盧 偉,董金良,張 平,沈 昱,嚴 偉,季中杰,孟祥健,林 玲,徐愛東,周智慧

(江蘇北方湖光光電有限公司,江蘇 無錫 214028)

引言

車載紅外夜視技術是在夜間或惡劣天氣狀況下,利用光電轉化技術將車輛前方不可見的紅外熱輻射轉換為人眼可見的紅外圖像技術[1]。目前常用的車載夜視技術主要有基于近紅外的主動紅外技術和基于紅外熱成像的被動紅外技術。主動紅外夜視技術是利用紅外光源不斷發(fā)出紅外輻射照射車輛前方目標,然后通過紅外相機接收車輛前方目標反射回來的紅外輻射,并最終成像。具有圖像清晰、對比度強等特點,但觀測距離較近,易受周圍環(huán)境影響。被動紅外技術也叫紅外熱成像技術是通過紅外鏡頭將車輛前方目標釋放的紅外輻射聚焦于紅外探測器上,經過紅外探測器的光電轉換及后續(xù)電路的信號處理轉換成人眼可識別的紅外熱圖[2]。因夜間周圍環(huán)境溫度較低,行人與環(huán)境溫差較大,所以易于識別,不易受周圍環(huán)境干擾。

基于非制冷紅外探測技術的軍用車輛駕駛員視覺增強系統(tǒng)是通過紅外熱成像技術將視場內的熱像內容轉換為二維圖像，然后通過顯示器顯示?？捎行龑γ鏁嚂r的強光刺激，以及側面炫光對視線的干擾，不會對視野產生任何影響，它可以讓駕駛員在黑夜中尤其是雨雪霧霾沙塵等惡劣天氣條件下也能夠清楚地觀察到道路上的車輛行人以及障礙物等，大大提高駕駛員戰(zhàn)場環(huán)境感知能力。該系統(tǒng)集成了紅外光電成像技術、電子穩(wěn)像技術、圖像處理技術、智能報警。

1 國內外研究現(xiàn)狀

目前國內外軍用車輛的視覺增強系統(tǒng)普遍采用微光夜視技術。隨著非制冷紅外技術的發(fā)展，世界各國都在積極開展基于非制冷紅外探測技術的軍用車輛駕駛員視覺增強系統(tǒng)的研制，美國、法國等發(fā)達國家現(xiàn)已批量裝備部隊，近十年來國內也有少量采用紅外技術的車輛視覺增強系統(tǒng)[3]。

1.1 國外研究現(xiàn)狀

美國RAYTHEON公司研制的AN/VAS-5駕駛員視覺增強系統(tǒng)(DVE)(如圖1所示)目前已裝備于M1“艾布拉姆斯”主戰(zhàn)坦克、M2“布雷德利”戰(zhàn)車等作戰(zhàn)車輛。該駕駛儀采用分辨率為320×240的機芯，10.4英寸、分辨率為640×480的顯示器，且主機與顯示器一體不可拆卸[4]。

圖1 AN/VAS-5駕駛員視覺增強系統(tǒng)Fig.1 AN/VAS-5 Driver vision enhancement system

隨著技術的發(fā)展，美軍對M1“艾布拉姆斯”主戰(zhàn)坦克駕駛儀進行了升級。采用美國DRS公司研制的DVE-A駕駛員視覺增強系統(tǒng)(如圖2所示)，機芯分辨率由320×240升級到640×480，顯示器在尺寸保持10.4英寸的情況下分辨率由640×480升級到800×600，為了裝配的普適性增加了主機和顯示器之間的快速解脫功能。

圖2 DVE-A駕駛員視覺增強系統(tǒng)Fig.2 DVE-A Driver vision enhancement system

法國NVTS公司研制的愛國者駕駛員視覺增強系統(tǒng)(Patriot DVE)(如圖3所示)目前已裝備于陶氏導彈發(fā)射車、反地雷伏擊車等車輛。該駕駛儀采用分辨率為640×480的機芯，分辨率為800×600的10.4英寸顯示器，攝像頭和顯示器分置安裝。

上述國外3款非制冷紅外駕駛儀主要指標對比見表1。

圖3 愛國者駕駛員視覺增強系統(tǒng)Fig.3 Patriot driver vision enhancement system

表1 國外3款非制冷紅外駕駛儀主要指標表對照表Table 1 Comparison table of main indicators of three uncooled infrared pilots abroad

