光电搜索跟踪系统项目设计方案

1 光电搜索跟踪系统 项目设计方案 1 绪论 引言 现代化信息战争模式下，利用雷达、红外、可见光等传感设备及时、准确、隐蔽地获取敌方信息在侦察防御系统、精确制导武器打击系统中均发挥着举足轻重的作用。未来高技术条件下的局部战争要求武器系统能够在各种复杂的电子战和光电对抗的作战环境中能够自适应的探测和截获目标，自动识别跟踪和精确打击目标。相对于其它探测技术，红外 、 电子干扰能力强、目标定位精度高，越来越受到各国军方的重视 1。 光电搜索跟踪 系统 将红外 及 激光测距、高速图 像信息处理及精密伺服控制等技术相结合汇集于 系统中 ,能够显著增强在昼夜、恶劣气候和不良的战场环境下对目标的探测、识别、跟踪以及对抗能力。系统 主要用于完成复杂战场环境 下 对敌方地面或空中目标的搜索、 检 测、跟踪、定位、识别和指示等功能。 光电搜索跟踪 系统 属综合 被动及半主动 侦察、监视与引导防御系统 ，基于大多数被攻击目标未装备激光告警设备的缘故，系统 具有高灵敏度、高空间分辨率、大动态范围、准全天候、隐蔽性好、较强的抗干扰和适应复杂背景的能力以及多目标 检测、 识别 、 跟踪能力等诸多优点，能够在复杂战场环境下弥补雷达 低空 探测能 力的不足，尤其是对于掠海导弹、巡航导弹、武装直升机等低空飞行弱小目标的探测更 具 有独特的优势，成为战场探测与精确制导技术研究发展的重要方向，在重要战略防空系统、各种陆基、舰载及空载战场探测防御打击系统中有着广泛的军事应用前景。 论文 背景 针对航天科工集团立项的 空与地面突击武器系统车载 光电搜索跟踪 系统研制要求展开研究、设计。 系统要求 光电搜索跟踪 系统能接受上级空情信息，对目标进行准确跟踪；搜索空域信息，分析、选择可疑目标 2。针对这两种情况 引导随动系统随动，将目标导入 导弹 （导引头）视场发射导弹 进行打击 。利用 视场特性，人工搜1 绪论 工程硕士学位论文 2 索地面目标，分析选择地面目标，发射机枪或榴弹对地面攻击目标实施打击。 作者作为 光电搜索跟踪 系统的研制负责人，负责分析 系统各关键点的可行性及方案分析 、 系统整体方案分析，主持 设计 、调试 系统。 光电相关技术发展概况 及应用要求 (1) 光电技术的优点 光电频谱位于电磁频谱的高端，是微波（无线电）频谱的自然扩展与延伸，与无线电科学与技术具备优良的兼容性。所有基于波动特性的无线电技术及相关信息与计算机科学技术，均可直接移植与带动光电科学与技术的发展 39。 光电系统的 成像能力，将在战场上透明显示、目标识别、低信杂比目标检测、反隐身探测、夜间侦察与作战、防区外打击、打击效果评估等方面，为武器系统的应用带来飞跃变化，诸如改概率轰炸为定点轰炸，变霰弹式攻击为精确打击等，将会在不增大战斗部署的前提下，产生显著的武器威力倍增效应。 外科手术式攻击、防区外打击、超视距攻击、全球作战等全新的军事对抗模式，促使现代战争由热兵器时代进入信息战背景下的远程精确时代。光电平台为远程成像侦察与打击效果评估、低可探测目标识别与瞄准、基于图像的精密末制导、激光目标指示等提供了坚实可靠的科学技术基础 ，而激光武器作为即将登场的新概念武器，其激光器及能源、光束对准及远程聚焦等均需光电平台的完善配合。以光电对抗为焦点的军事对抗新模式的形成，光电平台将功不可没。 光电平台工作波段包括可见光、近红外、中波红外、长波红外；传感器有标准制式和高清晰度电视摄像机，微光电视摄像机，近红外、中红外、长波红外成像仪，激光测距机，激光目标指示器，激光照射器，弹着点显示器；光学镜头有定焦、分档变焦、连续变焦，还有电子焦距变倍器；承载转台有陀螺稳定的两轴、三轴、四轴、五轴转台，还有被动与主动式振动与冲击隔离装置。所有上述部件的有 机集成与融合，都是为了在昼夜、全天候环境下，快速获取景物与目标的高清晰实时动态图像，以增强光电平台信息获取能力。相对于微波而言，以光频工作的光电系统，具有本质性的高几何分辨力、高时间分辨力、高波谱分辨力的优点 39。 (2) 光电技术的瓶颈 与基于微波工作的雷达相比，光电平台还很不成熟，尚存在一系列技术难点与发展瓶颈。与无线电电子和微电子技术比较，光电子技术尚处于发展阶段，无论是在基础材料、元器件、制造工艺，还是在工作体制、接收与发射、探测器、传输与编解码、防护与突防等系统级别上，均存在较大差距。光信号 的感知与变换，至今仍长期在低灵敏度、高信杂比、小动态范围、窄频带等水平上徘徊。理 3 论与技术基础的严重不足，长期以来制约着光电子技术的发展。 光频段具有的本质性优势，如大信息容量、高空间 /时间分辨力、宽频带宽度等，由于支撑技术储备馈乏，尚无从发挥作用，致使光电系统仍然处于发展的初级阶段。