某型導引頭成像畫面曝光故障分析與排除

秦彥君 張劍

摘要：針對某型電視導引頭上電自檢結束后觀察外界景象時成像畫面出現曝光的現象開展故障分析。通過研究導引頭成像系統的工作原理及工作流程，建立故障樹模型，逐層開展相關部件的原因分析，查找出故障最終原因，并對導引頭進行修復。

關鍵詞：電視導引頭；成像畫面；曝光；成像系統；修復

Keywords：TV seeker；imaging picture；exposure；imaging system；repair

0 引言

某型導引頭通過電視攝像機獲取外界景象實現成像，導引頭以景物反射的自然光線為攝取對象，通過光電傳感器和監視系統實現成像畫面的光電轉換和重組再現，成像畫面質量好壞直接影響操控員對外界景象的觀測。在多批次產品修理中，出現數枚導引頭上電自檢結束后觀察外界景象時成像畫面曝光的故障現象，故障現象如圖1所示。

1 成像系統工作原理

導引頭成像系統主要由電視攝像機、采集視頻電路、采集控制電路、字符顯示電路、波門光標電路及鏡頭控制電路組成。電視攝像機作為成像系統的核心部件，由光學鏡頭、光電傳感器（CCD）、光圈機構、變焦機構組成。景物反射的自然光線進入光學鏡頭，通過光學鏡頭聚焦于光電傳感器的光敏面上，在光電傳感器的轉換作用下形成視頻信號即原始視頻。原始視頻經采集視頻電路雜波抑制、干擾濾除、初級放大后與字符顯示電路和波門光標電路產生的字符、波門、光標信號疊加，形成復合視頻。復合視頻經鏡頭控制電路輸出至監視系統，實現圖像畫面再現。鏡頭控制電路依據操控員指令控制光學鏡頭進行焦距變換，同時依據復合視頻幅值大小對成像系統實施反饋控制。鏡頭控制電路通過對復合視頻幅值大小的判斷，控制光圈電機帶動光學鏡頭上的光圈實現進光量的自動調整，從而控制成像畫面始終處于清晰狀態。導引頭成像系統工作原理如圖2所示。

2 故障原因分析

依據導引頭成像系統工作流程及視頻信號走向進行判斷，成像畫面曝光故障現象與電視攝像機、采集視頻電路及鏡頭控制電路相關，因此以“成像畫面曝光”故障現象為頂事件建立故障樹（見圖3），依據故障樹逐層展開相關部件的原因分析。

2.1 電視攝像機

1）光電傳感器

電視攝像機采用的光電傳感器為電荷耦合器件，即常說的CCD，由MOS光敏元、移位寄存器、電荷轉移柵等部分組成。通過MOS光敏元將光信息轉換成電脈沖信號，且每個脈沖只反映一個光敏元的受光情況，脈沖幅度的高低反映該光敏元受光照的強弱，脈沖的順序反映該光敏元的位置。MOS光敏元由金屬（M）、氧化物（O）、半導體（S）三層物質組成，依據半導體的光生伏特效應，將入射光信號轉換為電荷，由移位寄存器收集后，經電荷轉移柵輸出，成為原始視頻信號。MOS光敏元作為視頻信號的源頭，其內部的氧化物和半導體隨時間推移會出現耗損，敏感性逐漸下降，導致轉換成的電脈沖信號無法反映出該光敏元的受光情況，光照強弱等特征信息丟失，累積效應即為“成像畫面曝光”現象。MOS光敏元在顯微鏡下的照片及曝光效應如圖4所示。

2）光圈機構

光圈機構由光學鏡頭上的光圈和光圈電機組成。光圈位于攝像機光學鏡頭與光電傳感器件之間，光圈電機根據鏡頭控制電路的指令，通過帶動光圈收縮和放大，減少或增加光學鏡頭的進光量，從而控制成像畫面的清晰狀態。光圈和光圈電機中任一發生故障，光圈機構的控制效應將失效，若此時光圈處于最大狀態，進光量達到最大，光照強度超出MOS光敏元的耐受范圍，處于過飽和輸出狀態，信號經監視系統圖像再現后，在視覺上表現為“成像畫面曝光”現象。

2.2 采集視頻電路

采集視頻電路由A/D轉換器、存儲器、同步提取電路、單穩態觸發器、D/A轉換器組成，主要實現視頻圖像的模數轉化及標準行、場同步信號和非標行、場同步信號的輸出。其工作原理是利用A/D轉換器將電視攝像機輸出的原始視頻轉換成數字信號，一路送存儲器，一路經D/A轉換器轉換成模擬信號后輸出。同步提取電路從模擬視頻信號中提取標準行、場同步信號，再經單穩態觸發器展寬后轉換成非標行、場同步信號，標準行、場同步信號和非標行、場同步信號同時提供給其他電路使用。A/D轉換器和D/A轉換器作為采集視頻電路的核心，任一發生故障，轉換過程中的視頻信號隨即會出現幅值削低、同步錯位、特征丟失等受損情況，特征信息不全的視頻信號通過監視器圖像再現，即表現為“成像畫面曝光”現象。采集視頻電路工作原理如圖5所示。