1.2 國內研究現(xiàn)狀

國內軍用車輛駕駛員視覺增強系統(tǒng)應用起步較晚[5]，但進步較為迅速。經調研，目前國內非制冷紅外駕駛裝備有**駕駛觀察鏡、**車輛夜間駕駛儀和**彩色夜間駕駛儀等。

表2 國內非制冷紅外駕駛裝備部分指標對照表Table 2 Domestic comparison table of part of indicators of uncooled infrared driving equipment

2 系統(tǒng)工作原理

基于非制冷紅外探測技術的軍用車輛駕駛員視覺增強系統(tǒng)總體方案采用潛望式、模塊化設計，為充分利用能量，提高探測能力，系統(tǒng)采用直視型探測方式，即紅外物鏡和探測器布置在頭部部件內，功能模塊電路板布置在中間部件，顯示控制器布置在下部部件[6]。系統(tǒng)工作原理如圖4所示，該系統(tǒng)是一種集光、機、電于一體的紅外轉換系統(tǒng)，由紅外光學系統(tǒng)、紅外探測器、信號處理電路和顯示設備4個基本模塊組成[7]。目標和景物的紅外輻射經大氣傳輸至紅外光學系統(tǒng)，經紅外光學系統(tǒng)接收并聚焦在非制冷紅外探測器的焦平面上，紅外探測器內的紅外光敏材料與內部讀出電路響應主控電路的驅動的時序/數(shù)字視頻數(shù)據(jù)流進入主處理電子組件進行紅外數(shù)字圖像視頻圖像處理。處理后的數(shù)字視頻圖像經視頻D/A轉換并與行場同步信號編碼形成數(shù)字視頻輸出，送往顯示設備顯示[8]。期間通過串口實現(xiàn)系統(tǒng)間的通信，控制通訊模塊發(fā)出的指令經內部主電路的處理器和軟件解碼相應系統(tǒng)指令，實現(xiàn)對系統(tǒng)功能的操控。

圖4 系統(tǒng)工作原理圖Fig.4 System working principle diagram

3 系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)設計

系統(tǒng)按照功能劃分為：電源管理模塊、紅外探測器模塊、信號處理模塊、圖像處理模塊、電子穩(wěn)像模塊、行人識別模塊、錄像模塊、控制模塊、顯示模塊，各功能模塊相對獨立，系統(tǒng)電氣框圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)電氣框圖Fig.5 System electrical block diagram

3.1.1 信號處理模塊

信號處理板將紅外探測器輸出的雙路模擬差分信號經模數(shù)轉換器轉換為數(shù)字信號，傳送至FPGA進行數(shù)據(jù)處理[9]。信號處理板包含TEC控制模塊、環(huán)溫檢測模塊。

3.1.2 圖像處理模塊

圖像處理板實現(xiàn)紅外信號數(shù)字化采集、圖像非均勻性校正、壞點剔除、自動調光等圖像信息綜合處理功能，保證圖像質量清晰、穩(wěn)定[10]，且動目標無明顯停頓和滯后現(xiàn)象。采用FPGA硬件平臺實現(xiàn)智能型圖像處理算法，極大地提高圖像質量及系統(tǒng)靈敏度，圖像處理模塊包含有如下算法：

自適應非均勻性校正算法：極大降低打快門頻率，降低功耗，有效消除紅外鍋蓋效應，保證圖像穩(wěn)定性效果。自適應非均勻性校正算法效果對比圖如圖6所示。

圖6 自適應非均勻性校正算法效果對比圖Fig.6 Effect comparison chart of adaptive non-uniformity correction algorithm

自適應混合去噪算法：去除噪聲的同時有效地保護圖像的細節(jié)信息[11]，提升機芯能力。自適應混合去噪算法效果對比圖如圖7所示。

圖7 自適應混合去噪算法效果對比圖Fig.7 Effect comparison chart of adaptive hybrid denoising algorithm

寬動態(tài)處理算法：分區(qū)域非線性處理，保留高動態(tài)范圍圖像中目標的細節(jié)信息[12](包括暗、亮區(qū)域)。寬動態(tài)處理算法效果對比圖如圖8所示。

