某型裝備電視攝像機成像組件國產化設計研究

秦彥君 李敏

摘要：某型國外引進裝備的電視攝像機成像組件隨著使用年限的增加，成像面出現老化、靈敏度下降，光電轉換后的圖像變模糊、成像質量下降，針對上述問題開展國產化研究。通過逆向工程結合數字成像技術，利用CMOS傳感器設計出國產化成像組件，替代原攝像機中硅靶攝像管成像組件成像，經裝機驗證滿足引進裝備的使用要求。

關鍵詞：電視攝像機；成像組件；國產化；CMOS傳感器；硅靶攝像管

Keywords：TV camera；imaging module；localization；CMOS sensor；Si-vidicon

0 引言

某型國外引進裝備導引頭采用電視制導方式，其攝像機為國外上世紀70年代設計定型產品，成像器件是采用攝像光電技術的硅靶攝像管。硅靶攝像管由硅片、二氧化硅絕緣層及涂層材料組成，通過電子空穴對運動和電子線掃描，實現光信號向電信號的轉換[1-2]。隨著使用年限的增加，攝像管靶面硅片和涂層出現耗損，年限越長耗損越大，光敏感性下降明顯，光電轉換后的圖像模糊，攝像機成像質量下降明顯[3]。該成像技術在國外已逐步被淘汰，硅靶攝像管的生產線也已全部撤銷，備件采購極為困難，攝像機發生類似故障后無法修復。

目前，CMOS成像技術已廣泛用于多型國產裝備中，其具有靈敏度高、抗強光、畸變小、成像清晰、畫面均勻等優點。因此，為保證裝備的完好率，有必要對硅靶攝像管成像組件進行反設計，利用CMOS成像器設計出國產化成像組件，替代原攝像機中的硅靶攝像管成像組件，從而解決裝備因備件緊缺、采購困難而無法得到及時修復的問題。

1 電視攝像機成像組件國產化設計

1.1 總體設計思路

該型電視攝像機由鏡頭組合、焦距電機、光圈電機、光線通道和硅靶攝像管成像組件組成，其中硅靶攝像管成像組件包括硅靶攝像管、偏轉線圈組、預視放電路三部分。國產化總體思路是保留電視攝像機鏡頭組合、焦距電機、光圈電機和光線通道，研制以CMOS傳感器為核心的成像組件替換硅靶攝像管成像組件，如圖1所示。由于CMOS成像組件僅替代硅靶攝像管成像組件，為保證重心和轉動慣量不變，CMOS成像組件封裝尺寸、重量應與硅靶攝像管成像組件尺寸、重量保持一致。

1.2 詳細設計

CMOS成像組件主要由外殼、CMOS圖像傳感器模塊、FPGA圖像處理模塊、殼體底座及支架組成，其結構組成如圖2所示。

1）CMOS圖像傳感器模塊

CMOS圖像傳感器模塊包括傳感器的電源轉換電路、CMOS傳感器電路、與FPGA圖像處理模塊連接的接插件以及為傳感器提供時鐘信號的有源晶振。其中，CMOS傳感器電路實現光電轉換，有源晶振JZ5032（74.25MHz）為CMOS圖像傳感器提供主時鐘，電源轉換電路將由接插件輸入的電源轉換成CMOS圖像傳感器和有源晶振工作所需的電壓。驅動信號通過接插件由FPGA圖像處理模塊傳輸至傳感器模塊，促使CMOS圖像傳感器正常工作，其工作時輸出的圖像數據則通過接插件傳輸至FPGA圖像處理模塊進行數據處理。CMOS圖像傳感器采用型號為IMX304LLR的黑白CMOS傳感器。模塊主體結構組成如圖3所示。

CMOS圖像傳感器模塊上的電源轉換電路主要由LDO電源轉換器和磁珠整流濾波電路組成，提供+3.3V、+1.8V模擬電源和+1.2V數字電源，其中+3.3V電源直接供給CMOS圖像傳感器和有源晶振工作，+1.2V和+1.8V經過磁珠整流濾波電路后再提供給CMOS圖像傳感器接口及其他配屬電路使用。

2）FPGA圖像處理模塊

FPGA圖像處理模塊是成像組件的主板，主要包括FPGA工作模塊、DA數模轉換模塊、FPGA模塊電源、外同步輸入光耦及與CMOS圖像傳感器模塊連接的接插件。FPGA工作模塊主要包括FPGA芯片、DDR、FLASH及有源晶振，模塊主體結構如圖4所示。其中，FPGA芯片實現圖像數據處理[4]，DDR在單個時鐘周期內傳輸兩次數據，并采用DLL（延遲鎖相環）技術對數據進行精確定位，FLASH則主要完成圖像數據的快速寫入和讀取[5]。

DA數模轉換模塊由數字寄存器、模擬電子開關、位權網絡、求和運算放大器和恒流源組成，用于存儲數字寄存器數字量的各位數碼，分別控制對應位的模擬電子開關，使數碼為1的位在位權網絡上產生與其位權成正比的電流值，再由運算放大器對各電流值求和，并轉換成電壓值，從而實現數字量轉變成模擬量。

