艦載遙測與紅外電視跟蹤一體化設(shè)計與實現(xiàn)

，,

(中國人民解放軍 92941部隊，遼寧 葫蘆島 125000)

0 引言

艦載遙測系統(tǒng)以其海上機動性能以及遠(yuǎn)海布站的優(yōu)勢，在海上靶場遠(yuǎn)距離飛行目標(biāo)的測控保障中，發(fā)揮著不可替代的作用。但是，艦載遙測系統(tǒng)也有弱點，在近距離、低仰角跟蹤捕獲目標(biāo)時，接收的無線電信號易被海面反射造成干擾，進而影響對目標(biāo)的穩(wěn)定跟蹤。而紅外跟蹤系統(tǒng)具有的自動捕獲跟蹤功能，能彌補遙測在近海面工作的不足，實現(xiàn)對運動目標(biāo)的自動檢測、捕獲與跟蹤，完成復(fù)雜海面場景至天空背景下目標(biāo)的穩(wěn)定跟蹤，從而實現(xiàn)遙測系統(tǒng)和光電成像系統(tǒng)的優(yōu)勢互補和穩(wěn)定高精度跟蹤測量,極大提高了遙測系統(tǒng)獲取數(shù)據(jù)概率。簡單的說，艦載遙測和光學(xué)跟蹤設(shè)備的集成有利于實現(xiàn)資源共享，功能互補，能有效提高艦載遙測系統(tǒng)近距離和低仰角跟蹤的綜合性能[1]。同時，對于沒有遙測合作設(shè)備的目標(biāo)或飛行器，紅外跟蹤系統(tǒng)也可獨立實現(xiàn)跟蹤測量，這是傳統(tǒng)的遙測所不具備的能力。

1 紅外電視系統(tǒng)設(shè)計

紅外電視系統(tǒng)主要包括光學(xué)鏡頭設(shè)備和管理計算機。光學(xué)鏡頭設(shè)備安裝在遙測系統(tǒng)主天線俯仰臂上，主天線結(jié)構(gòu)設(shè)計之初就考慮光軸、電軸及標(biāo)校軸的一致性，便于紅外設(shè)備的安裝及標(biāo)校。管理計算機安裝在遙測終端設(shè)備機柜中，通過遙測伺服控制單元實現(xiàn)對主天線的驅(qū)動控制。系統(tǒng)組成原理如圖1所示。

圖1 紅外電視系統(tǒng)組成原理圖

1.1 主要功能

1.1.1 目標(biāo)跟蹤功能

能夠自動捕獲、跟蹤目標(biāo)；實時輸出跟蹤目標(biāo)的圖像，供監(jiān)視、顯示使用；實時記錄視頻圖像；自動捕獲跟蹤目標(biāo)，將脫靶量信息實時輸出給遙測伺服系統(tǒng)，驅(qū)動天線鎖定跟蹤目標(biāo)；實時跟蹤目標(biāo)時，可以方便實現(xiàn)紅外電視跟蹤與遙測跟蹤間的相互切換，共同完成目標(biāo)跟蹤。

1.1.2 標(biāo)校功能

字符顯示功能；時間碼解調(diào)功能；游標(biāo)移動功能；十字絲顯示功能；串口收發(fā)數(shù)據(jù)功能。

1.2 光學(xué)鏡頭設(shè)備

光學(xué)鏡頭由紅外光學(xué)系統(tǒng)(兩檔定焦望遠(yuǎn)鏡)、頭部控制小系統(tǒng)、紅外探測器和高速圖像處理系統(tǒng)四部分組成。三維圖如圖2所示。

圖2 光學(xué)鏡頭箱體剖面圖

1.2.1 紅外光學(xué)系統(tǒng)

1.2.1.1 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計

光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)的確定，主要考慮如下幾點因素，第一探測能力即作用距離，第二是捕獲跟蹤目標(biāo)的視場要和遙測的跟蹤誤差相匹配，第三是跟蹤精度即實時的測量精度，既要滿足跟蹤穩(wěn)定性又要滿足標(biāo)校精度的要求。

