多波段目標(biāo)特性同步測(cè)試技術(shù)

閆 煒, 李 崗, 李 偉

（機(jī)電動(dòng)態(tài)控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710065）

多波段目標(biāo)特性同步測(cè)試技術(shù)

閆 煒, 李 崗, 李 偉

（機(jī)電動(dòng)態(tài)控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710065）

針對(duì)目前國(guó)內(nèi)缺乏對(duì)地面目標(biāo)進(jìn)行多波段同步測(cè)試的技術(shù)手段,設(shè)計(jì)一種能對(duì)地面目標(biāo)進(jìn)行多波段同步測(cè)試分析的系統(tǒng)。系統(tǒng)由測(cè)試和分析模塊構(gòu)成。該測(cè)試分析系統(tǒng)利用光電自動(dòng)跟蹤轉(zhuǎn)臺(tái)完成對(duì)地面目標(biāo)相同狀態(tài)下多波段信息及位標(biāo)信息的采集,通過(guò)后期數(shù)據(jù)分析處理得到以位標(biāo)作為基準(zhǔn)的目標(biāo)特性的多波段信息。測(cè)試表明：該測(cè)試系統(tǒng)對(duì)地面目標(biāo)的多波段同步測(cè)試,改變了傳統(tǒng)手段離散性大、同步性不高的技術(shù)現(xiàn)狀,為地面目標(biāo)近場(chǎng)特性的測(cè)試研究提供了新的技術(shù)手段。

目標(biāo)特性；同步測(cè)試；多波段

0 引言

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中,面對(duì)敵方全方位、多層次、多頻段、多手段的光電偵察,使用光電復(fù)合隱身降低目標(biāo)特征,已經(jīng)成為提高目標(biāo)戰(zhàn)場(chǎng)生存能力的重要方法和手段,因而針對(duì)目標(biāo)的多波段目標(biāo)特性同步測(cè)試具有重要的意義。國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的目標(biāo)特性測(cè)試多是針對(duì)單一紅外輻射特性［1-2］、毫米波散射特性的測(cè)試研究［3］,暫無(wú)對(duì)地面目標(biāo)進(jìn)行多波段同步測(cè)試的研究。

本文設(shè)計(jì)了一種基于光電自動(dòng)跟蹤轉(zhuǎn)臺(tái)的多波段測(cè)試系統(tǒng),同步測(cè)試采集地面目標(biāo)相同狀態(tài)下多波段信息及位標(biāo)信息,通過(guò)后期數(shù)據(jù)分析處理,得到以位標(biāo)作為基準(zhǔn)的目標(biāo)環(huán)境特性多波段信息,實(shí)現(xiàn)對(duì)地面目標(biāo)的多波段目標(biāo)特性同步測(cè)試。

1 多波段目標(biāo)特性同步測(cè)試基礎(chǔ)

1.1 硬件基礎(chǔ)

（1）光電自動(dòng)跟蹤轉(zhuǎn)臺(tái)

光電自動(dòng)跟蹤轉(zhuǎn)臺(tái)是集光、機(jī)、電與計(jì)算機(jī)應(yīng)用于一體的復(fù)雜系統(tǒng),是靶場(chǎng)測(cè)量設(shè)備、光電跟蹤測(cè)量設(shè)備、天文觀測(cè)設(shè)備、航空航天領(lǐng)域、激光通訊設(shè)備、光電捕獲跟蹤與瞄準(zhǔn)設(shè)備等不可缺少的關(guān)鍵硬件系統(tǒng)［4］。

多波段目標(biāo)特性同步測(cè)試系統(tǒng)將各探測(cè)設(shè)備集成到光電自動(dòng)跟蹤轉(zhuǎn)臺(tái)上,精密跟蹤系統(tǒng)鎖定目標(biāo)后,控制系統(tǒng)發(fā)出驅(qū)動(dòng)控制指令,驅(qū)動(dòng)各探測(cè)與采集系統(tǒng)工作,并采集、記錄各子系統(tǒng)傳送回來(lái)的測(cè)試信息。

