多光譜偏振成像偵察系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

摘要：介紹了以STC89C52RC為核心的電動(dòng)變焦、對(duì)焦、變光圈以及以PC104為平臺(tái)的圖像處理多光譜偏振成像偵察系統(tǒng)組成及工作原理，給出了系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，數(shù)字量化調(diào)焦效果良好，為偏振圖像在線命令響應(yīng)搭建了測(cè)試平臺(tái)。實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有使用方便、成本低等優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞：偏振成像；偵察系統(tǒng)；STC89C52；多光譜成像

0 引言
    與常規(guī)光強(qiáng)度成像探測(cè)技術(shù)相比，偏振成像偵察技術(shù)在識(shí)別偽裝目標(biāo)、目標(biāo)細(xì)節(jié)特征獲取、抑制大氣背景噪聲和提高目標(biāo)探測(cè)距離等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。由于受到大氣、環(huán)境等因素的影響，對(duì)惡劣環(huán)境下的遠(yuǎn)距離目標(biāo)成像中的常規(guī)光強(qiáng)度成像方式存在探測(cè)距離近、識(shí)別偽裝效果差、去霧能力弱等不足，難以適應(yīng)現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)作戰(zhàn)要求，急需研究新的成像偵察技術(shù)，以提高惡劣環(huán)境下遠(yuǎn)距離目標(biāo)的信噪比，加大探測(cè)距離，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的有效偵察。
    本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)主要解決電控變焦、多偏振方向快速準(zhǔn)確定位、長(zhǎng)焦偏振光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，研制多光譜偏振成像偵察系統(tǒng)，應(yīng)用于遠(yuǎn)距離目標(biāo)的偵察。

