一種應(yīng)用于地面遙測站的紅外跟蹤標(biāo)校系統(tǒng)設(shè)計*

周庭伊 王 瑋 李海鵬

（92941部隊91分隊 葫蘆島 125000）

1 引言

現(xiàn)有傳統(tǒng)遙測裝備捕獲跟蹤目標(biāo)主要方式是通過遙測接收天線在任務(wù)前提前指向預(yù)定空域，搜索或等待目標(biāo)信號的出現(xiàn)［1～2］。當(dāng)目標(biāo)出現(xiàn)在天線射向波束范圍中且發(fā)生移動時，伺服分系統(tǒng)根據(jù)遙測分系統(tǒng)產(chǎn)生的跟蹤誤差信號，解算出相應(yīng)的角誤差信號并反饋給伺服分系統(tǒng)，伺服分系統(tǒng)將角誤差信號經(jīng)過濾波變換、數(shù)字處理和放大輸出后，驅(qū)動天線指向目標(biāo)［3］。但在某些特殊情況下，一旦遙測信號發(fā)生中斷，伺服系統(tǒng)就會丟失目標(biāo)導(dǎo)致無法完成既定任務(wù)［4］。該紅外跟蹤標(biāo)校系統(tǒng)能夠獨立完成對飛行目標(biāo)的捕獲、提取目標(biāo)的脫靶量，并可將脫靶量數(shù)據(jù)送給遙測系統(tǒng)，遙測系統(tǒng)可利用此脫靶量數(shù)據(jù)作為跟蹤誤差，控制天控器實現(xiàn)對目標(biāo)的穩(wěn)定跟蹤。同時，紅外跟蹤標(biāo)校系統(tǒng)配備的標(biāo)校設(shè)備，可以完成系統(tǒng)的標(biāo)定和校準(zhǔn)，以確保測控裝備在工作時保持良好的測量精度和功能。

2 系統(tǒng)組成和功能

紅外跟蹤標(biāo)校系統(tǒng)主要由兩部分組成，第一部分紅外光學(xué)望遠(yuǎn)鏡箱體，第二部分為管理控制終端。其中，第一部分紅外光學(xué)望遠(yuǎn)鏡箱體內(nèi)，包括光學(xué)分系統(tǒng)、鏡頭控制分系統(tǒng)、紅外探測設(shè)備、圖像處理分系統(tǒng)組成；第二部分管理控制終端作為圖像顯示記錄終端，包括圖像實時采集及顯示、標(biāo)校電視功能控制軟件、相機控制和紅外跟蹤參數(shù)選擇軟件等組成。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

圖1 紅外跟蹤測量系統(tǒng)組成框圖

光學(xué)鏡頭接收來自目標(biāo)的紅外輻射信號，紅外探測設(shè)備把差分圖像信息送到圖像處理分系統(tǒng)，由圖像處理分系統(tǒng)進(jìn)行紅外差分?jǐn)?shù)據(jù)接收與圖像處理，將大十字絲、游標(biāo)、字符與天控器的跟蹤狀態(tài)和實時角信息以及時碼信息進(jìn)行疊加，送出目標(biāo)脫靶量通過管理控制終端轉(zhuǎn)給遙測控制系統(tǒng)完成對遙測天線的控制。紅外跟蹤標(biāo)校系統(tǒng)能夠獨立完成對飛行目標(biāo)的捕獲、提取目標(biāo)的脫靶量，并將脫靶量數(shù)據(jù)送給遙測系統(tǒng)，遙測系統(tǒng)可利用此脫靶量數(shù)據(jù)作為跟蹤誤差，控制天控器實現(xiàn)對目標(biāo)的穩(wěn)定跟蹤，同時紅外跟蹤標(biāo)校系統(tǒng)配備的標(biāo)校設(shè)備，可以完成系統(tǒng)的標(biāo)定和校準(zhǔn)。

3 系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

3.1 紅外光學(xué)望遠(yuǎn)鏡箱體

紅外光學(xué)望遠(yuǎn)鏡箱體由光學(xué)分系統(tǒng)、紅外探測設(shè)備、鏡頭控制系統(tǒng)、圖像處理分系統(tǒng)組成。其中光學(xué)分系統(tǒng)、紅外探測設(shè)備、鏡頭控制系統(tǒng)在物理結(jié)構(gòu)上相連接，紅外探測設(shè)備把差分圖像信息送到圖像處理分系統(tǒng)，由圖像處理分系統(tǒng)進(jìn)行紅外差分?jǐn)?shù)據(jù)接收與圖像處理。

