第二章+光電測量系統(tǒng)及其應(yīng)用-3

圖像探測、跟蹤與識別技術(shù)

主講人：趙丹培宇航學(xué)院圖像處理中心

zhaodanpei@

2012年9月20日第二章光電測量系統(tǒng)及其應(yīng)用學(xué)習(xí)目的

光電測量系統(tǒng)是一種應(yīng)用目標(biāo)探測、跟蹤與識別技術(shù)的最典型也是最常規(guī)的靶場設(shè)備，這一章中將結(jié)合光電測量系統(tǒng)的典型應(yīng)用，學(xué)習(xí)光電測量系統(tǒng)的基本原理、組成與分類，詳細(xì)介紹電視跟蹤測量系統(tǒng)的應(yīng)用。學(xué)習(xí)的重點(diǎn)光電測量系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理；什么是電視圖像信號？電視圖像信號的基本特征；電視跟蹤測量系統(tǒng)的基本原理及脫靶量的計(jì)算。

本章的主要內(nèi)容2.1光電測量系統(tǒng)概述2.2光電測量設(shè)備的分類及其組成2.3典型光電測量系統(tǒng)介紹－光電經(jīng)緯儀2.4電視跟蹤測量系統(tǒng)的基本原理2.1光電測量系統(tǒng)概述什么是光電測量系統(tǒng)？

光電測量系統(tǒng)是用光學(xué)成像原理，采集飛行目標(biāo)的信息，經(jīng)處理得到所需的目標(biāo)軌道參數(shù)(或彈道參數(shù))與目標(biāo)特性參數(shù)，并獲取飛行實(shí)況圖像資料的專用測量系統(tǒng)，是導(dǎo)彈航天測量控制系統(tǒng)的重要組成部分。導(dǎo)彈航天測控系統(tǒng)：

是導(dǎo)彈航天試驗(yàn)靶場中用于完成飛行目標(biāo)彈道測量、遙測、安控三大任務(wù)的專用系統(tǒng)，是與彈、箭、星等測試發(fā)射系統(tǒng)并列的獨(dú)立系統(tǒng)。導(dǎo)彈航天測控系統(tǒng)由光電測量系統(tǒng)、無線電外測系統(tǒng)、遙測系統(tǒng)、試驗(yàn)指揮監(jiān)視顯示系統(tǒng)、遙控系統(tǒng)、時(shí)間統(tǒng)一系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、實(shí)時(shí)和事后信息處理系統(tǒng)及大地測量和氣象勤務(wù)保障等部分組成。光電測量系統(tǒng)的特點(diǎn)：

測量精度高；可測量飛行目標(biāo)的光輻射特性參數(shù)；可獲得飛行目標(biāo)影像，直觀性強(qiáng)，并可事后復(fù)現(xiàn)；不受“黑障”和地面雜波干擾影響等。但與無線電外測系統(tǒng)比較，光電測量的作用距離較近，并易受氣象條件限制。光電測量系統(tǒng)的作用：彈道測量飛行實(shí)況記錄物理特性參數(shù)測量本章的主要內(nèi)容2.1光電測量系統(tǒng)概述2.2光電測量設(shè)備的分類及其組成2.3典型光電測量系統(tǒng)介紹－光電經(jīng)緯儀2.4電視跟蹤測量系統(tǒng)的基本原理2.2光電測量設(shè)備的分類及其組成光電測量系統(tǒng)的分類