光信号至今仍习惯于作用距离极近的直接探测，光外差接收方案长期走不出实验室的象牙塔。 光电平台在自然非相干光照明下的被动探测，虽说是其工作隐蔽性优点的体现，但却强烈依赖于天气和太阳高角，无法适应低照度环境，遇到零照度探测，更感到十 分困难。激光主动照明下的零照度成像，还未走出验证试用阶段，远未达到大批列装的技术水平。 (3) 光电系统在防空领域的应用 情况 长波红外光电传感器宜于探测飞机迎头，中波红外光电传感器宜于追尾，中波红外较长波红外具更强的湿热气候穿透能力；双色红外传感器或多色红外传感器可以兼顾不同目标的红外特征可能是一种上佳的选择。紫外探测虚警率低，且体积小巧、便宜，对地面热目标引起的虚警率不敏感，然而紫外辐射易被大气中臭氧层 (距地面 20 25收，因而降低了对导弹（飞机逼近）的探测能力；光电红外探测存在虚警率问题，也许随 着红外技术的发展，工作于中波和长波的双色红外传感器及多色传感器比紫外传感器将更为有效。基于 光电传感器的谱带是胶片的 2 倍，因此能够穿透多雾和多尘的典型的沿海环境，红外与二光复合也许可以兼顾不同的气候环境，近岸及舰船防御可能红外与合是较佳的方案。具备激光探测或激光测距的系统是主动探测系统，与红外的复合构成的系统称为半主动系统，与火控系统的交联通常需要距离信息，但如作为纯粹的情报系统，激光也许不是必需，利用激光束高空间分辨力成像的特征，对低观测性目标进行探测和识别。主动激光探测与距离选通技 术，可用于昏暗区域的成像。在中等云层、尘土飞扬和烟雾环境下，通过使用精确的短脉冲激光，捕获反射回来的光子实现成像，还可实现夜间低能见度的高分辨力成像，使图像更加清晰，作用距离更远，达到远距离字符识别能力在低光照，低可视条件下识别敌方坦克、车辆、舰艇、飞机型号，在现代战争的敌我识别方面，发挥重要作用。红外搜跟光电平台的应用，也许可以为激光探测提供一个较好的平台。激光、红外、 成的三光系统也许是一个比较合适的选择，系统集成将激光与红外、 用光学口径是一个比较优的方案，但对系统集成是不可实现的，非共轴 结构是一个比较合适的选择，但要确保三光的组合在一个合适的指标范围内。红外系统光学口径与视场角及探测距离是矛盾的指标，追求大的视场角，必将降低目标的探测距离，追求远的探测距离，势必降低视场角。双热像仪架构，扩大了视场，增加了低空探测的威力范围，降低了对转动机构的俯仰系统的要求，1 绪论 工程硕士学位论文 4 但对结构安装及后端处理提高了难度，搜索系统的探测能力一直没有得到合理的验证，也许 目标信息处理板 与转动机构的分离对目标探测的研究是一种好的方法，系统目标探测指标如得到合理的验证，也许这是一个比较好的抉择，因为俯仰轴系的不运动，的确可以降低 系统对较大范围空情的反应时间。受限于攻击武器的作战半径，对目标的远距离发现是一个永恒的要求。这些系统指标有些可能要作出一些牺牲，以兼顾重要指标。手动搜索也许适应于对目标的埋伏及拣漏，通过场景观察，人眼判断可疑目标进而进行锁定跟踪目标。单一的全自动红外搜索、跟踪系统在搜索到可疑目标后，切换到跟踪状态，切换时间是一个关键的指标，切换时间随温度的不确定性及切换时间过长也许导致目标的丢失，可疑目标跟踪后，经辐射强度、威胁程度分析，可能被剔除为非可疑目标，系统处于停止搜索，来犯的目标从其它角度可能已经进入，以致需要重 新观察空情，这在系统作战中是很难想象的，也许搜索系统与跟踪系统分离是一个好的选择。提高搜索系统的视场角，降低跟踪系统的视场角是一个比较合理的选择。提高搜索系统的视场角，则要提高空间分辨力，像素的点阵结构要提高，降低跟踪系统的视场角，同样像素的点阵则有助于提升精跟踪的精度。 陆军部队特别是装甲部队是空袭的主要目标，现代防空必须应对飞机、隐身飞机、巡航导弹、地地弹道导弹、反辐射导弹等的威胁以及严峻的电磁环境和灵 活多变的进攻战术等 8。防空作战日益显示参战力量的联合性、作战空间的广阔性、反应时间 的短暂性、情况 变化的突然性等诸多特点。野战防空战区很大， 常部署多部预警雷达、大量的炮瞄雷达（炮瞄光电）及制导雷达（制导光电）等 8。大量信息在短时间涌向指挥中心，这给防空指挥带来极大困难，任何单一系统都难以应付未来的空中威胁环境，必须建立多光电组网的野战指挥控制系统，由多种光电覆盖同一区域，进行数据综合处理，以得到全面的、精确的态势报告。 陆军防空网信息与指挥控制系统集成，解决陆军指挥 /防空信息共享，使之适应陆军战术的需要，同时将光电情报信息， 发送到陆军作战指挥系统并在指定的席位显示，为指挥员提供情报信息；指挥员根据光 电的综合态势信息，辅助部队部署、制定作战方案等。