程利東

【摘要】本文擬介紹一種光電監(jiān)視系統(tǒng)的特點、系統(tǒng)組成、工作原理、技術(shù)指標(biāo)以及總體方案設(shè)計。

【關(guān)鍵詞】光電監(jiān)視;穩(wěn)定精度;目標(biāo)探測;穩(wěn)定平臺

1.引言

光電監(jiān)視系統(tǒng)是以光電器件（主要是激光器和光電探測器）為基礎(chǔ)，將光學(xué)技術(shù)、電子/微電子技術(shù)和精密機械技術(shù)等融為一體，形成具有特定戰(zhàn)術(shù)功能的軍事裝備。因其具有能跟蹤空中和水面目標(biāo)，能抗干擾，提供直觀、清晰的圖像等優(yōu)點，越來越受到各國海軍的重視。目前國內(nèi)外較先進的軍用光電監(jiān)視系統(tǒng)多以激光測距儀、電視跟蹤儀和紅外跟蹤儀三位一體為核心構(gòu)成，其中激光測距儀是距離測量設(shè)備，當(dāng)電視/紅外穩(wěn)定跟蹤目標(biāo)時，測出目標(biāo)的距離信息，為火力系統(tǒng)精確打擊目標(biāo)提供信息;紅外跟蹤儀利用目標(biāo)自身的熱輻射能量成像，通過監(jiān)視器觀察、監(jiān)視目標(biāo)及外界動態(tài)，具有較好的穿透霧、霆能力，能在較惡劣氣候條件下工作，是具有晝夜工作能力的被動式目標(biāo)成像探測器;電視跟蹤儀為晝間目標(biāo)探測器，對可見光波段的目標(biāo)具有成像后目標(biāo)特征明顯、探測及跟蹤距離較遠(yuǎn)等特點，也是光電跟蹤儀的主要探測傳感器之一。

2.特點和技術(shù)指標(biāo)

2.1 主要特點

（1）自主穩(wěn)定，既能獨立使用，又能與其他設(shè)備（如雷達、GPS等）對接使用;

（2）具有手動跟蹤、自動跟蹤、手動掃描搜索、自動掃描搜索、鎖定5種工作模式;

（3）具有圖像無損記錄功能，為情報分析提供真實、詳盡資料;

（4）具有可見光電視、前視紅外熱像儀、激光測距機3種任務(wù)載荷，可以晝夜完成探測、監(jiān)視任務(wù);

（5）操控靈活方便，所有功能都集中在顯示控制設(shè)備上。

2.2 總體技術(shù)指標(biāo)

波段范圍：可見光攝像機0.4μm～1.1μm，紅外熱像儀：3μm～5μm間優(yōu)選。

作用距離：晝間在可通視和能見度不小于10km（20km）條件下，對殲七飛機（翼展8m）迎頭識別距離不小于22km，對無人機（翼展3m）迎頭識別不小于13km。夜間在簡單背景和無主動照明光源條件下，制冷紅外熱像儀對殲七飛機（翼展8m）迎頭識別距離不小于32km，對無人機（翼展3m）迎頭識別距不小于7km。

監(jiān)視范圍：方位0o～360o，俯仰-25?～ +85?。

成像質(zhì)量：在良好照明情況下，將國際三線靶標(biāo)板放在距離可見光攝像機500m處，晝間視頻圖像主觀評價應(yīng)達到4級以上;夜間視頻圖像清晰，無明顯斑點噪聲。