圖8 寬動態(tài)處理算法效果對比圖Fig.8 Effect comparison chart of wide dynamic processing algorithm

3.1.3 電子穩(wěn)像模塊

采用基于圖像特征點匹配的算法，實現(xiàn)畫面的防抖功能，增強在顛簸路面觀察圖像的穩(wěn)定性，提高駕駛員的舒適度。電子穩(wěn)像主要由運動矢量估計和運動補償兩部分組成。景物和攝像系統(tǒng)之間的相對運動矢量是由運動檢測來確定的；運動估計系統(tǒng)就是通過不同的算法對圖像進行處理，估算出圖像序列的運動偏移[13]。運動補償則是通過運動決定單元提供的運動參數(shù)直接利用數(shù)字圖像處理的方法使圖像上的像素按被檢測出的運動偏移反方向做等量移動，實現(xiàn)圖像的行、列序重組，達到第二幀輸出圖像與第一幀輸出圖像重合，從而實現(xiàn)圖像序列的穩(wěn)定。電子穩(wěn)像系統(tǒng)的結構圖如圖9所示。

圖9 電子穩(wěn)像系統(tǒng)結構圖Fig.9 Electronic image stabilization system structure

3.1.4 行人識別模塊

紅外視頻信號輸送至行人識別模塊，進行紅外圖像分割、特征提取、模板匹配、分類判別等操作,對紅外圖像中檢測到的行人及其他物體。行人識別效果圖如圖10所示[14]。

圖10 行人識別效果圖Fig.10 Pedestrian recognition effect chart

3.1.5 錄像模塊

錄像板接收主控板的控制信號后，通過DSP將傳送過來的數(shù)字圖像信號進行編碼，然后存儲在存儲芯片中。存儲空間不足20%時設計有空間不足提醒，如用戶無刪除操作則自動覆蓋最先錄制的視頻。

3.1.6 控制模塊

主控板主要實現(xiàn)機芯數(shù)字圖像菜單疊加、車輛示寬線和道路距離標識疊加、視頻存儲模塊的控制、主機與屏之間的通信以及主機對外通信。主控板包含F(xiàn)PGA模塊、串口通信模塊、數(shù)字視頻輸出接口、通信接口。

3.2 系統(tǒng)實現(xiàn)指標及效果驗證

3.2.1 系統(tǒng)主要指標

系統(tǒng)主要指標如表3所示。

表3 系統(tǒng)主要指標表Table 3 Main indicators of system

3.2.2 效果驗證

a) 通過導熱與隔熱設計，將發(fā)熱體電源部分布置在殼體底部，并涂抹導熱硅脂，與其他電路板分體放置，系統(tǒng)局部熱仿真如圖11所示，發(fā)熱源遠離非制冷紅外焦平面探測器，盡量減小探測器處熱量堆積，保證紅外圖像質量。系統(tǒng)局部機械應力仿真如圖12所示，采用局部加強設計，保證系統(tǒng)強度，采用鏤空、薄壁等方法，并選用鋁合金等輕質金屬，整機重量輕、體積小。

圖11 系統(tǒng)局部熱仿真圖Fig.11 System local thermal simulation diagram

圖12 系統(tǒng)局部機械應力仿真圖Fig.12 System local mechanical stress simulation diagram

b) 駕駛員視覺增強系統(tǒng)夜間效果如圖13所示。

圖13 系統(tǒng)夜間效果對比圖Fig.13 System night effect comparison chart

c) 駕駛員視覺增強系統(tǒng)霧天效果如圖14所示。

圖14 系統(tǒng)霧天效果對比圖Fig.14 System fog effect comparison chart

d) 系統(tǒng)可有效地防迎面眩光，其效果如圖15所示。

圖15 系統(tǒng)防眩光效果對比圖Fig.15 System anti-glare effect comparison chart

4 結束語

基于非制冷紅外探測技術的軍用車輛駕駛員視覺增強系統(tǒng)將大幅度改善駕駛員的環(huán)境感知能力，大幅度提高駕駛員的駕駛安全系數(shù)及駕車體驗。隨著非制冷探測器規(guī)格、性能的不斷提升，對其進行的設計研究可以增強我國對紅外熱成像技術的掌握和儲備[15]，加快該技術普及的步伐，有利于滿足日益增長的裝備應用需求。