艦載光電目標跟蹤系統三軸支撐框架驅動機構控制

蘇曉丹

(海軍駐航天科工集團二院軍代表室，北京100845)

0 引 言

艦載光電探測系統是指安裝在艦艇上借助激光技術、紅外技術、電視技術、纖維光學、集成光學、自適應光學和圖象處理技術等，利用目標和背景反射或輻射的光信號差異，對目標進行探測、識別、跟蹤和瞄準的系統，主要有低能級電視攝像儀、激光測距儀、熱視攝像儀等，是20 世紀60 年代以來迅速發展的新型探測系統。這類系統的優點是隱蔽性好、對低空和超低空目標探測能力強、跟蹤測量精度高。它與電子、雷達、聲磁等偵察設備相互輔助、互為補充，共同組成一個完整的偵察探測跟蹤系統［1-2］。

使電視攝像機、熱視儀等圖形傳感器的光軸連續地與朝向目標的方向重合，這是可視化計算機式目標跟蹤系統的任務。從原理上來說，可以使用兩軸支撐框架解決使視頻傳感器光軸連續地與朝向目標的方向重合問題，但在活動基座條件下跟蹤活動目標時，視頻傳感器會相對背景態勢轉動，這會明顯加劇可視化計算機裝置發現并估計目標在當前圖像中坐標的困難。若使用三軸支撐框架就能夠克服上述困難。

當把光電探測跟蹤系統安裝在水面艦艇這類的活動載體上時，由于風浪會引起艦艇的搖擺，所以在形成支撐框架的轉動控制律時，要考慮輸入到該系統中的艦艇當前姿態角的信息，本文就介紹推導這種情況下的框架關系及控制律形成問題［3］。

1 系統組成及空間框架關系

可視化計算機式目標跟蹤系統的功能框圖如圖1 所示，它包括可視化計算機裝置，其任務是估計被跟蹤目標在視頻傳感器圖像中的坐標并形成支撐框架各環的角位置;使支撐框架環相對其轉軸轉動的隨動式驅動機構和框架角傳感器。

圖1 可視化計算機式目標跟蹤系統的功能框圖Fig.1 Functional block diagram of target tracking system for visualized computer

視頻傳感器安裝在三軸支撐框架上，通過三軸支撐框架的驅動機構實現視頻傳感器光軸空間方位的控制。

安裝在水面艦艇上的三軸支撐框架方案如圖2所示，視頻傳感器的平面圖如圖3 所示，其中P 為被跟蹤目標的中心位置。用機電式驅動機構使支撐框架的角度變化，以實現安裝視頻傳感器的平臺臺體的空間姿態控制。

圖2 安裝在水面艦艇上的三軸支撐框架結構示意圖Fig.2 Schematic figure of tri-axis supporting frame fixed on the surface ship

圖3 視頻傳感器平面圖Fig.3 Plane diagram of video sensor

定義以下坐標系:臺體坐標系Otxtytzt，其Oyt軸與視頻傳感器的光軸重合;地面坐標系Odxdydzd，Oxdyd平面與當地水平面平行;艦體坐標系Ojxjyjzj，其原點位于艦艇的搖擺中心，坐標軸與艦艇的結構軸重合，oyj軸沿艦體縱軸指向艦首。在艦艇搖擺角和支撐框架角θ，ψ，φ 都等于0 時，上述3 個坐標系的相應軸平行。

再引入一個目標方位坐標系Omxmymzm，它描述安裝有視頻傳感器平臺臺體Otxtytzt需要的(給出的)空間位置。坐標軸Oym的空間指向確定光軸在地面坐標系Odxdydzd中的方位，可以用坐標軸Oym的方位角θm和高低角φm給出坐標系Oxmymzm相對地面坐標系Oxdydzd的方位。在空間搜索狀態，方位角θm和高低角φm可以由操作手或者是程序給出，而在目標自動跟蹤狀態，應該在支撐框架角和艦艇搖擺角當前值下根據圖象中的目標坐標值計算出來。

如圖4 所示，由地面坐標系Odxdydzd到目標方位坐標系Omxmymzm的坐標轉換矩陣為

圖4 地面坐標系Odxdydzd 到目標方位坐標系Omxmymzm 的轉換關系Fig.4 Conversion relation between Odxdydzd ground coordinate system and Omxmymzm target azimuth coordinate system

