姚志軍，韓秋蕾

（中國科學(xué)院 長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林 長春 130033）

1 引 言

精密制導(dǎo)武器尤其是半主動(dòng)激光制導(dǎo)武器在現(xiàn)代高技術(shù)戰(zhàn)爭中的地位和作用愈發(fā)受到人們的重視，是我國科技國防戰(zhàn)略的重點(diǎn)，其中對(duì)激光照射光斑的時(shí)序特性和空間特性的測(cè)量更是重中之重。時(shí)序特性包括激光編碼精度、脈沖頻率、頻率精度以及漏閃率等。空間特性主要指激光光斑照射位置與靶板中心的偏差以及照射偏差角等。

激光照射光斑實(shí)驗(yàn)通常由機(jī)載激光器發(fā)射激光，瞄準(zhǔn)移動(dòng)目標(biāo)靶進(jìn)行照射。當(dāng)激光制導(dǎo)武器瞄準(zhǔn)車載移動(dòng)靶時(shí)，要求精確測(cè)量光斑相對(duì)靶板中心位置的偏差以及光斑的時(shí)序編碼格式［1］。本文設(shè)計(jì)一套基于相對(duì)測(cè)量方法的系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)激光照射光斑相對(duì)靶板中心位置的精度測(cè)量。對(duì)比其他測(cè)量方法，本文方法解決了激光后向散射對(duì)測(cè)量光斑信號(hào)的干擾難題，且能夠在復(fù)雜背景下穩(wěn)定跟蹤靶板，實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量［2］。系統(tǒng)通過激光光斑探測(cè)器來獲取光斑到來時(shí)刻信息，分析其編碼格式；采用可見光傳感器和紅外傳感器分別跟蹤靶板和光斑，最終計(jì)算其偏差。文章詳細(xì)分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)難點(diǎn)并提出解決方案，最終通過外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)證明本文方法可精準(zhǔn)、可靠、便捷實(shí)現(xiàn)動(dòng)靶照射精度的測(cè)量，滿足系統(tǒng)的精確性和魯棒性要求。

2 系統(tǒng)組成及其工作原理

2.1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)主要由激光光斑探測(cè)器、可見光傳感器、紅外傳感器、跟蹤轉(zhuǎn)臺(tái)、時(shí)碼鐘、時(shí)序控制模塊等組成，如圖1所示，所有設(shè)備固定在載車方艙內(nèi)部，觀測(cè)設(shè)備與移動(dòng)靶間距離1300m，實(shí)現(xiàn)對(duì)直徑約1.5m的光斑的穩(wěn)定跟蹤和照射精度測(cè)量。

激光光斑探測(cè)器、可見光傳感器與短波紅外相機(jī)放置在跟蹤轉(zhuǎn)臺(tái)上，調(diào)整光軸重合，協(xié)同完成測(cè)量任務(wù)。

其中，激光光斑探測(cè)器負(fù)責(zé)檢測(cè)激光光斑信號(hào)，可見光傳感器采集移動(dòng)靶板圖像，紅外傳感器采集激光光斑圖像。跟蹤控制計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)計(jì)算靶板中心位置并實(shí)現(xiàn)靶板的自動(dòng)跟蹤。光斑測(cè)量計(jì)算機(jī)完成光斑位置計(jì)算及光斑照射精度測(cè)量。時(shí)碼鐘提供的精準(zhǔn)時(shí)間信息用于照射光斑的時(shí)序特性測(cè)量。時(shí)序控制模塊控制攝像機(jī)與光斑著靶時(shí)刻同步曝光。

圖1 激光光斑測(cè)量系統(tǒng)Fig.1 Measurement system for laser spot

2.2 系統(tǒng)工作原理

激光光斑探測(cè)器探測(cè)到激光信號(hào)后，通知時(shí)碼鐘鎖存當(dāng)前時(shí)間信息，時(shí)碼鐘將鎖存的時(shí)間傳送給光斑測(cè)量計(jì)算機(jī)。同時(shí)激光光斑探測(cè)器提供對(duì)應(yīng)光斑脈沖時(shí)刻的時(shí)序信號(hào)，將此信號(hào)送到時(shí)序控制模塊，時(shí)序控制模塊產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)（攝像機(jī)觸發(fā)信號(hào)、采集卡外觸發(fā)信號(hào)等），使整個(gè)系統(tǒng)按要求的時(shí)序工作。

