CN111912290B - 一种电子扫描电视导引方法、系统、存储介质及应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于光电成像导引技术领域，公开了一种电子扫描电视导引方法、系统、存储介质及应用，包括：宽视场广角镜头模块、大幅面高分辨率CMOS成像模块、电子变倍与扫描控制模块、视频输出模块、电源管理模块。本发明具有宽窄视场切换灵活，扫描方式快速多变的特点。与机械式平台导引设备的机械扫描方式相比，本发明采用电子扫描导引，具有速度快，灵活性高，可靠性高的特点。与机械式平台导引头任何时刻只有一个窄视场图像相比，本发明的电子变倍功能可以按照需要进行宽窄视场切换，因而具有目标不易丢失和丢失后可以再次快速捕获的特点。本发明可以装备于多种固定平台，移动平台和捷联导引平台上实现对目标的快速观测和灵活扫描跟踪。

Description

一种电子扫描电视导引方法、系统、存储介质及应用

技术领域

本发明属于光电成像导引技术领域，尤其涉及一种电子扫描电视导引方法、系统、存储介质及应用。

背景技术

随着光电成像电视导引技术的发展，基于捷联导引，伺服平台导引的制导和侦察技术得到了快速发展。将光电成像电视导引技术应用于炮弹、导弹可以进行智能目标检测、识别与跟踪测量，实现对目标的精确打击；将光电成像电视导引技术应用于无人机、直升机、飞机等平台可以进行全方位的战场侦察与监视，实现对目标的高效检测和测量。传统的捷联导引方法具有体积小、重量轻、抗过载、能直接利用载体姿态定位信息、成本低等优点，但存在视场范围小、成像质量低、容易受载体振动影响的问题；而传统伺服平台导引方法具有跟踪范围大、成像质量高、可过滤载体振动的优势，但存在体积大、结构复杂、需要自身姿态定位、再次捕获目标难、成本高的缺点。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：传统伺服平台导引方法存在体积大、结构复杂、需要自身姿态定位、再次捕获目标难、成本高。

解决以上问题及缺陷的难度为：

解决以上问题，需要研制微型轻量化高精度伺服机构，多轴高精度积分陀螺，高效能微型电机实现大机动快速精确跟踪，难度很大。

解决以上问题及缺陷的意义为：

采用数字图像处理技术，依靠灵活高效的程控电子扫描方式和精密的算法修正，实现对目标的大视场扫描、检测和小视场精确跟踪。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种电子扫描电视导引方法、系统、存储介质及应用。

本发明是这样实现的，一种电子扫描电视导引方法，所述电子扫描电视导引方法包括：

利用宽视场广角镜头模块的设计文件进行宽视场广角镜头加工制作；

利用电路板布线软件分别制作大幅面高分辨率CMOS成像模组设计制作；

电子变倍与扫描控制模块设计与制作；

视频输出模块的设计与制作；

电源管理模块的设计与制作。

把形成的软件固件下载到电子变倍与扫描控制模块中，完成电子变倍与扫描控制模块的图像采集、视频处理、时序控制和数据驱动功能；软件运行时实现对大幅面高分辨率CMOS成像模组和视频输出模块的配置管理，驱动管理；

修改升级电子变倍与扫描控制软件，满足实际应用需求。

进一步，所述电子扫描电视导引方法的捷联导引头安装在运动载体的正前方，大幅面摄像机光轴正对导引头前方，对运动平台前方水平90°×垂直58°，对角线107°视域范围内的场景进行侦察和目标跟踪。

进一步，所述电子扫描电视导引方法对水平90°×垂直58°视场内的图像抽点输出，形成标准1920×1080P的高清视频，实现对宽视场图像的全景观察；在变倍后，以指定点为中心，形成小窗口视场角为33°（水平）×16°（垂直），对角线34°视场范围内逐行逐列像素点的1920×1080P高清图像输出；

进一步，所述电子扫描电视导引方法的基于大幅面相机电子扫描技术，根据预定的轨迹或者目标所在位置，用电子扫描方法实现小窗口目标跟踪和测量。

进一步，所述电子扫描电视导引方法的在水平90°×垂直58°宽视场中，预先定义了互有重叠的16个小视场窗口，每个小窗口视场角为水平30°×垂直16°，对于目标的放大观察和跟踪就在这16个小窗口之间切换进行，从而减少像素传递频率，提高小视场目标跟踪处理能力。在大视场工作时输出1920×1080P的图像，用于在全景状态下的观察和目标检测，发现目标后，按照目标所在的小窗口，电子变倍到该小窗口，输出小窗口的1920×1080P高分辨率图像，并持续进行目标的精确识别测量和跟踪；在目标即将偏移出该小窗口时，将图像切换到有重叠的相邻小窗口中，实现对目标的连续跟踪；如果要实现电子变倍目标搜索，采用电子扫描方式，按照最佳轨迹在小视场内进行切换搜索。

