遙測實時圖像處理顯示系統設計與實現

盧長海，石一鳴，王殿勛

(中國人民解放軍91550部隊，遼寧 大連 116023)

0 引言

隨著技術的發展，遙測系統測量范圍不僅只限于傳統遙測參數的采集與傳輸，圖像數據的實時采集與傳輸也成為組成遙測數據的重要一環[1]。通過飛行器上的圖像采集系統，將關鍵部位實時圖像壓縮處理后形成單獨遙測數據流或插入其他遙測數據流，與其他測量參數一起組成遙測數據幀，經調制放大后微波信號發送至地面。通過遙測地面站接收、解調、圖像解碼后，可以實時顯示目標飛行器的飛行狀態畫面，供各級指揮決策和技術人員分析查看，在保障飛行試驗安全性、高效性等方面發揮了重要作用。

1 視頻遙測的編碼

飛行器遙測圖像處理單元作為遙測發射的一部分，一般包括圖像信號接入接口、遙測圖像壓縮單元、遙測采編單元、遙測發射機及發射天線等部分，如圖1所示。圖像信號接入包括數字圖像信號和模擬圖像輸入，若為模擬圖像需要首先進行數字化處理；圖像壓縮單元完成數字化遙測圖像的壓縮編碼和多路圖像信號的合成；遙測采編按照GJB21.2A-1992 PCM流標準，完成單獨PCM數據流或和其他遙測參數混合編幀功能；遙測發射機及發射天線完成遙測的射頻調制、放大、無線電發射[2]。

圖1 飛行器視頻遙測原理框圖

遙測圖像傳輸首要解決的是圖像壓縮問題，目前國內外視頻壓縮技術應用較多的是MPEG系列、JPEG系列及H.264視頻壓縮標準，在實際的工程應用中，JPEG2000和H.264壓縮算法是比較適合的兩種壓縮標準，其中JPEG2000克服了原有JPEG編碼方式的不足，提高了壓縮率和遙測傳輸質量[3]。對于低分辨率和低傳輸碼率H.264的幀內壓縮效果比較好，對于JPEG2000而言，其是基于小波變換的圖像壓縮標準，它所使用的小波變換和優化截取的嵌入式塊編碼(EBCOT)方式，在較大分辨率、較高碼率的條件下性能更好。

常見的視頻遙測有兩種方式：一種是單獨地遙測數據流，一般遙測碼率較高，可達 8～10 Mb/s，重點是事后的數據分析。比如紅外導引頭的紅外成像制導系統中紅外圖像數據，依靠紅外成像系統生成數字圖像，通過圖像識別和匹配算法來實現目標的精確打擊[4]。還有一種常用方式是關鍵部位的圖像監視，一般是應用多個圖像攝像頭，遙測圖像占據一定的遙測波道，需要實時處理系統進行分路處理，分路后圖像通過硬件實時顯示或通過軟件事后顯示。

2 地面傳輸解碼設計

2.1 地面傳輸解碼系統組成

地面傳輸解碼系統主要由遙測地面接收站、IP通信網絡、數據服務器(主備)、實時處理終端和圖像解碼器等組成，如圖2所示。為了完成測控保障任務，一般需要多個遙測地面站冗余或接力完成遙測接收任務，由于飛行器上天線安裝位置、地面布站、級間分離及火焰干擾等因素，遙測數據可能部分丟失或部分跟蹤段落誤碼較大，從而影響遙測數據質量和遙測圖像的解碼。為了改善單接收站的圖像接收，在不影響實時性前提下，對多站遙測接收數據進行拼接數據融合處理，對其他需要快速處理的遙測參數拼接前直接實時處理。

2.2 處理過程

遙測地面站根據試驗參數配置相應的遙測基帶，完成遙測信息的接收。接收的遙測原始信息通過IP通信網送遠端數據處理中心完成信息存儲和分發，其中實時處理終端主要完成多站數據的拼接、融合處理以及關鍵參數的實時分發，遙測圖像數據經分路后送圖像解碼器。具體各部分完成功能如下：

(1)地面站的接收與發送

圖2 遙測圖像地面傳輸解碼結構圖

通過遙測地面站接收飛行器上發射的無線電信號，經地面站天線饋線及信道送遙測基帶解調恢復出PCM遙測數據流，同時基帶存儲接收到的原始遙測信息，經交互計算機把原始信息以組播方式發送至遠端數據處理中心，對于高碼率UDP數據包，超出了網絡MTU長度，在傳輸過程中需分片和重組，實際應用中存在丟包現象。為此在高碼率數據發送端預先將大包數據分割為滿足MTU長度的小包數據傳輸，從而避免大包數據的丟包現象。

(2)中心接收與處理

數據處理中心多臺數據服務器對接收到的遙測原始信息進行存儲和分發，數據服務器根據UDP所包含的分片信息重組數據，恢復出原始遙測數據包。若為密文數據還需實時處理為明文數據，在實時處理終端完成多站遙測原始信息的拼接、融合處理，拼接后的遙測信息按照遙測大綱配置圖像所在子幀波道信息，分路出圖像數據流，通過網絡組播或單播發送至圖像解碼器。

