摘 要：為了確保上海世博會(huì)安全保障任務(wù)的順利完成，本文設(shè)計(jì)了視頻監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)由視頻采集、穩(wěn)定跟蹤系統(tǒng)和數(shù)據(jù)傳輸三個(gè)部分組成，具備高清、紅外、可跟蹤、視頻實(shí)傳輸和抗氣球干擾，系統(tǒng)功能穩(wěn)定可靠性高。通過在系留氣球上的掛載，擴(kuò)展了系統(tǒng)的監(jiān)控視野范圍，最后通過數(shù)月連續(xù)無故障的工作驗(yàn)證，滿足對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定跟蹤等功能需求，具有全天候無故障視野、圖像清晰，工作穩(wěn)定可靠性和安全性等特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：全天候無故障視野；高清圖像；實(shí)時(shí)傳輸；系留氣球

中圖分類號(hào)：TN959.7

系留氣球是一種自身不帶動(dòng)力，依靠浮力升空的浮空飛行器，具有留空時(shí)間長(zhǎng)、有效載重大、部署方便、費(fèi)用低廉等優(yōu)點(diǎn)[1-2]。系留氣球的視頻監(jiān)控系統(tǒng)可在千米左右的高空持續(xù)長(zhǎng)時(shí)間工作，其數(shù)據(jù)采集不受地球曲率的影響，可以提供目標(biāo)的空間位置，目標(biāo)區(qū)域的影像信息，當(dāng)前溫度，目標(biāo)區(qū)域的地貌分布情況。本文設(shè)計(jì)了具有實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定和抗外部干擾等特點(diǎn)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)。文章由四個(gè)部分組成：（1）系統(tǒng)的需求和組成；（2）各個(gè)組成部分的詳細(xì)設(shè)計(jì)；（3）驗(yàn)證和結(jié)果；（4）結(jié)論。

1 系統(tǒng)需求和組成

1.1 系統(tǒng)需求分析

球載視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)拍攝園區(qū)內(nèi)的高清實(shí)時(shí)畫面，采集當(dāng)前平臺(tái)的溫/濕度數(shù)據(jù)、姿態(tài)和位置等信息，并將畫面和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)，通過光纖傳送到地面控制中心。視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的穩(wěn)定平臺(tái)，能夠根據(jù)測(cè)量到的氣球干擾情況，實(shí)時(shí)調(diào)整穩(wěn)定平臺(tái)實(shí)現(xiàn)圖像穩(wěn)定；能夠響應(yīng)從地面控制中心發(fā)出的關(guān)閉、自動(dòng)跟蹤和指定角度等命令，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)跟蹤和視角保持等需求。

1.2 系統(tǒng)組成

視頻監(jiān)控系統(tǒng)由兩部分組成：球上視頻監(jiān)控部分和地面控制部分，如圖1所示。本文介紹的是球上監(jiān)控系統(tǒng)部分組成和設(shè)計(jì)，如無特指視頻監(jiān)控系統(tǒng)為球上部分。

圖1 視頻監(jiān)控系統(tǒng)的整體布局

視頻監(jiān)控系統(tǒng)由三個(gè)部分組成：（1）視頻采集系統(tǒng)；（2）跟蹤穩(wěn)定系統(tǒng)；（3）數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，如圖2所示。視頻采集系統(tǒng)由四個(gè)可見光的高清晰照相機(jī)和一個(gè)紅外相機(jī)。在白天監(jiān)控時(shí)，四個(gè)高清照相機(jī)拍攝園區(qū)的視頻圖像，在夜間監(jiān)控時(shí)，紅外攝像機(jī)具備夜間捕捉對(duì)象輸出灰度圖像，可以有效地彌補(bǔ)缺乏可見光系統(tǒng)。跟蹤穩(wěn)定系統(tǒng)能夠根據(jù)地面控制中心發(fā)出的指令能夠?qū)μ囟▍^(qū)域的跟蹤；能夠根據(jù)球體當(dāng)前的姿態(tài)及時(shí)調(diào)整跟蹤姿態(tài)以達(dá)到跟蹤區(qū)域圖像穩(wěn)定，其主要設(shè)備包括：計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，導(dǎo)航系統(tǒng)和跟蹤結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)將信息和實(shí)時(shí)高清圖像傳輸至地面控制中心，能夠?qū)⒌孛嬷笓]中心的控制指令傳輸至球體，本系統(tǒng)采用波分復(fù)用技術(shù)和設(shè)備，包括信號(hào)傳輸模塊和數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)。

圖2 視頻監(jiān)控系統(tǒng)的俯仰視圖

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 視頻采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

四臺(tái)HDC-X300型可見光攝像機(jī)安裝在穩(wěn)定平臺(tái)上，該攝像機(jī)的視頻范圍為100-1000m之間。這四臺(tái)攝像機(jī)可以工作在大視野和小視野兩種模式，包括世博園內(nèi)整體和小視場(chǎng)區(qū)域兩種模式。俯仰框架與紅外光學(xué)相機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)控可以提供特定區(qū)域的紅外偽彩色圖像，以便發(fā)現(xiàn)實(shí)時(shí)火災(zāi)和熱異常點(diǎn)。通過光學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)，紅外鏡頭的變焦透鏡的雙場(chǎng)的觀點(diǎn)和包括一個(gè)多個(gè)鍺透鏡得到良好的圖像質(zhì)量和所需的領(lǐng)域。紅外相機(jī)的關(guān)鍵部件是由室溫紅外焦平面陣列探測(cè)器及其驅(qū)動(dòng)器和讀出電路，使用多晶硅微測(cè)輻射熱計(jì)探測(cè)器，如圖3所示。