本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：

利用宽视场广角镜头的设计文件进行宽视场广角镜头加工制作；

利用电路板布线软件分别制作大幅面高分辨率CMOS成像模组，电子变倍与扫描控制模块，视频输出模块与电源管理模块；

把形成的软件固件下载到电子变倍与扫描控制模块中，完成电子变倍与扫描控制模块的图像采集、视频处理、时序控制和数据驱动功能；软件运行时实现对大幅面高分辨率CMOS成像模组和视频输出模块的配置管理，驱动管理；

修改升级电子变倍与扫描控制软件，满足实际应用需求。

本发明的另一目的在于提供一种实施所述电子扫描电视导引方法的电子扫描电视导引系统，所述电子扫描电视导引系统包括：

宽视场广角镜头模块，由多片小型精密凹凸镜头对组成，用于实现宽视场广角度光学成像；

大幅面高分辨率CMOS成像模块，由大幅面高分辨率CMOS传感器和输出驱动电路组成，用于把光学影像转变为阵列电信号，实现大面阵高分辨率成像；

电子变倍与扫描控制模块，由图像采集单元、视频处理单元、时序控制和驱动单元、工作模式控制单元组成，按照指令或预先设定的方式实现全局宽视场和局域窄视场的画面电子变倍切换，局域窄视场的快速电子扫描和目标跟踪控制；

视频输出模块，用于按照期望的格式形成输出视频。

电源管理模块，用于提供整个系统所需的不同规格工作电压。

进一步，所述电子扫描电视导引系统宽视场宽视场广角镜头广角镜头模块，如图6所示，由多片小型精密凹凸镜头对组成，用于实现宽视场广角度光学成像；

大幅面高分辨率CMOS成像模块，采用了CMV20000 CMOS传感器，该CMOS是一款全局曝光CMOS；其特性参数见表1所示。

电子变倍与扫描控制单元，实现从传感器采集到原始Bayer格式图像，将其恢复成彩色图像；并快速进行像素传递，形成宽视场图像和变倍后的小窗口视场图像；见图4和图5，主要采用Xilinx的A7系列FPGA实现控制。

所述电子扫描电视导引系统的视频输出接口，采用HD-SDI传输，利用标准SDI发送产生芯片GS2972，该芯片实现将FPGA输出20bitTTL电平的数据信号和同步信号转换为串行数字信号；配合FPGA发送的像素时钟信号PCLK，同步信号Data Enable、HSYNC和VSYNC信号形成标准1920×1080P的HD-SDI高清视频信号；电路设计见图7。SDI信号的输出驱动电路设计见图8。

进一步，所述电子扫描电视导引系统的电源模块，实现将+5V变换为1.2V、1.8V、2.5V、3.3V的要求。因为要考虑到电磁兼容要求，需要在电源抗干扰、过冲、辐射等方面具有较强的能力，所以设计中加入在电源输入、输出端增加了保护电路、滤波电路，增加了设计冗余度考虑。电源模块采用凌特的LTM4644芯片实现，如图9所示。电源输入端串接整流二极管，防止电源反接损坏摄像头组件电路；输入端加功率电阻器，防止摄像头组件自身短路对系统电源造成损坏；输入端加滤波器，对输入电压进行滤波，防止外界以及线间干扰影响摄像头组件电路；采用宽范围输入电压DC-DC，保证摄像头组件能够承受电源的各种冲击；在DC-DC输出加磁环，用于抑制共模噪声；输出端加一系列滤波电容，对电源输出进行滤波；供电保护电路采用高集成度的μModule DC-DC电源模块实现；DC-DC电源模块在电源输入端，采用消除隔离的办法；输入端，采用陶瓷电容并联滤波，共模滤波电路由C178，L2，C181，R5，R6，C169，C179组成。C178，C181分别为差模耦合电容，C169，C179为共模耦合电容，L2为共模耦合电感；采用了LC二阶滤波电路，具体由L5，C160，C184，C185组成，电感采取1.5uH，电容量级为1pF，10pF； 电源模块内部采用电感为1.5uH。

