（信号与信息处理专业论文）鸽载微型图像侦测系统的论证与设计.pdf

电子科技大学硕士学位论文 摘要 空中图像侦察系统是现代战争中不可缺少的重要装备，本文首先对目前各种 小区域战场侦察系统进行对比分析，在此基础上设计一种全新平台上运行的小区 域战场侦察系统，通过军鸽携带微型电子设备，实现战场侦察，以达到低成本、 易使用、不受地形天气限制地进行小区域战场侦察的目的。 根据系统战术要求设计了两套实现方案，每套方案均包括鸽载部分和地面站 部分。方案一采用模拟通信方式，自行设计微型视频发射机。鸽载部分由微型摄 像单元及视频发射单元和无线遥控接收器组成，地面部分包括放大器、卫星接收 机、存储与显示系统和无线遥控发射器。此方案的体积小，图像传输实时性好。 方案二采用数字通信方式，鸽载部分以c m o s 图像传感器为视频输入设备，利用 d s p 对图像信号进行压缩，压缩后的数据由通信芯片n r f 9 0 5 发送出去，地面站 同样采用n r f 9 0 5 作为通信芯片，通过接口芯片与计算机相连，对传输回来的图 像进行处理及存储。此方案是数字化的，所以便于压缩、加密，安全性高，有利 于地面接收端的后期图像处理。两套方案的鸽载部分是本文介绍的重点，方案一 介绍了c m o s 图像传感器、预加重网络、视频放大、频率调制以及功率放大电路， 而系统方案- n 详细介绍了图像压缩算法以及微控制器a r m 和无线收发芯片 n r f 9 0 5 。 关键字：无线视频传输；微型监测系统；移动通信；图像压缩 电子科技大学硕士学位论文 a e r l a l1 m a g ed e t e c t v es y s t e m1 sa b s o l u t e l yn e c e s s a r ye q u i p m e n ti n m o d e r nw a r t h i st h e s i si n t r o d u c e s d i f f e r e n tk i n d o f l i t t l ea r e a b a t t l e f i e l dd e t e c t i v es y s t e m ，a n dw ed e s i g nan e wl i t t l ea r e ab a t t l e f i e l d d e t e e t i v es y s t e mo nt h i sb a s e w er e a l i z eb a t t l e f i e l ds c o u ta n da c h i e v e s m a i la r e ab a t t l e f i e l ds c o u ta i mw i t hl o wc o s t 、e a s yu s ea n dg e t t i n gr i d o fw e a t h e rr e s t r i c tv i am i l i t a r yp i g e o ns c h l e pm i c r oe l e c t r o n i cd e v i c e b a s e do ns y s t e mt a c t i c s ，t w op r o j e c t sa r e d e s i g n e d ：e a c hp r o j e c t i n c l u d e sp i g e o n c a r r i e rp a r ta n dg r o u n d p a r t p r o j e c to n eu s e sa n a l o g c o m m u n i c a t i o nm o d e ，d e s i g nm i c r ov i d e ot r a n s m i t t e r p i g e o n - e a r r i e ri s c o m p o s e do f 。m i c r op h o t o g r a p hp a r t 、v i d e ot r a n s m i t t e ra n dw i r e l e s sc o n t r 0 1 g r o u n dp a r t i n c l u d e s a m p l i f i e r 、s e c o n d a r yp l a n e tr e c e i v e r 、s t o r a g e 、 d i s p l a ys y s t e ma n dw i r e l e s sc o n t r o lt r a n s m i t t e r t h i sp r o j e c th a ss m a l l s i z ea n d g o o d r e a lt i m e p e r f o r m a n c e p r o j e c t t w ou s e s d i g i t a l c o m m u n i c a t i o nm o d e ，p i g e o n c a r r i e ru s e sc m o s i m a g e s e n s