跟蹤控制計(jì)算機(jī)根據(jù)時(shí)序控制模塊的控制信號(hào)，采用外觸發(fā)方式采集可見光傳感器圖像，實(shí)時(shí)計(jì)算目標(biāo)靶在視場(chǎng)中的位置，并將其位置與光軸的偏差傳送到轉(zhuǎn)臺(tái)的隨動(dòng)系統(tǒng)中，隨動(dòng)系統(tǒng)根據(jù)偏差信號(hào)實(shí)時(shí)調(diào)整轉(zhuǎn)臺(tái)位置，并穩(wěn)定跟蹤目標(biāo)靶。

光斑測(cè)量分系統(tǒng)在外觸發(fā)信號(hào)的控制下實(shí)時(shí)采集紅外傳感器圖像，提取光斑信號(hào)，計(jì)算光斑位置，繪制光斑能量圖。同時(shí)同步采集靶板跟蹤攝像機(jī)的圖像，保證每幀激光光斑圖像均有與其相對(duì)應(yīng)的同一時(shí)刻的靶板圖像，以備后續(xù)計(jì)算靶板中心位置時(shí)使用。

3 照射精度測(cè)量系統(tǒng)關(guān)鍵算法

在激光光斑照射精度測(cè)量過程中，需要重點(diǎn)解決的關(guān)鍵技術(shù)包括激光后向散射抑制、精準(zhǔn)時(shí)序控制和復(fù)雜背景低對(duì)比度動(dòng)靶穩(wěn)定跟蹤等。

3.1 光斑探測(cè)及后向散射抑制

激光光斑以不同形式的編碼進(jìn)行照射，光斑探測(cè)器的主要功能是實(shí)時(shí)檢測(cè)光斑到來時(shí)刻信息，完成編碼格式的驗(yàn)證。激光在傳輸過程中，受到大氣溶膠的影響發(fā)生散射，會(huì)產(chǎn)生多個(gè)不同波形的回波信號(hào)，給激光照射光斑的時(shí)序特性測(cè)量帶來了極大的干擾［3］，如圖2所示。

圖2 激光回波波形圖Fig.2 Wave form of return laser signal

激光器發(fā)射的激光呈高斯分布，從圖2中可明顯觀測(cè)到光斑探測(cè)器接收到的回波信號(hào)包括兩種類型，其中最尖銳的最大幅值波峰為目標(biāo)反射回的激光，其他一系列低矮、平緩的分量是激光傳輸路徑中大氣溶膠等反射回的信號(hào)，且目標(biāo)反射回波出現(xiàn)在干擾波之后［4－6］。本文利用這一特性來區(qū)別目標(biāo)回波與干擾回波。具體步驟為：

（1）對(duì)探測(cè)器接收到的波形進(jìn)行平滑濾波，消除微小的毛刺信號(hào)；

（2）統(tǒng)計(jì)不同半寬、不同幅值的分量，將其分割為多個(gè)樣本；

（3）根據(jù)幅值－半寬比及分布信息確定目標(biāo)反射分量，作為最終結(jié)果輸出。

本系統(tǒng)采用帶前置放大電路四象限探測(cè)器作為激光光斑探測(cè)器，根據(jù)其光譜曲線，該探測(cè)器適合作為1064ns波長的激光探測(cè)，具有快速響應(yīng)、靈敏度比較高、噪聲小等特點(diǎn)，其本身具有將四個(gè)象限累加后輸出能力，可進(jìn)一步提高信噪比，滿足光斑探測(cè)的要求。

激光光斑探測(cè)器收到激光脈沖后，進(jìn)行整形放大，并產(chǎn)生對(duì)應(yīng)光斑時(shí)刻的脈沖信號(hào)，控制時(shí)碼鐘鎖存當(dāng)前時(shí)刻，時(shí)碼鐘將時(shí)間信息鎖存并通過串口發(fā)送到光斑處理計(jì)算機(jī)及時(shí)序控制模塊中。原理結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 激光光斑探測(cè)器結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Framework of laser spot detector

3.2 精準(zhǔn)時(shí)序控制

由于激光脈沖的持續(xù)時(shí)間較短，為提高光斑檢測(cè)能力和測(cè)量精度，提高激光與背景光的對(duì)比度，采用較小的積分時(shí)間有利于抑制背景的干擾。這樣帶來的問題就是如何保證傳感器曝光與激光脈沖精確同步，即保證采集到的圖像中能夠觀測(cè)到激光光斑。本文通過精準(zhǔn)時(shí)序控制方式來解決此問題。