结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明解决了传统捷联导引平台视场窄的问题。在捷联导引中，因为导引头直接固定在载体的前方，不能转动，所以观察的场景和跟踪的目标只能是电视传感器视场范围内的景象和目标。另外，因为传统导引平台因为传感器和跟踪处理器能力的限制，成像单元通常为电视成像或者红外成像，只有720×576点阵的分辨率有些甚至只有320×240点阵的分辨率，这样低的像素分辨率在视场大时图像质量会很差，所以视场范围需要保持在较小范围以内，例如，传统的电视导引头视场角只有3度到7度。这样小的视场角下目标很容易偏离视场，造成目标丢失。只有通过载体实时快速的调整姿态才能将目标保持在视场范围内。如果跟踪的目标机动性较强，而导引头所在的载体机动性差，就很容易丢失目标。为此，本发明提出了宽视场广角镜头和大幅面高分辨率COMS相机方法，利用光学优化设计技术设计出了107°的宽视场广角无畸变镜头，采用大面阵5120×3840分辨率CMOS相机保证了导引头在水平90度的宽视场内获取高质量的清晰图像。

本发明解决了伺服平台机械扫描方式响应速度有极限，灵活性差的问题。传统伺服平台主要采用二轴稳定陀螺，依靠直流电机快速调整俯仰和横滚姿态使得伺服平台对准目标进行跟踪和搜索。因为机械运动固有的限制，使得平台转动速度和转动方式都要受到直流电机机械性能的响应，因而在速度、灵活性和可靠性方面都受到一定的限制。为此，本发明提出了电子扫描电视导引的方案，采用大面阵相机局部小窗口电子扫描的方法，实现了等同于机械扫描平台的视频小窗口扫描。采用电子方式扫描，类似于瞬态小视场放大扫描，具有快捷、准确、灵活机动的特点。

本发明首次在捷联导引头上引入了宽窄视场电子切换的成像方式，实现了对目标区域的宽视场观察搜索和窄视场详细查看。本发明首次在捷联导引头上引入了窄视场锐角电子扫描跟踪方法，可以灵活快速的实现场景详查和目标跟踪。本发明提出和实现的基于大幅面相机的电子扫描导引技术具有体积小，扫描速度便捷快速的特点，可以有效降低导引头设计的复杂性，提升导引头的性能。

综上所述，本发明采用基于大幅面相机的电子扫描导引技术可以实现宽窄视场电子变倍切换和电子窄视场扫描功能。可以有效提升捷联导引头视场范围，用电子扫描方式实现窄视场观察、搜索和灵活快速的跟踪能力。本发明的方法实现的导引头具有体积小，跟踪搜索灵活的特点，可以方便的推广到各种图像侦察和攻击引导导引头中。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的电子扫描电视导引方法流程图。

图2是本发明实施例提供的电子扫描电视导引系统的结构示意图；

图2中：1、宽视场广角镜头模块；2、大幅面高分辨率CMOS成像模块；3、电子变倍与扫描控制模块；4、视频输出模块；5、电源管理模块。

图3是本发明实施例提供的电子扫描电视导引头安装图。

图4是本发明实施例提供的电子扫描电视导引技术构成图。

图5是本发明实施例提供的宽视场大幅面相机导引头的全局窗口与电子扫描小窗口的定义示意图。

图6是本发明实施例提供的宽视场广角镜头设计示意图。

图7是本发明实施例提供的视频芯片GS2972的电路设计示意图。

图8是本发明实施例提供的视频输出SDI驱动接口电路原理图。

图9是本发明实施例提供的电源输入端原理图。

图10 是本发明实施例提供的大窗口宽视场监视效果图。

图11 是本发明实施例提供的小窗口窄视场监视时刻1效果图。

图12 是本发明实施例提供的小窗口窄视场监视时刻2效果图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种电子扫描电视导引方法、系统、存储介质及应用，下面结合附图对本发明作详细的描述。

如图1所示，本发明提供的电子扫描电视导引方法包括以下步骤：

S101：利用宽视场广角镜头的设计文件进行宽视场广角镜头加工制作；

S102：利用电路板布线软件分别制作大幅面高分辨率CMOS成像模组，电子变倍与扫描控制模块，视频输出模块与电源管理模块；

S103：把形成的软件固件下载到电子变倍与扫描控制模块中，完成电子变倍与扫描控制模块的图像采集、视频处理、时序控制和数据驱动功能。软件运行时实现对大幅面高分辨率CMOS成像模组和视频输出模块的配置管理，驱动管理；

S104：修改升级电子变倍与扫描控制软件，满足实际应用需求。

本发明提供的电子扫描电视导引方法业内的普通技术人员还可以采用其他的步骤实施，图1的本发明提供的电子扫描电视导引方法仅仅是一个具体实施例而已。

如图2所示，本发明提供的电子扫描电视导引系统包括：宽视场广角镜头模块1、大幅面高分辨率CMOS成像模块2、电子变倍与扫描控制模块3、视频输出模块4、电源管理模块5。