2.3 鏡頭控制電路

鏡頭控制電路由幅值比較電路、數字邏輯電路、電機驅動器組成，主要實現對光圈機構和變焦機構的控制。其中焦距變換指令經數字邏輯電路和電機驅動器后驅動焦距電機運轉，實現光學鏡頭的長短焦變化。采集視頻電路輸出的模擬視頻信號經幅值比較電路與預設幅值電壓進行比較，依據比較計算結果給出光圈控制指令。指令經電機驅動器后驅動光圈電機運轉，帶動光圈變化，實現光學鏡頭進光量的控制，使視頻圖像始終保持良好的對比度，從而保證成像畫面的持續清晰。幅值比較電路和電機驅動器任一發生故障，光圈機構將無法按照視頻幅值大小實時控制光圈，當光線增強時，進光量始終保持增大趨勢，此時成像畫面將出現“曝光”現象。鏡頭控制電路工作原理如圖6所示。

3 故障排查

電視攝像機、采集視頻電路、鏡頭控制電路都具有互換性，依據圖3故障樹模型采用排除法進行故障定位，利用性能合格的電視攝像機、采集視頻電路、鏡頭控制電路進行替換排故。更換為性能合格的電視攝像機和采集視頻電路后，導引頭成像畫面依然呈現為曝光現象，更換為鏡頭控制電路后，導引頭成像畫面正常，曝光現象消失，由此判定故障點存在于鏡頭控制電路。通過對鏡頭控制電路組成特點及原理進行分析，認為故障點應與幅值比較電路、電機驅動器相關聯。

如圖7所示，幅值比較電路由6個運算放大器和若干電阻、電容、二極管、可調電位計組成。可調電位計RP1、RP2、RP3通過調整，預設幅值電壓分別為2.5V、0.8V、0.7V。視頻信號通過運算放大器N8A第2引腳輸入，經N8B、N3A、N3B、N2A、N2B等5個運算放大器，與3個預設幅值電壓比較計算后，計算結果分別通過運算放大器N2A第1引腳和N2B第7引腳輸出至電機驅動器L293B的第2和第7引腳。電機驅動器L293B通過第3、第6引腳輸出驅動電壓，驅動光圈電機正轉或反轉，從而控制光圈收縮或打開。鑒于幅值比較電路的組成特點，為定位故障元器件，采用將電視攝像機鏡頭對準室內、室外不同景物或采用燈光遮擋等手段模擬外界照度變化，檢測電機驅動器 L293B第3和第6引腳以及運算放大器N2A第1引腳、N2B第7引腳、N8A第1引腳、N8B第7引腳、N3A第1引腳、N3B第7引腳的輸出信號波形是否隨外界照度變化而變化。檢測結果表明，運算放大器N8A第1引腳、N8B第7引腳、N3A第1引腳、N3B第7引腳輸出信號隨外界照度在0.15～2.8V之間變化，N2A第1引腳和N2B第7引腳的輸出始終保持在0.18V，電機驅動器L293B第3和第6引腳的輸出驅動電壓同樣始終保持在0.35V。由于該驅動電壓過于微弱，無法驅動光圈電機運轉，光學鏡頭進光量得不到控制，視頻圖像無法保持良好的對比度，從而出現曝光現象。由此判定故障器件為運算放大器N2A和N2B，更換同型號運算放大器后，成像畫面曝光現象消失，圖像恢復正常。

4 結束語

該型導引頭成像系統屬于閉環類系統，即外界光線經光學鏡頭和光電傳感器后形成視頻信號，視頻信號經采集視頻電路濾除干擾、初級放大后送至鏡頭控制電路，鏡頭控制電路再依據視頻信號幅值大小控制光學鏡頭進光量，進光量的變化返回影響視頻信號的產生和幅值。因此，整個導引頭成像系統近似于自適應、自調節的閉環系統。針對該類閉環系統的排故和修理是較為復雜的，需要按照信號的產生和流向采用替換法逐層縮小故障排查范圍，再依據電路特點和信號檢測數據實現故障元器件的準確定位。

作者簡介

秦彥君，高級工程師，主要從事光學制導專業的技術研究。

張劍，工程師，主要從事電子元器件、航空裝備修理質量監督管理工作。