圖3 紅外探測(cè)器組件

2.2 跟蹤穩(wěn)定系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

系留氣球容易受到氣流等擾動(dòng)，這使得視頻監(jiān)控系統(tǒng)拍攝的視頻圖像效果受到了影響。文獻(xiàn)[3]設(shè)計(jì)了穩(wěn)定平臺(tái)跟蹤系統(tǒng)，具備對(duì)外界干擾的穩(wěn)定功能。視頻跟蹤穩(wěn)定系統(tǒng)由慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）和跟蹤穩(wěn)定部分組成。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)部分完成氣球當(dāng)前位置和姿態(tài)的采集，跟蹤穩(wěn)定系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)視頻圖像抗干擾和穩(wěn)定的功能，其整體如圖4所示。

圖4 跟蹤穩(wěn)定系統(tǒng)組成圖

2.2.1 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

慣導(dǎo)系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)輸入接口、導(dǎo)航解算、電源模塊、慣性測(cè)量單元（IMU）和GPS時(shí)鐘同步。組合導(dǎo)航計(jì)算機(jī)采集IMU和GPS數(shù)據(jù)，時(shí)鐘同步，并判斷數(shù)據(jù)的有效性，然后初始化和調(diào)用的捷聯(lián)算法，計(jì)算出的位置，速度和姿態(tài)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，然后使用位置，速度和方位由GPS作為觀測(cè)量信息，估計(jì)誤差對(duì)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)采用組合導(dǎo)航濾波器，并進(jìn)行反饋校正，軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖5所示。

圖5 慣導(dǎo)軟件流程圖

2.2.2 穩(wěn)定平臺(tái)的設(shè)計(jì)

穩(wěn)定平臺(tái)（ISP）是由光學(xué)傳感器、控制系統(tǒng)、可操縱的機(jī)電組件和輔助設(shè)備[4]組成。穩(wěn)定平臺(tái)配置雙自由度結(jié)構(gòu)框架，保證攝像頭在俯仰角和方位角上保持平穩(wěn)和目標(biāo)跟蹤的功能?？刂葡到y(tǒng)包括內(nèi)環(huán)和外環(huán)，內(nèi)環(huán)是利用角速率作為反饋量的穩(wěn)定回路，外環(huán)是利用目標(biāo)角度作為跟蹤反饋量的跟蹤回路，其結(jié)構(gòu)和原理如圖6所示。

圖6 穩(wěn)定平臺(tái)結(jié)構(gòu)和原理圖

2.2.3 跟蹤和穩(wěn)定計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)

基于區(qū)域的跟蹤[5]，基于主動(dòng)輪廓的跟蹤[6]和基于特征的跟蹤[7-8]算法已經(jīng)在視頻監(jiān)控系統(tǒng)中被廣泛使用。本次設(shè)計(jì)采用基于區(qū)域的跟蹤算法，根據(jù)不同的圖像區(qū)域的移動(dòng)對(duì)象，采用區(qū)域跟蹤的算法來實(shí)現(xiàn)，其算法的軟件流程圖如圖7所示。

圖7 跟蹤算法軟件流程圖

2.3 數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)包括：光纖，信號(hào)傳輸模塊，數(shù)據(jù)處理模塊和八通道粗波分復(fù)用模塊，如圖8所示。球上視頻信號(hào)傳輸模塊包含四HD-SDI、兩個(gè)RS422和一個(gè)LVDS接口，采用八通道波分復(fù)用信號(hào)通過單光纖實(shí)現(xiàn)傳輸。可見光相機(jī)使用四通道數(shù)據(jù)傳輸，傳輸波長(zhǎng)分別為：1530nm，1510nm，1550nm，1570nm，紅外信號(hào)相機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸波長(zhǎng)為1590nm，視頻控制穩(wěn)定平臺(tái)數(shù)據(jù)傳輸波長(zhǎng)為1610nm。

圖8 數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

系留氣球工作高度為300米，由圖9所示。由于氣流的擾動(dòng)，系留氣球在該高度上有3°俯仰角和1°滾轉(zhuǎn)角的干擾。從圖10所示，視頻監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)傳輸拍攝到園區(qū)的高清圖像，并且消除對(duì)球體擾動(dòng)的影響，如圖10所示高清和紅外攝像頭在跟蹤模式下的拍攝圖像效果。

圖9 系留氣球姿態(tài)變化

圖10 視頻監(jiān)控圖像

4 結(jié)束語

本文針對(duì)世博會(huì)安保的任務(wù)，設(shè)計(jì)了視頻監(jiān)控系統(tǒng)，并且將其掛載在系留氣球上，利用四臺(tái)可見高清攝像頭和一臺(tái)紅外攝像頭實(shí)現(xiàn)對(duì)園區(qū)內(nèi)實(shí)時(shí)圖像的拍攝；設(shè)計(jì)了抗干擾和具有跟蹤功能的穩(wěn)定平臺(tái)，保證攝像頭對(duì)目標(biāo)區(qū)域的穩(wěn)定監(jiān)控；采用基于冗余光纖信號(hào)傳輸系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)多通道同步視頻傳輸和數(shù)據(jù)處理。通過七個(gè)月的長(zhǎng)期使用，視頻監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)地面目標(biāo)區(qū)域的監(jiān)控，圓滿完成世博會(huì)安全保障任務(wù)。

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作者簡(jiǎn)介：王鑫（1982-），男，湖北通城人，工程師，碩士，研究方向：飛行控制系統(tǒng)。

作者單位：中國(guó)電子科技集團(tuán)第三十八研究所，合肥 230088