宽视场广角镜头模块1，主要由多片小型精密凹凸镜头对组成，用于实现宽视场广角度光学成像。

大幅面高分辨率CMOS成像模块2，由大幅面高分辨率CMOS传感器和输出驱动电路组成，用于把光学影像转变为阵列电信号，实现大面阵高分辨率成像。

电子变倍与扫描控制模块3，由图像采集单元、视频处理单元、时序控制和驱动单元、工作模式控制单元组成，按照指令或预先设定的方式实现全局宽视场和局域窄视场的画面电子变倍切换，局域窄视场的快速电子扫描和目标跟踪控制。

视频输出模块4，用于按照期望的格式形成输出视频。

电源管理模块5，用于提供整个系统所需的不同规格工作电压。

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的描述。

本发明为了克服捷联导引视场角小，图像质量低，机械平台导引结构复杂，运动速度和轨迹有极限等问题，本发明提供了一种基于大幅面相机的电子扫描导引技术，可以实现全局大视场成像监视和局部窄视场快速电子扫描目标跟踪。该技术可以装载在捷联导引头上，有效提升导引头的功能和性能，也安装在机械平台导引头上，克服机械平台导引头瞬态视场小和机械扫描有限制的问题。本发明具有宽窄视场切换灵活，扫描方式快速多变的特点。与机械式平台导引设备的机械扫描方式相比，本发明采用电子扫描导引，具有速度快，灵活性高，可靠性高的特点。与机械式平台导引头任何时刻只有一个窄视场图像相比，本发明的电子变倍功能可以按照需要进行宽窄视场切换，因而具有目标不易丢失和丢失后可以再次快速发现的特点。本发明可以装备于多种固定平台，移动平台和捷联导引平台实现对目标的快速观测和灵活扫描跟踪。

本发明为了实现捷联导引的大视场范围内场景观察和目标跟踪，本发明提出了宽视场大幅面电子扫描引导技术。其导引头和相机安装图如图3所示，捷联导引头安装在运动载体的正前方，大幅面摄像机光轴正对导引头前方，可对运动平台前方90°（水平）×58°（垂直）视域范围内的场景进行侦察和目标跟踪，相当于对角线视场角为107°的宽视场。

优选的是，所述的基于大幅面相机的电子变倍显示和扫描技术，常规情况下，可以对90°（水平）×58°（垂直）视场内的图像抽点输出，实现对宽视场图像的全景观察；在变倍后，以指定点为中心，输出小窗口内逐像素点的高清图像。如图4所示，大幅面相机原始成像点阵数为5120×3840像素，幅面宽高比为4：3。进行全局观察时，按照横向每3个像素抽取1个像素，纵向每4个像素抽取1个像素，可以形成一个1707×960点阵的全景图。为了与通用的1080P高清视频格式兼容，可以在横向（宽）补充213个零像素（左边106个像素，右边107个像素），在纵向（高）补充120个零像素（左右各60个像素），即可形成图5右下角的1号标准1920×1080P的高清视频，采用标准显示器和图像处理器即可实现对对角线107°宽视场图像的全局观察和处理。

在需要详细观察和处理外景图像时，可以逐点输出像素。但受限于显示器和处理器能力只按照1080P视频考虑，所以逐像素点输出时只能是5120×3840画面中的一个1920×1080的窗口，如图4下方所示的2号1080P的高清视频，采用标准显示器和图像处理器即可实现对30°（水平）×14°（垂直）窄宽视场小窗口图像的观察和处理。从显示器和处理器角度观察，小窗口类似于将原始抽点的整体图像放大了3×4倍。所以图像的清晰度和处理的分辨率也相应的放大了3×4。

优选的是，所述的基于大幅面相机电子扫描技术，根据预定的轨迹或者目标所在位置，用电子扫描方法实现快速准确的小窗口目标跟踪和测量。

图5示出了在90°（水平）×58°（垂直）宽视场中，预先定义了互有重叠的16个小视场窗口，每个小窗口视场角为30°（水平）×14°（垂直），对于目标的放大观察和跟踪就可以在这16个小窗口之间切换进行了。在大视场工作时输出1920×1080P的图像，用于在全景状态下的观察和目标检测，发现目标后，按照目标所在的小窗口，电子变倍到该小窗口，输出小窗口的1920×1080P高分辨率图像，并持续进行目标识别测量和跟踪。在目标即将偏移出该小窗口时，将图像切换到有重叠的相邻小窗口中，实现对目标的连续跟踪。如果要实现电子变倍目标搜索，可以采用电子扫描方式，按照最佳轨迹在这些小视场内进行切换搜索。因为相邻小窗口重叠，所以可以以极少的窗口切换扫描，实现对目标连续无缝跟踪。

