高速电视摄像在靶场测量系统中的应用

熊智慧

（广东岭南职业技术学院现代制造学院，广东 广州 510663）

0引言

在航天测控系统中，光学测量主要用于火箭飞行的初始段和一级飞行段的弹道测量，测量数据帮助评价和鉴定火箭制导系统的精度及性能。光学测量是在地面上用摄像机将火箭的运行过程拍摄下来，再通过对所拍摄图像的分析和处理，就可以得到火箭运行时候的三维姿态等技术参数。因为光学测量是非接触、高精度的全场测量，相对于传感器等其他测量技术，光学测量技术具有简单、方便、可靠、价格低廉等优势。靶场光学测量设备长期以来一直采用高速摄影机。

1 高速摄影局限性

基地光学测量在火箭起飞初始段一直采用多台固定式高速摄影机外定标的方法得到有限视场内粗略的弹道数据，跟踪火箭时获取的原始观测数据以点阵形式记录在胶片上，在数据处理前需对胶片进行冲洗和印制，然后在判读仪上判读出脱靶量。采用光学机械式的高速摄影不足之处：

（1）设备复杂，而且需消耗大量胶片，故使用成本高；

（2）处理时间长，要做到实时再现和数据输出是不可能的；

（3）当需要观测某种间断性的或要捕捉某种随机性的高速运动事件时很不方便；

（4）观察、分析既费时又费力，不能马上得到结果，而且图像边缘发虚，分析者必须主观确定边缘的真实位置。

总之，采用高速摄影机，不能对试验进行实时分析，影像分析不能令人满意，且后处理速度慢，误差较大。在试验中较易受到干扰，难以保证在试验中抓拍到物体，试验后相片的冲洗、运动物体的判读均易引起误差，这些难以满足高技术环境试验的要求[1-2]。

因此，为了更好地满足对高速运动分析之需要，人们发展了一种新颖的技术——高速电视摄像。从获得数据的实时性来看，光学机械式摄影要有足够长的事后处理过程，而高速电视摄像则能即时得到图像和所需的数据，所以它的实时性是光学机械式摄影设备所无法比拟的[3]。

2 高速电视摄像系统

2.1 高速电视摄像系统基本构成[4-7]

高速电视摄像机构成原理框图如图1所示。

图1 高速电视摄像机构成原理框图

高速电视摄像头主要由图像传感器和光学系统组成。

数字化单元由A/D转换器及相应电路构成，功能是将图像传感器输出的模拟信号转换为数字信号，以便能够实现数字存储和计算机处理。

驱动及控制电路由时序产生电路等构成，功能是为了CCD（或CMOS）芯片提供正确的驱动脉冲，控制系统协调工作。

高速电视摄像系统是指摄像机把被摄物体成像在摄像管靶面上（CCD阵列器件作图像传感器），靶面各像素的电荷数与图像照度成正比，然后按时序输出这一电荷图像信号，经处理后存储在磁带或磁盘上。

这类相机具有实时记录的特点，配有图像数据自动分析处理系统，使用方便，工作效率高。磁带或磁盘可以反复利用，免去了胶片记录事后各种繁琐的处理工作。

2.2 高速摄影与高速电视摄像比较[8-9]

光学机械式高速摄影与高速电视摄像相比，从信息的传递和记录方式来看，前者是以并行的方式进行，即一幅图像的全部信息都是同时进行传递和记录的；而高速电视摄像信息的传递和记录则是以顺序的方式进行，即将呈现在摄像管靶面上的光学像通过电子束逐点扫描，将一幅空间图像转换成以时间为坐标的视频信号。为此要提高信息传递和记录速度，就必须扩大系统的信息容量。由此可知，拍摄频率的提高，对高速摄影相机来说，受胶片强度和机械强度的限制，而高速电视摄像则受系统带宽的限制。

从获得数据的实时性来看，光学机械式摄影要有足够长的事后处理过程；而高速电视摄像则能即时得到图像和所需的数据，所以高速电视摄影的实时性是光学机械式摄影设备无法比拟的。

3 高速电视测量系统

随着靶场试验任务的增多，靶场的安全性得到了充分重视，对初始段光学测量设备要求也越来越高。需要逐步形成适合我国航天靶场飞行试验要求的光电测量系统，为试验提供精确的测量数据和珍贵的事件实况记录资料，为分析检验和评定系统性能提供科学依据。随着光学测量技术的发展，高速电视的出现使得高速电视测量系统的研制成为必然。

3.1 高速电视测量系统组成

整个高速电视测量系统由3台高速电视测量仪和主控台组成，每台仪器配置B码终端系统，可直接接收经控制中心转发基地B码的时统时间信号，使全系统同步工作，并与基地测控时间基准严格一致。

主控台由主控计算机、GPS/B码设备及打印机等外围设备组成，接收单台高速电视测量仪的测量信息，进行交会处理形成综合弹道参数，送往中心计算机，为实时控制提供决策信息；同时主控台接收中心计算机送来的外引导信息，并实时处理成目标弹道参数，送给各台高速电视测量仪，完成引导跟踪飞行目标。高速电视测量仪外部连接图见图2。

随着高速电视摄像机和计算机大容量存储与处理技术的发展，用高速高分辨率摄像机实现高精度的火箭起飞段测量也变得越来越现实。

3.2 高速电视测量仪的特点

高速电视测量仪是一种机动灵活、使用方便的小型光电跟踪测量设备，主要用于火箭起飞段的弹道测量和实况记录，为指挥人员和工程技术人员提供电视图像供事后分析，还可完成火箭的起飞漂移量测量。