o ra sv i d e o i n d e v i c e ，u s i n gd s pc o m p r e s st h ei m a g es i g n a l ，c o m p r e s s e dd a t ai ss e n do u t b yc o m m u n i c a t i o nc h i pn r f 9 0 5 ，g r o u n ds e tu s en r f 9 0 5a sc o m m u n i c a t i o nc h i p t o o ，u t i l i z i n gi n t e r f a c ec h i pc o n n e c tc o m p u t e r ，p r o c e s sa n ds t o r et h e t r a n s p o r t e di m a g e t h i sp r o j e c tisi nf a v o ro f c o m p r e s s ，e n c r y p t ，s e c u r i t y a n di m a g ed i s p o s a lo fg r o u n dp a r t t h ep i g e o n c a r r i e ro ft w o p r o j e c t sw i l l b ei n t r o d u c e de m p h a t i c a l l y p r o j e c to n er e c o m m e n d sc m o s i m a g es e n s o r ， p r e w e i g h tt e c h n i q u e ，v i d e om a g n i f y ，f r e q u e n c ym o d u l a t ea n dp o w e ra m p l i f y c l r c u l t ，b u tp r o j e c tt w oi n t r o d u c e si m a g ec o m p r e s s i o na r i t h m e t i c m i c r o c o n t r o l l e ra r ma n dw i r e l e s st r a n s c e i v e rn r f 9 0 5i nd e t a i l k e y w o r d s ：w i r e l e s sv i d e ot r a n s m i s s i o n ；m i c r od e t e c t i o ns y s t e m ；m o b i l e c o m m u n i c a t i o n ； i m a g ec o m p r e s s i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得电 子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示 谢意。 签名： 整! 垒日期：啪f 年f 月多日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名： 旦圭坠 导师签名： 日期：辨年厂只 易q 扫 i 哆日f 电子科技大学硕士学位论文 第一章项目的提出 现代战争对战场信息的获取要求非常高，常常通过卫星、高空侦察机、现场 单兵侦察等多种手段进行全方位、全时段、多角度的各种形式的侦察。各种各样 的空中图像侦测系统成为信息化战争中不可或缺的重要装备，它们主要负责对战 场信息的及时获取、分析、处理、快速反应任务。目前空中图像监测手段主要有 电子战飞机、高空无人机和卫星等，其要获取的是大区域、全景式的战场各要素 的信息。战前、战争过程中，如此获得的大量的高空图像资料( 如卫星图片、无 人机图片等) 成为作战决策之重要参考。现代战争中因为技术发展较快，指挥员 对战争各要素控制的能力相对以前大大增强，垂直指挥向垂直与扁平指挥结构相 结合的趋势不断发展，敌对双方战前临时变阵的可行性也越来越大，所以常常在 具体作战行动前的较小时间空隙里，可能还有对具体行动的目标进行确认、与资 料对比等要求，有时可能仅仅是对战场上某一区域进行确认性的侦察。相比之下， 无人机、卫星战略上应用有巨大的优势，但无人机可能会因为战场前端双方太接 近、易于被发现、成本太高等原因受到限制，而卫星则可能因为不能随时调度、 敌方不顾国际原则进行干扰等原因而不能及时派上用场。此时需要有一种便于随 时使用而不易被对方发现的载体搭载微型电子设备进行中低空中近距离图像侦 察。这方面的应用系统还很少，目前军内也有相关单位进行此方面的研究，总装 下属某地炮单位研制成功将小型图形图像侦测设备做在特制弹头里进行战场特 定区域的侦察系统，利用炮弹自旋和发射后到达预定区域上空坠落时有一定的时 间间隙进行侦测并发回数据。 本项目试图适应区域战场实时侦测这一需要，通过对军鸽特性进一步充分研 究和利用，与微型电子设备结合，通过携带微型电子成像与通信设备，与地面接 收机形成鸽载微型战场侦察系统，对战场进行小区域实时的非常隐蔽的图形图像 侦察。