某型装备电视摄像机成像组件国产化设计研究

秦彦君 李敏

摘要：某型国外引进装备的电视摄像机成像组件随着使用年限的增加，成像面出现老化、灵敏度下降，光电转换后的图像变模糊、成像质量下降，针对上述问题开展国产化研究。通过逆向工程结合数字成像技术，利用CMOS传感器设计出国产化成像组件，替代原摄像机中硅靶摄像管成像组件成像，经装机验证满足引进装备的使用要求。

关键词：电视摄像机；成像组件；国产化；CMOS传感器；硅靶摄像管

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

0 引言

某型国外引进装备导引头采用电视制导方式，其摄像机为国外上世纪70年代设计定型产品，成像器件是采用摄像光电技术的硅靶摄像管。硅靶摄像管由硅片、二氧化硅绝缘层及涂层材料组成，通过电子空穴对运动和电子线扫描，实现光信号向电信号的转换[1-2]。随着使用年限的增加，摄像管靶面硅片和涂层出现耗损，年限越长耗损越大，光敏感性下降明显，光电转换后的图像模糊，摄像机成像质量下降明显[3]。该成像技术在国外已逐步被淘汰，硅靶摄像管的生产线也已全部撤销，备件采购极为困难，摄像机发生类似故障后无法修复。

目前，CMOS成像技术已广泛用于多型国产装备中，其具有灵敏度高、抗强光、畸变小、成像清晰、画面均匀等优点。因此，为保证装备的完好率，有必要对硅靶摄像管成像组件进行反设计，利用CMOS成像器设计出国产化成像组件，替代原摄像机中的硅靶摄像管成像组件，从而解决装备因备件紧缺、采购困难而无法得到及时修复的问题。

1 电视摄像机成像组件国产化设计

1.1 总体设计思路

该型电视摄像机由镜头组合、焦距电机、光圈电机、光线通道和硅靶摄像管成像组件组成，其中硅靶摄像管成像组件包括硅靶摄像管、偏转线圈组、预视放电路三部分。国产化总体思路是保留电视摄像机镜头组合、焦距电机、光圈电机和光线通道，研制以CMOS传感器为核心的成像组件替换硅靶摄像管成像组件，如图1所示。由于CMOS成像组件仅替代硅靶摄像管成像组件，为保证重心和转动惯量不变，CMOS成像组件封装尺寸、重量应与硅靶摄像管成像组件尺寸、重量保持一致。

1.2 详细设计

CMOS成像组件主要由外壳、CMOS图像传感器模块、FPGA图像处理模块、壳体底座及支架组成，其结构组成如图2所示。

1）CMOS图像传感器模块

CMOS图像传感器模块包括传感器的电源转换电路、CMOS传感器电路、与FPGA图像处理模块连接的接插件以及为传感器提供时钟信号的有源晶振。其中，CMOS传感器电路实现光电转换，有源晶振JZ5032（74.25MHz）为CMOS图像传感器提供主时钟，电源转换电路将由接插件输入的电源转换成CMOS图像传感器和有源晶振工作所需的电压。驱动信号通过接插件由FPGA图像处理模块传输至传感器模块，促使CMOS图像传感器正常工作，其工作时输出的图像数据则通过接插件传输至FPGA图像处理模块进行数据处理。CMOS图像传感器采用型号为IMX304LLR的黑白CMOS传感器。模块主体结构组成如图3所示。

CMOS图像传感器模块上的电源转换电路主要由LDO电源转换器和磁珠整流滤波电路组成，提供+3.3V、+1.8V模拟电源和+1.2V数字电源，其中+3.3V电源直接供给CMOS图像传感器和有源晶振工作，+1.2V和+1.8V经过磁珠整流滤波电路后再提供给CMOS图像传感器接口及其他配属电路使用。

2）FPGA图像处理模块

FPGA图像处理模块是成像组件的主板，主要包括FPGA工作模块、DA数模转换模块、FPGA模塊电源、外同步输入光耦及与CMOS图像传感器模块连接的接插件。FPGA工作模块主要包括FPGA芯片、DDR、FLASH及有源晶振，模块主体结构如图4所示。其中，FPGA芯片实现图像数据处理[4]，DDR在单个时钟周期内传输两次数据，并采用DLL（延迟锁相环）技术对数据进行精确定位，FLASH则主要完成图像数据的快速写入和读取[5]。

DA数模转换模块由数字寄存器、模拟电子开关、位权网络、求和运算放大器和恒流源组成，用于存储数字寄存器数字量的各位数码，分别控制对应位的模拟电子开关，使数码为1的位在位权网络上产生与其位权成正比的电流值，再由运算放大器对各电流值求和，并转换成电压值，从而实现数字量转变成模拟量。