另外，还可以根据陆军防空关注的重点区域、重点目标，将相关的空情信息及其他情报信息传送给指挥系统，保证在正确的地点、正确的时间获取正确的光电情报信息，并指挥和调动防空导弹和高炮部队拦截和打击空袭目标，遂行各种防空作战任务，达到一体化防空作战的目的。 (4)其它应用 1）导弹发射探测与预警 星载导弹告警 空军飞机导弹逼近告警 5 2）海军舰载红外搜索与跟踪系统 3）夜视 热武器瞄准器 车辆驾驶员视觉增强红外观察仪 4）限制大规模毁灭性武器扩散监控 国外部分研究成果 (1) 美国陆军的远程高级监视侦察系统（ 主要是为重 装 部队、轻型骑兵中队和侦察分队提供在安全范围内进行 24 小时连续的侦察监视能力 。 通过先进的第二代前视红外技术、全球定位干涉仪、激光测距仪以及昼间用摄影机，用这些光电探测设备， (2)瑞典的 “鹰 ”系列装甲侦察车上的光电侦察系统安装在一 个可收缩的车顶安装桅杆上。它包括一个作用距离达 7公里的热像仪、一个昼间使用摄像机和一个人眼安全激光测距仪，两者作用距离都能达到 10公里。 作者所做的主要工作与 论文内容安排 研究的 主要 内容 本选题研究在吸纳、借鉴国际国内先进技术的基础上，结合自主创新，研究并设计现代防御 光电搜索跟踪 系统 。其主要研究内容如下： (1) 分析研究 光电搜索跟踪 系统 伺服系统的总体设计 ； (2) 基于 光电搜索跟踪 系统 作用距离的提高 以及实现信号处理机构与光电转台分离 分析研究数字图像光纤传输 ； (3) 研究 光 电搜索跟踪 系统 稳定系统 稳定性 分析； (4) 分析研究执行机构电机的选择 ； (5) 分析研究 光电搜索跟踪 系统 电路 系统 设计 ； (6) 分析研究 光电搜索跟踪 系统 伺服位置的解码 比较 及 计 ； (7) 分析研究 光电搜索跟踪 系统红外探测作用距离、威力 范围。 作者所做的主要工作 (1) 项目可行性论证及资料查询，提 出系统 设计构想； (2) 分析制定总体技术方案 ； (3) 光电搜索跟踪 系统 服系统 软硬件 设计 ； 1 绪论 工程硕士学位论文 6 (4) 光纤传输分析 、 论证 、设计 ； (5) 电路 系统 分析 ； (6) 电机选择及分析； (7) 议解码总构 （旋转变压器位置解算） 及 计 ； (8) 工程问题 讨论与研究 ； (9) 系统可靠性分析、设计、改进； (10) 不同光电成像传感器图像切换分析 论文内容安排 论文分为五 个章节进行论述： (1) 绪论； (2) 光电搜索跟踪 系统 总体 方案 设计 ； 系统设计功能 光电搜索跟踪系统方案 光电搜索跟踪系统软件方案 (3) 光电搜索跟踪 系统 关键技术 研究 ； 数字图像光纤传输 分析 光电稳定系统分析 光电伺服框架绝对位置获取设计分析 电机选择分析 (4) 工程问题分析、研究 红外搜索帧间图像特性分析 红外搜索成像系统探测范围研究 电源管理时序研究 陀螺补偿工程考虑 系统布线工程考虑 (5) 总结展望 2 光电搜索跟踪 系统 总体 方案 设计 系统 设计 功能 要求 根据现代防御的要求，系统需要 具有大范围的搜索能力 ，定点搜索、区域搜索、 360全空域搜索，稳健探测弱小目标、探测距离远及多目标探测能力。现代光电跟踪系统要求跟踪视场小，分辨率高，以进行精确跟踪，且具备目标威胁程度、目标分类及剔除假目标能力。 目前的光电系统技术导致几乎不可能在一套系统中兼顾不同的系统需求。基于系统不同的需求需作出不同的抉择。不同的系统架构追求的是在某一方面指标达到最优，而不是全面的指标最优。 光电搜索跟踪 系统 主要安装于 战斗 车，用于 对敌方来袭的飞机 (固定翼飞机、直升机 )和精确制导武器等空中作战平台实施远距离、大范围、多批次的实时侦察告警，并实时提供目标方位 /俯仰角、目标类型、目标威胁等级、目标辐射强度等引导信息。进一步选择目标进行精确跟踪引导武器实施打击 1014。 光电搜索跟踪 系统 架构 光电搜索跟踪 系统 的 组成 光电搜索跟踪 系统 由伺服控制分系统与 光电搜索跟踪 转台分系统、信号处理机分系统组成。 伺服控制分系统（含伺服控制系统所需电源、红外搜索转台所需电源、电机驱动板、伺服控制板）与 光电搜索跟踪 转台分系统（含红外 （多传感器融合时可考虑 、激光、旋转变压器 （或编码器） 、电机、光纤滑环、图像光纤传输发送板等）、信号处理机 分系统 (含 6U 计算机系统、图像光纤接收还原板、图像信号处理板及各 I/O 等 )各自独成一体；三个分系统构成 光电搜索跟踪 系统总体。 通过安装于 号处理机的 源 供给伺服控制箱，由伺服控制箱转换、分配电源给红外搜跟转台的激光测距机、红外热像仪、光纤发送部分。通过伺服控制箱向红外搜跟转台发送电机控制信息，向旋转变压器馈送激励电源，并通过旋转变压器 （系统中也可采用 码器） 获取转台位置信息。