張學(xué)賓，陳柯勛，王曉斌，邱 偉

一種新型箭載圖像記錄系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

張學(xué)賓，陳柯勛，王曉斌，邱 偉

（北京強(qiáng)度環(huán)境研究所 北京 100076）

介紹一種新型箭載圖像記錄系統(tǒng)，系統(tǒng)主要用于箭體飛行試驗(yàn)過程中實(shí)時(shí)記錄火箭的整個(gè)飛行過程，并將原始圖像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)記錄器，同時(shí)將壓縮后的圖像數(shù)據(jù)傳輸給遙測系統(tǒng)。為評估運(yùn)載火箭的工作情況，或分析故障提供依據(jù)。

圖像記錄；采編；壓縮；存儲(chǔ)

引 言

在航天彈、箭飛行試驗(yàn)中，對于彈、箭內(nèi)部情況的監(jiān)測工作已經(jīng)成為航天遙測技術(shù)中的一項(xiàng)重要技術(shù)。傳統(tǒng)的彈、箭載圖像記錄系統(tǒng)一般體積龐大、連接復(fù)雜、質(zhì)量大、裝載不便，不便于多次進(jìn)行飛行試驗(yàn)任務(wù)。本文介紹一種新型箭載圖像記錄系統(tǒng)。該圖像記錄系統(tǒng)體積質(zhì)量比適中、可靠性高，能夠適應(yīng)高沖擊與振動(dòng)環(huán)境；圖像記錄效果好，能夠?qū)D像進(jìn)行長時(shí)間采集與存儲(chǔ)，可有效記錄飛行試驗(yàn)中火箭的整個(gè)飛行過程，可為評估降落傘和運(yùn)載火箭的工作情況及分析故障提供強(qiáng)有力的依據(jù)。

隨著箭載試驗(yàn)數(shù)量的日益增多，試驗(yàn)的成敗與否顯得愈發(fā)重要。每次試驗(yàn)中，圖像記錄系統(tǒng)記錄的每幀數(shù)據(jù)都很重要，它是驗(yàn)證箭體設(shè)計(jì)和優(yōu)化的可靠判據(jù)，可為試驗(yàn)箭的成功發(fā)射提供有力的支持。新型箭載圖像記錄系統(tǒng)多安裝固定于試驗(yàn)箭的箭體上，隨箭體分離墜落，實(shí)行硬著陸回收，回收后可通過單元測試裝置回讀數(shù)據(jù)。新型箭載圖像記錄系統(tǒng)具有功耗低、發(fā)熱少、無噪聲、訪問速度高、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，可滿足航空航天設(shè)備過載高、工作溫度范圍寬、體積小、功耗低和能在惡劣環(huán)境下工作等諸多要求，可確保箭載飛行試驗(yàn)的圓滿完成。

航天彈、箭飛行試驗(yàn)中的航天信號傳輸有一個(gè)弊端不可避免，其傳輸信道往往受限，想在有限的傳輸信道帶寬中傳輸盡量多的圖像數(shù)據(jù)需對圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮[1]。同時(shí)，較小的數(shù)據(jù)量也有利于處理單元的處理速度的提高，將圖像的傳輸速度大幅度提高，減小傳輸時(shí)延，有效保證傳輸圖像的實(shí)時(shí)性[2]。新型箭載圖像記錄系統(tǒng)的壓縮單元可以有效壓縮圖像數(shù)據(jù)，保證視頻圖像數(shù)據(jù)的高速傳輸，實(shí)現(xiàn)圖像記錄的有效實(shí)時(shí)性。

本文介紹的新型箭載圖像記錄系統(tǒng)采用FPGA的LVDS（Low-Voltage Differential Signaling）接口直接采集由Camera Link接口的工業(yè)相機(jī)傳輸?shù)膱D像數(shù)據(jù)[3]。該系統(tǒng)可以對圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，編碼后的數(shù)據(jù)可以通過LVDS接口傳輸至存儲(chǔ)單元，可以滿足數(shù)據(jù)較長時(shí)間的存儲(chǔ)[4]。實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)存儲(chǔ)，有效記錄飛行試驗(yàn)中箭體的飛行過程。

1 新型箭載圖像記錄系統(tǒng)組成及基本功能

新型箭載圖像記錄系統(tǒng)由高清攝像機(jī)、圖像數(shù)據(jù)記錄器、地面測控設(shè)備及測控電纜組成。高清攝像機(jī)在系統(tǒng)中的主要職責(zé)是高速拍攝火箭飛行過程并將原始圖像數(shù)據(jù)傳輸給圖像記錄器。圖像記錄器由大容量固態(tài)存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)記錄控制器和圖像壓縮板等組成，主要功能是存儲(chǔ)高清攝像機(jī)拍攝的原始圖像信息數(shù)據(jù)，并將壓縮后的圖像數(shù)據(jù)傳輸給箭上遙測系統(tǒng)。地面測控設(shè)備由便攜式計(jì)算機(jī)（及軟件）和圖像記錄器測試電纜組成。主要用于圖像數(shù)據(jù)記錄的啟動(dòng)、停止，記錄數(shù)據(jù)的讀取等控制功能。