對于探測能力，由于測量的目標(biāo)離海面距離很近，受大氣衰減等影響，同時考慮光學(xué)鏡頭的體積、重量及對遙測天線的影響等因素，選擇了光學(xué)系統(tǒng)口徑D≥140 mm的尺寸，在保證探測能力的同時也獲得較小的體積重量。

關(guān)于捕獲跟蹤目標(biāo)的視場和遙測的跟蹤誤差相匹配，前期的外引導(dǎo)誤差較大，一般達(dá)到20′，探測視場為引導(dǎo)誤差的3倍才能保證目標(biāo)在視場中，則探測視場在1°左右，光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)考慮如下：

1)光學(xué)系統(tǒng)口徑D≥140 mm；

2)光學(xué)系統(tǒng)焦距f=260 mm/520 mm兩檔，電控變倍；

3)視場：寬視場1.8°×1.4°；窄視場0.9°×0.7°；

4)溫度調(diào)焦：電控溫度調(diào)焦；

5)電控變倍時間：≤2.5 s。

1.2.1.2 光學(xué)系統(tǒng)像質(zhì)評價

1.2.1.2.1 窄視場時(f=520 mm)：

1)彌散斑半徑<8.2 μm；

2)MTF>55%@17l p/mm；

3)全視場>75%的能量集中在半徑15 μm的圓內(nèi)；

4)最大畸變<2%；

5)全視場相對照度>84%。

1.2.1.2.2 寬視場時(f=260 mm)：

1)彌散斑半徑<8 μm；

2)MTF>55%@17l p/mm；

3)全視場>75%的能量集中在半徑15 μm的圓內(nèi)；

4)最大畸變<2%；

5)全視場相對照度>84%。

1.2.2 紅外探測器

1)探測器：采用進口優(yōu)質(zhì)IRCCD，工作波段3～5 μm，器件材料HgCdTe，像素分辨率320×256，像元尺寸30×30 μm，探測最小溫差≤30 mk；

2)積分時間設(shè)置：可手動調(diào)節(jié)探測器積分時間；

3)工作幀頻：100 Hz或50 Hz可調(diào)；

4)可輸出標(biāo)準(zhǔn)模擬視頻信號。

1.2.3 高速圖像處理系統(tǒng)

為實現(xiàn)目標(biāo)快速捕獲和對多種類型目標(biāo)的自動跟蹤，采用高速DSP和大規(guī)?？删幊踢壿嬯嚵蠪PGA的全數(shù)字高速圖像處理系統(tǒng)。主要實現(xiàn)以下功能：

1)快速自動捕獲目標(biāo)功能。

設(shè)備加電后，處理系統(tǒng)自動進入搜索狀態(tài)開始搜索目標(biāo)，充分利用FPGA的高速并行功能，DSP對圖像數(shù)據(jù)進行全視場實時處理，一旦目標(biāo)進入探測器視場設(shè)備將快速自動捕獲目標(biāo)，送出目標(biāo)的脫靶量數(shù)據(jù)。

2)自動跟蹤功能。

對多種類型目標(biāo)，DSP程序設(shè)計和調(diào)用不同的跟蹤處理算法，實現(xiàn)對多種類型目標(biāo)自動跟蹤功能。輸出有效目標(biāo)偏離視場中心的偏差量到遙測系統(tǒng)，通過遙測系統(tǒng)選擇該誤差量作為跟蹤誤差，完成對目標(biāo)的穩(wěn)定跟蹤。便于遙測系統(tǒng)在實時跟蹤目標(biāo)時方便實現(xiàn)紅外跟蹤與遙測跟蹤間的相互切換，共同完成對目標(biāo)的跟蹤。

3)紅外數(shù)字圖像增強功能。

為提高系統(tǒng)對紅外弱目標(biāo)的探測能力，高速圖像處理系統(tǒng)對紅外數(shù)字圖像進行增強處理。

4)處理后的圖像顯示功能。

將處理后的圖像疊加字符后經(jīng)過DA轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)視頻圖像送到機下顯示，以實時輸出跟蹤目標(biāo)的直觀圖像。視場中心的十字絲可顯示或隱藏。