關(guān)于光學(xué)分系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)計，既要考慮保證作用距離，又要考慮盡量減小設(shè)備體積和質(zhì)量。對于紅外探測設(shè)備而言，主要信息來源于目標(biāo)的熱輻射及目標(biāo)反射環(huán)境的輻射（如大氣照射的反射，地球照射的反射，太陽照射的反射），其中最主要的是熱輻射［5］。熱輻射與目標(biāo)的溫度相關(guān)，當(dāng)發(fā)動機關(guān)閉以后，對溫度的貢獻(xiàn)源有發(fā)動機的余熱，氣動加熱等。如果飛行器的表面層蒙皮可以很快熱平衡（取決于表層特性及熱容量）其恢復(fù)溫度Tr可由下式計算：

式中，Tamb為目標(biāo)環(huán)境溫度（取300K）；γ為空氣的比熱（常規(guī)為1.4）；Γ 為恢復(fù)系數(shù)（0.75～0.98），目標(biāo)速度越快，Γ越??；M為飛行器的馬赫數(shù)。

系統(tǒng)的作用距離與目標(biāo)的輻射強度、大氣透過率、光學(xué)系統(tǒng)帶寬、信噪比、像元尺寸等因素的關(guān)系為

式中，δ為由光學(xué)系統(tǒng)與信號提取決定的信號過程因子；D0為光學(xué)系統(tǒng)的通光口徑；D*為傳感器的探測率；I為點源目標(biāo)的輻射強度；τa為大氣透過率；τ0為光學(xué)系統(tǒng)透過率；s為探測器單個像元面積；D*為系統(tǒng)噪聲等效帶寬；SNR為探測器信噪比。

結(jié)合地面遙測裝備實際使用情況［2］，選擇鏡頭口徑D≥120mm的尺寸；光學(xué)分系統(tǒng)焦距f=240mm/480mm兩檔，可通過電控改變倍數(shù)；取δ=0.65；探測設(shè)備工作波長為3μm～5μm，傳感器探測率；平均大氣透過率0.0496（按大氣能見度20km計算）；光學(xué)系統(tǒng)透過率0.6；像元尺寸 30μm×30μm（目標(biāo)成像為6個像元）；系統(tǒng)噪聲等效帶寬Δf=150Hz；探測設(shè)備信噪比SNR＝6；系統(tǒng)對目標(biāo)作用距離隨溫度變化如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)對目標(biāo)的作用距離

寬視場2.2°×1.8°，窄視場1.1°×0.9°；探測溫差≤30mk，幀頻為每秒50幀。光學(xué)分系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 窄視場（f=480mm）MTF、寬視場（f=240mm）MTF

3.1.1 鏡頭控制分系統(tǒng)

鏡頭控制分系統(tǒng)可實現(xiàn)對兩檔定焦距鏡頭的電控變倍、通過對相機的電子快門和對光欄的電動控制實現(xiàn)電動調(diào)光［6］，通過對調(diào)焦機構(gòu)的控制實現(xiàn)溫度和距離的調(diào)焦控制。本系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)的RS422接口的控制方式，圖像處理分系統(tǒng)處理接收到管理控制終端送來的串行控制信號后，對鏡頭控制系統(tǒng)發(fā)送串行控制信號，再由鏡頭控制系統(tǒng)分別對機上的頭部電機進(jìn)行控制。鏡頭控制系統(tǒng)接收溫度和壓力傳感器送來的溫度信息還有變倍、調(diào)焦、調(diào)光是否到位的信息再通過RS422串口發(fā)送給管理控制終端。其結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

圖4 鏡頭控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3.1.2 圖像處理分系統(tǒng)

圖像處理分系統(tǒng)包括兩部分，一是數(shù)字信號處理板，二是圖像信息接收板。數(shù)字信號處理簡稱DSP技術(shù)［7］，利用DSP強大的數(shù)據(jù)處理能力和運行速度，結(jié)合FPGA可編程、可實現(xiàn)大規(guī)模邏輯運算的特點，圖像處理分系統(tǒng)通過將DSP與FPGA結(jié)構(gòu)進(jìn)行耦合［4］，可對數(shù)量大、耗時長的運算進(jìn)行合并處理，進(jìn)而實現(xiàn)目標(biāo)的快速捕獲與自動跟蹤決策。設(shè)計上層為數(shù)字信號處理板，下層為圖像信息接收板，二者通過插針棧接在一起，數(shù)字信號處理板向圖像信息接收板發(fā)送控制和處理數(shù)據(jù)，圖像信息接收板向數(shù)字信號處理板傳送高速數(shù)字圖像數(shù)據(jù)。