此系统不仅具有很好的隐蔽性、灵活性和移动性，而且成本极低，在战争 中可根据需要对各种目标和地区进行监控，获得有用信息。该设备由于体积小、 重量轻，不仅用于搭载在军鸽上，也可搭载在风筝、气球、模型飞机等设备上； 不仅在军事应用方面可以一展身手，也可在民用方面也有着广阔的应用前景。 电子科技大学硕士学位论文 第二章可行性论述 2 1 军鸽的飞行特性 2 1 1 强烈的归巢性 大多数鸟类都有较强烈的归巢特性，有的鸟能够进行从北极至南极的定期迁 徙。在人们常常接触的飞行鸟类中，信鸽是最易驯化的。信鸽有十分强烈的归巢 性，不论在何处放翔，均作归巢方向的飞行。经过一定驯养规程驯养的军鸽目前 最远飞行记录是空距2 7 5 0 k m ；地方近年信鸽比赛中有3 0 0 0 多公里空距的好成绩。 一般驯养条件下军鸽可以具有1 0 0 至2 0 0 公里的归巢能力，经初选种系优良的军 鸽即使在完全只养不训的情况下在陌生区域群翔时也可达到8 0 至1 0 0 公里。这 就为我们运用军鸽的飞行轨迹提供了可掌握性和可预测性。 2 1 2 放飞地的盘旋与定向 信鸽在异地放翔后均要在放翔地上空1 0 0 米至2 0 0 米高空进行盘旋通常5 至 1 0 圈，藉此确定方向。放飞地愈陌生、离巢距离愈远，盘旋飞行的时间愈长。 这种特性为我们提供了可利用的时间和高度。 2 1 3 较快的飞行速度和一定的负重能力 信鸽两翼较发达，善于飞翔，飞行速度较快，距离远，时间长，不易受天气、 地形干扰。训练有素的军鸽，在正常情况下可负重3 0 - 6 0 克，时速可达8 0 公里。 顺风时飞行时速能达1 2 0 公里，逆风时也能飞至时速4 0 公里。一天能连续飞翔 6 至8 小时。我们军鸽队有一羽足环号为8 0 8 8 9 6 1 1 0 的军鸽，1 9 8 2 年从上海飞 回，空距2 1 5 0 k m ，历时2 1 天，其飞翔能力可见一斑。这特性可以确保我们可以 用其绑附一定的微型装备进行一些通信方面的应用，进行较为及时的侦测、通信 与抗干扰等活动。 2 1 4 较强的环境适应能力 信鸽有较强的环境适应能力，可以在零下5 0 摄氏度至5 0 摄氏度的气温中生 活，可以在l 万6 千米高的飞行器上进行高空放飞。信鸽对饲养条件要求较低， 2 电子科技大学硕士学位论文 能够在全国各地进行驯养和利用。通过选种和专门科目的训练，还可以打破自然 界绝大多数鸟类昼行夜歇的规律，发展夜间通信鸽，即使夜间也可以进行军鸽放 翔。这就使得一旦此项目研制成功，其应用将不受天气、地形、地理位置、时段 等限制，可以在任何时候用于全国各个地方。 2 2 姿态与空间覆盖问题 2 2 1 水平方向上的覆盖 因为军鸽在放飞后作盘旋飞行，且它的盘旋轨迹并不是同心圆，所以其水平 方向上借助其盘旋实现3 6 0 度的全方向覆盖。如图2 1 所示。 7 摩礤宠觑霉蔫 图2 1 2 2 2 垂直方向上的覆盖 考虑到如果在鸽载机上设计实施姿态控制电路与机械部分，会令其重量严重 超过战技指标要求；机械部分的引入，同时会令鸽载机的可靠性大为下降，所以 不考虑设计姿态控制与相应的机械部分。那么在不考虑姿态控制的情况下如何实 现其在垂直方向的覆盖呢? 我们初步考虑通过放翔时为每羽军鸽设定因定的垂 直方向上的镜头角度，不同角度的军鸽分几次放翔，从而实现垂直方向的覆盖。 设镜头的有效角度为a 。，垂直线指向地面为0 。起点。那么第一羽军鸽所携机 器的镜头中线固定在a 。2 处，第二羽军鸽所携机器的镜头中线固定在3o 。2 处，如此直到覆盖到9 0 。，实现垂直方向上的覆盖，如图2 2 所示。 电子科技大学硕士学位论文 图2 2 2 3 电子设备的可行性 按信鸽可携带的重量计，6 0 克重的携带量，相应重量的微型电 子设备可以进行中低分辨率的摄像、照相与传输；地面设备进行接收、 处理与续传。详细设计预案见后面各章节。 2 4 鸽载微型图像侦测系统的战技术性能 根据预设的战场应用，此系统分为两个部分：鸽载机和地面机。鸽载机负责 摄相、图像压缩和射频发射；地面机进行数据的接收、处理与显示。 2 4 1 鸽载机部分 1 整机作战重量不大于6 0 克( 包括电池重量) 。 2 射频发射功率：l o d b m 3 射频波段：方案一l 频段，1 2 g h z ；方案二i s m 频段，4 3 3 8 6 8 9 1 5 岫z 4 电池供电时间：2 0 分钟以上。 2 4 2 地面机部分 地面机部分包括接收、图像处理和显示部分，考虑到整机重量应当便于单兵 携带，所以图像处理与显示采用笔记本电脑来进行，而且目前的笔记本电脑有充 足的硬盘空间来存储图像数据。 4 电子科技大学硕士学位论文 第三章国内外相关平台的情况及对比分析 目前，国内外各部队都对小区域战场的侦察重视有加。对战场的空中电子侦 察能力也随着科学技术的发展而逐渐提高，逐步实现了从高空到低空、从战略侦 察到单兵机动实时侦察的发展。目前，对战场小区域实时侦察主要的侦察平台是 各型无人侦察机，特别是近年来发展迅速的微型无人侦察机系统，配置到单兵， 实现实时情报搜集。 