本发明的宽视场无畸变广角镜头的设计，镜头设计采用多片高斯结构玻璃镜头，以及优良的杂散光控制技术，设计出短焦距，宽视场的优质镜头。在设计这种镜头时，一方面要考虑镜头必须具备优秀的光学分辨率，另一方面，还要考虑镜头的孔径，以实现良好的F数，其次还要考虑宽视场时杂散光对成像质量的影响。考虑了这三个因素，才能实现图像分辨率高，色彩丰富，成像亮度和对比度高。在传统的数码相机中，广角镜头是一种焦距短于标准镜头、视角大于标准镜头、焦距长于鱼眼镜头、视角小于鱼眼镜头的摄影镜头。因为视场角宽，目标影像变小，在图像周边容易出现透视变形和影像畸变，使得高质量宽视场广角镜头的设计难度很大。

图6给出了本发明所设计的宽视场广角镜头结构设计图。以90°×58°的矩形视场计算，得到光学系统对角线视场为107°。在本发明的设计中选用了32.768mm×26.214mm面阵探测器，所以所需要的光学镜头成像面焦距为：32.768/2 *tg(90°/2) = 16.384mm。另外镜头滤镜根据本发明中所用到的探测器450nm到650nm波段范围进行了滤镜设计。在不增加系统复杂性、不降低可靠性的基础上，为适应环境温度变化，采用了光学被动消热差实现高温、常温、低温状态下成像效果一致。

本发明的采集接口模块中，大幅面高分辨率CMOS成像模块。

目前图像传感器主要分为CCD和CMOS两种。CCD探测器的主要优点是灵敏度高、噪声小，缺点是驱动及处理电路复杂，功耗大；CMOS探测器的主要优点是集成度高、外围电路简单、功耗低，缺点是暗电流较大，图像噪声大，灵敏度和动态范围不如CCD。

本发明综合考虑系统功耗、可靠性以及对图像质量的需求，计划采用CMV20000CMOS传感器，该CMOS是一款全局曝光CMOS，主要参数如下表。

表1

结构	面阵CMOS，逐行扫描
		有效像素	5120×4096
像素大小	6.4微米（行）×6.4微米（列）
		全阱电荷	13.5Ke
动态范围	60dB
		工作温度范围	－30℃～70℃
感光面尺寸	32.768mm×26.214mm

由表中参数可知，CMV20000可以满足本发明的需求，在工作温度范围方面，可以通过器件筛选来保证系统的要求。

优选的是，电子变倍与扫描控制单元。该单元实现从传感器采集到原始Bayer格式图像，将其恢复成彩色图像，这需要一系列的图像处理流程，如Bayer插值、自动白平衡（AWB）、图像增强等处理。另外，如果需要得到合适亮度的视频或图片，就要根据外部环境亮度，统计已获得图像的灰度值，调整积分时间和传感器增益。因此，自动曝光（AEC）和自动增益控制（AGC）等处理流程也是必不可少的。

由于图像数据量大，采集和处理功能复杂，所以需要采用处理能力强，可靠性高，集成化程度高的处理器。

从视频图像处理的实现方式来看，可以通过ASIC芯片、DSP及FPGA等平台来实现，各种器件有着各自的优势与特点：

评估准则	ASIC	FPGA	DSPs
				可编程性	+	++++	+++++
集成度	++	+++++	++++
				易开发性	+++++	++	+++
性能	+++++	++++	+++
				功率	+++++	+++	+++

目前已有的一些视频处理的ASIC芯片，一般为商业级产品，难以得到满足应用环境要求的产品，质量与内部实现原理均不可控。

如果采用DSP实现，需要外围电路配合，实现摄像头组件的接口、控制等逻辑功能，摄像头组件的硬件复杂度、功耗等都会上升，随着视频与图像处理任务的增加，会导致DSP无法达到实时性要求，限制了摄像头组件性能。采用FPGA，在逻辑资源充足的情况下，可以以流水线的方式分解摄像头组件功能，比较容易实现海量数据的实时处理，是本发明的理想选择。所以，采用FPGA在硬件上实现实时高清视频的处理，具有系统设计灵活，集成度高的优点。

