光學脫靶量測量設備紅外引導跟蹤觀測子系統關鍵技術研究

中國人民解放軍91550部隊 孫貴新

光學脫靶量系統用于完成被試品脫靶量測量、攻靶姿態觀測、落點精度測量及攻靶段實況攝錄、存儲、傳輸、顯示等任務。文章針對紅外引導跟蹤觀測子系統觀測目標為超音速/亞音速目標時的需求，對紅外小目標跟蹤技術、紅外弱小目標捕獲技術、紅外圖像增強技術等關鍵技術開展研究，并通過具體的實踐證明了采用上述技術的紅外引導跟蹤觀測子系統設備能夠在短時間內完成對目標的捕獲、跟蹤和鎖定等動作，具有快速調轉、實時預測和精確控制的能力,進一步證明了光學脫靶量測量系統建設方案的科學性及合理性。

光學脫靶量系統組成主要由靶載三光跟蹤觀測子系統、實況監視子系統、數據存儲與控制子系統、授時單元、通信子系統、供電單元和地面顯控子系統等組成。三光跟蹤觀測子系統每套由1臺紅外熱像儀、1臺超清常速攝像機、1臺高速相機、1臺2軸轉臺、1臺轉臺控制器、GNSS授時單元、供電單元和機柜等組成，其用于反艦、對陸攻擊被試品攻靶時的遠距離觀測，并可實現子母彈攻擊跑道時對母彈的跟蹤觀測以及夜間任務的觀測。紅外引導跟蹤觀測子系統主要觀測目標為超音速/亞音速被試品目標，設備需在短時間內完成對目標的捕獲、跟蹤和鎖定等動作，必須具有快速調轉、實時預測和精確控制的能力。因此，必須對紅外小目標跟蹤技術、紅外弱小目標捕獲技術、紅外圖像增強技術等關鍵技術開展研究。

1 紅外弱小目標捕獲技術

由于設備視場角大，目標在遠處的張角小于紅外探測單元的一個瞬時視場，在跟蹤過程中，目標輻射能量可能分散到多個探測單元上，不利于目標探測，因此弱小目標的信號獲取和處理技術是系統需要解決的關鍵技術。擬采用以下技術方案來提高紅外弱小目標信息獲取的能力：采用紅外圖像增強技術來提高紅外圖像的清晰度；采用去冗余直方圖變換算法提高紅外圖像對比度；通過紅外抗干擾技術減少海面反射的被試品尾焰或太陽光對被試品目標捕獲的干擾；通過紅外小目標檢測技術提高檢測識別率。

2 紅外小目標跟蹤技術

在完成紅外圖像小目標檢測任務后，后續任務是進行紅外小目標跟蹤。對于實現紅外小目標的跟蹤，我們經常使用的跟蹤算法主要有兩種，一種是基于目標進行定位，另一種是基于濾波算法進行跟蹤。本系統選擇了一種融合了兩大類跟蹤框架優點的紅外小目標跟蹤算法，以下是該跟蹤算法的大致思路：首先，由卡爾曼濾波器對小目標進行初步估計，然后再根據Mean-shift算法進行進一步的匹配，最終得到較精確的結果。

為了提高該方法的跟蹤效果，選擇一種穩定的目標核函數直方圖建模的非線性量化方法；同時，為了保證當前幀目標模板更新的可靠性，選用一種由另一個Kalman濾波器來實施對小目標局部區域背景復雜程度的跟蹤和預測。該方法不僅可以降低由于紅外小目標對象灰度信息匱乏引起的不穩定性，同時還能較大的抑制系統的噪聲干擾。這種融合了兩類跟蹤框架優點的紅外小目標跟蹤算法結構流程圖如圖1所示。

圖1 跟蹤算法結構框圖

首先，由濾波器對目標進行初步的估計，預估紅外小目標可能出現的區域。在得到了紅外小目標的預估區域后，使用進一步的算法進行迭代。針對紅外小目標這一處理任務，在基于核函數直方圖建模的基礎上，選擇了一種更加適用于紅外小目標對象建模的非線性量化準則?；谝陨险业降母行У男∧繕藚^域的量化方法并建立了目標模型后，經過濾波器預估并進行迭代后得到目標位置。

3 紅外圖像增強技術

紅外測量技術的特點是能夠全時性工作，可以較普遍的用于測量各種飛行參數。這里主要論述兩種方式，一種是采取手動分段線性增強方法，另一種是采取去冗余直方圖變換方法。

圖5 去冗余直方圖變換結果

3.1 手動分段線性增強方法

在圖像處理中我們要做的工作是在背景中提出目標，因此我們可以采用分段灰度變換的方法進行圖像增強，對高段、中段和低端三部分采用不同的灰度線性變換方法。該方法可以根據具體情況進行設計，獲得目標區域的最佳視覺效果。具體情況如圖2所示。

圖2 手動分段線性增強結果

3.2 去冗余直方圖變換算法

去冗余直方圖變換算法對動態序列圖像具有很強的適應性，能夠有效的消除噪聲對圖像增強產生的不利影響。通過處理后的結果我們可以看出：直接線性變換算法作為灰度化圖像是通過移位的方法選取有效位數中的高位數據，具體處理結果如圖3所示，直接線性變換方法不足之處得到了較好的彌補，最終的處理效果更加明顯。具體的處理效果如圖4、5所示。

圖3 直接線性變換增強結果

圖4 分段線性增強結果

結束語：紅外引導跟蹤觀測子系統主要觀測目標為超音速/亞音速被試品目標，需要就紅外小目標跟蹤技術、紅外弱小目標捕獲技術、紅外圖像增強技術等關鍵技術開展研究。通過一定的技術手段處理,紅外引導跟蹤觀測子系統設備能夠在短時間內完成對目標的捕獲、跟蹤和鎖定等動作，具有快速調轉、實時預測和精確控制的能力。