外同步輸入光耦電路作為開關將外同步信號輸入至FPGA工作模塊，促使其工作頻率與裝備導引頭保持一致[6]。FPGA模塊電源主要由DC-DC電源轉換器和LDO電源轉換器組成，向FPGA圖像處理模塊提供+1V、+1.2V、+1.8V、+3.3V工作電壓，其中+1V、+1.2V、+1.8V為FPGA工作電壓，+3.3V為ADV數模轉換模塊、FLASH芯片、串口芯片、有源晶振、光耦等的工作電壓。

3）電氣線路改裝

硅靶攝像管成像組件內電子槍及偏轉線圈組組成的電子束掃描控制系統需要高壓供電才能正常工作，高電壓由攝像機連接器Ш1輸入，電子束掃描控制由攝像機連接器Ш2輸入。CMOS成像組件替代硅靶攝像管成像組件后，不需要高壓供電和電子束掃描控制，因此高壓及電子束掃描控制信號需在連接器處斷開，改裝前后針腳定義如表1所示。

1.3 信號傳輸及處理過程

CMOS成像組件接收導引頭電子艙產生的外同步信號，經過光耦傳輸至FPGA模塊。FPGA模塊接收光耦的同步信號后為CMOS圖像傳感器提供驅動信號，CMOS圖像傳感器同時進行光電轉換，輸出低電平的LVDS數字圖像信號。LVDS數字圖像信號傳回至FPGA模塊，在FPGA模塊中經過Binning模式后進行縮圖，將圖像進行縮放，而后進行二維濾波、圖像銳化、90°旋轉及格式轉換后輸出至DA數模轉換模塊。DA數模轉換模塊將處理過的數字圖像信號轉換為模擬CVBS圖像信號后輸出至外部。FPGA中圖像處理過程如圖5所示。

2 關鍵技術及解決途徑

2.1 視頻制式的轉換

硅靶攝像管輸出的視頻信號為非標制式，而CMOS傳感器輸出的視頻信號為PAL制式，為減少對導引頭后續電路的改動，需保證國產化后成像組件輸出的視頻信號與硅靶攝像管成像組件輸出的視頻信號一致。通過設計FPGA圖像處理模塊，采用高速圖像數據接收技術，使Slave模式下工作的CMOS傳感器在XVS和XHS的同步下按照固定時序穩定輸出LVDS串行圖像數據。LVDS串行圖像數據按照設定算法進行編碼，接收模塊將串行數據解碼恢復成為并行數據后，再根據數據的排列方式格式化輸出，從而實現圖像信號制式的轉換。

2.2 視頻圖像的旋轉

硅靶攝像管成像組件使用硅靶攝像管進行光電轉換，采用垂直掃描方式，其水平方向按576行輸出，垂直方向按768個點采樣，最后按隔行輸出，其圖像旋轉90°并進行了鏡像。CMOS傳感器采取的是水平逐行掃描，為匹配導引頭后級處理系統，其視頻圖像需進行旋轉和鏡像處理。針對該問題，采用FPGA優化硬件資源實現圖像的旋轉和拉伸。通過FPGA將經過拉伸、濾波、銳化等處理后的數字圖像按相對合適的大小分割成若干塊，每一小塊圖像分別進行旋轉，再將完成旋轉后的每一小塊圖像拼合成一幅768×576的圖像，從而實現視頻圖像的旋轉和鏡像處理。

3 調試與驗證

在將CMOS成像組件替換硅靶攝像管成像組件后，裝機進行調試驗證，通過了上電測試。與原電視攝像機相比，替換后的電視攝像機成像分辨率達到450線，優于原電視攝像機400線要求，成像效果更為細膩，特征更為明顯，如圖6所示。視場角、圖像質量等其他性能指標均達到原技術指標要求，如表2所示。

4 結論

電視攝像機處于引進裝備的最前端，是裝備的核心部件之一，其性能好壞直接影響著裝備的命中精度。通過國產化的CMOS成像組件替代原硅靶攝像管成像組件成像，不僅解決了備件停產、裝備無法修復問題，還有效提高了裝備的成像質量，提升了裝備性能，同時該國產化方法可運用于其他同類型引進裝備。

參考文獻

[1] KIAPOUR M H，HAN X，LAZEBNIK S，et al. Where to Buy It：Matching Street Clothing Photos in Online Shops[C]// IEEE International Conference on Computer Vision. IEEE，2015：3343-3351.

[2]李成，賀洋. 基于FPGA的圖像采集模塊的設計[J]. 電子設計工程. 2009 ，17（3）：34-36.

[3]呂卓，侯春萍，侯永宏. 全數字OQPSK解調算法的研究及FPGA實現[C]//中國電子學會第十五屆信息論學術年會暨第一屆全國網絡編碼學術年會論文集（下冊），2008.

[4]亓賀. 光電圖像制導系統中目標跟蹤關鍵技術研究[D].北京：北京理工大學，2016.

[5] GE T，HE K，SUN J. Graph Cuts for Supervised Binary Coding[C]// Eur. Conf. Comput. Vis.，2014：250–264.

[6]楊文才，汶德勝，陳淑丹，王宏.基于高速CMOS圖像傳感器的空間瞬態光探測[J]. 光子學報. 2010，39（4）：764-768.

作者簡介

秦彥君，高級工程師，主要從事光學制導技術研究。