张学宾，陈柯勋，王晓斌，邱 伟

一种新型箭载图像记录系统设计与实现*

张学宾，陈柯勋，王晓斌，邱 伟

（北京强度环境研究所 北京 100076）

介绍一种新型箭载图像记录系统，系统主要用于箭体飞行试验过程中实时记录火箭的整个飞行过程，并将原始图像数据存储在数据记录器，同时将压缩后的图像数据传输给遥测系统。为评估运载火箭的工作情况，或分析故障提供依据。

图像记录；采编；压缩；存储

引 言

在航天弹、箭飞行试验中，对于弹、箭内部情况的监测工作已经成为航天遥测技术中的一项重要技术。传统的弹、箭载图像记录系统一般体积庞大、连接复杂、质量大、装载不便，不便于多次进行飞行试验任务。本文介绍一种新型箭载图像记录系统。该图像记录系统体积质量比适中、可靠性高，能够适应高冲击与振动环境；图像记录效果好，能够对图像进行长时间采集与存储，可有效记录飞行试验中火箭的整个飞行过程，可为评估降落伞和运载火箭的工作情况及分析故障提供强有力的依据。

随着箭载试验数量的日益增多，试验的成败与否显得愈发重要。每次试验中，图像记录系统记录的每帧数据都很重要，它是验证箭体设计和优化的可靠判据，可为试验箭的成功发射提供有力的支持。新型箭载图像记录系统多安装固定于试验箭的箭体上，随箭体分离坠落，实行硬着陆回收，回收后可通过单元测试装置回读数据。新型箭载图像记录系统具有功耗低、发热少、无噪声、访问速度高、可靠性高等优点，可满足航空航天设备过载高、工作温度范围宽、体积小、功耗低和能在恶劣环境下工作等诸多要求，可确保箭载飞行试验的圆满完成。

航天弹、箭飞行试验中的航天信号传输有一个弊端不可避免，其传输信道往往受限，想在有限的传输信道带宽中传输尽量多的图像数据需对图像数据进行压缩[1]。同时，较小的数据量也有利于处理单元的处理速度的提高，将图像的传输速度大幅度提高，减小传输时延，有效保证传输图像的实时性[2]。新型箭载图像记录系统的压缩单元可以有效压缩图像数据，保证视频图像数据的高速传输，实现图像记录的有效实时性。

本文介绍的新型箭载图像记录系统采用FPGA的LVDS（Low-Voltage Differential Signaling）接口直接采集由Camera Link接口的工业相机传输的图像数据[3]。该系统可以对图像数据进行编码，编码后的数据可以通过LVDS接口传输至存储单元，可以满足数据较长时间的存储[4]。实现图像数据的实时存储，有效记录飞行试验中箭体的飞行过程。

1 新型箭载图像记录系统组成及基本功能

新型箭载图像记录系统由高清摄像机、图像数据记录器、地面测控设备及测控电缆组成。高清摄像机在系统中的主要职责是高速拍摄火箭飞行过程并将原始图像数据传输给图像记录器。图像记录器由大容量固态存储器、数据记录控制器和图像压缩板等组成，主要功能是存储高清摄像机拍摄的原始图像信息数据，并将压缩后的图像数据传输给箭上遥测系统。地面测控设备由便携式计算机（及软件）和图像记录器测试电缆组成。主要用于图像数据记录的启动、停止，记录数据的读取等控制功能。

考虑到新型箭载图像数据记录系统数据的安全性，图像记录系统设备对外接口均采取了具有安全防护措施的设计，以避免箭体落地时的结构破坏造成电源信号异常搭接损坏图像记录系统设备，特别是数据记录存储器件的安全，确保记录数据的完整。

2 新型箭载图像记录系统设计与工作原理

新型箭载图像记录系统由图像采集单元、图像编码单元、图像压缩单元和数据存储单元组成，其系统组成如图1所示。

图1 箭载图像记录系统组成

图像采编单元和数据存储单元安装在存储器内部，摄像机和存储器采用分离结构。图像采编单元采集Cameralink接口摄像机的图像数据，采集帧速率为100帧/s，并将数据编码，通过LVDS接口发送至数据存储单元；同时图像采编单元将图像降速，每4帧抽取1帧发送至图像压缩单元。图像压缩单元将25fps的图像压缩成H.264码流，并通过RS422接口将码流传输至遥测系统。

数据存储单元接收、解码高速LVDS数据流，并控制SATA接口工业级固态硬盘，实现高速数据实时存储。地面计算机用于试验前自检、地面测试和数据回读。

2.1 图像采编单元

图像采编单元的功能主要由FPGA实现，系统选择Xilinx公司Spartan-6系列XC6SLX45TFGG484IFPGA。CameraLink接口模块使用mini SDR接口，LVDS数据发送模块均使用FPGA内部的LVDS接口实现。图像采编单元组成如图2所示。

图2 图像采编单元组成

图像编码模块完成图像数据采集，并对图像数据进行图像帧编码和数据帧编码[5]。在图像编码模块中，共对图像数据进行两次编码：图像帧编码和数据帧编码。图像帧编码的目的是标记每一帧图像，以便后期恢复图像数据，并可检验是否丢失图像帧；数据帧编码的目的是使图像数据与数据存储单元的数据格式相匹配，方便数据存储单元进行数据判读和接收，并能检验是否丢失数据帧。