3 1 国内外无人机的情况”1 美军微型无人机研究计划从1 9 9 2 年提出，经过大量的人力物力的研究，到目 前d a r p a 的微型无人机计划已初见成效，现在有4 种微型无人机正在进行飞行试 验。其中最为成功的是桑德斯公司研制名叫“微星”的固定翼微型无人机，尺寸 为1 5 厘米，重8 5 克，最大负载1 5 克。它携带的昼夜摄像机及发射机可向士兵 传送信息，目前士兵用2 7 公斤重的笔记本电脑作为地面站，最终目标是把地面 站装在一个手持式的装置中。 日本于2 0 0 4 年9 月份开发成功当今世界上最轻的微型无人机“ufr i i ”。 该机采用二重反转式螺旋桨，可以按照程序设计路线自主飞行，携带微型摄像机 并可以将拍摄到的画像情报迅速传送回基地。该机直径1 3 6 毫米、高8 5 毫米、 自重1 2 3 克，可持续飞行3 分钟。今后其飞行时间将得到延长。该机未来将主 要担负室内恐怖活动发生时或核灾害场所的情报收集任务。( 见图3 1 ) 图31 以色列“鹰苍鹭”无人机是一种中空、长航时无人机，飞行航程在1 0 0 0 公里 以上，飞行高度达2 5 0 0 0 英尺( 7 5 7 5 米) ，续航时间超过2 4 小时。这种无人机能 电子科技太学硕士学位论文 够提供实时的情报。此外这种无人机还能自动起降，拥有整合的任务计划能力和 传感器技术，并能同时携带各种有效载荷。这种无人机造价约4 5 0 万美元一台。 以色列飞机工业公司制造的“小乌”和“间谍”微型无人侦察机，“小鸟”总重 量1 3 公斤，一名士兵便可以携带和发射，他通过点击笔记本电脑上的坐标控制 飞机。飞机的飞行距离为5 公里。“间谍”的体积略微大一些，由两名人员操纵， 飞行距离是“小鸟”的两倍。这两种无人侦察机在传回照片的同时，可以飞行一 个小时。以色列飞机工业公司还展示了两种微型侦察机“蚊子”和“蚊子”1 5 版本的原型，它们分别重2 5 0 克和5 0 0 克。“蚊子”装备有微型摄像机，已经 成功地进行了几次4 0 分钟的试验飞行。 新加坡也于2 0 0 4 年研制成功一种名为“扇尾鸽”的微型无人驾驶侦察机，这 种侦察机尾部像扇子，与扇鸽相似，所以取名为“扇尾鸽”。它设计独特，其旋 翼螺旋桨四周装有保护罩，不像直升机那样，螺旋桨碰到障碍物就会导致整个飞 行器坠毁。这种侦察机高约7 0 厘米，加入油料后的重量介于2 至l o 公斤之间。 它可垂直升降，不需要跑道，能在包括大厦顶部及停车场等多种场地起降。起飞 后，它可根据需求横向飞行，最高时速可达1 3 0 公里，航程在3 0 至4 0 公里之间， 飞行高度可达1 5 0 0 多米，最长滞空时间为l 小时，且不受气候条件影响，即使 在大风中也能保持平衡。 我国由航天科技集团北京空气动力研究所研制的国内最小的无人侦察机体积 小，最小的只比人手掌大一点，具备摄影、实时传输图像、电子干扰等功能。目 前我军大量列装的a s n 1 0 5 b 型无人侦察机主要用于空中侦察。它能够在战场上 层空域飞行，留空时间较长，可以进入战场纵深地带进行实时监控以及情报收集。 其导航系统由g p s 和g l o n a s s 组成，以确保精确定位。a s n 1 0 5 b 采用火箭助推 器发射，降落伞回收。a s n 一1 0 5 b 全长3 7 5 米，翼展为5 米，全高1 4 米，最 大起飞重量1 7 0 千克，最大有效载荷4 0 千克，最大水平速度2 0 0 千米小时， 升限6 0 0 0 米。a s n - 1 0 5 b 的续航时间可达7 小时，在2 0 0 0 米高度时的活动半径 为1 5 0 于米。a s n 一1 0 5 b 的机载设备可以选装多功能光学稳定平台、电视摄像 机、红外扫描仪、微光电视摄像机、分幅照相机、全景摄影机、航空视频记录器。 另外，我军也大量列装a s n 一1 5 轻型无人侦察机，机上可装c c d 摄像机，胶片摄 像机，实时视频传输系统，飞机最大水平速度为9 0 千米i j , 时，高度5 0 一5 0 0 米， 续航时间6 0 分钟 6 电子科技大学硕士学位论文 对比分析：从上述简单资料来看，目前，我国因为电子技术上不如国外，制造 技术上的落后，在微型无人机领域无论是在体积上，还是在性能上，还有不少差 距，更为重要的是，涉及到微型机械制造，我们的制造成本可能会制约我们大批 地普遍的使用。微型无人机系统无疑在可靠性、易操控性、有效载荷等方面远远 胜于鸽载微型电子侦察系统，但并不说明在我军没有必要发展鸽载系统。鸽载系 统的可靠性可以通过数量上的加强来提高，详见后面论述。 3 2 国内外相关产品的分析 生产微型无线视频传输系统的公司有很多。我们重点考察了台湾百特公司、 武汉先锋电子、北京真美视听技术、美艾达( 上海) 有限公司等几家公司的产品， 其主要产品的发射部分比较如表3 1 所示。 