引言

與常規光強度成像探測技術相比，偏振成像偵察技術在識別偽裝目標、目標細節特征獲取、抑制大氣背景噪聲和提高目標探測距離等方面具有明顯優勢。由于受到大氣、環境等因素的影響，對惡劣環境下的遠距離目標成像中的常規光強度成像方式存在探測距離近、識別偽裝效果差、去霧能力弱等不足，難以適應現代戰爭作戰要求，急需研究新的成像偵察技術，以提高惡劣環境下遠距離目標的信噪比，加大探測距離，實現對目標的有效偵察。

本文設計的系統主要解決電控變焦、多偏振方向快速準確定位、長焦偏振光學系統設計等關鍵技術問題，研制多光譜偏振成像偵察系統，應用于遠距離目標的偵察。

1 系統組成及工作原理

該系統由微控制器、圖像采集、串口通信、圖像處理和上位機顯示等幾部分組成，如圖1所示。

本設計以單片機為主控芯片，以PC104平臺為上位機，完成電子對焦、調焦、變光圈、數據處理、顯示、通信等功能。系統的工作流程如下：首先，在系統開機時設定系統的工作方式；然后，通過操作面板上的變焦、對焦和變光圈的控制按鈕，輸入給單片機，單片機對變焦電路進行控制。同時，通過通信電路發送曝光時間調整命令至PC104，對曝光量進行調整，通過顯示模塊顯示當前相機狀態；當偏振圖像符合要求時，通過操作面板上的圖像處理和保存功能將采集和處理的數據通過存儲電路存儲到16 GB的FLASH中。

1．1 PC104模塊

PC104嵌入式計算機誕生于20世紀80年代末，1992年被正式接納為IEEE P996．1標準。它在90 mm×96 mm的規格上集成了，PC的大部分功能，一方面繼承所有PC資源，另一方面又對普通PC加以改革和重新規劃，具有體積小、功耗低、工作溫度寬、可靠性高等特點以及系統抗振性強、支持帶電拔插、可維護性高、支持后I／O板走線、方便配線、散熱性好、電氣特性更好等優點，適合嵌入式控制領域，被大量用于車載系統、機載設備、電力控制、醫療儀器、智能交通、通信設備、視頻監控、軍用電子裝備等領域。

1．2 RS 232串口通信標準

RS 232由美國電子工業協會(EIA)制定，是目前應用最廣泛的異步串行通信標準總線，已成為數據終端設備與計算機和數據通信設備的接口標準。該標準適用于數據傳輸速率在0～20 Kb／s范圍內的通信，是PC機與通信工業中應用最廣泛的一種串行接口。其工作電平規定如下：對于數據信號，電平低于-3 V為“1”；電平高于+3 V為“0”；對于控制信號，電平高于+3 V為“有效信號”，電平低于-3 V為“無效信號”。其串行口的9根針腳功能有其固定的定義。實際應用中，只要用RXD，TXD和GND三條數據線即可。

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在系統可編程FLASH存儲器。與80C51產品指令和引腳完全兼容。使其能為眾多嵌入式控制應用系統提供高靈活、超有效的解決方案。STC89C52RC還含有：256 B RAM、32 b I／O口線、看門狗定時器、2個數據指針、3個16位定時器／計數器、1個6向量2級中斷結構、全雙工串行口、片內晶振及時鐘電路。另外，STC89C52RC可降至0 Hz靜態邏輯操作，支持兩種軟件可選擇節電模式。空閑模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時器／計數器、串口、中斷繼續工作。掉電保護模式下，RAM內容被保存，振蕩器被凍結，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止。

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。從系統集成的角度考慮，平板顯示器具有型薄、重量輕、便攜性強，同時，還具有低功耗、使用壽命長等優點。

2 硬件系統設計

2．1 主控電路及復位電路

STC89C52RC具有多種封裝形式，該系統為便于集成，采用SMT封裝形式。STC89C52RC單片機內資源豐富，為解決該系統的設計提供了多種多樣的方案設計。該系統占用STC89C52RC的I／O端口以及P1，P2，P3，P4的部分資源。

STC89C52RC的復位方式有上電自動復位和手工復位兩種，本系統采用上電自動復位方式。

2．2 電平轉換通信電路

RS 232是用正負電壓來表示邏輯狀態，與TTL以高低電平表示邏輯狀態的規定不同。為了能夠同計算機接口或終端的TTL器件連接，必須在RS 232與TTL電路之間進行電平和邏輯關系的變換。考慮到數據的雙向傳遞性，本系統采用MAX232芯片，將TTL電平轉換成PC104所能識別的電平，再通過一個標準的3針接口與PC104串口連接。外圍電路非常簡單，只需要5個0．1μF的電容器。

2．3 變焦電路

系統利用四個繼電器提供相機的變焦電壓。繼電器的輸入端為LM317輸出，其控制端為單片機的I／O，過編碼完成對繼電器的組合輸出，對相機的電機進行操作，完成電子調焦。

LM317是應用最為廣泛的電源集成電路之一，它具有固定式三端穩壓電路的最簡單形式以及輸出電壓可調的特點。其主要性能參數如下：輸出電壓1．25～37 VDC；輸出電流5 mA～1．5 A；芯片內部具有過熱、過流、短路保護電路。

2．4 鍵盤電路

鍵盤電路采用行列式鍵盤，具有數字和第二功能鍵功能，主要是通過單片機進行判斷和處理。當系統加電時，處于數字鍵狀態，單片機通過鍵盤掃描程序，鎖定鍵盤，然后通過串口與PC104進行通信，模擬數字鍵盤。當按下切換按鈕時，鍵盤處于第二功能狀態，通過對變焦、對焦和變光圈的按鈕選擇，按下左右方向鍵控制單片機的I／O輸出來控制變焦電路，同時與數字按鈕通信相同，此時可以通過操作上下箭頭實現偏振通道的切換以及數據的處理和保存。

2．5 硬件構成總電路圖

系統整體硬件電路包括主控制器電路、通信電路、鍵盤電路和存儲電路這四部分，電路如圖2所示。

3 軟件系統設計

本系統的軟件設計方面包括單片機程序和上位機程序的設計。上位機程序要實現的功能是接收串口指令、偏振圖像處理保存、目標識別等。

3．1 單片機程序

單片機程序主要包括主程序、單片機發送接收子程序、鍵盤掃描子程序等模塊，均采用C語言進行模塊化編程。單片機程序流程圖如圖3所示。

3．2 上位機程序

上位機程序采用Visual C++6．0集成開發環境來編程，利用C語言來編程實現，其流程圖如圖4所示。

系統操作界面及上位機程序如圖5所示。實際應用結果表明，該檢測儀具有使用方便、成本低等優點。

4 結語

本系統以微控制器為核心、以PC104為平臺，實現了電動變焦、對焦、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，包括：整體架構設計、下位機底層硬件和軟件的具體實現、上位機軟件設計，較好地達到了預期目的。