數(shù)字信號處理板的主要功能是接收面板上的游標(biāo)控制信號，并解算出游標(biāo)距視場中心的角度偏差值。FPGA可以完成對串口收發(fā)控制和對B（DC）直流碼的解調(diào)功能，同時可產(chǎn)生相應(yīng)的接口控制邏輯，從而實現(xiàn)與數(shù)字信號處理板之間的數(shù)據(jù)交換，F(xiàn)PGA接收管理控制終端的控制信號送給數(shù)字信號處理板［8］，數(shù)字信號處理板板送出目標(biāo)脫靶量通過管理控制終端轉(zhuǎn)給遙測控制系統(tǒng)完成對遙測天線的控制。首先，對圖像數(shù)據(jù)接收板提供的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行接收和目標(biāo)提取；其次，對脫靶量進(jìn)行計算并將脫靶量信息送給遙測分系統(tǒng)；最后，將大十字絲、游標(biāo)、字符與天控器的跟蹤狀態(tài)和實時角信息以及時碼信息進(jìn)行疊加，疊加后的圖像信息通過DA轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)PAL格式視頻信號在視頻監(jiān)視器上顯示。數(shù)字信號處理板結(jié)構(gòu)原理圖如圖5所示。圖像數(shù)據(jù)接收板為數(shù)字信號處理板提供了+12V電源的輸入、二次穩(wěn)壓并向數(shù)字信號處理板傳送高速數(shù)字圖像數(shù)據(jù)。

圖5 數(shù)字信號處理板結(jié)構(gòu)框圖

3.2 管理控制終端

管理控制終端為圖像顯示記錄終端，可完成紅外圖像采集、顯示、記錄；相機及鏡頭控制；跟蹤參數(shù)的調(diào)整；游標(biāo)的控制；脫靶量的接收和發(fā)送功能。采用標(biāo)準(zhǔn)CPCI工控機機箱，配備標(biāo)準(zhǔn)的計算機電源輸入，一個交流220V的電源輸入，一個是輸出到光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的交流220V電源。機箱內(nèi)前插一塊板，承擔(dān)工控機的所有計算功能［9］。機箱內(nèi)后插兩塊板，一塊板是主板后插板，用來送VGA/DVI信號給管理控制終端顯示器，通過CPCI的總線接收編碼接口板轉(zhuǎn)送的圖像處理分系統(tǒng)串口信號和天控器的串口信號；一塊是視頻編碼及接口板，它接收圖像處理分系統(tǒng)送出的帶字符PAL圖像，并對視頻進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后編碼成H.264編碼圖像，通過總線的網(wǎng)口信號將圖像送到主板進(jìn)行軟解壓后顯示在管理控制終端顯示器上［10］。管理控制終端通過串口接收圖像處理分系統(tǒng)送入的脫靶量信息，同時回送方向控制、閾值控制、相機控制等控制信號，把脫靶量信息通過RS422串口送給遙測系統(tǒng)，并接收B（DC）直流碼的信號，再將B（DC）直流碼連同串口的收發(fā)信號轉(zhuǎn)送給圖像處理分系統(tǒng)。

H.264標(biāo)準(zhǔn)［11］是新一代數(shù)字視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)，最大的優(yōu)勢是在具有高壓縮比的同時還擁有高質(zhì)量流暢的圖像，故在網(wǎng)絡(luò)傳輸過程中所需要的帶寬更少，也更加經(jīng)濟［12］。本系統(tǒng)采用H.264編碼技術(shù)可對圖像進(jìn)行實時顯示、記錄、回放，并通過網(wǎng)絡(luò)傳輸在遠(yuǎn)程對圖像進(jìn)行實時顯示，通過測試，可達(dá)到不大于300ms的系統(tǒng)低時延。管理控制終端的結(jié)構(gòu)組成以及與外圍設(shè)備的連接圖如圖6所示。