1.2.4 機械系統(tǒng)

機械系統(tǒng)除耐環(huán)境設(shè)計外，為了保證方便使用，采用手動和自動一體的開閉蓋設(shè)計，即可以用手扳動保護蓋，也可以自動控制開關(guān)鏡頭的保護蓋。同時，光學(xué)望遠(yuǎn)鏡中加裝了溫度和壓力傳感器，可以將望遠(yuǎn)鏡箱體內(nèi)的溫度和壓力送給管理計算機，能更清楚了解鏡頭內(nèi)的各種情況，便于故障診斷。

1.3 管理計算機

管理計算機基于CPCI總線結(jié)構(gòu)，包括圖像數(shù)據(jù)接收板、高速數(shù)字DSP處理板以及圖像處理軟件。

1.3.1 圖像數(shù)據(jù)接收板

負(fù)責(zé)接收圖像處理系統(tǒng)下傳的圖像及脫靶量數(shù)據(jù)，和DSP處理板通過插針棧接在一起，體積小、功耗低，可靠性高。將圖像處理系統(tǒng)放置于紅外光學(xué)鏡頭內(nèi)，將減少下傳數(shù)據(jù)電纜線，只需采用RS422方式即可將脫靶量數(shù)據(jù)下傳，這樣使系統(tǒng)更加簡潔、可靠。硬件平臺結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 硬件平臺結(jié)構(gòu)圖

1.3.2 DSP處理板

采用高性能的DSP和大規(guī)?？删幊踢壿嬯嚵蠪PGA相結(jié)合，將大量的流水線的耗時運算和多重并行運算放在FPGA中實現(xiàn)，充分利用FPGA和DSP緊耦合結(jié)構(gòu)共同完成信號處理及智能決策[2]。處理板原理圖如圖4所示。

圖4 DSP處理板原理框圖

DSP處理板首先接收控制信號，解析出游標(biāo)上、下、左、右移動控制時的中心角度偏差值，然后接收圖像數(shù)據(jù)接收板送來的目標(biāo)脫靶量并送給遙測控制系統(tǒng)，最后接收天線控制器的跟蹤狀態(tài)和實時角信息以及時間信號，并和大十字絲、游標(biāo)、字符一起疊加到實時圖像中。將疊加后的圖像信號通過DA轉(zhuǎn)換形成標(biāo)準(zhǔn)PAL圖像在處理軟件上顯示。

1.3.3 圖像處理軟件

1)算法的智能決策。

針對目標(biāo)特性及其環(huán)境，圖像處理軟件采用多結(jié)構(gòu)元目標(biāo)檢測算法、邊緣跟蹤算法以及特征跟蹤等多種算法[3]，完成目標(biāo)在空中、近地面以及海天背景等場景下的檢測與跟蹤。

目標(biāo)在視場中的運動復(fù)雜多變：由近及遠(yuǎn)，由遠(yuǎn)及近，有大有小，有亮有暗，背景有簡單和復(fù)雜。因此，在跟蹤算法中要采取如下措施：

根據(jù)目標(biāo)的大小對跟蹤處理區(qū)域進行自適應(yīng)變化，圖像處理程序中設(shè)計了兩檔跟蹤窗大小，以滿足任務(wù)過程中目標(biāo)變化的需要；根據(jù)目標(biāo)的大小，選擇應(yīng)用小目標(biāo)跟蹤算法和擴展目標(biāo)跟蹤算法；根據(jù)背景的非均勻性，選擇應(yīng)用形心跟蹤算法和邊緣跟蹤算法；根據(jù)目標(biāo)的個數(shù)以及需要跟蹤目標(biāo)的類型，選擇應(yīng)用單目標(biāo)跟蹤還是多目標(biāo)跟蹤；根據(jù)背景的復(fù)雜度，選擇應(yīng)用基于灰度跟蹤算法和基于特征跟蹤算法[4]；在天空有云、天地背景以及海天背景等環(huán)境下，軟件具有多算法并行處理能力，以適應(yīng)多種場景下對目標(biāo)的可靠提取與穩(wěn)定跟蹤；根據(jù)目標(biāo)的搜索和跟蹤狀態(tài)，選擇不同的跟蹤算法?？傊?，圖像處理軟件設(shè)計要盡量做到減少人工干預(yù)，滿足自動跟蹤處理的要求。