外同步输入光耦电路作为开关将外同步信号输入至FPGA工作模块，促使其工作频率与装备导引头保持一致[6]。FPGA模块电源主要由DC-DC电源转换器和LDO电源转换器组成，向FPGA图像处理模块提供+1V、+1.2V、+1.8V、+3.3V工作电压，其中+1V、+1.2V、+1.8V为FPGA工作电压，+3.3V为ADV数模转换模块、FLASH芯片、串口芯片、有源晶振、光耦等的工作电压。

3）电气线路改装

硅靶摄像管成像组件内电子枪及偏转线圈组组成的电子束扫描控制系统需要高压供电才能正常工作，高电压由摄像机连接器Ш1输入，电子束扫描控制由摄像机连接器Ш2输入。CMOS成像组件替代硅靶摄像管成像组件后，不需要高压供电和电子束扫描控制，因此高压及电子束扫描控制信号需在连接器处断开，改装前后针脚定义如表1所示。

1.3 信号传输及处理过程

CMOS成像组件接收导引头电子舱产生的外同步信号，经过光耦传输至FPGA模块。FPGA模块接收光耦的同步信号后为CMOS图像传感器提供驱动信号，CMOS图像传感器同时进行光电转换，输出低電平的LVDS数字图像信号。LVDS数字图像信号传回至FPGA模块，在FPGA模块中经过Binning模式后进行缩图，将图像进行缩放，而后进行二维滤波、图像锐化、90°旋转及格式转换后输出至DA数模转换模块。DA数模转换模块将处理过的数字图像信号转换为模拟CVBS图像信号后输出至外部。FPGA中图像处理过程如图5所示。

2 关键技术及解决途径

2.1 视频制式的转换

硅靶摄像管输出的视频信号为非标制式，而CMOS传感器输出的视频信号为PAL制式，为减少对导引头后续电路的改动，需保证国产化后成像组件输出的视频信号与硅靶摄像管成像组件输出的视频信号一致。通过设计FPGA图像处理模块，采用高速图像数据接收技术，使Slave模式下工作的CMOS传感器在XVS和XHS的同步下按照固定时序稳定输出LVDS串行图像数据。LVDS串行图像数据按照设定算法进行编码，接收模块将串行数据解码恢复成为并行数据后，再根据数据的排列方式格式化输出，从而实现图像信号制式的转换。

2.2 视频图像的旋转

硅靶摄像管成像组件使用硅靶摄像管进行光电转换，采用垂直扫描方式，其水平方向按576行输出，垂直方向按768个点采样，最后按隔行输出，其图像旋转90°并进行了镜像。CMOS传感器采取的是水平逐行扫描，为匹配导引头后级处理系统，其视频图像需进行旋转和镜像处理。针对该问题，采用FPGA优化硬件资源实现图像的旋转和拉伸。通过FPGA将经过拉伸、滤波、锐化等处理后的数字图像按相对合适的大小分割成若干块，每一小块图像分别进行旋转，再将完成旋转后的每一小块图像拼合成一幅768×576的图像，从而实现视频图像的旋转和镜像处理。

3 调试与验证

在将CMOS成像组件替换硅靶摄像管成像组件后，装机进行调试验证，通过了上电测试。与原电视摄像机相比，替换后的电视摄像机成像分辨率达到450线，优于原电视摄像机400线要求，成像效果更为细腻，特征更为明显，如图6所示。视场角、图像质量等其他性能指标均达到原技术指标要求，如表2所示。

4 结论

电视摄像机处于引进装备的最前端，是装备的核心部件之一，其性能好坏直接影响着装备的命中精度。通过国产化的CMOS成像组件替代原硅靶摄像管成像组件成像，不仅解决了备件停产、装备无法修复问题，还有效提高了装备的成像质量，提升了装备性能，同时该国产化方法可运用于其他同类型引进装备。

参考文献

[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，贺洋. 基于FPGA的图像采集模块的设计[J]. 电子设计工程. 2009 ，17（3）：34-36.

[3]吕卓，侯春萍，侯永宏. 全数字OQPSK解调算法的研究及FPGA实现[C]//中国电子学会第十五届信息论学术年会暨第一届全国网络编码学术年会论文集（下册），2008.

[4]亓贺. 光电图像制导系统中目标跟踪关键技术研究[D].北京：北京理工大学，2016.

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

[6]杨文才，汶德胜，陈淑丹，王宏.基于高速CMOS图像传感器的空间瞬态光探测[J]. 光子学报. 2010，39（4）：764-768.

作者简介

秦彦君，高级工程师，主要从事光学制导技术研究。