（2）GPS/B碼時(shí)統(tǒng)終端

時(shí)間統(tǒng)一系統(tǒng)是通信系統(tǒng)的一個(gè)分系統(tǒng),它主要完成的功能是通過(guò)時(shí)間中心站的原子鐘形成高精度時(shí)間信號(hào)和高穩(wěn)定度的頻率信號(hào),進(jìn)而時(shí)間中心站把這兩種信號(hào)即時(shí)間信息、同步信息加上時(shí)統(tǒng)中心站的地址信息、時(shí)延信息以特定方式調(diào)制的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IRIG/B格式時(shí)間碼（簡(jiǎn)稱B碼）形式送給各種測(cè)量設(shè)備終端作為整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)基信號(hào),因此它已成為影響測(cè)量結(jié)果精度的重要因素之一［5］。

GPS/B碼時(shí)統(tǒng)終端是以GPS信息和IRIG/ B碼信息為基準(zhǔn)時(shí)間的一種時(shí)統(tǒng)終端。其特點(diǎn)是速率適中、編碼信息量豐富、通用規(guī)范及使用靈活方便。

GPS/B碼終端由GPS接收機(jī)和解調(diào)/產(chǎn)生器等組成,可接收GPS和標(biāo)準(zhǔn)B碼時(shí)統(tǒng)信號(hào),給出絕對(duì)時(shí)間碼,產(chǎn)生設(shè)備所需的各種同步信號(hào)。

1.2 測(cè)試原理

（1）線性插值

Linear線性插值是把各中間點(diǎn),按照與自變量的線性關(guān)系,均勻分布,用直線一次將所得的數(shù)據(jù)樣本點(diǎn)連接起來(lái),形成折線,如果遇到非數(shù)時(shí)則避開不做任何連接處理。

最簡(jiǎn)單的插值問(wèn)題是已知兩點(diǎn)［x0,f（x0）］及［x1,f（x1）］,通過(guò)此兩點(diǎn)的插值多項(xiàng)式是一條直線,即兩點(diǎn)式可表示為

顯然L1（x0）=f（x0）,L1（x1）=f（x1）,滿足插值條件,所以L1（x1）就是線性插值。

（2）目標(biāo)雷達(dá)散射截面（RCS）計(jì)算

毫米波雷達(dá)目標(biāo)散射特性研究［6］,主要測(cè)量的特征量是目標(biāo)的雷達(dá)散射截面（RCS）,它采用相對(duì)標(biāo)定法來(lái)測(cè)量目標(biāo)RCS,即在所有狀態(tài)完全相同的情況下,將待測(cè)目標(biāo)和已知精度RCS值的定標(biāo)體輪換置于同一距離上,當(dāng)測(cè)量雷達(dá)的威力系數(shù)相同時(shí),分別測(cè)量得到接收功率Pr與Pr0,則

式中：Pr為待測(cè)目標(biāo)接收到散射功率；Pr0為定標(biāo)體接收到散射功率下標(biāo)；σ0表示定標(biāo)體的RCS值。將其換算為分貝數(shù)：σ=10lg（RCS）dB·m2。

（3）目標(biāo)和背景灰度均值計(jì)算

光學(xué)波段的目標(biāo)特性可以研究圖像數(shù)據(jù)的亮度特征,目標(biāo)與背景亮度特征的提取可通過(guò)統(tǒng)計(jì)圖像的灰度直方圖來(lái)提?。?］。目標(biāo)和背景灰度均值計(jì)算如下可表示為

式中：g0表示當(dāng)前幀的目標(biāo)灰度值；f（x,y）表示當(dāng)前幀的圖像灰度值分布函數(shù)表示當(dāng)前幀的目標(biāo)灰度均值表示當(dāng)前幀的背景灰度均值；M×N表示當(dāng)前幀的圖像大小為M×N像素；H表示當(dāng)前幀的目標(biāo)像素個(gè)數(shù)。

2 多波段目標(biāo)特性同步測(cè)試技術(shù)

2.1 測(cè)試分析系統(tǒng)構(gòu)成

多波段目標(biāo)特性同步測(cè)試系統(tǒng)由紅外熱像系統(tǒng)、毫米波雷達(dá)系統(tǒng)、可見(jiàn)光電視系統(tǒng)、精密跟蹤架、激光測(cè)距系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制與采集系統(tǒng)、GPS/ B碼時(shí)統(tǒng)終端、伺服系統(tǒng)、操作控制臺(tái)等組成。系統(tǒng)具體組成,如圖1所示。

