一種新型箭載圖像記錄系統(tǒng)設計與實現(xiàn)*

張學賓，陳柯勛，王曉斌，邱 偉

一種新型箭載圖像記錄系統(tǒng)設計與實現(xiàn)*

張學賓，陳柯勛，王曉斌，邱 偉

（北京強度環(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過程中實時記錄火箭的整個飛行過程，并將原始圖像數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)記錄器，同時將壓縮后的圖像數(shù)據(jù)傳輸給遙測系統(tǒng)。為評估運載火箭的工作情況，或分析故障提供依據(jù)。

圖像記錄；采編；壓縮；存儲

引 言

在航天彈、箭飛行試驗中，對于彈、箭內部情況的監(jiān)測工作已經(jīng)成為航天遙測技術中的一項重要技術。傳統(tǒng)的彈、箭載圖像記錄系統(tǒng)一般體積龐大、連接復雜、質量大、裝載不便，不便于多次進行飛行試驗任務。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)體積質量比適中、可靠性高，能夠適應高沖擊與振動環(huán)境；圖像記錄效果好，能夠對圖像進行長時間采集與存儲，可有效記錄飛行試驗中火箭的整個飛行過程，可為評估降落傘和運載火箭的工作情況及分析故障提供強有力的依據(jù)。

隨著箭載試驗數(shù)量的日益增多，試驗的成敗與否顯得愈發(fā)重要。每次試驗中，圖像記錄系統(tǒng)記錄的每幀數(shù)據(jù)都很重要，它是驗證箭體設計和優(yōu)化的可靠判據(jù)，可為試驗箭的成功發(fā)射提供有力的支持。新型箭載圖像記錄系統(tǒng)多安裝固定于試驗箭的箭體上，隨箭體分離墜落，實行硬著陸回收，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，可滿足航空航天設備過載高、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的圓滿完成。

航天彈、箭飛行試驗中的航天信號傳輸有一個弊端不可避免，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)進行壓縮[1]。同時，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，減小傳輸時延，有效保證傳輸圖像的實時性[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，實現(xiàn)圖像記錄的有效實時性。

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)進行編碼，編碼后的數(shù)據(jù)可以通過LVDS接口傳輸至存儲單元，可以滿足數(shù)據(jù)較長時間的存儲[4]。實現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的實時存儲，有效記錄飛行試驗中箭體的飛行過程。

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、圖像數(shù)據(jù)記錄器、地面測控設備及測控電纜組成。高清攝像機在系統(tǒng)中的主要職責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，主要功能是存儲高清攝像機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)。地面測控設備由便攜式計算機（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、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)設備對外接口均采取了具有安全防護措施的設計，以避免箭體落地時的結構破壞造成電源信號異常搭接損壞圖像記錄系統(tǒng)設備，特別是數(shù)據(jù)記錄存儲器件的安全，確保記錄數(shù)據(jù)的完整。

2 新型箭載圖像記錄系統(tǒng)設計與工作原理

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)存儲單元安裝在存儲器內部，攝像機和存儲器采用分離結構。圖像采編單元采集Cameralink接口攝像機的圖像數(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)存儲單元；同時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，實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)實時存儲。地面計算機用于試驗前自檢、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內部的LVDS接口實現(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記每一幀圖像，以便后期恢復圖像數(shù)據(jù)，并可檢驗是否丟失圖像幀；數(shù)據(jù)幀編碼的目的是使圖像數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)存儲單元的數(shù)據(jù)格式相匹配，方便數(shù)據(jù)存儲單元進行數(shù)據(jù)判讀和接收，并能檢驗是否丟失數(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、幀計數(shù)、幀長等內容，組成一個圖像幀（見表1），并將圖像幀數(shù)據(jù)發(fā)送至FIFO進行緩存；當FIFO的深度達到4096（數(shù)據(jù)存儲單元要求的數(shù)據(jù)幀的幀長度）時，讀取FIFO中的數(shù)據(jù)，并添加幀頭、幀計數(shù)、幀長、幀尾等內容，組成一個數(shù)據(jù)幀（見表2），同時將數(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)省存儲帶寬，用一個字表示幀長，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的幀率實時存儲的同時，需要通過遙測以25fps的幀率實時監(jiān)控目標狀態(tài)。由于遙測系統(tǒng)帶寬受限，需要對圖像進行壓縮。H.264壓縮是MPEG-4 Part10標準，具有更高的數(shù)據(jù)壓縮率，具有更強的容錯能力和低延時能力，在網(wǎng)絡實時傳輸中應用廣泛[6]。

圖像壓縮單元采用TI公司的達芬奇系列DSP DM6437實現(xiàn)H.264壓縮。DM6437工作主頻660MHz，運算能力為5280 MIPS，可實現(xiàn)25fps的高分辨率圖像實時H.264壓縮[7]?；谳^低的數(shù)據(jù)碼流，故選擇H.264壓縮方法。為了進一步降低圖像的數(shù)據(jù)量，并適應H.264編碼庫的格式，這里采用抽點的方法，僅抽取奇數(shù)行和奇數(shù)列的像素點，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)存儲單元。

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

2.4 數(shù)據(jù)存儲單元

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

數(shù)據(jù)存儲單元工作流程如下：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)存儲至SATA接口固態(tài)硬盤，存儲一段時間后自動停止存儲；第二片ddr3 sdram為FPGA內部microblaze軟核程序空間，運行TCP/IP協(xié)議棧，可通過千兆以太網(wǎng)接口下載存儲至SATA接口固態(tài)硬盤中的數(shù)據(jù)。

同時，數(shù)據(jù)存儲單元應具備視頻監(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)控計算機。數(shù)據(jù)傳輸過程中，如果中途突然斷電，不會影響已經(jīng)保存的數(shù)據(jù)。

3 新型箭載圖像記錄系統(tǒng)實驗研究

基于上述新型箭載圖像記錄系統(tǒng)的設計及工作原理介紹，加工組裝調試了如圖5所示的實物設備，使用地面計算機通過千兆以太網(wǎng)和箭載圖像記錄系統(tǒng)通訊，通過地面計算機控制圖像采集、數(shù)據(jù)上傳功能，并通過相關功能將數(shù)據(jù)轉換為標準的bmp格式的圖片，每1秒即100幅圖片存為一個文件夾。新型箭載圖像記錄系統(tǒng)的實物示意圖如圖5所示，經(jīng)地面計算機解析后的實驗圖像如圖6所示。

圖5 箭載圖像記錄系統(tǒng)實物設備

圖6 解析后的圖像

4 結束語

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

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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

張學賓 1991年生，碩士，助理工程師，主要研究方向為硬件設計和圖像壓縮技術。

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

王曉斌 1965年生，本科，研究員，主要研究方向為軟件開發(fā)方向。

邱偉 1987年生，碩士，高級工程師，主要研究方向為軟件算法方向。

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

航天預研項目

2019-05-15

2019-07-05