張龍浩,陳國強,徐 梁,沈 騰,程慶敏

(中國航空工業(yè)集團公司洛陽電光設(shè)備研究所,河南 洛陽，471000)

1 引 言

低小慢目標是指具有低空、超低空飛行,尺寸小,飛行速度較慢等特征的小型飛行器等目標,低小慢目標目前已對我國機場、油田等事關(guān)民生國防的重要場所構(gòu)成重大安全威脅[1]。對低小慢目標有效、快速、準確的發(fā)現(xiàn)、跟蹤、識別,從而實現(xiàn)全天時、全天候、全方位、自動化的低小慢監(jiān)視能力具有重大的意義。也是進一步實現(xiàn)對低小慢目標進行干擾壓制和殺傷摧毀的基礎(chǔ)。

目前對低小慢目標的探測方式主要有雷達探測和光電探測。目前國內(nèi)環(huán)掃LFMCW雷達系統(tǒng)可以在復雜雜波背景對低小慢目標探測,并對探測范圍內(nèi)的低小慢無人機進行自動跟蹤[2],但是雷達難以探測目標的輪廓特征和辨別目標的形態(tài)和種類。光電探測也是探測低小慢目標的重要方式。但目前對低慢小目標的光電探測系統(tǒng)大多依賴人工手動搜索,效率低,消耗人精力,且人工很容易看漏目標。自動化程度較低,無法實現(xiàn)人不管。提出了一種對低小慢目標實現(xiàn)全自動搜索跟蹤監(jiān)視的光電轉(zhuǎn)塔控制方法,可以在雷達的配合下,實現(xiàn)全自動工作,無需手動操作光電轉(zhuǎn)塔。

2 系統(tǒng)組成

低小慢目標跟蹤監(jiān)視光電轉(zhuǎn)塔是低小慢目標自動跟蹤監(jiān)視系統(tǒng)的一部分(如圖1所示),低小慢目標自動跟蹤監(jiān)視系統(tǒng),由雷達系統(tǒng)、光電轉(zhuǎn)塔、和光電轉(zhuǎn)塔顯示控制系統(tǒng)組成(如圖2所示),他們共同工作,實現(xiàn)對對低小慢目標的自動發(fā)現(xiàn)、跟蹤、監(jiān)視、識別。

圖1 低小慢目標跟蹤監(jiān)視光電轉(zhuǎn)塔

圖2 低小慢目標自動跟蹤監(jiān)視系統(tǒng)組成圖

雷達系統(tǒng)主要由環(huán)掃線性調(diào)頻連續(xù)波(LFMCW)雷達組成,LFMCW雷達是探測近程低小慢目標的常用傳感器,具有高距離分辨率、高接收靈敏度、低發(fā)射功率,全天候工作等優(yōu)點[3]。雷達系統(tǒng)可以自動探測低小慢目標給出目標位置信息,并發(fā)送給光電轉(zhuǎn)塔,引導光電轉(zhuǎn)塔對目標進行自動搜索、跟蹤監(jiān)視和識別。

光電轉(zhuǎn)塔顯示控制系統(tǒng)可以向光電轉(zhuǎn)塔發(fā)送控制信息,顯示可見光紅外圖像、光電轉(zhuǎn)塔運行信息和探測到的低小慢目標信息,如操作人員如對其他目標感興趣也可通過顯示控制系統(tǒng)讓光電轉(zhuǎn)塔退出全自動模式,手動控制轉(zhuǎn)塔。

低小慢目標跟蹤監(jiān)視光電轉(zhuǎn)塔是具備晝夜間目標搜索成像功能的兩軸四框架光電轉(zhuǎn)塔。轉(zhuǎn)塔內(nèi)有長焦高清可見光傳感器和長焦制冷式紅外傳感器兩個傳感器。