2)軟件接口。

對高速數(shù)字圖像處理系統(tǒng)送過來的標(biāo)準(zhǔn)視頻(疊加有字符)圖像進行軟解壓后實時顯示、記錄和存儲。

通過串口對紅外探測器進行非均勻校正和積分時間設(shè)置，同時對光學(xué)鏡頭小系統(tǒng)進行調(diào)焦和變倍控制。

通過串口與高速圖像處理系統(tǒng)進行通訊，并對高速圖像處理系統(tǒng)進行控制選擇；接收脫靶量，回送控制信號；手動、自動選擇域值調(diào)節(jié)，算法選擇(分離目標(biāo)、固定目標(biāo)、海面目標(biāo))，十字絲顯示隱藏。

通過串口與遙測系統(tǒng)進行通訊，送脫靶量給遙測，并接收遙測的時間信息。軟件界面如圖5所示。

圖5 圖像處理軟件界面

2 艦載遙測原理

2.1 伺服跟蹤

艦載遙測系統(tǒng)工作時，天線在伺服分系統(tǒng)的控制下指向預(yù)定空域，搜索目標(biāo)遙測信號，一旦發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，伺服分系統(tǒng)會根據(jù)遙測基帶產(chǎn)生的跟蹤誤差信號、或者由其它跟蹤方式產(chǎn)生的指令信號與天線指向角信號相比較，產(chǎn)生誤差信號，經(jīng)過濾波變換、數(shù)字處理和放大輸出，驅(qū)動天線指向目標(biāo)。艦載與陸基遙測系統(tǒng)最大區(qū)別在于，系統(tǒng)需進行隔離船搖擾動設(shè)計[5-6]。

執(zhí)行任務(wù)時，伺服系統(tǒng)首先依據(jù)局部基準(zhǔn)分系統(tǒng)提供的橫搖、縱搖及航向信息，采用高精度數(shù)學(xué)解耦算法來實現(xiàn)天線指向的甲板角與大地角之間的轉(zhuǎn)換，驅(qū)動天線指向預(yù)定目標(biāo)空域。在局部基準(zhǔn)分系統(tǒng)信息不可用的情況下使用船上綜合導(dǎo)航系統(tǒng)提供的橫搖、縱搖及航向信息。未捕獲到目標(biāo)信號之前，可以在預(yù)定目標(biāo)空域進行搜索，搜索可以是俯仰或方位單軸進行，也可以是雙軸同時進行。天線接收到目標(biāo)信號后，當(dāng)接收信號的AGC電平、鎖定信號、誤差信號滿足給定條件時，天線進入自跟蹤狀態(tài)，實現(xiàn)對目標(biāo)的平穩(wěn)準(zhǔn)確跟蹤。

伺服系統(tǒng)的天線形式是拋物面天線加寬波束平板跟蹤接收天線。當(dāng)目標(biāo)速度較快、距離過近或拋物面天線意外丟失目標(biāo)時，依靠寬波束接收天線的寬波束，在較大范圍內(nèi)仍可接收到目標(biāo)遙測信號并跟蹤。當(dāng)跟蹤低仰角飛行目標(biāo)時，由于海面反射影響，產(chǎn)生多路徑效應(yīng)，導(dǎo)致跟蹤目標(biāo)抖動，嚴(yán)重時甚至丟失目標(biāo)。因此，在低仰角跟蹤目標(biāo)時，采用平滑濾波算法及利用波束寬度限制天線仰角等措施，確保跟蹤平穩(wěn)。

2.1.1 采用DSP的天線數(shù)字控制技術(shù)