表3 1 几种微型无线视频系统发射部分比较表 发射传输 型号公司工作频率重量 功率距离 百特超微型2 0 0 m w百特 1 2 g2 0 0 m w3 0 0 m l o 克 百特7 0 0 m 1 v百特 1 2 g7 0 0 m w7 0 0 m5 5 克 3 5 公 a 0 1 8 2 6 9 7 9武汉先锋1 2 g 2 4 g3 w 3 2 0 9 田 b 1 4 1 6 4 4 3 3武汉先锋1 2 g 2 4 g3 w3 公里 3 2 0 9 真美r 0 8北京真美 1 2 g2 0 0 m w1 0 0 米 重量较轻 飞彩a va n y w h e r e美艾达 2 4 g1 0 m w9 1 米 重量较重 由上表可看出：大多数公司生产的微型视频发射部分通常体积太大，重量太 重，如果直接引进，应用在本系统中，其重量将超过军鸽负担的极限，其功耗大 或系统通信距离较近，不能满足鸽载微型电子系统的战技性能要求。所以根据鸽 载微型电子设备的战技性能要求，需要另行特别设计系统的各个单元。 通过对收集相关资料进行现有技术的分析，对比可能采用的通信频段、通信 体制等，根据系统的战术要求可采用两套系统实现方案。方案一采用模拟通信方 式，自行设计微型视频发射机。鸽载部分由微型摄像单元及视频发射单元和无线 遥控接收器组成，地面部分包括放大器、卫星接收机、存储与显示系统和无线遥 7 电子科技大学硕士学位论文 控发射器。此方案的体积小，图像传输实时性好。方案二采用数字通信方式，鸽 载部分以c m o s 图像传感器为视频输入设备，利用d s p 对图像信号进行压缩，压 缩后的数据由通信芯片n r f 9 0 5 发送出去，地面站同样采用n r f 9 0 5 作为通信芯片， 通过接口芯片与计算机相连，对传输回来的图像进行处理及存储。此方案是数字 化的，所以便于压缩、加密，安全性高，有利于地面接收端的后期图像处理。综 合比较，本文采用系统方案二来实现无线图像的传输。 电子科技大学硕士学位论文 第四章无线通信距离 4 1 影晌无线通信距离的主要因素。1 图4 1 是一个无线通信系统的信道模型，在工作频率固定的前提下，影响工 作距离的主要因素包括发射功率、发射天线增益、传播损耗、接收天线增益、接 收机灵敏度等，通过加大发射功率，提高天线增益，提高接收机灵敏度均起到提 高通信距离的作用， 在影响无线通信距离的以上几个因素中，作为设计者可以控制的因素有： 接收灵敏度 r x 一天线增益 t x 一天线增益 发射输出功率 作为设计者不能控制的因素，以下这些因素是由无线电波的特点所决定的， 无法由设计者改变及选择： 传输损耗 路径损耗 多径损耗 周围环境的吸收 传输损耗包括自由空间损耗和其他传输损耗，所谓自由空间传播系指天线周 围为无限大真空时的电波传播，它是理想传播条件，自由空间传播损耗与距离和 工作频率有关。下面的公式说明在自由空间下电波传播的损耗： l o s ( d b ) = 3 2 4 4 + 2 0 1 9 d ( k m ) + 2 0 1 9 f ( m h z ) l o s 是传播损耗，单位为d b ；d 是距离，单位是k m ：f 是工作频率，单位是 m h z 。 由上式可见，自由空间中电波传播损耗( 亦称衰减) 只与工作频率f 和传播 距离d 有关，当f 或d 增大倍时， l o s 将分别增加6 d b 。 9 电子科技大学硕士学位论文 为实现远距离传输，首先应计算整个传输链路的接收功率p r ( d b m ) 其公 式为： e = # + ( g f + g 力一犯口+ 三一) 一2 0 1 9 ( d k r 0 2 0 1 9 ( f m h 2 i 一3 2 4 5 ( 4 1 ) 其中，p 。为发射功率( d b m ) ，g ，、g ，分别为发送和接收天线的增益( d b i ) ，l 。 l f r 分别为发送和接收天线馈线的损耗( d b ) 。 这是理想状况下的传输距离，实际的应用中是会低于该值，这是因为无线通 信要受到各种外界因素的影响，如大气、阻挡物、多径等造成的损耗，所以在通 信距离估算中必须考虑功率余量。工程上为适应传输环境的变化，保证正常通信， 一般要求功率余量在1 5 2 0 d b 左右。 4 2 加大功率提高通信距离 在设计者可以控制的因素中，接收灵敏度、天线增益、发射功率都是可以作 为提高通信距离的手段，通常设计者会考虑采用加大发射功率的方式来提高通信 距离，但这不是一个好的办法。有的设计者考虑到加大发射功率可以提高通信距 离，但是没有考虑到其他不理想的因素： ( 1 ) 加大功率后，带来高电流消耗。由于功率放大器的转换效率较低，这 对于便携设备是非常不利的。 ( 2 ) 增加系统的成本。由于是采用加大功率的方式，所以需要增加l n a ( 低 噪声放大器) 、p a ( 功率放大器) 、t r ( 收发转换开关) ，这些部分大约需要增 加4 0 多个元件，会增加较高的成本，发射功率可能只增加一点，功耗增加很大， 达数百毫安以上。 ( 3 ) 无线电噪声 由于加大功率会产生较大的谐波干扰和噪声，并会对通信造成其他影响，反 而会影响通信距离。 4 3 采用高增益天线提高通信距离 用高增益天线来提高距离具有以下优点：( 1 ) 集成天线，体积较小；( 2 ) 成 本低于采用增加功放的方式；( 3 ) 与其他方案相比简单；( 4 ) 无需增加额外的功 1 0 电子科技大学硕士学位论文 耗和增加外围元件。 