通过光纤传递红外热像仪数字视频信息，操控信息，激光测距机控制信息，激光测距机距离信息。通过手柄操控进 行 目标 选择跟踪，在信号处理机与伺服控制箱间进行同步及通信获取目标图像及位置信息。向指挥 控制 系统汇报当前信息并接受指挥 控制 系统控制，接受全系统同步信息。图 2示为红外搜跟系统的组成 。 2 光电搜索跟踪系统总体方案设计 工程硕士学位论文 8 图 2电搜索跟踪 系统 组成示意图 光电搜索跟踪 转台 光电搜索跟踪 转台分系统结构如图 2示。 其中 激光测距机的电源接口， 口插座，包括接收来自外部 号； 红外热像仪电源插座， 包含 热像仪进行操控的信号插座， 包含数字视 频图像的插座。 采用图 2气分配方式， 源占用 5 线， 线占用 5 线； 源占用 1 线， 线占用 1 线； 占用 10 线， 机 率驱动占用 10 线。电滑环需要 32 线进行传输。将 号经过光纤传输。 存在系统往激光测距机发送的 制信号，以控制激光测距机的发射频率； 号为系统往红外热像仪发送的操控信号，以实现对红外热像仪焦距、视场、增益、极性等的调节。可见，系统往激光测距机发送的 号及往红外热像仪发送 的 控信号流向是一致的；而激光测距机往外发送的距离信息及红外热像仪往外发送的数字图像信息流向是一致的。两者流向相反，在光纤通信中需采用波分复用来实现。 R S 4 2 2信 息 交互光 纤 传输交 流 总 电源电 机 控 制 、 位 置 信 号直 流 电 源含 电 机 、 红 外 、 光 纤电 源直 流 电 源 输 出直 流 电 源 输入手 柄 、 通 信 、 同 步伺 服 控 制 器红 外 搜 索 跟 踪转 台c P C I 信 号 处 理机指 挥 、 控 制 、 系统 同 步键 盘鼠 标显 示器 9 激 光 测 距 机X 1X 2红 外 热 像 仪俯 仰 电 机 电 机 旋 转 变压 器方 位 旋 转 变压 器J 7光 电 混 合 滑 环J 8光 纤 发送J 1 0集 束 电 缆光 滑 环电 滑 环J 9J 4J 3J 1J 2J 1名 称 信 号 属 性 备 注J 2J 3J 4J 6J 7J 8J 9J 1 0电 源电 源俯 仰 旋 变 输 出俯 仰 旋 变 激 励方 位 旋 变 激 励方 位 旋 变 输 出方 位 电 机 电 源俯 仰 电 机 电 源J 5信 号信 号距 离 控 制热 像 仪 操 控2 2 V - 3 0 X 4X 5J 6J 5图 2电搜索跟踪 转台分系统电气分配 关于 光纤 通信波特率不同问题，采用自适应通信波特率实现。整体示意如图 2示。 图 2纤传输信号示意图 数 字 视 频奇 偶 场行 同 步 信 号场 同 步 信 号插 座插 座R S 4 2 2 热 像 仪 操 控R S 4 2 2 激 光 测 距 机 回送 测 距 信 息T T L 控 制 激 光 频 率F C 光纤 接 口插 座F C 光纤 接 口插座数 字 视 频奇 偶 场行 同 步 信 号场 同 步 信 号光 纤插座信 号 处 理 机R S 4 2 2 热 像 仪 操 控 信 号插 座热 像 仪 操 控插 座插 座插 座 插 座激 光 测 距 信 息R S 4 2 2 控 制 激 光 测 距 频 率电 端 机 、 光 端 机 、 光 纤 一 体 化 传 输红 外 搜 索 跟 踪 转 台电端机发送热像仪激 光 测距 机光端机接收计 算机信息 处理 板2 光电搜索跟踪系统总体方案设计 工程硕士学位论文 10 其中热像仪操控 19200计算机发送数据时有数据，否则无数据。当计算机发出激光测距机频率控制时，电端机解 析为 制命令，否则无解析，有解析时，属同步触发激光测距机， 号上升沿触发，激光测距机在 上升沿 1905刻发射激光，随后发出距离数据。激光测距机回传测距信息通过 送，波特率 9600 号处理机 信号处理机分系统电气分配如图 2示。 系统通过市电或电池给系统供电信号处理机供电。红外搜索转台下行的数字图像光纤信号在信号处理机端由光纤解调板进行还原，还原后的差分数字图像信号直接向 目标信息处理板 馈送视频信号，经 目标信息处理板 处理后的目标检测 及跟踪 信息 通过 线与计算机进行信息交互。 图 2号处理机分系统电气分配 计算机获取的目标信息（如座标信息等）直接报告给 指挥系统或接受指挥系统发来的空情信息进行目标跟踪。同时接受转台 发来的惯性空间姿态信息，以便在计算机端对惯性空间姿态进行补偿。 红外热像仪视频、光纤传输、图像信号处理板、 算机传递流程如图2示。 热像仪摄取的外部场景通过 256 级灰度的数字视频输出，数字视频通过光纤传输，系统旋转 360 度后， 计算机终端 拼出 360 度的摄取的空域合成条带图。