考慮到新型箭載圖像數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)數(shù)據(jù)的安全性，圖像記錄系統(tǒng)設(shè)備對外接口均采取了具有安全防護(hù)措施的設(shè)計(jì)，以避免箭體落地時(shí)的結(jié)構(gòu)破壞造成電源信號異常搭接損壞圖像記錄系統(tǒng)設(shè)備，特別是數(shù)據(jù)記錄存儲(chǔ)器件的安全，確保記錄數(shù)據(jù)的完整。

2 新型箭載圖像記錄系統(tǒng)設(shè)計(jì)與工作原理

新型箭載圖像記錄系統(tǒng)由圖像采集單元、圖像編碼單元、圖像壓縮單元和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元組成，其系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 箭載圖像記錄系統(tǒng)組成

圖像采編單元和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元安裝在存儲(chǔ)器內(nèi)部，攝像機(jī)和存儲(chǔ)器采用分離結(jié)構(gòu)。圖像采編單元采集Cameralink接口攝像機(jī)的圖像數(shù)據(jù)，采集幀速率為100幀/s，并將數(shù)據(jù)編碼，通過LVDS接口發(fā)送至數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元；同時(shí)圖像采編單元將圖像降速，每4幀抽取1幀發(fā)送至圖像壓縮單元。圖像壓縮單元將25fps的圖像壓縮成H.264碼流，并通過RS422接口將碼流傳輸至遙測系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元接收、解碼高速LVDS數(shù)據(jù)流，并控制SATA接口工業(yè)級固態(tài)硬盤，實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)。地面計(jì)算機(jī)用于試驗(yàn)前自檢、地面測試和數(shù)據(jù)回讀。

2.1 圖像采編單元

圖像采編單元的功能主要由FPGA實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)選擇Xilinx公司Spartan-6系列XC6SLX45TFGG484IFPGA。CameraLink接口模塊使用mini SDR接口，LVDS數(shù)據(jù)發(fā)送模塊均使用FPGA內(nèi)部的LVDS接口實(shí)現(xiàn)。圖像采編單元組成如圖2所示。

圖2 圖像采編單元組成

圖像編碼模塊完成圖像數(shù)據(jù)采集，并對圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像幀編碼和數(shù)據(jù)幀編碼[5]。在圖像編碼模塊中，共對圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行兩次編碼：圖像幀編碼和數(shù)據(jù)幀編碼。圖像幀編碼的目的是標(biāo)記每一幀圖像，以便后期恢復(fù)圖像數(shù)據(jù)，并可檢驗(yàn)是否丟失圖像幀；數(shù)據(jù)幀編碼的目的是使圖像數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元的數(shù)據(jù)格式相匹配，方便數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元進(jìn)行數(shù)據(jù)判讀和接收，并能檢驗(yàn)是否丟失數(shù)據(jù)幀。

2.2 圖像編碼模塊

圖像編碼模塊的工作流程如下：從Camera Link接口模塊采集一幀完整的圖像數(shù)據(jù)；然后添加幀頭、幀計(jì)數(shù)、幀長等內(nèi)容，組成一個(gè)圖像幀（見表1），并將圖像幀數(shù)據(jù)發(fā)送至FIFO進(jìn)行緩存；當(dāng)FIFO的深度達(dá)到4096（數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元要求的數(shù)據(jù)幀的幀長度）時(shí)，讀取FIFO中的數(shù)據(jù)，并添加幀頭、幀計(jì)數(shù)、幀長、幀尾等內(nèi)容，組成一個(gè)數(shù)據(jù)幀（見表2），同時(shí)將數(shù)據(jù)txd[7:0]發(fā)送至LVDS數(shù)據(jù)發(fā)送模塊。在圖像幀格式中，由于一幀圖像的數(shù)據(jù)量為720896字節(jié)，故圖像幀格式中數(shù)據(jù)長度為360448字，而為了節(jié)省存儲(chǔ)帶寬，用一個(gè)字表示幀長，這里采用總數(shù)據(jù)量除以16，即720896/16=0xB000。