综合以上考虑，方案选取单片FPGA实现所有的视频图像采集、处理、时序驱动控制和工作模式转换任务。

单片FPGA设计增加了设计的难度，要求所有的处理功能必须拥有独立的知识产权。但带来的好处就是大大提高了系统的集成度，也就提高了系统的可靠性，并且能够保证摄像头组件的功耗、体积、质量较好的得到控制。

FPGA是整个视频图像处理部分的核心器件，在选型方面，需要选择功耗较低、具有较高等级的元器件。

本发明中选用Xilinx的A7系列FPGA实现电子变倍与扫描控制单元。该单元最高工作频率可达437.5MHz，设计中最高工作频率为148.5MHz。资源使用率和工作频率都可以满足降额要求。FPGA工作电压为2.5 V、3.3V，核心电压为1.2 V，由电源模块对FPGA供电。

优选的是，在大幅面相机电视导引技术发明中，视频输出接口设计。该接口采用HD-SDI传输，接口电路主要实现将FPGA输出20bitTTL电平的数据信号和同步信号转换为串行数字信号。

接口电路采用Semtech公司的GS2972实现，芯片工作电压为1.2V，1.8V和3.3V，支持3G/HD/SD-SDI。芯片封装为增强型100脚BGA封装。HD-SDI模式下最大功耗为510mW。GS2972的驱动时序如图7所示。

在FPGA与GS2972连接端，包括20bit视频数据信号和像素时钟信号PCLK，同步信号Data Enable、HSYNC和VSYNC。信号定义Data Enable为高有效，HSYNC低有效，VSYNC低有效。

在SDI发送端，通过外围的回损补偿电路，可以将GS2972输出的差分SDI信号转换为单端的SDI信号，在设计和使用的过程中，需要将线路的阻抗控制在75欧姆。GS2972发送端原理图如图8所示。

本发明的基于大幅面相机的电子扫描导引技术的电源模块。

摄像头组件电源由压缩与记录组件提供直流供电，电压为+12V。设计时要求能够将+12V供电转换为摄像头组件自身需要各种低电压。为了保证功能与性能需求，在摄像头组件DC-DC电源模块输入、输出端加入保护与滤波电路，确保摄像头组件单机失效不会损坏压缩与记录组件。

1）设计要求

+12VDC转1.2V、1.8V、2.5V、3.3V；

满足基本电源特性；

满足电磁兼容要求；

满足高低温工作，高低温储存要求；

满足振动要求。

2）设计方案

摄像头组件电源设计中，为了防止电源品质下降，提高工作可靠性及稳定性，确保摄像头组件的工作安全及成像质量，确保系统电源的安全，满足对供电系统的要求，采取了以下措施：

电源输入端串接整流二极管，防止电源反接损坏摄像头组件电路；

输入端加功率电阻器，防止摄像头组件自身短路对系统电源造成损坏；

输入端加滤波器，对输入电压进行滤波，防止外界以及线间干扰影响摄像头组件电路；

采用宽范围输入电压DC-DC，保证摄像头组件能够承受电源的各种冲击；

在DC-DC输出加磁环，用于抑制共模噪声；

输出端加一系列滤波电容，对电源输出进行滤波，进一步提高电源质量。

根据产品应用要求，电源板器件选型均满足工作温度范围，满足降额设计要求。采用具有成熟应用经验的电路设计，能确保系统设计性能。

在供电保护电路设计中同时采用了接地、屏蔽、滤波等抗干扰方法，对辐射型及传导型干扰均具有优良的抑制性能。

综合PCB设计面积和需要完成的电磁兼容实验信号完整性要求，方案采用高集成度的μModule DC-DC电源模块实现，具有外围电路简单，分立元件少，噪声辐射性能优良的特点。图9所示为电源转换原理图。

如图9所示，DC-DC电源模块选择linear公司的LTM4644，外围器件简单易操作。电阻电容根据Datasheet推荐选择。每一路设计输出电流为4A。该模块的工作温度范围在-40℃～+125℃，满足应用要求。

针对设计需求，电源部分方案中主要考虑了以下设计因素：

1）纹波性能

摄像头组件成像过程中，电源噪声极易对视频或图像质量造成影响，在图像中产生噪声。所以，摄像头组件对电源噪声性能要求较高，要求电流纹波波动范围在0.5%以内。LTM4644模块在4A大电流输出时，也能将电流纹波控制在0.5%以下，满足电源输出的稳定性要求。