在热像仪场 同步信号的作 用下，伺服系统发送当前伺服系统的位置信号给 算机， A 进程抢占 线，计算机及图像信号处理板获得位置信息； B 进程对达到检测域值红外目标叠加波门；最后由计算机内存读取以上相关信息，进行市 电 2 2 0 V 电 源 熔 丝 电 源 开 关图 像 处 理机 电 源开 关 接 口系 统 手 操 控 制红 外 搜 索 转 台 信号光 纤 信 号接 收 还 原差 分 数 字图 像 信 号c P C I 图 像处 理 板c P C I 背 板c P C I 总 线电 子 盘I D E 总 线c P C I 电 源c P C I 电 源 背 板A T X 连 接c P C I 主 机 板c P C I 总 线指 挥 、 控 制信 息 交 互2 4 器键 盘 、 鼠 标R S 4 2 2R S 4 2 2 11 位置、目标波门叠加显示。 图 2外热像仪视频检测 信号关系示意图 系统 伺服控制 图 2系统伺服控制部分示意图 如图 2服控制分系统提取来自 4盖伺服控制、电源、伺服驱动整体供电。伺服控制箱电源电路向 光电搜索跟踪转台的激光、红外热像仪、光纤传输发送板提供电源，向光电搜索跟踪转台的方位、俯仰电机馈送高压 提供红外搜跟转台旋转变压器激励电源。D C / D 热 像激 光 测 距 机D C / D C 1 5 / D C 5 V 、4 板 驱 动 板 伺 服 控 制E M 控制E M 控制电 源 插 座电 池 电 压2 4 D 、 解 算 、D S P 前 端 电 源D S P 及 C P L D 管理 电 源 转 换D C / A V 、 2 K H z ， 旋 变运放D S L 3 8 插 座地 址数 据 控 制电 平 转 换 及 控 制解 算方 位 、俯 仰 旋变 信 号隔 离隔 离使 能 隔 离方 位 驱动电 流 取样隔 离低 通 滤 波A / 驱动电 流 取 样隔 离低 通 滤 波E M 控制E M 变 换手 柄 （ 预 留 ）手 柄 、 通 信E M / D C 2 4 V 、 2 / D C 1 2 V / 5 V 、 0 . 1 2 I D C / D C 1 2 块 在 红 外 搜 跟 转 台 内热 像 仪数 字 视 频光 纤 传 输时钟行同步场同步图 像 信 号 处 理 板 检 测 、 跟 踪内 存 读 取 并 显 示c P C I 总 线B 进 程A 进 程c P C I 计 算 机R S 4 2 2 指 控 中 心伺 服 控 制2 光电搜索跟踪系统总体方案设计 工程硕士学位论文 12 伺服控制电路读取红外搜跟转台反馈的电机绝对位置信号。通过伺服控制箱的伺服控制电路提供手柄电源，读取手柄方位、俯仰模拟电压及开关信号。根据信号处理板接收到的来自热像仪的图像帧的起始信号向伺服发起同步，伺服接收到来自信号处理板发起的同步信号响应中断，即时向 便在计算机显控终端显示当前帧图像信息及当前帧位置信息。 光电搜索 跟踪 系统软件 方案 系统工作流程 图 2电搜索跟踪 系统工作流程 系统上电后工作流程见图 2中除自动跟踪外均来自于操控命令。 伺服控制软件 及控制模式方案 图 2伺服控制 软件 模块组成关系 图 上 电 初 始 化系 统 自 检搜 索周 扫 搜 索区 域 搜 索手 动 搜 索探 测 目 标 ？跟 踪 预 测 跟 踪探 测 丢 失 ？探 测 捕 获 ？ 跟 踪自 动 跟 踪伺 服 与 控 制 D S 、 速 度 、 位置 、 状 态搜 跟 转 台功 放 驱 动电 机 驱动 信 号P W M 控制 信 号M c B S 与 任 务管 理 D S 工 作 状 态 字2 、 指 令 速 度 位 置3 、 转 台 速 度 位 置 4 、转 台 状 态C A 信 息 处理 板1 、 工 作 状 态 字2 、 目 标 偏 差3 、 状 态 位 置模式切换模块通信管理模块状态监控模块 13 根据系统总体设计方案要求，伺服控制板完成对转台的伺服控制和任务管理两项主要功能，其中伺服控制功能需要完成速度闭环和位置闭环两种控制模式，任务管理功能需要根据目标信息处理板的指令进行转台的工作模式切换、自检和状态监控等一系列功能。同 时，由于该控制与任务管理板采用双 构实现，还应包括两块 间的数据交换功能 1516。 伺服控制软件组成模块如 2 控制任务工作状态由目标信息处理板控制，伺服及任务管理根据目标信息处理板发送的命令，产生不同的状态字，同时控制 搜索跟踪两框架 平台执行相应的 动作。任务工作状态见图 2示 （以下相关控制框图未考虑稳定系统） 。 