時(shí)序控制模塊接收光斑探測(cè)器發(fā)送來的激光編碼信息，根據(jù)其頻率控制紅外傳感器按照光斑頻率工作，控制可見光傳感器按照2倍以上的光斑頻率工作（保證可見光傳感器工作頻率不低于每秒50幀圖像），以提高系統(tǒng)的跟蹤精度。對(duì)應(yīng)產(chǎn)生與光斑同頻的外觸發(fā)信號(hào)送與跟蹤控制計(jì)算機(jī)和光斑測(cè)量計(jì)算機(jī)，供采集卡使用。邏輯結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 時(shí)序控制模塊結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Framework of time sequence

按照所選圖像傳感器的參數(shù)，選擇的積分時(shí)間為100μs。其周期與光斑周期一致，相位略為超前，以保證激光光斑到來時(shí)刻紅外傳感器正在曝光。采用光斑頻率觸發(fā)方式，可以確保每個(gè)激光脈沖均被可靠采集。

由于可見光傳感器工作頻率高于紅外傳感器，當(dāng)采集可見光圖像時(shí)，為保證采集到的靶板圖像與激光光斑圖像是同時(shí)刻對(duì)應(yīng)畫幅，讓采集卡工作在外觸發(fā)狀態(tài)下，外觸發(fā)脈沖由時(shí)序控制模塊產(chǎn)生，可見光采集卡只有當(dāng)采集卡外觸發(fā)脈沖到來時(shí)采集一幀圖像，其余圖像不予采集。假定光斑頻率為10c，具體工作時(shí)序如圖5所示。

圖5 外觸發(fā)時(shí)序圖Fig.5 Figure of exernal triggering

3.3 動(dòng)靶跟蹤

經(jīng)草原環(huán)境實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在光線較強(qiáng)的環(huán)境中，由于草地反射劇烈，系統(tǒng)跟蹤的靶板目標(biāo)與草地及天空背景灰度對(duì)比度較低。因此采用傳統(tǒng)灰度分析方法無法有效提取跟蹤目標(biāo)。同時(shí)，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)過程中由于大氣湍流現(xiàn)象，引起目標(biāo)圖像邊緣在幀間發(fā)生劇烈抖動(dòng)、變形，并且邊緣更加模糊［7］。

在實(shí)驗(yàn)過程中，注意到草原中存在較多的孤立或聯(lián)排的樹木。背景突變較嚴(yán)重，給靶板跟蹤帶來較大干擾。外場(chǎng)采集圖像如圖6所示。

根據(jù)上述分析，靶板目標(biāo)穩(wěn)定跟蹤需要解決以下幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)問題：

（1）草地及天空背景灰度與靶板相似造成的影響；

（2）大氣湍流造成跟蹤目標(biāo)邊緣模糊、變形問題；

（3）草原中樹木對(duì)跟蹤帶來的干擾問題。

為了解決上述幾項(xiàng)技術(shù)問題，系統(tǒng)通過改進(jìn)采用了以下技術(shù)方法。

圖6 外場(chǎng)靶板圖像Fig.6 Out－field target plate image

3.3.1 目標(biāo)邊緣提取與增強(qiáng)

由于靶板與背景的灰度基本一致，因此無法采用灰度特征的跟蹤方式對(duì)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤處理。圖像的邊緣反映了靶板與背景的階越變化，包含著場(chǎng)景中有價(jià)值的邊界信息，是圖像分析的重要依據(jù)。從實(shí)驗(yàn)采集圖像中，我們注意到靶板為四方形，由水平方向與垂直方向線條組合而成。為了能夠穩(wěn)定跟蹤靶板目標(biāo)，我們需要將靶板圖形突出并提取出來。因此根據(jù)靶板特點(diǎn)，分別采用水平方向邊緣提取濾波器、垂直方向邊緣提取濾波器。為了滿足快速、實(shí)時(shí)的圖像處理它的計(jì)算方法必須做到簡單實(shí)用。這里我們采用以下兩種濾波器（如圖7所示），它們不僅能有效突出水平方向與垂直方向線條，而且算法能夠平滑噪聲，對(duì)噪聲具有抑制能力。

圖7 方向?yàn)V波器Fig.7 Directional filter

圖8 方向?yàn)V波器處理效果圖Fig.8 Result image of directional filter

通過該方向?yàn)V波器有效突出了目標(biāo)，抑制了背景圖像。根據(jù)方向?yàn)V波器處理后的圖像，可以清晰的分辨出靶板的輪廓及特征矩形。處理結(jié)果如圖8所示。

3.3.2 目標(biāo)特征點(diǎn)及直線邊緣檢測(cè)

角點(diǎn)特征具有信息量豐富、便于測(cè)量和表示等特點(diǎn)，同時(shí)它具有適應(yīng)環(huán)境光照變化等優(yōu)點(diǎn)。文章采用Harris算法來檢測(cè)角點(diǎn)。它用微分算子定義了像素強(qiáng)度變化的公式：

