某型导引头成像画面曝光故障分析与排除

秦彦君 张剑

摘要：针对某型电视导引头上电自检结束后观察外界景象时成像画面出现曝光的现象开展故障分析。通过研究导引头成像系统的工作原理及工作流程，建立故障树模型，逐层开展相关部件的原因分析，查找出故障最終原因，并对导引头进行修复。

关键词：电视导引头；成像画面；曝光；成像系统；修复

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

0 引言

某型导引头通过电视摄像机获取外界景象实现成像，导引头以景物反射的自然光线为摄取对象，通过光电传感器和监视系统实现成像画面的光电转换和重组再现，成像画面质量好坏直接影响操控员对外界景象的观测。在多批次产品修理中，出现数枚导引头上电自检结束后观察外界景象时成像画面曝光的故障现象，故障现象如图1所示。

1 成像系统工作原理

导引头成像系统主要由电视摄像机、采集视频电路、采集控制电路、字符显示电路、波门光标电路及镜头控制电路组成。电视摄像机作为成像系统的核心部件，由光学镜头、光电传感器（CCD）、光圈机构、变焦机构组成。景物反射的自然光线进入光学镜头，通过光学镜头聚焦于光电传感器的光敏面上，在光电传感器的转换作用下形成视频信号即原始视频。原始视频经采集视频电路杂波抑制、干扰滤除、初级放大后与字符显示电路和波门光标电路产生的字符、波门、光标信号叠加，形成复合视频。复合视频经镜头控制电路输出至监视系统，实现图像画面再现。镜头控制电路依据操控员指令控制光学镜头进行焦距变换，同时依据复合视频幅值大小对成像系统实施反馈控制。镜头控制电路通过对复合视频幅值大小的判断，控制光圈电机带动光学镜头上的光圈实现进光量的自动调整，从而控制成像画面始终处于清晰状态。导引头成像系统工作原理如图2所示。

2 故障原因分析

依据导引头成像系统工作流程及视频信号走向进行判断，成像画面曝光故障现象与电视摄像机、采集视频电路及镜头控制电路相关，因此以“成像画面曝光”故障现象为顶事件建立故障树（见图3），依据故障树逐层展开相关部件的原因分析。

2.1 电视摄像机

1）光电传感器

电视摄像机采用的光电传感器为电荷耦合器件，即常说的CCD，由MOS光敏元、移位寄存器、电荷转移栅等部分组成。通过MOS光敏元将光信息转换成电脉冲信号，且每个脉冲只反映一个光敏元的受光情况，脉冲幅度的高低反映该光敏元受光照的强弱，脉冲的顺序反映该光敏元的位置。MOS光敏元由金属（M）、氧化物（O）、半导体（S）三层物质组成，依据半导体的光生伏特效应，将入射光信号转换为电荷，由移位寄存器收集后，经电荷转移栅输出，成为原始视频信号。MOS光敏元作为视频信号的源头，其内部的氧化物和半导体随时间推移会出现耗损，敏感性逐渐下降，导致转换成的电脉冲信号无法反映出该光敏元的受光情况，光照强弱等特征信息丢失，累积效应即为“成像画面曝光”现象。MOS光敏元在显微镜下的照片及曝光效应如图4所示。

2）光圈机构

光圈机构由光学镜头上的光圈和光圈电机组成。光圈位于摄像机光学镜头与光电传感器件之间，光圈电机根据镜头控制电路的指令，通过带动光圈收缩和放大，减少或增加光学镜头的进光量，从而控制成像画面的清晰状态。光圈和光圈电机中任一发生故障，光圈机构的控制效应将失效，若此时光圈处于最大状态，进光量达到最大，光照强度超出MOS光敏元的耐受范围，处于过饱和输出状态，信号经监视系统图像再现后，在视觉上表现为“成像画面曝光”现象。

2.2 采集视频电路

采集视频电路由A/D转换器、存储器、同步提取电路、单稳态触发器、D/A转换器组成，主要实现视频图像的模数转化及标准行、场同步信号和非标行、场同步信号的输出。其工作原理是利用A/D转换器将电视摄像机输出的原始视频转换成数字信号，一路送存储器，一路经D/A转换器转换成模拟信号后输出。同步提取电路从模拟视频信号中提取标准行、场同步信号，再经单稳态触发器展宽后转换成非标行、场同步信号，标准行、场同步信号和非标行、场同步信号同时提供给其他电路使用。A/D转换器和D/A转换器作为采集视频电路的核心，任一发生故障，转换过程中的视频信号随即会出现幅值削低、同步错位、特征丢失等受损情况，特征信息不全的视频信号通过监视器图像再现，即表现为“成像画面曝光”现象。采集视频电路工作原理如图5所示。