图 2控制 系统 任务 状态图 （ 1） 360度周扫模式 系统通过不停的快速周扫， 及时了解战场态势，对区域内的所有目标进行全方位搜索， 目标信息处理板 将 搜索到的所有可疑目标在显示屏上进行显示，同时显示这些目标当前的坐标信息和航迹预测信息，从而实现多目标搜索、探测功能。 周扫模式控制框图如图 2 图 2周扫模式控制框图 (2) 预置自动搜索模式 在 上级空情 信息导引条件下，系统 预置一定搜索范围，实现对指定空域进行快速自动搜索目标，将搜索到的所有可疑目标在显示屏上进行显示，同时显示这些目标当前的坐标信息和航迹预测信息，从而实现多目标搜索、探测功能。 预置快 速 自 动 周扫 搜 索指 定 位 置 自动 搜 索自 动 跟 踪手 动 干 预 搜索状 态 自 检系 统 自 检手 动 搜 索伺 服 及 任 务管 理3 6 0 / s 速 度 命 令稳 速 调 节 器 P W M 驱 动 电 机 + 负 载速 度 输 出旋 转 变 压 器 测 速+光电搜索跟踪系统总体方案设计 工程硕士学位论文 14 自动搜索模式 控制框图如图 2 速 度 调节 器电 流 调节 器P W M 驱 动 电 机 + 负 载电 流 取 样滤 波 器旋 转 变 压 器 测 速+-+速 度位 置 调节 器+ 变 压 器 测 位 置积 分输 出位 置预 置 量 及 搜索 范 围图 2置自动搜索模式控制结构 图 (3) 手动搜索模式 上、下、左、右摇动手柄 ，手柄输出转台期望到达的速度与旋转变压器测得的电机速度构成偏差进行相应的搜索控制。 对应的控制框图见图 2 速 度 调 节 器 电 流 调 节 器 P W M 驱 动 电 机 + 负 载电 流 取 样滤 波 器旋 转 变 压 器 测 速+-+ 给 出 速度 搜 索 量输 出 速 度图 2动搜索模式控制 结构 图 (4) 自动跟踪模式 图像跟踪器给出框架光轴指向对目标的偏差 作为控制命令的输入。 对应的控制框图见图 2 速 度 调节 器电 流 调节 器P W M 驱 动 电 机 + 负 载电 流 取 样滤 波 器旋 转 变 压 器 测 速+-+速 度位 置 调节 器+ 跟踪 器旋 转 变 压 器 测 位 置积 分输 出位 置目 标运 动图 2自动 跟踪模式控制结构 图 (5) 手动干预跟踪模式 当按下手柄按键时，进入手动干预模式，手动干预模式在四种工作模式中优先级最高。此时系统随动于操控手柄，松开手柄按键系统返回自动搜索模式或手动搜索模式（返回模式由上位机确定，跟踪模式直接由上位机发送带命令字的偏 15 差，无需返回），如果返回自动搜索模式则带参数返回，即修改自动搜索模式扫描扇区中心线到当前位置，手动干预模式用于弥补自动目标识别方式的不足。 (6) 软件总体设计 伺服控制及任务管理软件采用 C 语言进行设计，分别在两片 运行不同的程序。软件设 计按照模块化设计要求，充分考虑 了 可维护性、可继承性和可扩展性。 伺服 系统主要 软件 模块如图 2示。 图 2服系统 软件模块组成图 目标信号处理系统软件 及目标处理方案 图 2双 目标信息处理板内部软件设计采用目标检测算法，实现目标的实时检测，算法实现于处理板的 。由于采用双片 行结构，为最大程度的发挥各要结合处理数据的特点和算法的结构，采用合理的任务划分和调度策略 1722。 图 2示了双 行的主体程序流程图。 初始化后，加D S P 初 始 化 模 块高 速 数 据 交 换 模 块P W M 产 生 模 块电 流 环 控 制 模 块速 度 环 控 制 模 块位 置 环 控 制 模 块复 合 控 制 模 块预 置 轨 迹 产 生 模 块伺 服 控 制 D S P 初 始 化 模 块高 速 数 据 交 换 模 块C A N 通 信 中 断 处 理 模 块R S 2 3 2 通 信 中 断 处 理 模 块任 务 管 理 模 块系 统 自 检 模 块状 态 监 控 模 块任 务 管 理 D S 初 始 化状 态 判 断更 新 参 数参 数设 置空 闲预 处 理图 像就 绪面 目 标 检 测中 间 结 果D S P 1状 态 判 断控 制 命 令预 处 理图 像就 绪点 目 标 检 测中 间 结 果结 果 融 合初 始 化开 始D S P 2更 新 参 数参 数设 置空 闲2 光电搜索跟踪系统总体方案设计 工程硕士学位论文 16 载预置参数。 别进行面目标和点目标检测， 这两个结果进行融合，并接收计算机终端的命令，设置 工作状态，进行相应的目标检测跟踪处理，最后将最终处理结果实时传递给伺服控制和 算机系统。 