動平臺下伺服系統(tǒng)接口眾多，需要接收三路慣導(dǎo)數(shù)據(jù)、接收機數(shù)據(jù)、天線驅(qū)動單元上傳數(shù)據(jù)、紅外脫靶量數(shù)據(jù)、按鍵信息、推桿信息等。采用C6000浮點型DSP和FPGA結(jié)合，極大程度的滿足伺服系統(tǒng)的實時性要求，便于控制裝置的升級擴展[7]，實現(xiàn)了對天線伺服系統(tǒng)的高精度控制。

2.1.2 陀螺穩(wěn)定環(huán)加船搖速度補償

陀螺穩(wěn)定策略主要利用天線俯仰臂上速率陀螺敏感出天線方位俯仰速率進行閉環(huán)控制[8]。船搖速度補償策略，利用采集船上慣導(dǎo)設(shè)備的船搖速度信息進行坐標(biāo)變換，得出天線伺服系統(tǒng)方位俯仰軸的速度環(huán)路補償量，實現(xiàn)船搖速度補償算法。采取增加船搖速度補償算法能夠有效提高天線伺服系統(tǒng)隔離船搖的能力[9]，提高天線伺服系統(tǒng)的測量精度。

2.2 數(shù)據(jù)解調(diào)

天線捕獲射頻信號并進入跟蹤狀態(tài)，包含遙測信號及跟蹤角誤差信號的左、右旋信號，經(jīng)低噪聲放大器放大，通過高頻電纜饋送到射頻耦合網(wǎng)絡(luò)，左、右旋信號分路后進入S頻段下變頻器，經(jīng)混頻、濾波、放大，輸出70 MHz中頻信號送至遙測基帶，遙測基帶在70 MHz中頻直接采樣，其后處理全部以數(shù)字信號的形式在數(shù)字域中進行，并將解調(diào)出的角誤差信號送伺服系統(tǒng)，完成對目標(biāo)的自動跟蹤[10]；載波解調(diào)后的視頻信號在遙測基帶中經(jīng)碼同步、幀同步和副幀同步器的相關(guān)處理，形成遙測數(shù)據(jù)幀，在遙測軟件的管理下，完成實時、事后數(shù)據(jù)處理及數(shù)據(jù)存盤等工作。如果數(shù)據(jù)經(jīng)過加密處理，則遙測基帶輸出的數(shù)據(jù)送解密機進行解密，解密后的數(shù)據(jù)再送回遙測基帶進行解調(diào)處理[11]。

3 遙測/紅外跟蹤設(shè)計

3.1 基于Kalman濾波的目標(biāo)位置和速度預(yù)測分析

在圖像處理過程中,由于面臨復(fù)雜的場景,使得圖像處理方法在提取目標(biāo)的過程中易受到場景中背景信號的干擾，勢必對定位目標(biāo)在圖像中的位置造成干擾，即提取的目標(biāo)位置出現(xiàn)偏差，該有偏差的脫靶量送入跟蹤控制系統(tǒng)中，導(dǎo)致對目標(biāo)的跟蹤晃動，帶來較大的跟蹤誤差。因此，為提高系統(tǒng)的跟蹤穩(wěn)定性和跟蹤精度，需要對圖像處理的脫靶量進行濾波預(yù)測處理，以獲得穩(wěn)定、連續(xù)、更高精度的角度測量數(shù)據(jù)。在此基礎(chǔ)上，進一步預(yù)測目標(biāo)的運動速度，該速度可作為跟蹤控制系統(tǒng)的速度順饋信息參與跟蹤控制，從而進一步提高穩(wěn)定性和跟蹤精度。

Kalman濾波是一種能夠準(zhǔn)確預(yù)測目標(biāo)位置和速度的方法,它用狀態(tài)轉(zhuǎn)移法把干擾和信號看成是動力學(xué)系統(tǒng)的一個狀態(tài)，然后用統(tǒng)計特性估算出它的大小，再從信號中濾除，得到信號的真值。

3.1.1 目標(biāo)位置的表示

根據(jù)目標(biāo)的運動軌跡特性分析，在一段時間內(nèi)目標(biāo)的運動軌跡可以用多項式表示，在滿足預(yù)測精度的情況下，在Kalman濾波中，二次多項式已包含了目標(biāo)的位置、速度、加速度信息，在實際應(yīng)用中，此3種信息已可滿足要求。因此，采用二次多項式來表示在一段時間內(nèi)目標(biāo)的運動軌跡。該系統(tǒng)中，測量數(shù)據(jù)有儀器的角度和脫靶量，由此可以獲得設(shè)備對目標(biāo)的指向測量角度，即：