由于轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)以及靶車行駛，圖像內(nèi)容變化分為全局運(yùn)動(dòng)和局部運(yùn)動(dòng)。特征點(diǎn)匹配過程中會(huì)出現(xiàn)多個(gè)被遮擋或誤匹配的特征點(diǎn)。

在匹配過程中，正確匹配的特征點(diǎn)所運(yùn)動(dòng)的距離大致相等，而錯(cuò)誤匹配的特征點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)距離則參差不齊，基于這些考慮，可以采取以下步驟來消除外點(diǎn)：

（1）計(jì)算所有特征點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)距離；

（2）剔除野值，減少錯(cuò)誤匹配點(diǎn)的干擾；

（3）分析特征點(diǎn)對(duì)的分布，取其高斯分布中心作為運(yùn)動(dòng)距離參考值；

（4）重復(fù)第2步和第3步，迭代計(jì)算運(yùn)動(dòng)距離值，當(dāng)相鄰兩次結(jié)果近似相等時(shí)，迭代結(jié)束。

經(jīng)過以上步驟，可初步檢測(cè)出相鄰幀圖像中靶板運(yùn)動(dòng)偏移量［8－10］。

由于受到大氣湍流及邊緣模糊等情況影響，檢測(cè)出的靶板邊緣會(huì)發(fā)生部分的扭曲變形，本文采用霍夫變換檢直線段算法來獲得真實(shí)的靶板邊緣信息，從而保證靶板形心計(jì)算的精度。

最后通過加權(quán)方式代入特征點(diǎn)和直線段邊緣信息，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)靶板的檢測(cè)。

3.3.3 靶板運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)

由于草原中樹木的干擾，影響靶板穩(wěn)定跟蹤。為了抑制樹木產(chǎn)生的影響，消除跟蹤中脫靶量在受到外界環(huán)境影響時(shí)產(chǎn)生的偏差及錯(cuò)判，系統(tǒng)中采用了靶板軌跡運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)技術(shù)。

軌跡預(yù)測(cè)是指根據(jù)前幾幀目標(biāo)位置、速度和方向等信息，預(yù)測(cè)出下一幀目標(biāo)應(yīng)該出現(xiàn)的位置，從而根據(jù)預(yù)測(cè)的值來判斷波門內(nèi)的目標(biāo)脫靶量。如圖9所示。

圖9 軌跡預(yù)測(cè)示意圖Fig.9 Trajectory prediction

目前關(guān)于數(shù)據(jù)擬合的方法有很多，其中工程中應(yīng)用最為成熟普遍的是最小二乘法。本系統(tǒng)采用視場(chǎng)擴(kuò)張?jiān)韺?duì)目標(biāo)的真實(shí)空間位置進(jìn)行擬合。為了得到目標(biāo)相對(duì)CCD靶面的位置，可以將連續(xù)的N幀圖像序列拼接成一幅視場(chǎng)無限大的圖像，這樣，將目標(biāo)在不同幀圖像中的位置用平滑曲線連接起來就可得到目標(biāo)相對(duì)CCD靶面的軌跡。根據(jù)目標(biāo)的軌跡，可以預(yù)測(cè)出下一時(shí)刻目標(biāo)的位置。如圖10所示。

圖10 視場(chǎng)擴(kuò)張?jiān)碥壽E外推Fig.10 Abridged general view of the method field of view enlargement

下列公式將脫靶量和編碼器值合成為目標(biāo)真實(shí)的空間位置：

式中：

f——焦距，mm；

A0——編碼器方位，rad；

E0——俯仰值，rad；

x——圖像傳感器靶面像元尺寸，mm；

y——圖像傳感器靶面像元尺寸，mm。

假設(shè)采用N點(diǎn)外推，外推的具體步驟如下：

對(duì)于時(shí)刻i，已知編碼器角度A0i，E0i，靶量x，y，首先根據(jù)公式合成目標(biāo)的真正角度Ai，Ei。

對(duì)于時(shí)刻i前n幀，因?yàn)橐阎繕?biāo)的真正角度Ak，Ek，根據(jù)公式反推出其相對(duì)于（A0i，E0i）的脫靶量xk，yk。