高速电视测量仪与其他高速摄影测量仪相比，具有以下特点：

3.2.1 采用硬盘高帧频数字图像记录

实现了高速（100C/s）长时间（5min）连续对图像的监视、采集和存储。同时，采用多媒体技术，将图像与绝对时、轴角编码器的角度值、焦距值等数据进行存储。实现了图像监视和控制界面的同屏合成，图像监视、采集和存储共用一个界面，使设备简化、观察操作简便。

3.2.2 主控台交会空间弹道

按基地信息约定与基地中心计算机和各分站实现通信，对数据的采集、交会理论弹道产生引导信息，可引导其他测量设备，提升了设备的测量能力。

3.2.3 采用20倍长变焦测量、跟踪技术

首次采用连续变焦距镜头用于测量，跟踪和测量共用一组镜头，简化了设备的复杂性，使操作更容易，跟踪更准确。依据理论弹道实现程序控制自动变焦，保证目标在视场中大小稳定，图像在变焦区间内基本不变，提高了姿态测量的质量，并提供了现场标校设施和标校方法。

3.2.4 采用面向对象的结构化编程技术

采用面向对象的结构化编程技术，使各控制模块尽可能相互独立，并运用多媒体技术，使界面更加友好，软件的可靠性和可维护性更高，主控台和单站操作台具有实用性强的操作界面。

3.2.5 自适应复合性电视跟踪

电视跟踪器采用了自适应脱靶量提取技术，在图像变化时也能保证正确的提取目标，增加了引导信息加单杠随时修正和“综合评估加权”多种“复合型”跟踪方法，保证了跟踪的稳定性和可靠性。

3.2.6 点目标自动调光

采用了灰度跟踪测量和峰值点目标调光技术，更符合基地晚间发射时的调光要求，调光准确稳定，有效防止了过度曝光和曝光不足的问题发生，有利于脱靶量的提取。

图2 高速电视测量仪外部连接图

高速电视测量仪提供数字电视图像，供事后分析，可远程操作，数字图象清晰、易判读、精度高（视频图象事后判读误差σ≤1/2象元），具有多种跟踪方式。

4 高速电视测量系统软件

4.1 主控软件功能

主控软件是高速电视测量系统软件中最重要的组成部分，要求具有数据处理、数据传输和信息显示等多项功能。在系统设备正常情况下，能自动地进行数据采集、加工、存储、传输、显示和记录，并能完成交会任务。接收单台高速电视测量仪的测量信息，进行控制；遥控3台测量仪进行程序引导跟踪；单台分系统的故障诊断[3]。

4.2 软件环境

主控软件系统由系统支撑软件和实时监控应用软件组成。系统支撑软件包括Windows 2000，Delphi7.0集成开发软件包；实时监控应用软件即设计开发的监控子系统应用软件。

4.3 主控软件模块结构

根据实时任务监控软件的功能需求，主控软件主要模块具体如下：

4.3.1 界面模块

主要分为主界面和子界面，子界面又分为远程调试子界面和实时监控子界面，便于直观地监视动态信息。远程调试子界面主要在任务准备阶段，重点对3台高速电视测量仪进行调试，采用远程控制，多种方式引导模拟，检查各分系统运行是否正常、传输数据是否正确等。

4.3.2 主控模块

主要完成C502串口卡和PCI1751控制卡的初始化，根据设置成功状态判定是进一步创建各线程还是告知用户该硬件有问题。

4.3.3 实时控制模块

主要完成引导及工作方式的切换，分为工作方式切换软件单元、数引数据产生软件单元及工作方式操控部分。交会引导程序模块是实时控制模块的核心。

4.3.4 数据通信模块

数据通信模块主要完成交会软件与外部设备之间信息交换，如与中心计算机的数据通信、B码时统终端，远端高速电视测量设备等。

4.3.5 信息显示模块

主要完成时间显示、实时数据的显示及设备跟踪状态显示。

4.3.6 实时数据存储模块

主要进行数据存储工作，便于事后数据分析和归档。在该存储过程进行期间，界面同时给出进度指示和存储时间指示。

5 结束语

高速电视摄像系统经过多次调试、修改和完善，已正式在靶场承担光学测量任务，替代靶场传统的胶片式高速摄影系统。高速电视摄像是高速摄影领域中正在发展的新技术，在我国还处在起步阶段，需要不断深入研究[10]。

[1] 谭显祥.光学高速摄影测试技术[M].北京：科学出版社，1990.

[2] 何照才.光电测量[M].北京：国防工业出版社，2002.

[3] 吴能伟.经纬仪实时引导的研究[D].长春：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，2003.

[4]毛席云.高速电视的大容量图象存储器[J].光子学报，1996，9（9）：828-830.

[5] 王志强.一种用于多目标测量的高速电视系统[J].红外与激光工程，2006（21）：487-491.

[6] 孙明华.多目标测量技术[J].飞行器测控学报，2003（2）：1-6.

[7] 苏增立.高速摄像系统及其在靶场中的应用分析[J].飞行器测控学报，2003，22（3）：49-52.

[8] 王瑞.基于面阵CCD的激光高速摄影技术在弹道测试中的应用[J].弹箭与制导学报，2009，29（5）：197-199.

[9] 杨杰.高速电视摄象系统的象质评价和动态计测精度[J].高速摄影与光子学，1991，20（4）：382-387.

[10]李宗尧.高速电视摄像及其发展[J].高速摄影和光子学，1993（3）：45-51.