Yai=Ai+ΔAi

(1)

Yei=Ei+ΔEi

(2)

其中：Ai表示設(shè)備方位角度；Ei表示設(shè)備俯仰角度；ΔAi表示方位脫靶量；ΔEi表示俯仰脫靶量；i為不同時刻；Yai表示在i時刻目標(biāo)方位角度的測量值；Yei表示i時刻目標(biāo)俯仰角的測量值。

3.1.2 Kalman濾波的數(shù)學(xué)模型

(3)

(4)

(5)

(6)

P=(I-KM)P(I-KM)T+KPKT

(7)

(8)

(9)

將Kalman濾波運用于跟蹤系統(tǒng)，對系統(tǒng)的跟蹤性能有較大的提升[12]。能夠準(zhǔn)確預(yù)測目標(biāo)的速度，使得速度順饋技術(shù)在設(shè)備中成功實現(xiàn)；提高了快速捕獲和跟蹤目標(biāo)的能力，使跟蹤更穩(wěn)定，大大提高了跟蹤精度，較好地解決了一般閉環(huán)控制系統(tǒng)普遍存在的跟蹤精度和穩(wěn)定性之間的矛盾。

3.2 遙測/紅外跟蹤

當(dāng)紅外電視系統(tǒng)捕獲到紅外源后，產(chǎn)生脫靶量信息及鎖定指示，通過串口送至遙測伺服控制單元(ACU)。在常規(guī)模式下，例如程序跟蹤、自跟蹤模式下，ACU只接收上述信號，不做運算處理。當(dāng)ACU切換至紅外跟蹤模式后，首先判斷紅外電視鎖定信號是否有效，若有效，利用紅外系統(tǒng)傳送的脫靶量結(jié)合當(dāng)前天線的方位、俯仰角，通過kalman濾波算法，估計出目標(biāo)所處的方位、俯仰角，最終形成天線指向偏離目標(biāo)的方位、俯仰角誤差信息，進而驅(qū)動天線運轉(zhuǎn)，直至紅外源目標(biāo)處于紅外電視的中心，實現(xiàn)紅外電視的跟蹤流程。遙測與紅外跟蹤切換界面如圖6所示。

圖6 遙測/紅外跟蹤切換軟件界面

4 工程應(yīng)用

以某跟蹤實例進行數(shù)據(jù)分析，圖7(a)給出了遙測跟蹤與紅外跟蹤方式統(tǒng)計。圖7(b)給出了遙測跟蹤與紅外跟蹤的角誤差統(tǒng)計曲線，采用紅外跟蹤時角誤差值明顯優(yōu)于遙測跟蹤時角誤差值。因此，紅外電視系統(tǒng)與遙測系統(tǒng)一體化設(shè)計應(yīng)用，能有效提高艦載遙測系統(tǒng)近距離和低仰角跟蹤性能。

圖7 跟蹤方式及跟蹤角誤差統(tǒng)計

經(jīng)過近兩年的實際應(yīng)用，該系統(tǒng)無論是對被測目標(biāo)近距離、低仰角的切換，還是對高動態(tài)移動目標(biāo)的交接；無論是對監(jiān)視區(qū)域內(nèi)目標(biāo)的預(yù)判，還是對監(jiān)視區(qū)域外目標(biāo)測量，完成率均是百分之百。整個系統(tǒng)穩(wěn)定性高，大大提高了對目標(biāo)的測控能力。

5 結(jié)束語

遙測/紅外跟蹤系統(tǒng)并非是將遙測和紅外系統(tǒng)疊加起來那么簡單，而是使整個系統(tǒng)的捕獲和跟蹤能力獲得了質(zhì)的飛躍，特別是在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展的條件下，相信遙測與紅外數(shù)據(jù)融合方面將有更大的拓展空間。