综合考虑以上几种因素，我们考虑采用高增益天线来提高通信距离，下面将 举例说明： 发射和接收芯片选用n r f 9 0 5 ，它的发射功率为1 0 d b m ，接收功率为 1 0 0 d b m ，发射端天线采用r f 9 0 0 r s ，增益为2 d b i ，接收端天线采用r f 一 9 0 0 1 8 0 0 s 1 6 ，增益为3 d b i ，或者采用t q j 0 8 0 9 w 6 a ，增益为6 d b i 。 ( 1 ) 采用内置天线 f ：8 6 8 m h z o p 。：1 0 d b m o p r ：1 0 0 d b m * g t ：1 d b i o g r ：3 d b i 或6 d b i 发射端天线采用内置天线，型号为t c a l 4 a ，增益为l d b i ，因为设计的方 案没有接收和发射天线的馈线，所以不考虑g ，和g ，并且我们考虑功率余量为 2 0 d b ，若接收端天线采用r f 一9 0 0 1 8 0 0 s 1 6 ( 增益为3 d b i ) ，由公式( 4 1 ) 计 算得到通信距离d 为1 3 7 7 k m ，若接收端天线采用t q j 0 8 0 9 w 6 a ( 增益为6 d b i ) 计算得到通信距离d 为1 9 4 5 k m 。 ( 2 ) 采用外置天线 f ：9 1 5 m h z p 。：1 0 d b m p r ：1 0 0 d b m g - t ：2 d b i o g r ：3 d b i 或6 d b i 发射端天线采用外置天线，型号为r f 一9 0 0 r s ，增益为2 d b i ，不考虑g 。 和g ，并且考虑功率余量为2 0 d b ，若接收端天线采用i u 一9 0 0 1 8 0 0 s 1 6 ( 增益 为3 d b i ) ，由公式( 4 1 ) 计算得到通信距离d 为t 4 4 9 k m ，若接收端天线采用 t q j 0 8 0 9 w 6 a ( 增益为6 d b i ) 计算得到通信距离d 为2 0 7 1 k m 。 电子科技大学硕士学位论文 第五章系统方案一设计 本方案鸽载部分拟自行设计微型视频发射机，采用模拟传输方式，设计体积 小，功耗较低，可实时传输图像。 根据系统战术技术要求，考虑到鸽子的大小，导致其允许的带负载能力有限， 因此，在保证系统工作要求的前提下，如何降低鸽子的负载系统的电力消耗、重 量、尺寸等是系统设计的关键。 整个系统的组成框图如图5 1 所示。 l i l l 计算机视额 地面部分l 视频存储 图5 1 鸽载微型摄像系统总体框图 整个系统由鸽载部分和地面站两部分组成。其中，鸽载部分包括微型摄像单 元及视频发射单元，以及无线遥控接收器，地面部分包括线路放大器、卫星接收 机、视频存储与显示处理系统等以及无线遥控发射器。与传统的摄像及传输系统 相比，该系统的鸽载部分采用了集成度高、耗电低的电子元器件，并实现了微型 化。 该系统通过装备在鸽子上的微型摄像头拍摄地面的情况，并由视频发射机将 视频信号实时发送回地面，从而实现对鸽子所飞过地区的进行实时图像侦察，并 且如果有必要，地面站通过无线遥控发射器控制鸽载设备的启动和停止。 5 1 鸽载系统 5 1 1 鸽载部分的微型摄像单元 鸽载部分的微型摄像单元完成图像的采集工作。本系统采用彩色c m o s 图像传 感器。与常用的c c d 图像传感器相比，其工作电流通常只有后者的1 1 0 ，从而大 大降低系统的电力供给要求。c m o s 图像传感器在制作工艺上借助v l s i 技术，采用 c m o s 工艺，集成度高，理论上，所有图像传感器所需的功能，例如垂直位移、水平 位移暂存器、时序控制、c d s 、a d c 等，都可集成在一块晶片上，甚至于所有的晶片 1 2 电子科技大学硕士学位论文 包括后端晶片、快闪记忆体等也可整合成单晶片，以达到降低整机生产成本及缩 小体积的目的。所以c m o s 图像传感器具有集成度高、体积小，功耗低，外围电路 简单，价格便宜等优点。随着c m o s i 艺的发展和完善，c m o s 图像传感器必然在更 多的领域得到应用，尤其是对功耗和尺寸要求较高的微型摄像、隐蔽式摄像和便 携式摄像方面有着显著的优势。 目前c m o s 图像传感器可分为无源像素传感器( p a s s i v e p i x e l s e n s o r ，简称 p p s ) 和有源像素传感器( a c t i v e p i x e l s e n s o r ，简称a p s ) 。由于c m o s 图像传感 器的制造技术与c m o s i 艺完全兼容，因此具有较高的集成度。一般由感光阵列、 驱动电路、信号处理电路、a d 转换电路等部分组成。c m o s 图像传感器的总体结 构框图如图5 2 所示。 图5 2c m o s 图像传感器的总体结构框图 目前c m o s 图像传感器的感光阵列一般采用了有源象素传感器a p s ( a c t i v e 2 p i x e ls e n s o r ) 技术，即在每一个光敏元内集成一个或多个放大器( 有源 器件) ，使每一电信号在光敏元内就得到放大，使c m o s 图像传感器灵敏度得到提 高，并具有良好的消噪功能。