可見(jiàn)光電視系統(tǒng)采集目標(biāo)與背景的視頻信號(hào),通過(guò)圖像處理算法,給出目標(biāo)在視場(chǎng)中的位置,進(jìn)而把目標(biāo)的位置信息傳送給主控系統(tǒng)。主控系統(tǒng)根據(jù)可見(jiàn)光電視系統(tǒng)提供的目標(biāo)位置信息,經(jīng)過(guò)角度合成和預(yù)測(cè),驅(qū)動(dòng)控制精密跟蹤架,使目標(biāo)穩(wěn)定地處于視場(chǎng)中心；同時(shí)精密跟蹤架將實(shí)時(shí)的角度位置信息傳給主控系統(tǒng)以調(diào)整、控制和記錄。

圖1 測(cè)試系統(tǒng)組成示意圖

在精密跟蹤架鎖定目標(biāo)后,主控系統(tǒng)通過(guò)GPS/B碼時(shí)統(tǒng)終端給出高精度時(shí)間信號(hào)和高穩(wěn)定度的頻率信號(hào),驅(qū)動(dòng)激光測(cè)距系統(tǒng)、紅外熱像系統(tǒng)、毫米波雷達(dá)系統(tǒng)、可見(jiàn)光電視系統(tǒng)采集記錄系統(tǒng)傳送回來(lái)的測(cè)試數(shù)據(jù)。測(cè)量前要校準(zhǔn)激光測(cè)距系統(tǒng)光軸、紅外熱像系統(tǒng)光軸、毫米波雷達(dá)系統(tǒng)光軸、可見(jiàn)光電視系統(tǒng)光軸,嚴(yán)格保證光學(xué)同軸。

多波段目標(biāo)特性分析系統(tǒng)分為插值計(jì)算和數(shù)據(jù)處理兩大模塊：

a）插值計(jì)算模塊通過(guò)對(duì)距離數(shù)據(jù)進(jìn)行線性插值處理,使可見(jiàn)光圖像、紅外圖像、目標(biāo)反射功率數(shù)據(jù)的幀頻能一一對(duì)應(yīng)距離數(shù)據(jù),解決集成于光電自動(dòng)跟蹤轉(zhuǎn)臺(tái)上探測(cè)設(shè)備采樣頻率不一致的問(wèn)題；

b）數(shù)據(jù)處理模塊通過(guò)圖像處理分析可見(jiàn)光和紅外圖像數(shù)據(jù),獲得可見(jiàn)光、紅外波段目標(biāo)與背景的灰度均值,通過(guò)數(shù)值計(jì)算獲得毫米波波段的RCS值。

2.2 多波段目標(biāo)特性同步測(cè)試

多波段目標(biāo)特性同步測(cè)試分析的流程,如圖2所示。

測(cè)試流程主要分為以下幾步：

a）CCD像機(jī)系統(tǒng)采集目標(biāo)與背景的視頻信號(hào),通過(guò)圖像處理算法,給出目標(biāo)在視場(chǎng)中的位置,進(jìn)而把目標(biāo)的位置信息傳送給主控系統(tǒng)；

圖2 多波段目標(biāo)特性同步測(cè)試流程示意圖

b）主控系統(tǒng)根據(jù)電視跟蹤系統(tǒng)提供的目標(biāo)位置信息,經(jīng)過(guò)角度合成和預(yù)測(cè),驅(qū)動(dòng)控制二維跟蹤轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng),使目標(biāo)穩(wěn)定地處于視場(chǎng)中心,同時(shí)二維轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)將實(shí)時(shí)的角度位置信息傳給主控系統(tǒng)以調(diào)整、控制和記錄；

c）在二維轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)鎖定目標(biāo)后,主控系統(tǒng)發(fā)出驅(qū)動(dòng)控制指令,驅(qū)動(dòng)各探測(cè)系統(tǒng)工作,并采集、記錄各系統(tǒng)傳送回來(lái)的測(cè)試數(shù)據(jù)；

d）調(diào)用采集的可見(jiàn)光、紅外、毫米波波段數(shù)據(jù)和激光測(cè)距數(shù)據(jù),并對(duì)其進(jìn)行選?。?/p>

e）利用插值處理軟件對(duì)測(cè)距數(shù)據(jù)進(jìn)行線性插值運(yùn)算處理,使可見(jiàn)光圖像、紅外圖像、目標(biāo)反射功率數(shù)據(jù)的幀頻能一一對(duì)應(yīng)距離數(shù)據(jù)；

f）對(duì)可見(jiàn)光、紅外波段的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行目標(biāo)/背景區(qū)提取,計(jì)算兩者灰度平均值,對(duì)毫米波波段數(shù)據(jù)處理,計(jì)算目標(biāo)的雷達(dá)散射截面（RCS）。