2）降额

摄像头组件中，1.2V、1.8V、2.5V和3.3V电压电流均小于2A，电源模块每路输出电流最大为4A，完全满足降额需求。

3）电磁兼容

电磁兼容分为三部分：被动受辐射，发射辐射，自我干扰。如何通过合理的设计，满足电磁兼容性要求，是本发明的关键，尤其在电源输入端，需要考虑电磁辐射和传导等影响。

方案具体采用的措施分为三部分：在输出端抑制，在传输端隔离屏蔽，在接收端消除。

首先，在电源输入端，采用消除隔离的办法，具体电路如图10所示：

对于输入端，采用陶瓷电容并联滤波。由于是直流电源输入电压，大部分的噪声为共模噪声，因此采用共模滤波电路。共模滤波电路由C178，L2，C181，R5，R6，C169，C179组成。C178，C181分别为差模耦合电容，C169，C179为共模耦合电容，L2为共模耦合电感。电路对共摸噪声具有极大抑制作用。

此外，还采用了LC二阶滤波电路，具体由L5，C160，C184，C185组成，根据LC滤波电路频率响应特性，通过计算，电感采取1.5uH，电容量级为1pF，10pF。

通过在输入端采用滤波电路的措施，能够有效的抑制外部干扰进入，同时抑制摄像头组件本身噪声辐射出去。

4）自身噪声抑制

对于电源模块，其原理采用DC-DC降压电路。其开关频率为1.4MHz。电源部分自身的噪声主要来自于电压调整开关。因此，针对开关频率进行滤波设计。

电源模块内部采用电感为1.5uH，因此根据特征频率阻抗最大。对噪声抑制，计算电容值为10nF。因为电路存在寄生电感，寄生电容，因此并联1nF电容，对不同频率下噪声抑制。在电源滤波电路中，磁珠和后端电路能够进一步隔离和抑制高频噪声的影响。

本发明的开发步骤如下：

步骤1）：利用宽视场广角镜头的设计文件进行宽视场广角镜头加工制作；

步骤2）：利用电路板布线软件分别制作大幅面高分辨率CMOS成像模组，电子变倍与扫描控制模块，视频输出模块与电源管理模块。

步骤3）：把形成的软件固件下载到电子变倍与扫描控制模块中，完成电子变倍与扫描控制模块的图像采集、视频处理、时序控制和数据驱动功能。软件运行时实现对大幅面高分辨率CMOS成像模组和视频输出模块的配置管理，驱动管理；

步骤4）：可修改升级电子变倍与扫描控制软件，满足实际应用需求。

在开发、调试或运行阶段，根据需要对相关设计和程序进行修改以适应实际需要。本发明采用Pads进行硬件模块的原理图和布线设计，采用HIMPP平台在Linux下进行软件设计。

开发人员可以依据模块硬件设计文件进行硬件修改和升级，通过软件修改进行程序功能升级。因为已经提供了实际研制和调试测试，所以在使用环境完全相同时只需按照本发明提供的文件进行制板和软件下载，即可实现智能枪瞄的图像处理功能。采用经过验证的原理图和开发源代码，设计者可根据应用需求轻松修改设计资料，改变参数配置满足项目需要。

利用本发明的方法研制了一个捷联导引吊舱，安装在固定翼飞机上实现了大视场空中目标监控跟踪，在实验中所获得的大视场和小视场图像，效果良好，具体见图10、11、12的效果图。

在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

应当注意，本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、CD或DVD-ROM的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种电子扫描电视导引方法，其特征在于，所述电子扫描电视导引方法包括：

利用宽视场广角镜头的设计文件进行宽视场广角镜头加工制作；

利用电路板布线软件分别制作大幅面高分辨率CMOS成像模组，电子变倍与扫描控制模块，视频输出模块与电源管理模块；

把形成的软件固件下载到电子变倍与扫描控制模块中，完成电子变倍与扫描控制模块的图像采集、视频处理、时序控制和数据驱动功能；软件运行时实现对大幅面高分辨率CMOS成像模组和视频输出模块的配置管理，驱动管理；

修改升级电子变倍与扫描控制软件，满足实际应用需求；

所述电子扫描电视导引方法的捷联导引头安装在运动载体的正前方，大幅面摄像机光轴正对导引头前方，对运动平台前方水平90°×垂直58°视域范围内的场景进行侦察和目标跟踪，相当于对角线视场角为107°的宽视场；

所述电子扫描电视导引方法对水平90°×垂直58°视场内的图像抽点输出，实现对宽视场图像的全景观察；此时对抽点的图像，按照横向补充213个零像素(其中左边106个零像素，右边107个零像素)，纵向补充120个零像素(其中上下各60个零像素)，形成标准1920×1080P的高清视频，采用标准显示器和图像处理器实现对对角线107°宽视场图像的全局观察和处理；在变倍后，以指定点为中心，按照逐点逐行形成标准1920×1080P的高清视频，对应小窗口的视场角为水平30°×垂直16°，对角线34°视场角的放大图像，送出到显示器进行显示和处理；