2.2 图像编码模块

图像编码模块的工作流程如下：从Camera Link接口模块采集一帧完整的图像数据；然后添加帧头、帧计数、帧长等内容，组成一个图像帧（见表1），并将图像帧数据发送至FIFO进行缓存；当FIFO的深度达到4096（数据存储单元要求的数据帧的帧长度）时，读取FIFO中的数据，并添加帧头、帧计数、帧长、帧尾等内容，组成一个数据帧（见表2），同时将数据txd[7:0]发送至LVDS数据发送模块。在图像帧格式中，由于一帧图像的数据量为720896字节，故图像帧格式中数据长度为360448字，而为了节省存储带宽，用一个字表示帧长，这里采用总数据量除以16，即720896/16=0xB000。

表1 图像帧格式

表2 数据帧格式

图3 图像压缩单元组成

图4 数据存储单元组成

图像编码模块2从FIFO2中将降帧频之后的图像数据添加帧头、帧计数、帧尾等数据，经过LVDS数据发送模块2发送至遥测系统。

2.3 图像压缩单元

高速图像在以100fps的帧率实时存储的同时，需要通过遥测以25fps的帧率实时监控目标状态。由于遥测系统带宽受限，需要对图像进行压缩。H.264压缩是MPEG-4 Part10标准，具有更高的数据压缩率，具有更强的容错能力和低延时能力，在网络实时传输中应用广泛[6]。

图像压缩单元采用TI公司的达芬奇系列DSP DM6437实现H.264压缩。DM6437工作主频660MHz，运算能力为5280 MIPS，可实现25fps的高分辨率图像实时H.264压缩[7]。基于较低的数据码流，故选择H.264压缩方法。为了进一步降低图像的数据量，并适应H.264编码库的格式，这里采用抽点的方法，仅抽取奇数行和奇数列的像素点，组成分辨率较低的图像。

图像压缩单元组成如图3所示。采用VPFE视频采集接口接收原始图像数据，经由DM6437实现软件H.264压缩，再将压缩后的码流通过SPI接口发送至图像采编单元。再由图像采编单元通过RS422发送至遥测系统和数据存储单元。

遥测系统接收的H.264码流通用播放器（如暴风影音）可直接播放。

2.4 数据存储单元

数据存储单元采用自主研发的成熟电路，需要将软件部分的定时存储改为默认50min的存储时间，并增加图像监控功能[8]。数据存储单元组成如图4所示。

数据存储单元工作流程如下：数据输入接口为RS422(低速，数据速率低于50Mb/s)或LVDS(高速，数据速率为50Mb/s~600Mb/s)；当收到图像采编单元发送来的起飞信号后，FPGA将串行数据解码，缓存至第一片ddr3 sdram，并通过SATA接口电路将数据存储至SATA接口固态硬盘，存储一段时间后自动停止存储；第二片ddr3 sdram为FPGA内部microblaze软核程序空间，运行TCP/IP协议栈，可通过千兆以太网接口下载存储至SATA接口固态硬盘中的数据。

同时，数据存储单元应具备视频监控功能，接收图像压缩单元的视频码流，并将该视频码流通过以太网接口发送至监控计算机。数据传输过程中，如果中途突然断电，不会影响已经保存的数据。

3 新型箭载图像记录系统实验研究

基于上述新型箭载图像记录系统的设计及工作原理介绍，加工组装调试了如图5所示的实物设备，使用地面计算机通过千兆以太网和箭载图像记录系统通讯，通过地面计算机控制图像采集、数据上传功能，并通过相关功能将数据转换为标准的bmp格式的图片，每1秒即100幅图片存为一个文件夹。新型箭载图像记录系统的实物示意图如图5所示，经地面计算机解析后的实验图像如图6所示。

图5 箭载图像记录系统实物设备

图6 解析后的图像

4 结束语

经上述原理介绍和试验测试可知，新型箭载图像记录系统，功能完善，能够实时记录火箭的整个飞行过程，将原始图像数据存储在数据记录器，同时将压缩后的图像数据传输给遥测系统，为评估运载火箭的工作情况，或分析故障提供依据。随着航天事业的发展，相关试验任务越来越多，新型箭载图像记录系统的作用将会越来越大，需求市场也会更加广阔。

[1] 谭天晓, 赵辉, 赵宗涛. 巡航导弹飞控数据链图像压缩编码方案及算法实现[J]. 弹箭与制导, 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] 刘建斌, 姜秀杰, 陈萍, 等. 探空火箭箭载图像压缩系统设计与实现[J]. 计算机测量与控制, 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, 张会新, 刘文怡. 基于 LVDS 的高速图像数据存储器的设计与实现[J]. 电视技术, 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] 王济生. 基于ARM控制的高清晰图像压缩系统设计[D]. 南京: 南京师范大学, 2009. WANG Jisheng. Design of high definition image compression system based on ARM control[D]. Nanjing: Nanjing Normal University, 2009.

[5] 杨晓晖. 高速图像采集系统设计[D]. 西安: 西安电子科技大学, 2013. YANG Xiaohui. Design of High Speed Image Acquisition System [D]. Xi’an: Xi’an University of Electronic Science and Technology, 2013.

[6] 陈美健. 基于 ADV212 的星载图像压缩系统的设计与实现[D]. 西安: 西安电子科技大学, 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] 孙伟, 张会新. 基于Micron NAND FLASH的弹载数据记录器的设计[J]. 计算机测量与控制, 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] 刘建斌, 姜秀杰, 陈萍, 等. 探空火箭箭载图像压缩系统设计与实现[J]. 计算机测量与控制, 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

张学宾 1991年生，硕士，助理工程师，主要研究方向为硬件设计和图像压缩技术。

陈柯勋 1984年生，硕士，高级工程师，主要研究方向为数据记录器技术。

王晓斌 1965年生，本科，研究员，主要研究方向为软件开发方向。

邱伟 1987年生，硕士，高级工程师，主要研究方向为软件算法方向。

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

航天预研项目

2019-05-15

2019-07-05