轉(zhuǎn)臺指標(biāo)：最大方位回轉(zhuǎn)速度：≥60o/s;最大方位回轉(zhuǎn)加速度：≥100o/s2。

最小方位回轉(zhuǎn)速度：≤0.1o/s;最大俯仰回轉(zhuǎn)速度：≥60o/s。

最大俯仰回轉(zhuǎn)加速度：≥100o/s2 ;最小俯仰回轉(zhuǎn)速度≤0.1?/s。

方位轉(zhuǎn)動范圍0?～360?連續(xù)旋轉(zhuǎn);俯仰轉(zhuǎn)動范圍-25o～+85o。

回歸精度：優(yōu)于0.1o;預(yù)置位數(shù)≥64。

聯(lián)動響應(yīng)時間：可見光光攝像機或紅外攝像儀收到雷達目標(biāo)位置信息后，觸發(fā)并啟動轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動，視頻顯示和記錄等所需的響應(yīng)時間不大于2s。存儲設(shè)備：視頻數(shù)據(jù)H.264.MPEG-4視頻編碼格式和文件格式進行存儲。存儲的圖像數(shù)據(jù)應(yīng)保證具有4CIF以上的分辨率。存儲容量應(yīng)滿足連續(xù)存儲30天的視頻。應(yīng)支持按圖像的記錄時間、預(yù)置位點多種方式對存儲圖像進行檢索。

3.系統(tǒng)組成及工作原理

3.1 系統(tǒng)組成

根據(jù)光電監(jiān)視系統(tǒng)的功能和主要戰(zhàn)技要求，系統(tǒng)擬采取模塊化設(shè)計的方法，它主要由三部分組成：一是前端設(shè)備，它主要包括光電轉(zhuǎn)臺、傳感器組合（包括光學(xué)系統(tǒng)、可見光攝像機、紅外熱像儀）、伺服控制及驅(qū)動、視頻跟蹤處理、供電電源、視頻編碼、對外接口控制、跟蹤控制機柜等單元。二是傳輸設(shè)備，主要包括光端機、光纜、電纜或微波天線（用于無線傳輸）等單元。三是顯控設(shè)備，主要對外接口控制、綜合操控臺、圖像記錄、計算機、監(jiān)視器等。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

圖2 光電監(jiān)視系統(tǒng)組成框圖

3.2 工作原理

如圖2所示，光電轉(zhuǎn)臺是一個球形轉(zhuǎn)臺，其方位軸是外框，俯仰軸是是內(nèi)框，在各框架上都安裝有相應(yīng)的驅(qū)動電機及角位置傳感器、光學(xué)系統(tǒng)及傳感器組合安裝在球形轉(zhuǎn)臺內(nèi)框上，球形轉(zhuǎn)臺外框上共有兩個窗口，分別對應(yīng)紅外、可見光攝像機兩個傳感器，紅外熱像儀﹑可見光攝像機分別將外部的景物圖像形成相應(yīng)的視頻圖像信號，并通過傳感器控制電纜傳送給光電跟蹤控制機柜的視頻跟蹤制單元。

視頻跟蹤控制單元主要由視頻跟蹤控制處理板、接口通信處理板、供電電源板等部分組成。主要完成對輸入模擬視頻信號的接口匹配、圖像預(yù)處理，并將形成的數(shù)字視頻信號送給FPGA，F(xiàn)PGA完成對數(shù)字視頻信號的存儲及時序控制，DSP實時對輸入的數(shù)字視頻信號進行濾波、目標(biāo)特征識別及跟蹤等處理，同時通過軟硬件件結(jié)合的方法，實現(xiàn)跟蹤綜合視頻信號的輸出顯示控制。

轉(zhuǎn)臺伺服控制及驅(qū)動主要由伺服控制板、接口控制板、伺服驅(qū)動控制板、供電電源等部分組成。通過利用測速機構(gòu)成速度反饋控制回路，滿足光電系統(tǒng)快速搜索和跟蹤要求。利用視頻跟蹤控制單元輸出目標(biāo)偏離視場中心的跟蹤誤差，構(gòu)成空間位置環(huán)，實現(xiàn)對目標(biāo)的自動跟蹤控制，同時通過接收雷達的目標(biāo)指示信號，實現(xiàn)對目標(biāo)的外部引導(dǎo)控制。

視頻編碼器主要完成對輸入視頻信號編解碼處理，滿足遠(yuǎn)距離傳輸?shù)囊?，視頻解碼器主要完成經(jīng)傳輸后的視頻信號實時解碼處理，滿足實時視頻顯示、記錄等要求。