图 2图 像 序 列天 地 线 检 测空 域 滤 波 时 域 滤 波融 合检 测 目 标目 标 确 认航 迹 生 成输 出 结 果图 像 序 列航 迹 外 推 提 取 图 像 切 片空 域 滤 波 时 域 滤 波融 合目 标 确 认航 迹 关 联输 出 结 果点 目 标 检 测点 目 标 跟 踪图 2目标算法流程 红外目标 检测跟踪算法的实现是 序的主要部分。在算法中，将红外目标分为面目标和点目标， 成面目标算法， 现点目标算法。面目标算法如图 2示，点目标算法如图 2示。 算法的工程化实现 需要对 序进行高度优化。结合 特的结构对程序优化，需要熟悉各种优化手段甚至采用汇编优化。只有经过良好优化的 像 序 列运 动 区 域 提 取分 割 运 动 区 域目 标 检 测目 标 确 认航 迹 生 成输 出 结 果图 像 序 列航 迹 外 推 提 取 运 动 区 域分 割 运 动 区 域目 标 检 测目 标 确 认航 迹 关 联输 出 结 果面 目 标 检 测面 目 标 跟 踪 17 代码才能有效利用 有的各种资源，充分发挥 有的优势，最大限度的满足系统实时性的要求。 本章小结 本章 提出了 光电搜索跟踪 系统的功能及技术指标，分析了系统整 体组成架构， 光电搜索跟踪 系统 转台、信号处理机、伺服控制分系统的电气 系统分配， 提出了光纤通信解决系统双向通信及对命令解析的方法。 给出了伺服系统软件流程及各模块功能及目标信号处理面目标、点目标处理流程。 3 光电搜索跟踪 系统 关键技术研究 光电搜索跟踪 系统 关键技术涉及以下主要内容： (1) 红外或 像信号的数字图像光纤传输。 数字图像光纤传输技术的引入能解决 光电搜索跟踪 系统转台与目标信号处理板分离，并且目标信息处理板获得 的 光电图像信号质量不受损失 ， 有利于转台旋转搜索时 目标信号 处理的仿真， 有助于 机构动态旋 转动态目标工程算法的提升，是增强目标稳健检测的有效手段。 同时采用光纤传输有利于系统抗干扰能力的提升 ， 传统的导电滑环的响应频率比较低，系统在传输数据时信号容易出现失真、误码率增加的情况。 (2) 惯性空间稳定 。 惯性空间稳定技术 决定了稳定搜索跟踪平台的稳定能力，惯性空间姿态传感器的选择及 信号的处理和电源的隔离有助于陀螺采集信号噪声的降低，极限情况是 在伺服端对惯性空间姿态的信号采集逼近惯性空间姿态信号的本身情况。惯性空间姿态传感器的带宽及控制环路的设计对光电稳定系统的隔离有较大 的影响。 (3) 光电搜索跟踪 系统 框 架伺服 位置信号的获取。 位置信号的 获取决定了 光电搜索跟踪 系统 框架位置的采样精度，从位置采集 传感器本身来看，采样精度 对系统的跟踪 定位性能有较大 的影响，获取 采样值 的稳健 性在某种程度上 决定系统位置闭环的稳健。 (4) 执行 机构 直流力矩 电机 的选择。 电机的选择 指标涉及 峰值堵转电压，连续 堵 转 电 压 ， 峰 值 堵 转 电 流 ， 连 续 堵 转 电 流 ， 峰 值 堵 转 转 矩 ， 连续堵转转矩，最大空载转速。 选择时要考虑负载总力矩、最大调转速度等因素。 数字图像光纤传输 分析 数字图像光纤传输的必要性 红外 搜索 系统 通常采用线列探测器旋转扫描的成像 方式。这种扫描方式下，连续转动的成像探测部分与信号处理机之间必需经过滑环进行连接 27。 现代红外防御系统中，红外搜索系统中红外光电热成像仪摄取的前方目标场景经光学系统传递，送入红外光电热成像系统内部电子系统处理产生模拟视频及差分数字视频输出，差分数字视频信号直接送入 目标信息处理板 进行处理。通常情况下，光电热成像仪与激光、 成三光系统或光电热成像仪与激光构成的二光系统置于转动机构内。如 目标信息处理板 置于转动机构内，红外光电热像仪图像信号与 目标信息处理板 连接有两种 方式：一 种方法 是红外热像仪数字视频信号与 目标信息处理板 连接， 目标信息处理板 图像数字视频信号进行预处理；另一 种方3 光电搜索跟踪系统关键技术研究 工程硕士学位论文 20 法 是红外热像仪模拟视频信号与 目标信息处理板 连接， 目标信息处理板 对模拟视频信号进行 A/后再进行相应的视频预处理。前一种方式模拟视频通过电滑环下行接入主控计算机中，由图像采集卡采集并处理进行显示，但 目标信息处理板 处理的数字视频帧信息与终端显示的模拟视频信息需要帧同步信号进行同步，以保证当前显示帧为当前处理帧；后一种方式虽不存在同步问题，但存在红外模拟图像到数字图像再到模拟图像再到数字 图像的图像传输质量损失。这两种传输方式如图 3示 。两种方式下，由于 目标信息处理板 置于转台机构内，旋转机构动态时检测红外目标时 无法进行仿真，这为动态目标检测算法的工程完整实现带来了极大的不便。为此，需寻求一种新的传输图像方式：光纤滑环传递数字图像。采用光纤滑环结构一方面解决了多位视频信号通过光纤大容量的通信问题，另一方面解决了旋转机构与非旋转机构的连接方式。 