根據(jù)光電測量系統(tǒng)在導(dǎo)彈試驗(yàn)和航天器發(fā)射中的功能和作用，分為四大類：彈道測量設(shè)備飛行實(shí)況記錄設(shè)備物理特性參數(shù)測量設(shè)備事后信息處理設(shè)備模擬跟蹤系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)優(yōu)點(diǎn)：速度快缺點(diǎn)：單一特定目標(biāo)簡單場景不能智能跟蹤任務(wù)單一數(shù)字跟蹤系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)優(yōu)點(diǎn)：可智能跟蹤較復(fù)雜場景的多個(gè)目標(biāo)缺點(diǎn)：速度慢、不能全視場搜索任意指定圖像目標(biāo)的數(shù)字跟蹤系統(tǒng)、軟硬件結(jié)合，(DSP+ASIC)軟件跟蹤器優(yōu)點(diǎn)：速度快可全視場搜索可編程多任務(wù)智能跟蹤任意指定目標(biāo)，復(fù)雜場景能處理遮擋問題第一代第二代第三代目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)的發(fā)展本章的主要內(nèi)容2.1光電測量系統(tǒng)概述2.2光電測量設(shè)備的分類及其組成2.3典型光電測量系統(tǒng)介紹－光電經(jīng)緯儀2.4電視跟蹤測量系統(tǒng)的基本原理2.5光電測量系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用前景2.3典型光電測量系統(tǒng)介紹－光電經(jīng)緯儀光電經(jīng)緯儀亦稱“電影經(jīng)緯儀”。能連續(xù)自動瞄準(zhǔn)空中移動目標(biāo),并進(jìn)行觀測與拍照的一種經(jīng)緯儀。經(jīng)緯儀是測量水平面方位角和垂直面俯仰角的大地測量用的光學(xué)儀器。其中早期的電影經(jīng)緯儀是用來捕獲、跟蹤飛行目標(biāo)，并將目標(biāo)影像、十字絲標(biāo)記及點(diǎn)陣信息攝影記錄在膠片上的儀器。光電經(jīng)緯儀是采用光電技術(shù)，具有實(shí)時(shí)測量和自動跟蹤功能的電影經(jīng)緯儀，是導(dǎo)彈、航天測量控制系統(tǒng)中的重要測量設(shè)備，是光電測量系統(tǒng)中的骨干設(shè)備。光電經(jīng)緯儀的跟蹤系統(tǒng)是由方位和俯仰兩個(gè)跟蹤控制系統(tǒng)組成。跟蹤系統(tǒng)有三種跟蹤方式：自動跟蹤：電視自動跟蹤、紅外自動跟蹤和激光自動跟蹤，在光電經(jīng)緯儀中一般具有一種或兩種自動跟蹤手段隨動跟蹤：計(jì)算機(jī)引導(dǎo)、雷達(dá)引導(dǎo)半自動跟蹤：單人操縱桿跟蹤（單桿跟蹤）這三種跟蹤方式都是有差閉環(huán)控制系統(tǒng)。自動跟蹤電視跟蹤器測量出目標(biāo)相對其光軸的角量，送伺服系統(tǒng)的位置回路形成閉環(huán)自動跟蹤。光電經(jīng)緯儀的跟蹤和引導(dǎo)方式光電經(jīng)緯儀的跟蹤和引導(dǎo)方式光電經(jīng)緯儀因視場角較小，在不能直視或有遮擋而丟失目標(biāo)時(shí)，需要采用引導(dǎo)方式進(jìn)行隨動跟蹤，一旦捕獲目標(biāo)后可轉(zhuǎn)入半自動跟蹤或自動跟蹤方式。光電經(jīng)緯儀的引導(dǎo)有兩種方式：模擬引導(dǎo)和數(shù)字引導(dǎo)。通常采用數(shù)字引導(dǎo)。數(shù)字引導(dǎo)也有兩種方式：一種是用引導(dǎo)雷達(dá)或其它測量設(shè)備所獲取的實(shí)測數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)傳輸，經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后引導(dǎo)光電經(jīng)緯儀，近距離時(shí)可直接引導(dǎo)。另一種是理論彈道引導(dǎo)。在導(dǎo)彈起飛時(shí)或在其它無實(shí)測數(shù)據(jù)的情況下，往往采用理論彈道引導(dǎo)下進(jìn)行隨動跟蹤，直至發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，可切換跟蹤方式。本章的主要內(nèi)容2.1光電測量系統(tǒng)概述2.2光電測量設(shè)備的分類及其組成2.3典型光電測量系統(tǒng)介紹－光電經(jīng)緯儀2.4電視跟蹤測量系統(tǒng)的基本原理2.4電視跟蹤測量系統(tǒng)的基本原理⑴、電視測量技術(shù)的基本概念什么是電視？電視是一門集微電子學(xué)、光度和色度學(xué)、通信理論和技術(shù)、視覺心理學(xué)等于一體的綜合性較強(qiáng)、緊密結(jié)合應(yīng)用的光電子技術(shù)。