表1 圖像幀格式

表2 數(shù)據(jù)幀格式

圖3 圖像壓縮單元組成

圖4 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元組成

圖像編碼模塊2從FIFO2中將降幀頻之后的圖像數(shù)據(jù)添加幀頭、幀計(jì)數(shù)、幀尾等數(shù)據(jù)，經(jīng)過LVDS數(shù)據(jù)發(fā)送模塊2發(fā)送至遙測系統(tǒng)。

2.3 圖像壓縮單元

高速圖像在以100fps的幀率實(shí)時(shí)存儲(chǔ)的同時(shí)，需要通過遙測以25fps的幀率實(shí)時(shí)監(jiān)控目標(biāo)狀態(tài)。由于遙測系統(tǒng)帶寬受限，需要對圖像進(jìn)行壓縮。H.264壓縮是MPEG-4 Part10標(biāo)準(zhǔn)，具有更高的數(shù)據(jù)壓縮率，具有更強(qiáng)的容錯(cuò)能力和低延時(shí)能力，在網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳輸中應(yīng)用廣泛[6]。

圖像壓縮單元采用TI公司的達(dá)芬奇系列DSP DM6437實(shí)現(xiàn)H.264壓縮。DM6437工作主頻660MHz，運(yùn)算能力為5280 MIPS，可實(shí)現(xiàn)25fps的高分辨率圖像實(shí)時(shí)H.264壓縮[7]?；谳^低的數(shù)據(jù)碼流，故選擇H.264壓縮方法。為了進(jìn)一步降低圖像的數(shù)據(jù)量，并適應(yīng)H.264編碼庫的格式，這里采用抽點(diǎn)的方法，僅抽取奇數(shù)行和奇數(shù)列的像素點(diǎn)，組成分辨率較低的圖像。

圖像壓縮單元組成如圖3所示。采用VPFE視頻采集接口接收原始圖像數(shù)據(jù)，經(jīng)由DM6437實(shí)現(xiàn)軟件H.264壓縮，再將壓縮后的碼流通過SPI接口發(fā)送至圖像采編單元。再由圖像采編單元通過RS422發(fā)送至遙測系統(tǒng)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元。

遙測系統(tǒng)接收的H.264碼流通用播放器（如暴風(fēng)影音）可直接播放。

2.4 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元采用自主研發(fā)的成熟電路，需要將軟件部分的定時(shí)存儲(chǔ)改為默認(rèn)50min的存儲(chǔ)時(shí)間，并增加圖像監(jiān)控功能[8]。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元組成如圖4所示。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元工作流程如下：數(shù)據(jù)輸入接口為RS422(低速，數(shù)據(jù)速率低于50Mb/s)或LVDS(高速，數(shù)據(jù)速率為50Mb/s~600Mb/s)；當(dāng)收到圖像采編單元發(fā)送來的起飛信號后，F(xiàn)PGA將串行數(shù)據(jù)解碼，緩存至第一片ddr3 sdram，并通過SATA接口電路將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至SATA接口固態(tài)硬盤，存儲(chǔ)一段時(shí)間后自動(dòng)停止存儲(chǔ)；第二片ddr3 sdram為FPGA內(nèi)部microblaze軟核程序空間，運(yùn)行TCP/IP協(xié)議棧，可通過千兆以太網(wǎng)接口下載存儲(chǔ)至SATA接口固態(tài)硬盤中的數(shù)據(jù)。

同時(shí)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元應(yīng)具備視頻監(jiān)控功能，接收圖像壓縮單元的視頻碼流，并將該視頻碼流通過以太網(wǎng)接口發(fā)送至監(jiān)控計(jì)算機(jī)。數(shù)據(jù)傳輸過程中，如果中途突然斷電，不會(huì)影響已經(jīng)保存的數(shù)據(jù)。

3 新型箭載圖像記錄系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究

基于上述新型箭載圖像記錄系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及工作原理介紹，加工組裝調(diào)試了如圖5所示的實(shí)物設(shè)備，使用地面計(jì)算機(jī)通過千兆以太網(wǎng)和箭載圖像記錄系統(tǒng)通訊，通過地面計(jì)算機(jī)控制圖像采集、數(shù)據(jù)上傳功能，并通過相關(guān)功能將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的bmp格式的圖片，每1秒即100幅圖片存為一個(gè)文件夾。新型箭載圖像記錄系統(tǒng)的實(shí)物示意圖如圖5所示，經(jīng)地面計(jì)算機(jī)解析后的實(shí)驗(yàn)圖像如圖6所示。