所述电子扫描电视导引方法的在水平90°×垂直58°宽视场中，预先定义了互有重叠的16个小视场窗口，每个小窗口视场角为水平30°×垂直16°，对于目标的放大观察和跟踪在这16个小窗口之间切换进行，可以有效减少小窗口数量，提高导引系统的处理速度；在大视场工作时输出1920×1080P的图像，用于在全景状态下的观察和目标检测，发现目标后，按照目标对应所在的16个小窗口之一，形成电子变倍后逐行逐列的小窗口放大的1920×1080P高分辨率图像，实现对目标的精确识别测量和跟踪；在目标即将偏移出该小窗口时，将图像切换到有重叠的相邻小窗口中，实现对目标的连续跟踪；如果要实现电子变倍目标搜索，采用电子扫描方式，按照最佳轨迹在16个小视场内进行切换搜索。

2.如权利要求1所述的电子扫描电视导引方法，其特征在于，所述电子扫描电视导引方法的基于大幅面相机电子扫描技术，根据预定的轨迹或者目标所在位置，用电子扫描方法实现小窗口目标跟踪和测量。

3.一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如权利要求1～2任意一项所述的电子扫描电视导引方法的步骤。

4.一种实施权利要求1～2任意一项所述电子扫描电视导引方法的电子扫描电视导引系统，其特征在于，所述电子扫描电视导引系统包括：

宽视场广角镜头模块，由多片小型精密凹凸镜头对组成，用于实现宽视场广角度光学成像；

大幅面高分辨率CMOS成像模块，由大幅面高分辨率CMOS传感器和输出驱动电路组成，用于把光学影像转变为阵列电信号，实现大面阵高分辨率成像；

电子变倍与扫描控制模块，由图像采集单元、视频处理单元、时序控制和驱动单元、工作模式控制单元组成，按照指令或预先设定的方式实现全局宽视场和局域窄视场的画面电子变倍切换，局域窄视场的预定义区域快速电子扫描和目标跟踪控制；

视频输出模块，用于按照期望的格式形成输出视频；

电源管理模块，用于提供整个系统所需的不同规格工作电压。

5.如权利要求4所述的电子扫描电视导引系统，其特征在于，所述电子扫描电视导引系统的采集接口模块中，大幅面高分辨率CMOS成像模块，采用CMV20000 CMOS传感器，该CMOS传感器是一款全局曝光CMOS传感器；

电子变倍与扫描控制单元，实现从传感器采集到原始Bayer格式图像，将其恢复成彩色图像；采用Xilinx的A7系列；

所述电子扫描电视导引系统的视频输出接口，采用HD-SDI传输，接口电路实现将FPGA输出20bitTTL电平的数据信号和同步信号转换为串行数字信号；

在FPGA与GS2972连接端，包括20bit视频数据信号和像素时钟信号PCLK，同步信号DataEnable、HSYNC和VSYNC；

在SDI发送端，通过外围的回损补偿电路，将GS2972输出的差分SDI信号转换为单端的SDI信号，将线路的阻抗控制在75欧姆。

6.如权利要求4所述的电子扫描电视导引系统，其特征在于，所述电子扫描电视导引系统的电源模块，在摄像头组件DC-DC电源模块输入、输出端加入保护与滤波电路；

电源输入端串接整流二极管，防止电源反接损坏摄像头组件电路；

输入端加功率电阻器，防止摄像头组件自身短路对系统电源造成损坏；

输入端加滤波器，对输入电压进行滤波，防止外界以及线间干扰影响摄像头组件电路；

采用宽范围输入电压DC-DC，保证摄像头组件能够承受电源的各种冲击；

在DC-DC输出加磁环，用于抑制共模噪声；

输出端加一系列滤波电容，对电源输出进行滤波；

供电保护电路采用高集成度的μModule DC-DC电源模块实现；

DC-DC电源模块在电源输入端，采用消除隔离的办法；输入端，采用陶瓷电容并联滤波，共模滤波电路由C178，L2，C181，R5，R6，C169，C179组成；C178，C181分别为差模耦合电容，C169，C179为共模耦合电容，L2为共模耦合电感；采用了LC二阶滤波电路，具体由L5，C160，C184，C185组成，电感采取1.5uH，电容量级为1pF，10pF；电源模块内部采用电感为1.5uH。

7.一种捷联导引弹体的大幅面电子扫描电视导引头，其特征在于，所述弹体安装有权利要求4～6任意一项所述的电子扫描电视导引系统。