根據(jù)N點(diǎn)二次多項(xiàng)式（平方）預(yù)測(cè)算法推出時(shí)刻i脫靶量預(yù)測(cè)值xi，yi。

判定閾值ρ事先設(shè)定，單位為mm。

若滿足公式則目標(biāo)匹配；否則目標(biāo)不匹配。

此方法能夠有效的提高系統(tǒng)的魯棒性，使目標(biāo)丟失后的一段時(shí)間內(nèi)，轉(zhuǎn)臺(tái)仍能夠按照正確的軌跡進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，保證系統(tǒng)正確跟蹤魯棒性。

4 測(cè)量實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

4.1 激光光斑后向散射抑制實(shí)驗(yàn)

采用1064nm激光器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，激光器對(duì)準(zhǔn)1.1km處的煙囪，由于實(shí)驗(yàn)期間大氣中粉塵含量較高，可明顯觀測(cè)到存在后向散射。由于激光器的發(fā)射周期存在400ns的抖動(dòng)，故所設(shè)定的傳感器提前曝光時(shí)間要大于該抖動(dòng)誤差。通過對(duì)光斑探測(cè)器接收信號(hào)波形的分析，判定目標(biāo)反射激光分量，以此作為異步選通條件，使傳感器提前激光回波時(shí)刻1μs開始曝光。從圖11中可知該方法能夠有效抑制激光后向散射的干擾。

圖11 激光后向散射抑制Fig.11 Result of back－scattering restrained

4.2 精準(zhǔn)時(shí)序控制

通過對(duì)激光光斑照射時(shí)刻的測(cè)量，獲得激光照射編碼格式。時(shí)序控制模塊控制可見光傳感器和紅外傳感器同時(shí)曝光，使靶板圖像與光斑圖像在時(shí)間上實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格的對(duì)準(zhǔn)，保證最終相對(duì)測(cè)量的精確度。

圖12是實(shí)際外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)的工作截圖。激光器工作在10Hz頻率下，載車運(yùn)動(dòng)速度為30km／h，從圖中可知在時(shí)序控制模塊的觸發(fā)下，傳感器可準(zhǔn)確捕捉到激光照射光斑。從圖中可看到可見圖像與紅外圖像在統(tǒng)一觸發(fā)信號(hào)下同步曝光，系統(tǒng)同時(shí)對(duì)兩幅圖像進(jìn)行融合處理并繪制能量圖。

圖12 軟件運(yùn)行圖Fig.12 Software running station

4.3 動(dòng)靶跟蹤實(shí)驗(yàn)

在外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)中，靶板載車運(yùn)動(dòng)速度為30km／h，運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景為草原，背景包括樹木、草地以及其他人造建筑。系統(tǒng)針對(duì)實(shí)際情況采取方向邊緣濾波、角點(diǎn)與直線段檢測(cè)以及軌跡預(yù)測(cè)等方法實(shí)現(xiàn)移動(dòng)靶板的穩(wěn)定跟蹤。如圖13所示。

圖13 動(dòng)靶跟蹤實(shí)驗(yàn)Fig.13 Result of moving target traking

激光光斑角位置測(cè)量精度不僅取決于光斑質(zhì)心位置測(cè)量精度，還取決于靶板形心位置精度、光學(xué)視場(chǎng)畸變、觀測(cè)方向與靶板法線的夾角、視軸平行度、調(diào)平精度等［11］。視軸平行度經(jīng)過精密調(diào)整，可以達(dá)到一個(gè)像元，此誤差屬于系統(tǒng)誤差，在實(shí)驗(yàn)中已消除，因而忽略不計(jì)，調(diào)平精度達(dá)120″，由于以上幾個(gè)誤差均獨(dú)立，根據(jù)誤差模型可以得到：

其中：α為光軸與靶板法線的夾角，根據(jù)軌道長度與距離，則：

光學(xué)視場(chǎng)畸變可以修正，修正誤差可達(dá)0.5像元，即0.04mrad。

5 結(jié) 論

本文根據(jù)實(shí)際靶場(chǎng)實(shí)驗(yàn)任務(wù)對(duì)高精度、便捷性及實(shí)時(shí)性的要求，提出激光光斑動(dòng)靶照射精度相對(duì)測(cè)量方案，分析并介紹了測(cè)量方案中光斑檢測(cè)、時(shí)序精準(zhǔn)控制及低對(duì)比度動(dòng)靶跟蹤等關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)，采用異步距離選通方法抑制了后向散射，通過對(duì)傳感器的精確時(shí)序控制同步采集可見與紅外圖像，最后采用方向?yàn)V波算子及直線段檢測(cè)方法獲取靶板形心，利用視場(chǎng)擴(kuò)張軌跡外推法達(dá)到穩(wěn)定跟蹤的目的。最終激光照射光斑的位置測(cè)量精度達(dá)到0.07mrad。

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