設艦艇的偏航角為α、縱搖角為β、橫搖角為γ，則由地面坐標系Oxdydzd到艦體坐標系Oxjyjzj的坐標轉換矩陣為

從艦體坐標系Oxjyjzj到目標方位坐標系Oxmymzm的坐標轉換矩陣為

設支撐框架外環軸、內環軸和臺體軸的轉角分別是θ，ψ，φ，則由艦體坐標系Oxjyjzj到臺體坐標系Oxtytzt的坐標轉換矩陣為

2 框架轉動控制律設計

式中Am←j(i，j)為矩陣Am←j(θm，φm，α，β，γ)的第i 行第j 列的元素。

在自動跟蹤目標時，可以通過把朝向目標方向的矢量坐標由臺體坐標系Oxtytzt轉換到地面坐標系Oxdydzd而得到包含在Am←j(i，j) 中的角度θm，φm的值。可以根據視頻傳感器圖像上目標中心的坐標來確定所指出的矢量在臺體坐標系Oxtytzt中的投影。圖5 給出了能夠求解該問題形成視頻傳感器圖像的模型。

圖5 視頻傳感器圖像的模型Fig.5 Image model of video sensor

取距離視頻傳感器光學系統R 處的與視頻傳感器光軸Oyt垂直的平面上形成的尺寸為2X1×2Z1的圖像ABCD，視場角為2θM×2φM。認為圖像ABCD上的任意一點只可以接受經過給定點和光學系統中心O 的光流。

設圖像ABCD 上坐標為(ΔX1，ΔZ1)的P1點對應目標中心，朝向目標的矢量OP1在臺體坐標系Oxtytzt中的投影是:

矢量的方向不隨其大小而變化，可以把式(7)寫成

式中:NXP，NZP為P1點對應的像素數量;NXM，NZM為圖像ABCD 上半幅對應的像素數量。

為了確定角度θm，φm，把所得到的矢量在臺體坐標系的投影轉換到地面坐標系:

根據坐標(xP1d，yP1d，zP1d)，就能通過下面的表達式，確定指向被跟蹤目標方向的方位角θm和高低角φm。為了確定方位角θm和高低角φm所需要的框架角組合，要在與視頻傳感器上得到圖像同步的時刻從相應的傳感器上采集艦艇搖擺角α，β，γ 以及支撐框架角θ，φ，ψ，進而形成框架角組合。

應該指出的是，所推導的比較復雜的圖像處理算法可能導致在確定所需要的框架角組合時的時間延遲，有關被跟蹤目標坐標的信息可能短時間衰落，圖像輸入頻率低于從支撐框架角度傳感器上輸出信息的頻率，這些因素可能降低跟蹤目標的精度。顯然，為了補償可視化計算機式目標跟蹤系統給出處理結果時的延遲，對目標角運動軌跡進行統計預測、提高轉角數值的給出頻率到轉角傳感器的頻率、當目標信息衰落時根據預測值組織跟蹤系統的運動，這些措施能明顯提高跟蹤目標的精度。

3 結 語

本文介紹了安裝在水面艦艇上的用于計算機式目標跟蹤系統的視頻傳感器三軸支撐框架結構，利用所定義的相應坐標系，推導了考慮艦艇搖擺時支撐框架角、艦艇搖擺角和目標方位角之間的關系式，研究了保證跟蹤目標的框架驅動機構控制量的形成方法，提出了提高目標跟蹤精度的建議。

［1］陳福勝，裴曉黎. 淺析艦用光電探測系統的幾個問題［J］.艦船科學技術，2002，24(5):28 -32.CHEN Fu-sheng，PEI Xiao-li. A discussion on shipborne electro-optical detection systems［J］. Ship Science and Technology，2002，24(5):28 -32.

［2］于起峰，尚洋.攝像測量學原理與應用研究［M］. 北京:科學出版社，2009.

［3］БААлпатов. ОЕБалашов. АИСтепашкин. Формированиеуправленияприводамитрёхосногокард нногоподвесавсистемесопровожденияобьектов. Изв. вузов. Приборостроение2006No5.

［4］李殿璞.船舶運動與建模(2 版)［M］北京:國防工業出版社，2008.