两个相对旋转的部分实现光纤光路的动态连接，普通的固定连接器无法完成动态连接，而光纤旋转连接器正是实现旋转连接不可或缺的器件 33； 图 3外热像仪视频数据传输及通信示意图 光纤传输可以在潮湿、多尘、凹凸不平、高压等恶劣环境下运行。旋转时可以连续输出信号。特别适合应用在需要无限制的，连续或断续旋转，同时又需要从固定位置到旋转位置传送大容量数据、视频信号的场所 2432。用光纤传递信号，无泄密，无电磁干扰，可以远距离传输，产生的灰尘少，寿命长，可达 1亿转以上 2432。 传统图像传输与数字图像光纤传输比较 (1) 传统图像传输 红外光电热像仪安装于转动机构内， 目标信息处理板 安装于光电平台转动机构内， 目标信息处理 板 以 50 帧 /秒发出同步触发信号触发伺服控制给出当前位置信息，当前的位置信息由 目标信息处理板 转发主控计算机，同时 目标信息处理板以 50 帧 /秒发出当前目标相对光轴的脱靶量给伺服，伺服根据发来的脱靶量进行伺服控制图像处理22同步红外光电热像仪221 ） 差分数字视频C P C I 计算机22模拟视频 2 )旋转机构终端 : 非旋转机构电滑环 21 对应的控制调整。光电成像器发出的差分视频数字信号或模拟图像送往目标信号处理板。目标信号 处理板通过 线操控热像仪，对热像仪进行非均匀性、极性等等调整。光电热像器模拟视频信号送往主控计算机，由计算机终端显示成像器 摄取的前方景象 并合成来自目标信息 处理板发来的波门信息。此种传输方式存在以下缺点： 1)通信链条过多 。 计算机与伺服信息的交互需通过 目标信息处理板这一中间环节， 计算机 终端 对热像仪的调整也经过了 目标信息处理板这一中间环节。结果是一方面重复编程严重，另一方面增加 了系统通信的不可靠性 因素 。 2)目标信息处理板 置于转动构件中，系统无论是外场还是实验室动态调试，均无法在线仿真深入 行情况。 3)由于热像仪传输的模拟图像送往 计算机显示，而来自 目标信息处理板 处理后的目标信息要在模拟图像的场景中合成，在系统搜索的每帧动态图像刷新过程中，波门与动态目标，二者并不同步。 4)长时间连续工作图像噪声严重 。 (2) 数字图像传输 红外 热像仪安装于转动机构内， 目标信息处理板 置于 算 机内，热像仪给出的差分数字视频信号通过光纤传输链路传递，经过视频传输 完成信道编码，并串转换，电光转换，通过电光转换的 传送入光纤，在视频还原 端完成光电转换，串并转换，信道解码，完整复现差分视频信号。数字图像光纤传输线路如图 3示。 算机获取的 50 幀 /秒显示图像信息与 目标信息处理板 处理后的目标信息任何时刻都是同步的。 目标信息处理板 以 50 帧 /秒发出当前目标相对光轴的 脱靶量 （先经 线）给伺服，伺服根据 发来的 脱靶量 进行相应的控制调整。 算机直接通过 线操控热像仪，对热像仪进行非均匀性、极性等进行调整。 此种传输方式存在以下优点： 1） 通信链条少，基于 线的稳健性，系统通信是稳健的。 2） 目标信息处理板 置于 算机内，易于外场及室内动态仿真测试。 3） 计算机显示的场景图像与 目标信息处理板 处理的目标信息是同步的，便于显示图像的合成。 4） 所有的顶层管理及数据交互均通过中央计算机 线完成，系统软件管理简洁。 5） 长时间连续工作试验后采集得到的图像细腻清晰 、噪声小 。 3 光电搜索跟踪系统关键技术研究 工程硕士学位论文 22 图 3字图像光纤传输示意图 数字图像光纤传输任务分析及实现 （ 1）任务分析 在转动机构内利用光纤传输两路红外热像数字视频数据，在转动机构外接收还原红外热像数字视频数据。首先，处于最上层的多路复用模块完成两个探测器数据的合并操作，然后，并串转换和编码模块把合并后的图像数据通过直流均衡编码，转换成串行信号，并在其中加入时钟和字节对齐等信息，最底层的电光转换模块把串行电信号最终变成光信号发送出去。通过光纤旋转连接器到达接收端，由光信号接收模块放大并恢复成串行数字信号， 时钟恢复和串并转换模块从串行信号中恢复时钟，进行字节对准，并恢复出并行数据，最后由解复用模块分解和还原两个红外探测器的数据。 双路红外视频光纤传输 如图 3示。 由于采用的红外热成像仪积分时间接近 20际的线列红外探测器的数据是按列读出的，且每两列数据之间有大概 20间隔。因此，可直接把多路探测器数据合并到一起，并添加帧同步信号形成一个数据帧。接收端相应的解码模块根据帧同步信号解开数据帧，还原各路图像数据 23。 多路复用器并串转换及编码电光转换光 纤 旋 转连 接 器电光转换时钟恢复及串并转换解复用两 路 数 字 视 频图 3纤传输图像总图 光 电 成 像