程利東

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

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

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(cè)器）為基礎(chǔ)，將光學(xué)技術(shù)、電子/微電子技術(shù)和精密機(jī)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(diǎn)，越來越受到各國(guó)海軍的重視。目前國(guó)內(nèi)外較先進(jìn)的軍用光電監(jiān)視系統(tǒng)多以激光測(cè)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(cè)距儀是距離測(cè)量設(shè)備，當(dāng)電視/紅外穩(wěn)定跟蹤目標(biāo)時(shí)，測(cè)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(dòng)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(dòng)式目標(biāo)成像探測(cè)器;電視跟蹤儀為晝間目標(biāo)探測(cè)器，對(duì)可見光波段的目標(biāo)具有成像后目標(biāo)特征明顯、探測(cè)及跟蹤距離較遠(yuǎn)等特點(diǎn)，也是光電跟蹤儀的主要探測(cè)傳感器之一。

2.特點(diǎn)和技術(shù)指標(biāo)

2.1 主要特點(diǎn)

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

（2）具有手動(dòng)跟蹤、自動(dòng)跟蹤、手動(dòng)掃描搜索、自動(dòng)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(bào)分析提供真實(shí)、詳盡資料;

（4）具有可見光電視、前視紅外熱像儀、激光測(cè)距機(jī)3種任務(wù)載荷，可以晝夜完成探測(cè)、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(jī)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(duì)殲七飛機(jī)（翼展8m）迎頭識(shí)別距離不小于22km，對(duì)無人機(jī)（翼展3m）迎頭識(shí)別不小于13km。夜間在簡(jiǎn)單背景和無主動(dòng)照明光源條件下，制冷紅外熱像儀對(duì)殲七飛機(jī)（翼展8m）迎頭識(shí)別距離不小于32km，對(duì)無人機(jī)（翼展3m）迎頭識(shí)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(guó)際三線靶標(biāo)板放在距離可見光攝像機(jī)500m處，晝間視頻圖像主觀評(píng)價(jià)應(yīng)達(dá)到4級(jí)以上;夜間視頻圖像清晰，無明顯斑點(diǎn)噪聲。

轉(zhuǎn)臺(tái)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(dòng)范圍0?～360?連續(xù)旋轉(zhuǎn);俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)范圍-25o～+85o。

回歸精度：優(yōu)于0.1o;預(yù)置位數(shù)≥64。

聯(lián)動(dòng)響應(yīng)時(shí)間：可見光光攝像機(jī)或紅外攝像儀收到雷達(dá)目標(biāo)位置信息后，觸發(fā)并啟動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)，視頻顯示和記錄等所需的響應(yīng)時(shí)間不大于2s。存儲(chǔ)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(jìn)行存儲(chǔ)。存儲(chǔ)的圖像數(shù)據(jù)應(yīng)保證具有4CIF以上的分辨率。存儲(chǔ)容量應(yīng)滿足連續(xù)存儲(chǔ)30天的視頻。應(yīng)支持按圖像的記錄時(shí)間、預(yù)置位點(diǎn)多種方式對(duì)存儲(chǔ)圖像進(jìn)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(jì)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(tái)、傳感器組合（包括光學(xué)系統(tǒng)、可見光攝像機(jī)、紅外熱像儀）、伺服控制及驅(qū)動(dòng)、視頻跟蹤處理、供電電源、視頻編碼、對(duì)外接口控制、跟蹤控制機(jī)柜等單元。二是傳輸設(shè)備，主要包括光端機(jī)、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(duì)外接口控制、綜合操控臺(tái)、圖像記錄、計(jì)算機(jī)、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(tái)是一個(gè)球形轉(zhuǎn)臺(tái)，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(dòng)電機(jī)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(tái)內(nèi)框上，球形轉(zhuǎn)臺(tái)外框上共有兩個(gè)窗口，分別對(duì)應(yīng)紅外、可見光攝像機(jī)兩個(gè)傳感器，紅外熱像儀﹑可見光攝像機(jī)分別將外部的景物圖像形成相應(yīng)的視頻圖像信號(hào)，并通過傳感器控制電纜傳送給光電跟蹤控制機(jī)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(duì)輸入模擬視頻信號(hào)的接口匹配、圖像預(yù)處理，并將形成的數(shù)字視頻信號(hào)送給FPGA，F(xiàn)PGA完成對(duì)數(shù)字視頻信號(hào)的存儲(chǔ)及時(shí)序控制，DSP實(shí)時(shí)對(duì)輸入的數(shù)字視頻信號(hào)進(jìn)行濾波、目標(biāo)特征識(shí)別及跟蹤等處理，同時(shí)通過軟硬件件結(jié)合的方法，實(shí)現(xiàn)跟蹤綜合視頻信號(hào)的輸出顯示控制。

轉(zhuǎn)臺(tái)伺服控制及驅(qū)動(dòng)主要由伺服控制板、接口控制板、伺服驅(qū)動(dòng)控制板、供電電源等部分組成。通過利用測(cè)速機(jī)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(chǎng)中心的跟蹤誤差，構(gòu)成空間位置環(huán)，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的自動(dòng)跟蹤控制，同時(shí)通過接收雷達(dá)的目標(biāo)指示信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的外部引導(dǎo)控制。