2.3 镜头控制电路

镜头控制电路由幅值比较电路、数字逻辑电路、电机驱动器组成，主要实现对光圈机构和变焦机构的控制。其中焦距变换指令经数字逻辑电路和电机驱动器后驱动焦距电机运转，实现光学镜头的长短焦变化。采集视频电路输出的模拟视频信号经幅值比较电路与预设幅值电压进行比较，依据比较计算结果给出光圈控制指令。指令经电机驱动器后驱动光圈电机运转，带动光圈变化，实现光学镜头进光量的控制，使视频图像始终保持良好的对比度，从而保证成像画面的持续清晰。幅值比较电路和电机驱动器任一发生故障，光圈机构将无法按照视频幅值大小实时控制光圈，当光线增强时，进光量始终保持增大趋势，此时成像画面将出现“曝光”现象。镜头控制电路工作原理如图6所示。

3 故障排查

电视摄像机、采集视频电路、镜头控制电路都具有互换性，依据图3故障树模型采用排除法进行故障定位，利用性能合格的电视摄像机、采集视频电路、镜头控制电路进行替换排故。更换为性能合格的电视摄像机和采集视频电路后，导引头成像画面依然呈现为曝光现象，更换为镜头控制电路后，导引头成像画面正常，曝光现象消失，由此判定故障点存在于镜头控制电路。通过对镜头控制电路组成特点及原理进行分析，认为故障点应与幅值比较电路、电机驱动器相关联。

如图7所示，幅值比较电路由6个运算放大器和若干电阻、电容、二极管、可调电位计组成。可调电位计RP1、RP2、RP3通过调整，预设幅值电压分别为2.5V、0.8V、0.7V。视频信号通过运算放大器N8A第2引脚输入，经N8B、N3A、N3B、N2A、N2B等5个运算放大器，与3个预设幅值电压比较计算后，计算结果分别通过运算放大器N2A第1引脚和N2B第7引脚输出至电机驱动器L293B的第2和第7引脚。电机驱动器L293B通过第3、第6引脚输出驱动电压，驱动光圈电机正转或反转，从而控制光圈收缩或打开。鉴于幅值比较电路的组成特点，为定位故障元器件，采用将电视摄像机镜头对准室内、室外不同景物或采用灯光遮挡等手段模拟外界照度变化，检测电机驱动器 L293B第3和第6引脚以及运算放大器N2A第1引脚、N2B第7引脚、N8A第1引脚、N8B第7引脚、N3A第1引脚、N3B第7引脚的输出信号波形是否随外界照度变化而变化。检测结果表明，运算放大器N8A第1引脚、N8B第7引腳、N3A第1引脚、N3B第7引脚输出信号随外界照度在0.15～2.8V之间变化，N2A第1引脚和N2B第7引脚的输出始终保持在0.18V，电机驱动器L293B第3和第6引脚的输出驱动电压同样始终保持在0.35V。由于该驱动电压过于微弱，无法驱动光圈电机运转，光学镜头进光量得不到控制，视频图像无法保持良好的对比度，从而出现曝光现象。由此判定故障器件为运算放大器N2A和N2B，更换同型号运算放大器后，成像画面曝光现象消失，图像恢复正常。

4 结束语

该型导引头成像系统属于闭环类系统，即外界光线经光学镜头和光电传感器后形成视频信号，视频信号经采集视频电路滤除干扰、初级放大后送至镜头控制电路，镜头控制电路再依据视频信号幅值大小控制光学镜头进光量，进光量的变化返回影响视频信号的产生和幅值。因此，整个导引头成像系统近似于自适应、自调节的闭环系统。针对该类闭环系统的排故和修理是较为复杂的，需要按照信号的产生和流向采用替换法逐层缩小故障排查范围，再依据电路特点和信号检测数据实现故障元器件的准确定位。

作者简介

秦彦君，高级工程师，主要从事光学制导专业的技术研究。

张剑，工程师，主要从事电子元器件、航空装备修理质量监督管理工作。