筆劃畫面復(fù)現(xiàn)時，為使顯示出來的筆劃畫面更加真實清晰，就有必要在顯示前先對這3路信號數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。采用上述算法對筆劃數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，預(yù)處理前后偏轉(zhuǎn)X和偏轉(zhuǎn)Y的坐標(biāo)數(shù)據(jù)對比如圖3、圖4所示?？梢钥闯觯褂帽驹O(shè)計的預(yù)處理算法，可以有效地將噪聲去除。

圖4 偏轉(zhuǎn)Y處理前后對比Fig.4 The effect of deflection Y processing

若直接讀取上述產(chǎn)生的3個文件而不對其進(jìn)行預(yù)處理，則顯示如圖5。圖5的顯示效果與真實采集筆劃數(shù)據(jù)在測控計算機(jī)上顯示的效果十分相似，故若通過數(shù)據(jù)處理能使圖5的顯示效果改善，那么在實際應(yīng)用中此種預(yù)處理算法也會有很好的效果。預(yù)處理前后該筆劃畫面的示意圖對比，如圖5、圖6所示。經(jīng)過本設(shè)計的預(yù)處理方法，顯示效果明顯好于以前。

圖5 預(yù)處理前的畫面示意圖Fig.5 Schematic diagram before preprocessing

圖6 預(yù)處理后的畫面示意圖Fig.6 Schematic diagram after preprocessing

4 結(jié)束語

在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時，先根據(jù)輝亮信號的邏輯狀態(tài)，對采集得到的筆劃偏轉(zhuǎn)信號數(shù)據(jù)進(jìn)行分段，通過分段只對輝亮信號有效期內(nèi)的筆劃偏轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。采用3σ準(zhǔn)則進(jìn)行異常點檢測，經(jīng)過異常點檢測后的數(shù)據(jù)集能更好地進(jìn)行濾波。在此基礎(chǔ)上根據(jù)航空顯示信號中筆劃信號各分量之間嚴(yán)格的時序關(guān)系及筆劃偏轉(zhuǎn)信號頻率分布特征，采用Savitzky-Golay動態(tài)濾波。仿真實驗結(jié)果表明，采用該算法可以消除采集筆劃偏轉(zhuǎn)信號時大部分噪聲的干擾，同時該方法原理簡單，易于編程實現(xiàn)。該方法在對筆劃信號進(jìn)行去噪時，相當(dāng)于去除了筆劃信號在產(chǎn)生時附帶的和采集過程中由于儀器及外界干擾產(chǎn)生的兩部分噪聲，若只想單單去除儀器及外界干擾的噪聲，則需進(jìn)一步討論。本文設(shè)計的算法同樣適用于其他信號數(shù)據(jù)的預(yù)處理，例如其對手寫系統(tǒng)中由手寫輸入設(shè)備采集得到的原始數(shù)據(jù)的處理也有令人滿意的效果。

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