水平控制和垂直控制信号依次选通光敏面中的每一 行和列，读取各个光敏元的电信号。接通偏压的过程也是电信号的读取的过程， 因而信号的读取速度较快。c m o s 图像传感器的时序电路产生各种驱动和控制脉冲 信号处理电路集成了自动增益控制( a g c ) 、自动曝光控制( a e c ) 、自动白平衡 ( a w b ) 、伽玛校正、背光补偿和自动黑电平校正等电路，有的还集成了彩色矩阵处 理电路和全电视信号编码器，可输出标准的n t s c 或p a l 制式的全电视信号和数字 图像输出，片上功能可通过1 2 c 总路线控制或三线制方式控制。 本系统采用的彩色c m o s 图像传感器。它具有3 8 0 线的水平解析度，配备有视 角为1 7 1 。的镜头，摄像头的外围尺寸为1 5 册1 5 m m 1 5 r a m ，质量5g ，工作电 1 3 电子科技丈学硕士学位论文 流3 0 m h ，5 1 2 v 直流供电，有完备的编程1 2 c 总线控制，可进行色彩饱和度、图像亮 度的自动调节，输出为彩色p a l 匍 式的全电视信号。 5 1 2 鸽载部分的视频发射单元 视频信号发射单元是本系统的核心部分。为了满足系统的低成本、实时和小 型化的要求，我们选取模拟方式传送图像。本系统的微型视频发射机电路原理如 图5 3 所示，包括预加重网络、视频放大、频率调制、功率放大、滤波和发射天 线。 图5 3 视频发射机电路原理图 在调制方式的选取上，虽然幅度调制的带宽效率最高，但频率调制提供了很 高的抗噪声性能和功率效率，而且发射机和接收机都较容易实现，结合本系统的 特点，对幅度调制和频率调制的优缺点进行了综合考虑，选用了频率调制方式。 通信频段采用微波通信的l 频段。微波通信具有容量大、传播较稳定、受外 界干扰小、传输距离远等优点，但在微波频段，由于频率很高，电波的绕射能力弱， 所以信号的传输主要是利用微波在视线距离内的直线传播，又称视距传播。 整个鸽载单元设计射频频率为1 2 0 g h z ，质量不超过6 0 9 ( 包括天线和摄像 头、，电池工作时间为2 0 分钟以上。 5 1 2 1p a l 制式的视频信号 微型c m o s 摄像头输出为标准的p a l 制彩色视频信号。c c l r 规定p a l 全电视 信号一般为6 2 5 行，5 0 场，行频矗= 1 5 6 2 5 h z ，带宽为6 m h z ，标准幅度为1 v p p ， 有一o 3 v 的行同步头，有0 3 v 的4 4 3 m 色同步头，有+ o 7 v 的等幅、2 0 0 k 6 m 的扫描图像信号。它的时域图如图5 4 所示，所占用的频谱分布如图5 - 5 所示。 从彩色视频信号的频谱分布可看出，亮度信号能量主要分布在以行频及其各次谐 波频率为中心的较窄范围内，集中在视频频带的低端，色度信号能量主要分布在 副载波f s c 、f s c + n f 。及f s c n f h 处( n 为正整数) ，集中在视频频带的高端( f s c 附近) 。 电子科技大学硕士学位论文 图5 - 4p a l 视频信号的频谱 图5 - 5 彩色p a l 视频信号的频谱分布 5 1 2 2 预加重网络 在频懒中，解调器籼t ：熹珈击砉盼慨， 解黼输出的噪声撼科3 警料2 z ， 只l j 其中品是接收机输入端载波功率，r 是噪声系数，t 是温度参数，k 为比例系 数，b 为调频波的带宽，兀为调制信号的最高频率，f 是调制信号的最大频率 偏移。 由式( 5 1 ) 可以看出，在调制指数m ，：竽一定的情况下，越高，输出信噪比 越低，即调频信号解调后恢复的视频信号其信噪比在各个视频频率上是不同 电子科技大学硕士学位论文 的。由式( 5 2 ) 可知，基带内调频热噪声电压随调制信号频率 而增加。综合 ( 5 1 ) ( 5 2 ) 式可得，在基带信号的高频端热噪声最大，信噪比最低：在基带低频 端热噪声最小，信噪比却过于富裕。为了使基带内信噪比分布得均匀一些，采用 预加重和去加重技术。 预加重是在调制器前按入一个预加重网络，将调制信号电平人为地倾斜，使 高频端提高，低频端压低。调频信号经过传输，到接收端解调以后，在视频信号 通道内，高频端信噪比的就得到了改善，而低频端的信噪比则被降低，信噪比的 分布就比较均匀。 预加重网络的电路图如图5 - 6 所示：t e r m l ，t e r m 2 是预加重网络的输入输出 阻抗，它的输入阻抗正好与彩色c m o s 摄像头相匹配，为7 5 q 。 图5 - 6 预加重网络的具体电路 预加重网络的正向传输特性即功率增益如图5 7 所示：将输入信号电平倾斜， 使高频端提高，低频端压低。m 5 点为设的中心频率点，m 6 点为视频信号的副载波， 在这一点上，色度信号的幅度之最大。 m 6 盎 8 1 喜 蕾 q f k q ，h z 图5 7 预加重网络的特性 1 6 曼 n h h 抽 电子科技大学硕士学位论文 为了使高、低频端的调制信号电平恢复到原值，在解调器输出端还要接入 个去加重网络，其特性正好和预加重特性相反。调制信号经预加重和去加重网络 后频谱分布仍维持原状，但由于去加重网络对信号和噪声都起作用，解调后经去 加重网络，高频端的输出噪声有所下降，因此去加重后高频端信嗓比有所改善， 使整个输出信噪比有所改善。