對外接口單元主要完成傳輸單元和前端設(shè)備、顯示設(shè)備的接口匹配及狀態(tài)、參數(shù)、數(shù)據(jù)的傳送。

顯示單元采用LCD顯示器，用于顯示系統(tǒng)工作狀態(tài)、參數(shù)、及目標(biāo)跟蹤視頻等。

4.總體方案設(shè)計

4.1 結(jié)構(gòu)形式

該系統(tǒng)的穩(wěn)定平臺是兩軸兩框架結(jié)構(gòu)，由方位框架、俯仰框架、角度傳感器和控制電路組成。為了最大范圍的觀察視距，穩(wěn)定平臺要放在車載的頂部或者專用桅桿上。為了克服風(fēng)阻，將穩(wěn)定平臺設(shè)計成球形，俯仰框架繞著水平軸可進行360度的旋轉(zhuǎn)?？梢姽怆娨暦窒到y(tǒng)、紅外成像分系統(tǒng)都安裝在球體內(nèi)，防止雨水、太陽的傷害。

4.2 可見光電視

穩(wěn)定平臺結(jié)構(gòu)緊湊，可見光電視作為載荷之一，尺寸和質(zhì)量受到了嚴(yán)格的限制。如何在不犧牲戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)的情況下，使得可見光電視的體積小質(zhì)量輕，成為可見光電視設(shè)計重要目標(biāo)。

4.2.1 面陣CCD

作為本子系統(tǒng)的核心部件，性能直接影響系統(tǒng)的作用距離與成像質(zhì)量。CCD的選型主要從體積、質(zhì)量、分辨力、信噪比等幾方面綜合考慮。

4.2.2 變焦鏡頭

連續(xù)變焦鏡頭由前物鏡組、變倍組、補償組及后固定組等幾部分組成，每組又有多個鏡片，為了達到所要求的透過率，各透鏡組需鍍多層減反膜，以滿足總透過率的要求。在變焦鏡頭中，依靠變倍組與補償組在光軸方向同步、不同量的移動來改變焦距的大小，同時保持像面穩(wěn)定，從而改變物鏡對目標(biāo)的放大倍數(shù)，達到改變觀測范圍的目的。為了減少雜光，光學(xué)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)要進行消雜光處理，在適當(dāng)?shù)牟课患尤讼s光光闌，系統(tǒng)的雜光系數(shù)小于5%。

4.3 紅外熱像儀

本系統(tǒng)的紅外傳感器選用工作波段3μm～ 5μm的第三代紅外焦平面熱像儀。該熱像儀的溫度靈敏度和空間分辨率都很高，適合于遠(yuǎn)距離探測目標(biāo)。目標(biāo)的輻射能通過光學(xué)系統(tǒng)到達探測器，經(jīng)過探測器組件的光電轉(zhuǎn)化，由顯示電路輸出標(biāo)準(zhǔn)的視頻格式，在顯示器中顯示目標(biāo)的紅外圖像。主要技術(shù)性能為：采用凝視型紅外焦平面，探測器像元數(shù)CMT320x256，視場9ox6o/2oxl.5o，瞬時視場護IFOV=0.6mrad/0.1 mrad。

4.4 伺服系統(tǒng)

該車載光電跟蹤監(jiān)視系統(tǒng)的伺服系統(tǒng)是實現(xiàn)光電穩(wěn)定平臺方位、俯仰運動控制的主要環(huán)節(jié)，主要由方位伺服和俯仰伺服兩個部分組成。它們分別接收主控計算機給出的方位和俯仰速度控制信號，與測速信號經(jīng)過濾波后進行比較得到速度誤差信號。誤差信號經(jīng)校正電路校正，再由功放電路送至執(zhí)行電機，完成對方位軸和俯仰軸的速度控制。主要技術(shù)性能為：最大角速度，方位60o/s;俯仰60o/s;最大角加速度方位60o/s;俯仰60o/s。