視頻編碼器主要完成對(duì)輸入視頻信號(hào)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(hào)實(shí)時(shí)解碼處理，滿足實(shí)時(shí)視頻顯示、記錄等要求。

對(duì)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(jì)

4.1 結(jié)構(gòu)形式

該系統(tǒng)的穩(wěn)定平臺(tái)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(tái)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(tái)設(shè)計(jì)成球形，俯仰框架繞著水平軸可進(jìn)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(tái)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(jì)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(bǔ)償組及后固定組等幾部分組成，每組又有多個(gè)鏡片，為了達(dá)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(bǔ)償組在光軸方向同步、不同量的移動(dòng)來改變焦距的大小，同時(shí)保持像面穩(wěn)定，從而改變物鏡對(duì)目標(biāo)的放大倍數(shù)，達(dá)到改變觀測(cè)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(jìn)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(cè)目標(biāo)。目標(biāo)的輻射能通過光學(xué)系統(tǒng)到達(dá)探測(cè)器，經(jīng)過探測(cè)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(cè)器像元數(shù)CMT320x256，視場(chǎng)9ox6o/2oxl.5o，瞬時(shí)視場(chǎng)護(hù)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(shí)現(xiàn)光電穩(wěn)定平臺(tái)方位、俯仰運(yùn)動(dòng)控制的主要環(huán)節(jié)，主要由方位伺服和俯仰伺服兩個(gè)部分組成。它們分別接收主控計(jì)算機(jī)給出的方位和俯仰速度控制信號(hào)，與測(cè)速信號(hào)經(jīng)過濾波后進(jìn)行比較得到速度誤差信號(hào)。誤差信號(hào)經(jīng)校正電路校正，再由功放電路送至執(zhí)行電機(jī)，完成對(duì)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(shí)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(shí)別、人工智能、自動(dòng)控制、信息處理有機(jī)地結(jié)合起來，形成一種能從圖像中實(shí)時(shí)地自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)、提取目標(biāo)位置信息、自動(dòng)跟蹤運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的技術(shù)。圖像跟蹤處理器主要完成目標(biāo)檢測(cè)、目標(biāo)識(shí)別、數(shù)據(jù)綜合和角偏差測(cè)量任務(wù)，測(cè)量并計(jì)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(shí)別對(duì)象的某些特征，作為計(jì)算機(jī)處理的輸入信息，用來對(duì)被識(shí)別對(duì)象進(jìn)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(jì)算出目標(biāo)特征的相關(guān)性，自動(dòng)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(jì)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(jìn)行記憶跟蹤。匹配相關(guān)是利用圖像相關(guān)技術(shù)，計(jì)算出圖像中目標(biāo)的配準(zhǔn)點(diǎn)，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(dòng)搜索

操作員通過操縱桿控制球形轉(zhuǎn)臺(tái)在方位、俯仰方向上對(duì)目標(biāo)進(jìn)行手動(dòng)搜索和跟蹤。為了提高系統(tǒng)的操控性能，手動(dòng)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(dòng)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(chǎng)角、鏡頭焦距，能自動(dòng)在多預(yù)置點(diǎn)間循環(huán)監(jiān)視，每個(gè)預(yù)置點(diǎn)停留時(shí)間通過程序設(shè)定。

4.6.3 外部引導(dǎo)

接收雷達(dá)發(fā)送的目標(biāo)指示信息，通過方位、俯仰位置控制回路，實(shí)現(xiàn)對(duì)給定目標(biāo)的探測(cè)及跟蹤。

4.6.4 自動(dòng)跟蹤

視頻跟蹤控制單元對(duì)輸入的紅外或可見光電視視頻信號(hào)進(jìn)行濾波、目標(biāo)識(shí)別、跟蹤等處理，當(dāng)目標(biāo)滿足系統(tǒng)截獲條件時(shí)，將產(chǎn)生目標(biāo)偏離視場(chǎng)中心的誤差信號(hào)，控制穩(wěn)定平臺(tái)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行自動(dòng)跟蹤，使目標(biāo)始終處于視場(chǎng)中心，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的自動(dòng)跟蹤。

5.結(jié)語

綜上所述，本方案所設(shè)計(jì)的光電監(jiān)視系統(tǒng)配合雷達(dá)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(bào)信息。通過對(duì)可見光攝像機(jī)和紅外熱像儀傳感器組合運(yùn)用，可對(duì)監(jiān)控的區(qū)域進(jìn)行全天候的視頻探測(cè)與監(jiān)視，有抗電磁干擾能力強(qiáng)、低空探測(cè)性能好、圖像分辨率高、目標(biāo)識(shí)別能力強(qiáng)等特點(diǎn)，具備遠(yuǎn)距離控制、圖像傳輸及實(shí)時(shí)顯示記錄等功能。

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