由于接收端使用的卫星接收机内部已有了去加重网 络，这里就不对去加重网络进行设计了 5 1 23 视频放大 从视频信号的频谱分布可看出，亮度信号在最低频率时幅度最大，色度信号 在副载波处幅度最大，它们经过预加重电路会产生衰减，亮度信号衰减的较大， 色度信号衰减的较小，所以直接将预加重电路输出的信号加在变容二极管上，会 造成压控振荡器的频偏太小，不能对满足对视频信号调频的要求。因此必须加一 个视频放大电路，提高视频信号的幅度。由于亮度信号在传输中允许一定的衰减， 所以视频放大电路以放大高频信号为主。经过预加重仿真可得出，在副载波处， 色度信号的幅度衰减为4 8 0 m y ，幅度较小，所以需经过视频放大电路，使它的输 出幅度值约为1 v ，才能满足系统对视频信号调频的要求。具体的视频放大电路 图如图5 8 所示。 图5 - 8 视频放大电路图 由于是微小型系统，功耗甚为重要，所以图中r 1 和r 2 的电阻要设计的大些， 防止直流信号和交流信号在它们上的损耗，减小电路的功耗。图中l l 和c 5 是为 了防止交流信号对直流电源的干扰和直流电源纹波对放大电路的干扰。整个电路 1 7 电子科技大学硕士学位论文 的输出电压波形如图5 - 9 所示。输出电压的峰峰值约为1 v ，满足系统对视频信 号调频的要求。图中信号有一个直流分量是因为a d s 软件设计的原因，信号通过 电容时，会对电容进行充电，这时会产生直流，经过一段时间，电容充完电，信 号就没有直流分量了。 慨i l e 图5 - 9 视频放大电路的输出波形图 5 1 2 4 频率调制 基于鸽载的微型视频发射单元对调频方式有如下几个要求：a ) 视频信号带 宽较大，因此要有比较大的调制频偏。b ) 图像信号对线性度的要求比较高，否 则很容易发生图像的畸变和扭曲。c ) 电路简单，尺寸质量等都必须符合微小型 的要求。考虑到以上几个因素，可以选用简单、容易实现的直接调频方式。 直接调频法是用调制信号直接控制振荡器的频率，使振荡频率跟随调制信号变 化，如图5 1 0 所示。其工作原理为，直接调频电路就是一个振荡器，其振荡频 率取决于电路中的电抗元件l 和c 的数值，用调制电压控制某个电抗元件的值就 可以控制振荡器的频率本系统采用受控的电抗元件为最常用的变容二极管。 图5 1 0 直接调频法 1 8 电子科技大学硕士学位论文 本系统采用的是带调谐回路的振荡器，以变容二极管为受控的元件调谐振荡 频率。 压控振荡器的主要性能指标如下： 1 ) 频率范围：v c o 受控可变的最高频率厶。与最低频率丘之差。本系统接收 机的接收频率为9 5 0 2 1 5 0 m h z ，接收天线的频率为t 1 2 0 1 2 0 0 m r z 。所以只 要发射端的频率在此频率范围即可。 2 ) 线性度：理想的压控特性应该是线性的。所以对于变容二极管为可控元件的 v c o ，要求在输入电压变化的范围内，变容二极管的电容值近似为线性。 3 ) 压控灵敏度4 ：也称为v c o 的增益，它表示单位控制电压所产生的频率变化 量，单位为h z v 。 4 ) 调制带宽：v c o 的调制带宽定义为允许控制电压变化的最大速率。调制带宽 越小越好，只要它能满足振荡器有用频偏的要求。因为这样可以使振荡器的 非线性失真以及中心频率偏移均很小，使它中心频率稳定度加大“”。本系统 要求振荡器的有用频偏大于8 i h z ，所以调制带宽也要大于8 m h z 。 5 ) 工作电压：v c o 的工作电压和控制电压都应在系统所提供的电源电压范围内。 噪声：噪声性能是振荡器一个很重要的指标。v c o 从它的控制电压输入端或 电源端都可能会受到干扰而形成噪声，因而在电路设计上应采用各种减少噪声的 方法。 5 1 2 4 1r 、l 、c 元件的选择 在高频v c o 中，对于电容、电感、电阻的选取，除了满足耐压及功率要求外， 还要根据它们在电路中的作用进行选择。对于充当谐振器件及高频通路的电容、 电感，要选择封装小的，q 值高的，以减小寄生参量及损耗。对于隔直电容，要 考虑到它的损耗，不能选择电容值大但损耗也大的电容，当然也不能选容值过小 的电容。对于扼流电感，要考虑到它的自谐振频率，要选封装小的，自谐振频率 高且满足要求的，电感值也满足扼流要求的电感。对于电阻，小封装、阻值及功 率满足要求即可。 5 1 2 4 2 晶体管的选择 在v c o 设计中，有源器件的选取是非常重要的，不同的晶体管的特性不同， 适用的频率范围也不同，也就是有功率增益的频率范围不同。一般来说，硅结型 场效应管( j f e t ) 适用频率范围较射频b i t 低，而射频b t t 的频率适用范围又较 砷化镓场效应管( g a a s f e t ) 低，但硅7 f e t 的f c 频率最低，约为5 0 h z 高一些， 1 9 电子科技大学硕士学位论文 射频b j t 次之，约为卜i o k h z 或高一些，g a a s f e t 的最高，约为1 0 一i o o m h z 。它 们的噪声系数也各不相同，一般来说f e t 的噪声系数