4.5 電視/紅外圖像跟蹤處理技術(shù)

信息處理技術(shù)是光電跟蹤系統(tǒng)實現(xiàn)作戰(zhàn)效能的關(guān)鍵技術(shù)之一。電視/紅外圖像跟蹤處理器是電視跟蹤儀和紅外跟蹤儀的核心，它是把圖像處理、模式識別、人工智能、自動控制、信息處理有機地結(jié)合起來，形成一種能從圖像中實時地自動識別目標(biāo)、提取目標(biāo)位置信息、自動跟蹤運動目標(biāo)的技術(shù)。圖像跟蹤處理器主要完成目標(biāo)檢測、目標(biāo)識別、數(shù)據(jù)綜合和角偏差測量任務(wù)，測量并計算出目標(biāo)偏離光軸的方位角和高低角。電視/紅外圖像跟蹤處理器從功能上來分，如圖3所示，主要有五部分組成：目標(biāo)分割、特征抽取、智能決策、跟蹤控制、匹配相關(guān)。特征抽取是提取出被識別對象的某些特征，作為計算機處理的輸入信息，用來對被識別對象進行分類和描述。智能決策是跟蹤器在跟蹤的過程中，隨著跟蹤環(huán)境的變化，計算出目標(biāo)特征的相關(guān)性，自動選擇跟蹤模式和跟蹤狀態(tài)，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定跟蹤。跟蹤控制主要是計算出目標(biāo)的角誤差信息和濾波，一方面提高跟蹤精度和穩(wěn)定性，另一方面，要進行記憶跟蹤。匹配相關(guān)是利用圖像相關(guān)技術(shù)，計算出圖像中目標(biāo)的配準(zhǔn)點，更適用于復(fù)雜背景下的目標(biāo)跟蹤和近距離目標(biāo)跟蹤。

圖3 圖像跟蹤處理器原理組成框圖

4.6 系統(tǒng)工作模式

光電監(jiān)視系統(tǒng)的工作模式可分為以下幾種：

4.6.1 手動搜索

操作員通過操縱桿控制球形轉(zhuǎn)臺在方位、俯仰方向上對目標(biāo)進行手動搜索和跟蹤。為了提高系統(tǒng)的操控性能，手動搜索速度采用與光學(xué)系統(tǒng)焦距相關(guān)聯(lián)的處理方法。

4.6.2 自動巡檢

為了減輕操作員的負(fù)擔(dān)，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的監(jiān)控位置、監(jiān)控視場角、鏡頭焦距，能自動在多預(yù)置點間循環(huán)監(jiān)視，每個預(yù)置點停留時間通過程序設(shè)定。

4.6.3 外部引導(dǎo)

接收雷達發(fā)送的目標(biāo)指示信息，通過方位、俯仰位置控制回路，實現(xiàn)對給定目標(biāo)的探測及跟蹤。

4.6.4 自動跟蹤

視頻跟蹤控制單元對輸入的紅外或可見光電視視頻信號進行濾波、目標(biāo)識別、跟蹤等處理，當(dāng)目標(biāo)滿足系統(tǒng)截獲條件時，將產(chǎn)生目標(biāo)偏離視場中心的誤差信號，控制穩(wěn)定平臺對目標(biāo)進行自動跟蹤，使目標(biāo)始終處于視場中心，實現(xiàn)對目標(biāo)的自動跟蹤。

5.結(jié)語

綜上所述，本方案所設(shè)計的光電監(jiān)視系統(tǒng)配合雷達使用，可為指揮中心提供空中目標(biāo)的方位、距離、高度等情報信息。通過對可見光攝像機和紅外熱像儀傳感器組合運用，可對監(jiān)控的區(qū)域進行全天候的視頻探測與監(jiān)視，有抗電磁干擾能力強、低空探測性能好、圖像分辨率高、目標(biāo)識別能力強等特點，具備遠(yuǎn)距離控制、圖像傳輸及實時顯示記錄等功能。

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