應(yīng)用電視分為廣播電視和工業(yè)電視兩類。靶場測量電視屬于工業(yè)電視的一種。電視的制式：NTSC、PAL、SECAM數(shù)字電視、高清晰度電視、立體電視等帶動了電視的發(fā)展。場消隱脈沖（25Ｈ）第１場開始場同步與場消隱12362554前均衡脈沖場同步開槽脈沖場消隱脈沖（25Ｈ）后均衡脈沖第２場開始行同步電視圖像信號的規(guī)定我國規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)電視體制(PAL制)為：

每幀625行，隔行掃描，行頻15.625（kHz);光柵寬高比為4：3;視頻帶寬6MHz.每秒50場，兩場為一幀。我國電視圖像信號的同步、消隱脈沖的寬度規(guī)定如下：

根據(jù)要求對視頻圖像進(jìn)行某種處理，主要包括：

消除視頻信號產(chǎn)生、獲取和傳輸過程中引入的失真和干擾，使視頻信號盡可能逼真地重現(xiàn)景物，保證測量的精度；［預(yù)處理］

盡可能地去除視頻信號中的無用信息而突出有用的信息；［目標(biāo)提取］

從視頻圖像中提取某些特征，以便對其進(jìn)行描述、分類和識別；［目標(biāo)識別］

同步提取；［圖像/文字顯示］

在保證圖像質(zhì)量的前提下盡可能壓縮視頻圖像的數(shù)據(jù)量。［圖像傳輸］電視圖像的處理過程

⑷、電視測量技術(shù)在靶場測量

控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

導(dǎo)彈武器試驗(yàn)靶場測量控制系統(tǒng)中的工作波段為可見光波段或紅外波段，用于電視自動跟蹤測量、實(shí)時(shí)記錄等；用于無線電測量系統(tǒng)低仰角條件下的自動跟蹤及星體標(biāo)校；為靶場安全控制、指揮監(jiān)控顯示等系統(tǒng)提供火箭離架及飛行中的實(shí)況圖像。具體概括為：自動捕獲跟蹤實(shí)時(shí)測軌實(shí)況記錄指揮監(jiān)視顯示⑸、電視跟蹤測量系統(tǒng)概述電視跟蹤測量把計(jì)算機(jī)、圖像處理、模式識別、自動控制、光學(xué)等學(xué)科有機(jī)地結(jié)合起來，形成一種能從圖像信號中實(shí)時(shí)、自動識別目標(biāo)，測量目標(biāo)的位置信息和幾何參數(shù)，自動跟蹤目標(biāo)運(yùn)動的技術(shù)。電視系統(tǒng)的測量精度可以達(dá)到角秒量級，電視制導(dǎo)是其典型的應(yīng)用。電視跟蹤系統(tǒng)工作時(shí)不向外輻射無線電波，不會被電子偵察設(shè)備發(fā)現(xiàn)，它也不會受到電子干擾裝置施放的干擾所影響。由于從電視監(jiān)視器上能直接看到目標(biāo)圖像，因而能可靠地辨別目標(biāo)。電視跟蹤測量系統(tǒng)作成一個(gè)能以非接觸方式自動測量目標(biāo)（動/靜）位置/速度、形狀/變化的功能模塊，可以把精密非接觸測量擴(kuò)展到天上、地下、水下、高溫、嚴(yán)寒等人類視覺難以達(dá)到的地方。電視跟蹤測量的突出優(yōu)點(diǎn)是它具有精密、非接觸、隱蔽、直觀、抗電子干擾的特性，使它在軍事上獲得廣泛應(yīng)用。在試驗(yàn)靶場中，電視分系統(tǒng)作為一種光學(xué)設(shè)備被普遍應(yīng)用。它改變了雷達(dá)測量不能顯示目標(biāo)姿態(tài)，攝影測量不能實(shí)時(shí)輸出數(shù)據(jù)的缺點(diǎn)，兼有高精度，實(shí)時(shí)顯示目標(biāo)姿態(tài)，實(shí)時(shí)輸出測量數(shù)據(jù)的功能，使新一代光測設(shè)備具有了更優(yōu)越的性能。測量和跟蹤的主要圖像類型有三種:

可見光圖像、雷達(dá)圖像、紅外圖像。測量和跟蹤的目標(biāo)范圍主要是空中目標(biāo)、地面目標(biāo)、海上目標(biāo)。自動目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)的主要算法包括圖像數(shù)據(jù)的預(yù)處理、圖像分割、目標(biāo)檢測、特征計(jì)算、相關(guān)匹配、識別和分類、運(yùn)動分析、目標(biāo)跟蹤瞄準(zhǔn)點(diǎn)選擇等，目的是要實(shí)現(xiàn)這些功能的實(shí)時(shí)性，并應(yīng)用于動態(tài)戰(zhàn)術(shù)環(huán)境。電視跟蹤測量系統(tǒng)的基本組成框圖圖像傳感器自動目標(biāo)識別系統(tǒng)跟蹤處理器圖像監(jiān)視器伺服機(jī)構(gòu)人工控制圖像處理系統(tǒng)⑹、電視測量跟蹤系統(tǒng)的基本工作原理

圖像傳感器通過對目標(biāo)景物進(jìn)行掃描產(chǎn)生電視信號，電視信號經(jīng)采集形成數(shù)字圖像，由圖像處理系統(tǒng)處理，不斷地計(jì)算出運(yùn)動目標(biāo)在視場內(nèi)的瞬時(shí)位置，并形成相應(yīng)的位置偏差調(diào)整信號量，傳給伺服機(jī)構(gòu)，伺服機(jī)構(gòu)根據(jù)這些信號量調(diào)整電視跟蹤系統(tǒng)及攝像機(jī)的空間位置和角度，使得目標(biāo)始終位于視場中心，從而實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的自動跟蹤，也可以進(jìn)行人工干預(yù)。探測器件的分類與比較由于探測器件不同，其脫靶量測量原理也略有差異。常用的探測器件可分為兩類：一是真空攝像器件（如硅靶管和增強(qiáng)型硅靶管）；二是CCD器件。兩類器件都是將光圖像信號轉(zhuǎn)換為電子圖像，不同之處在于掃描方式不同。真空攝像管掃描時(shí)是先從左至右（分隔行和逐行），然后從上至下進(jìn)行場掃描，其掃描周期和掃描速度都是固定的。CCD的分類：按像素排列方式可分為線陣CCD和面陣CCD；面陣CCD按傳輸過程可分為幀轉(zhuǎn)移型和行轉(zhuǎn)移型；按照敏感波段可分為射線、X射線、紫外線、可見光和紅外線響應(yīng)CCD。CCD的優(yōu)點(diǎn)：全固體化，體積小重量輕、可靠性高、壽命長、有較理想的掃描線性，可進(jìn)行像素尋址和變更掃描速度，尺寸重復(fù)性好，圖像畸變小，靈敏度高，耐沖擊性強(qiáng)。CCD和CMOS的差異與性能對比：CCD器件：電荷耦合器件CMOS器件：互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體

成像過程比較:CCD和CMOS使用相同的光敏材料，因而受光后產(chǎn)生電子的原理相同，并且具有相同的靈敏度和光譜特性，但是讀取過程不同：CCD是在同步信號和時(shí)鐘信號的配合下以幀或行的方式轉(zhuǎn)移，整個(gè)電路非常復(fù)雜；CMOS則以類似DRAM的方式讀出信號，電路簡單。集成性比較：輔助功能難以與CCD集成到一塊芯片上，需要特殊時(shí)鐘驅(qū)動；CMOS能容易地把上述功能集成到單一芯片上?？馆椛浔容^：

CCD非常容易受到輻射電子的影響；CMOS由于在像素生成的時(shí)候加入抗輻射電路，并且采用直接尋址讀取的方式，減少了輻射影響的機(jī)會。電源、功耗和體積比較：CCD功耗和體積都比較大；CMOS功耗相當(dāng)于CCD的1/10，可以高度集成。成像質(zhì)量：

CCD的靈敏度和信噪比要高于CMOS；

電視跟蹤測量系統(tǒng)提供的主要信息可分為兩大類：

其一是圖像資料，其二是圖像中目標(biāo)的位置信息。

前者是對整個(gè)或部分圖像形態(tài)、姿態(tài)及灰度的空間分布等隨時(shí)間變化的圖像記錄。后者主要用于自動跟蹤捕獲和脫靶量實(shí)時(shí)輸出。電視脫靶量通常是指視場中

目標(biāo)偏離光軸的角量大小。

方位角：視準(zhǔn)軸繞垂直軸旋轉(zhuǎn)的角度由裝在垂直軸上的軸