圖6 管理控制終端結(jié)構(gòu)組成及連線圖

3.3 校飛測試

為驗證本紅外標(biāo)校系統(tǒng)實時跟蹤目標(biāo)能力，結(jié)合某型無人機飛行任務(wù)進(jìn)行測試。無人機搭載一臺遙測信號模擬器，測試方案為組織無人機按預(yù)定航路飛行兩架次，第一架次，遙測信號模擬器全程開機，遙測地面站采用傳統(tǒng)遙測跟蹤方式全程跟蹤并記錄數(shù)據(jù)；第二架次，當(dāng)無人機飛至預(yù)定A點（相對時120s）時，遙測信號模擬器關(guān)機5s再開機，模擬遙測信號中斷情境，此時立刻采用切換紅外跟蹤標(biāo)校系統(tǒng)跟蹤方式繼續(xù)跟蹤目標(biāo)并記錄數(shù)據(jù)。航跡顯示及角誤差統(tǒng)計如圖7所示。

圖7 航跡顯示及角誤差統(tǒng)計圖

通過事后數(shù)據(jù)分析可見，遙測信號消失后，切換紅外跟蹤標(biāo)校系統(tǒng)跟蹤方式，可完成對目標(biāo)的穩(wěn)定跟蹤，且角誤差能夠滿足測控需求，因此該紅外跟蹤標(biāo)校系統(tǒng)能夠有效地與傳統(tǒng)遙測跟蹤方式進(jìn)行互補，有效提高了測控裝備跟蹤能力。

3.4 標(biāo)校分系統(tǒng)

系統(tǒng)配置有獨立的標(biāo)校設(shè)備，用于地面站天線標(biāo)校的標(biāo)校設(shè)備包括標(biāo)校望遠(yuǎn)鏡、信標(biāo)機和標(biāo)校板及天線，可完成遙測地面站裝備的近場及遠(yuǎn)場標(biāo)校功能，具體執(zhí)行任務(wù)按以下步驟。

1）打開天線座鎖定裝置。

2）近場標(biāo)校檢查。

（1）打開信標(biāo)機。將信標(biāo)機放置于距離天線大于100m的地方，有條件的情況下，天線仰角應(yīng)高于7°。目測調(diào)整天線至波瓣范圍內(nèi)。

（2）按信標(biāo)機點頻設(shè)置接收機。

（3）找跟蹤零點

方法1：當(dāng)接收機鎖定后，微調(diào)天線使接收機（或天控器實時界面的左上角）實時界面顯示的方位、俯仰誤差趨向零，此時記錄天線的實時角度即為跟蹤零點。

方法2：轉(zhuǎn)動天線，并用頻譜儀觀察機柜面板“IFR”或“IFL”信號，使接收信號功率最強，此為主瓣跟蹤零點。

（4）系統(tǒng)極性檢查。將天線方位順時針旋轉(zhuǎn)，則天控器實時界面所顯示的方位誤差為負(fù)；同理，天線俯仰位置高于跟蹤零點時，則俯仰誤差值應(yīng)為負(fù)。若與此相反，則應(yīng)檢查接收機的參數(shù)設(shè)置并調(diào)整接收機相位（反相180°）。

（5）進(jìn)行自跟蹤和綜合跟蹤。

軟件運行于WINDOWS XP系統(tǒng)，屏幕分辨率設(shè)置為1280X1024。管理控制終端標(biāo)校軟件運行界面如圖8所示。

圖8 軟件運行界面

上電后，圖像處理分系統(tǒng)送出帶字符、游標(biāo)、十字絲的PAL圖像，在管理控制終端完成圖像的存儲和顯示。在計算機上運行系統(tǒng)操控軟件，可對紅外光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)焦、變倍的控制，用鼠標(biāo)引導(dǎo)游標(biāo)也可點擊操控界面上的游標(biāo)上移、下移、左移、右移按鍵對游標(biāo)進(jìn)行精確控制，給出游標(biāo)偏離中心十字絲的高低、方位的角度值。系統(tǒng)通過串口接收并顯示天線控制器輸出的實時角度和跟蹤狀態(tài)信息（信息傳輸格式按標(biāo)校電視技術(shù)協(xié)議中的規(guī)定進(jìn)行）；接收并顯示時間信息（顯示時、分、秒、毫秒）。

4 結(jié)語

本紅外系統(tǒng)已經(jīng)成功在某型遙測設(shè)備中應(yīng)用，可以實現(xiàn)獨立完成對運動目標(biāo)的捕獲、提取目標(biāo)的脫靶量，引導(dǎo)裝備對目標(biāo)進(jìn)行跟蹤功能，從而達(dá)到遙測系統(tǒng)和光電成像系統(tǒng)的優(yōu)勢互補和穩(wěn)定高精度跟蹤目標(biāo)、獲取目標(biāo)直觀影像的需求。實踐表明，本系統(tǒng)設(shè)計合理，性能可靠，具有較強的實用性，對提高靶場的測控保障能力具有一定作用。