圖5 箭載圖像記錄系統(tǒng)實(shí)物設(shè)備

圖6 解析后的圖像

4 結(jié)束語

經(jīng)上述原理介紹和試驗(yàn)測試可知，新型箭載圖像記錄系統(tǒng)，功能完善，能夠?qū)崟r(shí)記錄火箭的整個(gè)飛行過程，將原始圖像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)記錄器，同時(shí)將壓縮后的圖像數(shù)據(jù)傳輸給遙測系統(tǒng)，為評估運(yùn)載火箭的工作情況，或分析故障提供依據(jù)。隨著航天事業(yè)的發(fā)展，相關(guān)試驗(yàn)任務(wù)越來越多，新型箭載圖像記錄系統(tǒng)的作用將會(huì)越來越大，需求市場也會(huì)更加廣闊。

[1] 譚天曉, 趙輝, 趙宗濤. 巡航導(dǎo)彈飛控?cái)?shù)據(jù)鏈圖像壓縮編碼方案及算法實(shí)現(xiàn)[J]. 彈箭與制導(dǎo), 2007, 27(4): 25–27. TAN Tianxiao, ZHAO Hui, ZHAO Zongtao. Image compression coding scheme and algorithmic implementation of cruise missile flight control data link [J]. Missiles and Guidance, 2009, 27(4): 25–27.

[2] 劉建斌, 姜秀杰, 陳萍, 等. 探空火箭箭載圖像壓縮系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 計(jì)算機(jī)測量與控制, 2013, 21(11): 3063–3065. LIU Jianbin, JIANG Xiujie, CHEN Ping, et al. Design and implementation of rocket-borne image compression system for sounding rocket [J]. Computer Measurement and Control, 2013, 21(11): 3063–3065.

[3] 李斌, 張會(huì)新, 劉文怡. 基于 LVDS 的高速圖像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 電視技術(shù), 2014, 38(3): 48–52. LI Bin, ZHANG Huixin, LIU Wenyi. Design and implementation of high speed image data memory based on LVDS [J]. Television Technology, 2014, 38(3): 48–52.

[4] 王濟(jì)生. 基于ARM控制的高清晰圖像壓縮系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D]. 南京: 南京師范大學(xué), 2009. WANG Jisheng. Design of high definition image compression system based on ARM control[D]. Nanjing: Nanjing Normal University, 2009.

[5] 楊曉暉. 高速圖像采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D]. 西安: 西安電子科技大學(xué), 2013. YANG Xiaohui. Design of High Speed Image Acquisition System [D]. Xi’an: Xi’an University of Electronic Science and Technology, 2013.

[6] 陳美健. 基于 ADV212 的星載圖像壓縮系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D]. 西安: 西安電子科技大學(xué), 2011. CHEN Meijian. Design and implementation of spaceborne image compression system based on ADV212 [D]. Xi’an: Xi’an University of Electronic Science and Technology, 2011.

[7] 孫偉, 張會(huì)新. 基于Micron NAND FLASH的彈載數(shù)據(jù)記錄器的設(shè)計(jì)[J]. 計(jì)算機(jī)測量與控制, 2014, 22(8): 2595–2596. SUN Wei, ZHANG Huixin. Design of missile-borne data recorder based on micron NAND FLASH[J]. Computer Measurement and Control, 2014, 22(8): 2595–2596.

[8] 劉建斌, 姜秀杰, 陳萍, 等. 探空火箭箭載圖像壓縮系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 計(jì)算機(jī)測量與控制, 2013, 21(11): 3063–3065. LIU Jianbin, JIANG Xiujie, CHEN Ping, et al. Design and implementation of rocket-borne image compression system for sounding rocket [J]. Missiles and Guidance, 2013, 21(11): 3063–3065.

Design and implementation of a new arrow-borne image recording system

ZHANG Xuebin, CHEN Kexun, WANG Xiaobin, QIU Wei

（Beijing Institute of Structure and Environment Engineering, Beijing 100076, China）

In this paper, a new type of arrow-loaded image recording system is introduced. The system is mainly used to record the whole flight process of the rocket in real time during the flight test of the arrow, and store the original image data in the data recorder, and transmit the compressed image data. It provides the basis for evaluating the working condition of launch vehicle or analyzing the fault.

Image Recording; Acquisition and Editing; Compression; Storage

V1

A

CN11-1780(2019)04-0061-05

張學(xué)賓 1991年生，碩士，助理工程師，主要研究方向?yàn)橛布O(shè)計(jì)和圖像壓縮技術(shù)。

陳柯勛 1984年生，碩士，高級工程師，主要研究方向?yàn)閿?shù)據(jù)記錄器技術(shù)。

王曉斌 1965年生，本科，研究員，主要研究方向?yàn)檐浖_發(fā)方向。

邱偉 1987年生，碩士，高級工程師，主要研究方向?yàn)檐浖惴ǚ较颉?/p>

Email:ycyk704@163.com TEL:010-68382327 010-68382557

航天預(yù)研項(xiàng)目

2019-05-15

2019-07-05