(3)圖像數據實時解碼

圖像解碼器實時網絡接收處理終端送來的圖像數據流，經過交織+RS編碼技術進行糾錯處理，最后數據重組，恢復成標準數據結構，利用H.264解碼器，對壓縮圖像數據進行解碼，還原真實的圖像數據，最后對圖像進行插值放大，通過閉路電視系統送各級指揮站位。

2.3 軟件實現

為兼顧多種型號任務的實時處理需求，實時處理功能模塊要盡可能做到通用化，需采用模塊化設計，使用統一的接口標準，方便系統功能擴展及二次開發[5]。遙測實時處理終端除了包含遙測數據的收發模塊、數據分路處理模塊、關鍵參數模擬量和數字量處理以及量綱恢復模塊外，還包括遙測數據的實時拼接處理，如圖3所示。

圖3 實時處理軟件功能模塊組成框圖

實時處理終端配備數據分發子系統，可將處理前或者處理后的參數/數據塊以點對點或者廣播的形式分發，將部分參數或整個PCM數據流分配給圖像解碼器。

參數配置主要有：(1)幀結構設置，包括子幀長、副幀長、子幀同步碼和副幀同步碼等信息；(2)分路圖像信息，包括是否含子幀時間、子幀波道等信息；(3)網絡收發，包括接收原碼IP地址和端口號，組播/單播發送地址和端口號以及發送頻率和數據包大小等信息。

多站數據的拼接融合是遙測圖像信息分路前首先要完成的工作，各個地面站由同一時統中心授時，傳輸距離時差遠小于幀周期，因此不存在幀模糊問題。又由于圖像數據對時間精度不敏感，因此可以采用子幀計數方式來完成數據拼接，子幀計數是用遙測子幀波道中的某一波道來計數產生的數據字，為循環計數，通常分為高、低位或高、中、低位。一般以高、低位0～255循環計數，即十六進制的00～FF循環，低位滿一個周期高位進一位。在一個全幀內，可根據幀計數相差為1，判斷是否丟幀，相差數量可以判斷丟子幀數量。若遙測數據為加密信息，可由此驗證解密是否正確。文獻[6]首先完成各站數據的時差修正，根據各幀之間的時間間隔判斷是否丟幀以及丟多少幀，后完成丟幀插補。

在實時處理過程中，一般就近選擇兩個地面站，采用該方法可完成圖像信息的實時解碼傳輸。在事后處理過程中，需要考慮的因素比較多，除了完成子幀時間修正外，還要考慮信息的修正，對數據進行檢驗、選段及加工處理。

圖4所示為原始數據拼接示意圖。

2.4 試驗驗證

該實時處理系統已經應用于多個型號飛行試驗遙測圖像監視，由于布站因素，若一個地面站受火焰干擾，造成遙測數據誤碼增大甚至丟失，影響圖像質量，系統將觸發拼接融合策略進行補充（替換），從而保證遙測圖像穩定。系統運行以來，能實時查看各艙段的工作情況，特別是級間分離等關鍵動作的實時畫面的提供，直觀地掌握飛行器各個時序的工作狀態，為保障型號試驗的高效順利進行發揮了重要作用。

3 從IRIG106標準看圖像傳輸

圖4 原始數據拼接示意圖

遙測圖像的實時傳輸是今后飛行試驗的標準配置，受目前傳輸體制及頻帶資源的限制，目前圖像質量還不是很高，畫面還不是很豐富。根據IRIG106標準，目前在標準第7章“下行鏈路數據包遙測”，定義了一種將其第10章數據包、TmNS(Telemetry Network Standard)數據包和以太網數據包融入PCM流的方法[7]，形成了多數據流(PCM+網絡+視頻)混合遙測解決方案。比如法國 Zodiac Aerospace公司MDR數據記錄器，符合標準第10章所制定的標準數據可以在進行存儲的同時進行實時處理，也可以在任務結束后對數據進行事后處理，可以記錄多種數據格式，以及進行模塊化設計。目前多種模塊支持視頻/音頻、模擬信號、數字量、總線和網絡等數據的采集記錄，視頻及數據存儲靈活性大大提高。

4 結束語

實時圖像的獲取在各類飛行試驗中將發揮重要作用，隨著關鍵艙段內外攝像頭的增多以及高清圖像的應用，視頻信息將占用大量的頻譜資源，遙測PCM數據流數據單向傳輸和點對點傳輸的局限性也越發明顯。由于頻率資源的進一步緊張，帶寬利用率更高的SOQPSK-TG、Multi-h CPM體制也將陸續被推出，網絡化遙測也具備了可實施的應用標準[7-8]，這些新技術的采用將顯著提升遙測實時傳輸能力。