轉(zhuǎn)塔內(nèi)有慣性姿態(tài)測量單元,可以輸出轉(zhuǎn)塔光軸的空間姿態(tài)信息。根據(jù)光軸姿態(tài)信息、轉(zhuǎn)塔自身和目標地理位置等信息可以算出使轉(zhuǎn)塔對準已知地理位置目標所需轉(zhuǎn)動到的方位俯仰角。

光電轉(zhuǎn)塔內(nèi)有圖像處理器,它可以對光電轉(zhuǎn)塔傳感器采集的紅外圖像進行處理并對低小慢目標進行自動檢出和跟蹤。圖像處理器采集實時紅外圖像后,首先會使用目標對比度增強算法對圖像進行預處理并對目標背景進行抑制,然后會對圖像進行分割及虛警抑制對序列圖像進行多幀關(guān)聯(lián)來提取目標[3],并將信噪比最高的目標進行檢出和鎖定,該算法能運行在嵌入式設(shè)備上,快速準確的目標檢測。該方法易于實現(xiàn),能提高檢測概率,較好并且實時完整地檢測出視頻圖像中的低小慢目標,并且降低虛警率，圖像處理器檢測低小慢目標流程圖如圖3所示。

圖3 圖像處理器檢測低小慢目標流程圖

3 實施方法

在低小慢目標跟蹤監(jiān)視光電轉(zhuǎn)塔內(nèi),傳感器自動控制系統(tǒng)和運動自動控制系統(tǒng)兩個系統(tǒng)配合工作,共同實現(xiàn)實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)塔的全自動化工。

3.1 準備工作

首先在地面上已知地理位置信息點(經(jīng)度Lo、緯度Bo、高度ho)的位置安裝光電轉(zhuǎn)塔,并且雷達系統(tǒng)和光電轉(zhuǎn)塔相交聯(lián),使雷達可以實時向光電轉(zhuǎn)塔傳輸探測到的低小慢目標所在的的預測地理位置(經(jīng)度La、緯度Ba、高度ha)。地面開機的檢查工作,光電轉(zhuǎn)塔上電完成初始化并自檢,向顯示控制系統(tǒng)發(fā)送系統(tǒng)參數(shù)信息,并接收顯示控制系統(tǒng)控制。同時光電轉(zhuǎn)塔等待雷達發(fā)送目標信息,當收到雷達信息后,光電轉(zhuǎn)塔自動進入自動化工作模式。

3.2 傳感器自動控制系統(tǒng)

傳感器自動控制系統(tǒng)會自動控制可見光傳感器和紅外傳感器視場將低小慢目標以合適的大小顯示在圖像中,并且自動調(diào)焦使目標清晰。

根據(jù)低小慢目標所在的預測地理位置(La、Ba、ha)和光電轉(zhuǎn)塔所在的地理位置(Lo、Bo、ho),將兩點對經(jīng)緯高轉(zhuǎn)化為兩點在地球坐標系中的坐標,便可求出目標預測點和光電轉(zhuǎn)塔間的距離(Lao)[4]。

觀察點A的經(jīng)度LA,緯度BA,海拔高度hA。在地球坐標系中的坐標為:

其中:

其中,a為地球橢球長半軸;e為地球橢球第一偏心率。

因為低小慢目標在紅外圖像中特征更明顯,所以紅外傳感器提供紅外圖像給圖像處理器用于低小慢目標檢出和跟蹤,可見光傳感器用于輔助觀察。

轉(zhuǎn)塔內(nèi)的傳感器自動控制系統(tǒng)可以根據(jù)目標預測點和光電轉(zhuǎn)塔間的距離(Lao)控制轉(zhuǎn)塔內(nèi)的紅外可見光傳感器自動調(diào)焦變倍,使低小慢目標可以在圖像一直保持清晰和在圖像內(nèi)有合適的大小。

根據(jù)目標預測距離Lao和低小慢目標的平均大小可以調(diào)節(jié)紅外和可見光圖像視場角大小,使目標在紅外圖像內(nèi)有適合檢出和觀察的大小可見圖像內(nèi)也適合觀察。設(shè)低小慢目標的平均尺寸為LD,那么目標在視頻畫面中所占像素數(shù)可用以下公式計算得出:

其中,P為目標在視頻中橫向和縱向所占的像素寬度;F為傳感器視場角;R為視頻分辨率。

根據(jù)目標預測距離Lao對可見光傳感器和紅外傳感器進行自動調(diào)焦,使目標在圖像內(nèi)清晰。圖4是傳感器自動控制系統(tǒng)的工作流程圖。

圖4 傳感器自動控制系統(tǒng)的工作流程圖

3.3 運動自動控制系統(tǒng)

轉(zhuǎn)塔內(nèi)的運動控制系統(tǒng)和圖像處理器配合工作,實現(xiàn)對低小慢目標的自動對準和跟蹤。

根據(jù)光電轉(zhuǎn)塔地理位置(La、Ba、ha)和目標預測點地理位置(Lo、Bo、ho)通過坐標轉(zhuǎn)換可以算出這兩個點在地球坐標系內(nèi)的坐標(OXYZq),進而計算出這兩點在慣導坐標系內(nèi)的坐標(OXYZh),然后可計算出在慣導坐標系(OXYZh)下光電轉(zhuǎn)塔指向目標預測點的方向矢量[5]。光電轉(zhuǎn)塔內(nèi)的慣性姿態(tài)測量單元輸出了紅外傳感器和可見光傳感器的光軸姿態(tài)、根據(jù)光軸的姿態(tài)、目標預測坐標的方向矢量和轉(zhuǎn)塔的方位俯仰角,可以計算出需要使轉(zhuǎn)塔的瞄準線對準目標預測點所需要的轉(zhuǎn)塔方位角η1和俯仰角η2。

圖5 轉(zhuǎn)塔瞄準線對準目標預測點原理圖

當系統(tǒng)全自動流程開始時,光電轉(zhuǎn)塔運動控制系統(tǒng)進入角度對準模式,轉(zhuǎn)塔的方位俯仰角對準η1、η2,從而驅(qū)動瞄準線指向目標預測位置,當轉(zhuǎn)塔實時方位俯仰角θ1,θ2和對準預測目標方位俯仰角η1,η2的絕對差小于閾值,且轉(zhuǎn)塔紅外和可見傳感器根據(jù)目標預測距離Lao調(diào)焦變倍到位時,轉(zhuǎn)塔控制圖像處理器開始在轉(zhuǎn)塔紅外圖像內(nèi)檢出信噪比最高的紅外小目標。如果檢出目標成功,轉(zhuǎn)塔圖像處理器鎖定目標并向轉(zhuǎn)塔運動系統(tǒng)報告目標和紅外圖像中心的偏差量,光電轉(zhuǎn)塔運動控制系統(tǒng)進入圖像跟蹤模式,控制轉(zhuǎn)塔轉(zhuǎn)動將目標拉到圖像中心對目標進行持續(xù)跟蹤[6]。

由于雷達系統(tǒng)從發(fā)現(xiàn)目標到計算出目標坐標并報告光電轉(zhuǎn)塔目標有一定時間(3 s左右)的延時,所以對準目標預測點后,目標未必在轉(zhuǎn)塔傳感器視場范圍內(nèi),所以需要對視場的鄰近區(qū)域也進行搜索。如果對準后圖像處理器未檢出目標,運動控制系統(tǒng)控制轉(zhuǎn)塔在對準的方位俯仰角η1,η2的鄰近區(qū)域內(nèi)進行小范圍掃描,并繼續(xù)檢出低小慢目標,設(shè)ξ1、ξ2為轉(zhuǎn)塔實時對準的方位俯仰角的給定值,則有:

ξ1=η1+Aφ1sin(ωt)

ξ2=η2+Aφ2sin(ωt)

其中,A為掃描幅值系數(shù);ω為掃描頻率;φ1、φ2分別為轉(zhuǎn)塔當前的紅外視場方位角和俯仰角。

當檢出目標后并穩(wěn)定跟蹤一段時間后,可以根據(jù)圖像視場、目標預測距離Lao和圖像中的目標像素大小估算目標的大小,設(shè)LM為目標大小,則有:

其中,P為目標在視頻中橫向和縱向所占的像素寬度;F為傳感器視場角;R為視頻分辨率。

常見的低小慢目標包括旋翼無人機(軸距0.4～1.8 m)和固定翼無人機(翼展1～4 m),可以根據(jù)估算的目標大小對低小慢目標類型做初步的判斷。

在個別天氣條件下,如天空中有很多碎云的時候,可能會出現(xiàn)檢出目標錯誤的情況,此時轉(zhuǎn)塔在檢出目標并進入圖像跟蹤模式后也會跟蹤錯誤的目標。但是這時由于跟蹤的目標錯誤,轉(zhuǎn)塔實時方位俯仰角θ1,θ2和對準預測目標方位俯仰角η1,η2的差值會逐漸增大,當差值大于閾值時,此時運動控制系統(tǒng)控制轉(zhuǎn)塔重新進入角度對準模式對準η1,η2,對準后系統(tǒng)會自動重新嘗試進行檢出和跟蹤,直到對準正確目標。

當雷達檢測到新目標時,由于目標預測點地理位置(Lo、Bo、ho)大幅變化,對準預測目標方位俯仰角η1,η2也會大幅變化,此時轉(zhuǎn)塔角度方位俯仰角θ1,θ2和目標方位俯仰角η1,η2的差也會大于閾值,系統(tǒng)會自動重新對準進入新一輪的自動化進程。圖6是光電轉(zhuǎn)塔自動運動控制系統(tǒng)的工作流程圖。

4 試驗驗證與結(jié)果分析

為驗證低小慢目標跟蹤監(jiān)視光電轉(zhuǎn)塔對低小慢目標的全自動跟蹤監(jiān)視識別的效果和性能,使用多種低小慢目標在不同距離多種天氣條件下進行了試驗。試驗中轉(zhuǎn)塔能夠成功的對低小慢目標進行檢出監(jiān)視,識別目標的輪廓特征和辨別目標的形態(tài)和種類如圖7、8所示。

圖6 光電轉(zhuǎn)塔自動運動控制系統(tǒng)的工作流程圖

圖7 光電轉(zhuǎn)塔紅外圖像檢出低小慢目標

圖8 光電轉(zhuǎn)塔可見光傳感器發(fā)現(xiàn)低小慢目標

表1給出了光電轉(zhuǎn)塔對多種小目標自動跟蹤監(jiān)視試驗結(jié)果,試驗中光電轉(zhuǎn)塔對多種低小慢目標均能成功進行檢出和識別,對于大的低小慢目標的檢出識別距離更遠,另外天氣也會對低小慢目標的識別距離有一定的影響。

表1 光電轉(zhuǎn)塔對多種小目標自動跟蹤監(jiān)視試驗結(jié)果

5 結(jié) 論

本文提出了一種低小慢目標實現(xiàn)全自動搜索跟蹤監(jiān)視的光電轉(zhuǎn)塔控制方法,可以實現(xiàn)全自動工作,無需手動操作光電轉(zhuǎn)塔。在雷達發(fā)現(xiàn)低小慢目標后,光電轉(zhuǎn)塔會自動搜索對準檢出目標,將目標以合適的大小清晰的顯示在圖像中并一直跟蹤,并對目標的大小估算初步識別。如果目標錯誤丟失可以自動退出目標跟蹤,并自動重新嘗試對目標進行搜索跟蹤。雷達報告新的目標轉(zhuǎn)塔會自動切換跟蹤新的目標。

試驗證明,該方法可以全自動實現(xiàn)對各種常見的低小慢目標的發(fā)現(xiàn)、自動跟蹤監(jiān)視和識別,由于整個工作流程全自動化,此種控制方法工作大大節(jié)省了人力,提高了效率,減少了目標漏檢出,并可以對目標的大小估算初步識別。