3 多波段目標(biāo)特性同步測(cè)試結(jié)果

利用多波段目標(biāo)特性同步測(cè)試分析系統(tǒng)對(duì)坦克目標(biāo)進(jìn)行可將光、8μm～14μm紅外、8 mm波段特征同步測(cè)試。測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)布局如圖3所示。

圖3 測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)布局示意圖

本次試驗(yàn)所用CCD像機(jī)和熱像儀采集的幀頻圖像大小為320×240像素,灰度取值范圍為0～255。圖4為在同一位置的坦克紅外熱圖和可見(jiàn)光圖像。

圖4 紅外和可見(jiàn)光圖像

試驗(yàn)在側(cè)向測(cè)試點(diǎn)采集了10組坦克的測(cè)試數(shù)據(jù),經(jīng)計(jì)算得到如表1所示的結(jié)果。

表1 多波段目標(biāo)特性測(cè)試數(shù)據(jù)表

由上述測(cè)試結(jié)果分析可以看出,多波段目標(biāo)特性同步測(cè)試分析系統(tǒng)中的GPS/B碼時(shí)統(tǒng)終端對(duì)多波段數(shù)據(jù)的同步采集,及后期數(shù)據(jù)分析處理得到的以位標(biāo)作為基準(zhǔn)的多波段信息,實(shí)現(xiàn)了對(duì)地面目標(biāo)的多波段目標(biāo)特性同步測(cè)試。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種利用光電自動(dòng)跟蹤轉(zhuǎn)臺(tái),同步測(cè)試采集相同狀態(tài)下目標(biāo)多波段信息及位標(biāo)信息,通過(guò)后期數(shù)據(jù)分析處理,得到以位標(biāo)作為基準(zhǔn)的目標(biāo)環(huán)境特性的多波段信息系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)對(duì)地面目標(biāo)的多波段目標(biāo)特性同步測(cè)試。系統(tǒng)由測(cè)試和分析模塊構(gòu)成。通過(guò)對(duì)坦克目標(biāo)多波段同步測(cè)試證明：本系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)地面目標(biāo)的多波段同步測(cè)試,改變了傳統(tǒng)手段離散性大、同步性不高的技術(shù)現(xiàn)狀,為地面目標(biāo)/背景近場(chǎng)特性的測(cè)試研究提供了新的技術(shù)手段。

［1］王建霞.目標(biāo)的紅外特性組合測(cè)試［J］.紅外與激光工程,2008,37：543-546.

［2］趙強(qiáng).目標(biāo)在復(fù)雜背景中的紅外成像特性研究［J］.制導(dǎo)與引信,2005,26（3）：15-18.

［3］王明波,劉穎.復(fù)雜環(huán)境下的目標(biāo)特性測(cè)量方法研究［J］.紅外,2013,34（6）：29-33.

［4］黃立新.機(jī)動(dòng)式光電跟蹤轉(zhuǎn)臺(tái)小型化設(shè)計(jì)與可靠性研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué),2008.

［5］馬紅皎,胡永輝.GPS&IRIG-B碼時(shí)間系統(tǒng)分析［J］.電子科技,2005,190（7）：21-25.

［6］黃培康,殷紅成,許小劍.雷達(dá)目標(biāo)特性［M］.北京：電子工業(yè)出版社,2005.

［7］宣益民,韓玉閣.地面目標(biāo)與背景的紅外特征［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社,2004.

Synchronous Test Technology of Multiband Target Characteristic

YAN Wei, LI Gang, LI Wei
（Science and Technology on Electromechanical Dynamic Control Laboratory,Xi'an Shaanxi 710065,China）

Aiming at the absent of multiband synchronous test technology for ground target at home,a multiband synchronous test and analysis system for ground target was designed.The system consists of test and analysis module.The test and analysis system uses photo-electricity tracking turntable to gather information about ground target under the same state multiband information and standard information.The multi wave signal target characteristics is obtained to a standard reference in the period of data analysis and processing.Testing results showed that the multiband of the test system for ground target synchronous test changed the present situation of traditional methods such as great discreteness and low synchronization,provided a new technique for ground target characteristic of near-field test.

target characteristic；synchronous；multiband

O436.2

A

1671-0576（2014）01-0028-04

2013-08-30

閆 煒（1970-）,女,碩士,主要從事目標(biāo)近場(chǎng)電磁、激光散射特性技術(shù)研究。