1 系統(tǒng)組成及工作原理
    該系統(tǒng)由微控制器、圖像采集、串口通信、圖像處理和上位機(jī)顯示等幾部分組成，如圖1所示。

    本設(shè)計(jì)以單片機(jī)為主控芯片，以PC104平臺(tái)為上位機(jī)，完成電子對(duì)焦、調(diào)焦、變光圈、數(shù)據(jù)處理、顯示、通信等功能。系統(tǒng)的工作流程如下：首先，在系統(tǒng)開機(jī)時(shí)設(shè)定系統(tǒng)的工作方式；然后，通過(guò)操作面板上的變焦、對(duì)焦和變光圈的控制按鈕，輸入給單片機(jī)，單片機(jī)對(duì)變焦電路進(jìn)行控制。同時(shí)，通過(guò)通信電路發(fā)送曝光時(shí)間調(diào)整命令至PC104，對(duì)曝光量進(jìn)行調(diào)整，通過(guò)顯示模塊顯示當(dāng)前相機(jī)狀態(tài)；當(dāng)偏振圖像符合要求時(shí)，通過(guò)操作面板上的圖像處理和保存功能將采集和處理的數(shù)據(jù)通過(guò)存儲(chǔ)電路存儲(chǔ)到16 GB的FLASH中。
1．1 PC104模塊
    PC104嵌入式計(jì)算機(jī)誕生于20世紀(jì)80年代末，1992年被正式接納為IEEE P996．1標(biāo)準(zhǔn)。它在90 mm×96 mm的規(guī)格上集成了，PC的大部分功能，一方面繼承所有PC資源，另一方面又對(duì)普通PC加以改革和重新規(guī)劃，具有體積小、功耗低、工作溫度寬、可靠性高等特點(diǎn)以及系統(tǒng)抗振性強(qiáng)、支持帶電拔插、可維護(hù)性高、支持后I／O板走線、方便配線、散熱性好、電氣特性更好等優(yōu)點(diǎn)，適合嵌入式控制領(lǐng)域，被大量用于車載系統(tǒng)、機(jī)載設(shè)備、電力控制、醫(yī)療儀器、智能交通、通信設(shè)備、視頻監(jiān)控、軍用電子裝備等領(lǐng)域。
1．2 RS 232串口通信標(biāo)準(zhǔn)
    RS 232由美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)(EIA)制定，是目前應(yīng)用最廣泛的異步串行通信標(biāo)準(zhǔn)總線，已成為數(shù)據(jù)終端設(shè)備與計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)通信設(shè)備的接口標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)適用于數(shù)據(jù)傳輸速率在0～20 Kb／s范圍內(nèi)的通信，是PC機(jī)與通信工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的一種串行接口。其工作電平規(guī)定如下：對(duì)于數(shù)據(jù)信號(hào)，電平低于-3 V為“1”；電平高于+3 V為“0”；對(duì)于控制信號(hào)，電平高于+3 V為“有效信號(hào)”，電平低于-3 V為“無(wú)效信號(hào)”。其串行口的9根針腳功能有其固定的定義。實(shí)際應(yīng)用中，只要用RXD，TXD和GND三條數(shù)據(jù)線即可。
1．3 STC89C52RC
    STC89C52RC是一款低功耗、高性能CMOS工藝8位微控制器，攜有8K在系統(tǒng)可編程FLASH存儲(chǔ)器。與80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。使其能為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。STC89C52RC還含有：256 B RAM、32 b I／O口線、看門狗定時(shí)器、2個(gè)數(shù)據(jù)指針、3個(gè)16位定時(shí)器／計(jì)數(shù)器、1個(gè)6向量2級(jí)中斷結(jié)構(gòu)、全雙工串行口、片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路。另外，STC89C52RC可降至0 Hz靜態(tài)邏輯操作，支持兩種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時(shí)器／計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)模式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。
1．4 顯示模塊
    顯示接口模塊采用與PC104接口兼容的SBS提供的Sharp LCD系列平板顯示器。從系統(tǒng)集成的角度考慮，平板顯示器具有型薄、重量輕、便攜性強(qiáng)，同時(shí)，還具有低功耗、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2．1 主控電路及復(fù)位電路
    STC89C52RC具有多種封裝形式，該系統(tǒng)為便于集成，采用SMT封裝形式。STC89C52RC單片機(jī)內(nèi)資源豐富，為解決該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了多種多樣的方案設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)占用STC89C52RC的I／O端口以及P1，P2，P3，P4的部分資源。
    STC89C52RC的復(fù)位方式有上電自動(dòng)復(fù)位和手工復(fù)位兩種，本系統(tǒng)采用上電自動(dòng)復(fù)位方式。
2．2 電平轉(zhuǎn)換通信電路
    RS 232是用正負(fù)電壓來(lái)表示邏輯狀態(tài)，與TTL以高低電平表示邏輯狀態(tài)的規(guī)定不同。為了能夠同計(jì)算機(jī)接口或終端的TTL器件連接，必須在RS 232與TTL電路之間進(jìn)行電平和邏輯關(guān)系的變換?？紤]到數(shù)據(jù)的雙向傳遞性，本系統(tǒng)采用MAX232芯片，將TTL電平轉(zhuǎn)換成PC104所能識(shí)別的電平，再通過(guò)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的3針接口與PC104串口連接。外圍電路非常簡(jiǎn)單，只需要5個(gè)0．1μF的電容器。
2．3 變焦電路
    系統(tǒng)利用四個(gè)繼電器提供相機(jī)的變焦電壓。繼電器的輸入端為L(zhǎng)M317輸出，其控制端為單片機(jī)的I／O，過(guò)編碼完成對(duì)繼電器的組合輸出，對(duì)相機(jī)的電機(jī)進(jìn)行操作，完成電子調(diào)焦。
    LM317是應(yīng)用最為廣泛的電源集成電路之一，它具有固定式三端穩(wěn)壓電路的最簡(jiǎn)單形式以及輸出電壓可調(diào)的特點(diǎn)。其主要性能參數(shù)如下：輸出電壓1．25～37 VDC；輸出電流5 mA～1．5 A；芯片內(nèi)部具有過(guò)熱、過(guò)流、短路保護(hù)電路。
2．4 鍵盤電路
    鍵盤電路采用行列式鍵盤，具有數(shù)字和第二功能鍵功能，主要是通過(guò)單片機(jī)進(jìn)行判斷和處理。當(dāng)系統(tǒng)加電時(shí)，處于數(shù)字鍵狀態(tài)，單片機(jī)通過(guò)鍵盤掃描程序，鎖定鍵盤，然后通過(guò)串口與PC104進(jìn)行通信，模擬數(shù)字鍵盤。當(dāng)按下切換按鈕時(shí)，鍵盤處于第二功能狀態(tài)，通過(guò)對(duì)變焦、對(duì)焦和變光圈的按鈕選擇，按下左右方向鍵控制單片機(jī)的I／O輸出來(lái)控制變焦電路，同時(shí)與數(shù)字按鈕通信相同，此時(shí)可以通過(guò)操作上下箭頭實(shí)現(xiàn)偏振通道的切換以及數(shù)據(jù)的處理和保存。
2．5 硬件構(gòu)成總電路圖
    系統(tǒng)整體硬件電路包括主控制器電路、通信電路、鍵盤電路和存儲(chǔ)電路這四部分，電路如圖2所示。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)方面包括單片機(jī)程序和上位機(jī)程序的設(shè)計(jì)。上位機(jī)程序要實(shí)現(xiàn)的功能是接收串口指令、偏振圖像處理保存、目標(biāo)識(shí)別等。
3．1 單片機(jī)程序
    單片機(jī)程序主要包括主程序、單片機(jī)發(fā)送接收子程序、鍵盤掃描子程序等模塊，均采用C語(yǔ)言進(jìn)行模塊化編程。單片機(jī)程序流程圖如圖3所示。

3．2 上位機(jī)程序
    上位機(jī)程序采用Visual C++6．0集成開發(fā)環(huán)境來(lái)編程，利用C語(yǔ)言來(lái)編程實(shí)現(xiàn)，其流程圖如圖4所示。

    系統(tǒng)操作界面及上位機(jī)程序如圖5所示。實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明，該檢測(cè)儀具有使用方便、成本低等優(yōu)點(diǎn)。

4 結(jié)語(yǔ)
    本系統(tǒng)以微控制器為核心、以PC104為平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)變焦、對(duì)焦、變光圈和圖像處理的功能，搭建了多光譜偏振成像偵察系統(tǒng)，包括：整體架構(gòu)設(shè)計(jì)、下位機(jī)底層硬件和軟件的具體實(shí)現(xiàn)、上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)，較好地達(dá)到了預(yù)期目的。