光電跟蹤儀二坐標(biāo)搜索雷達(dá)的研究

光電跟蹤儀二坐標(biāo)搜索雷達(dá)的研究

1基于三.2誤差圖像跟蹤的被動(dòng)探測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)現(xiàn)代火災(zāi)探測(cè)設(shè)備主要依靠?jī)煞N探測(cè)設(shè)備：雷達(dá)和電跟蹤儀。長(zhǎng)期以來光電跟蹤儀大多為輔助通道,其捕獲跟蹤一般是在跟蹤雷達(dá)(或高炮瞄準(zhǔn)鏡)的引導(dǎo)下,使目標(biāo)進(jìn)入視場(chǎng),然后轉(zhuǎn)入波門搜索、波門套住目標(biāo)、自動(dòng)跟蹤目標(biāo)狀態(tài)。而在二坐標(biāo)搜索雷達(dá)的引導(dǎo)下,由于光電視場(chǎng)小、虛警率高等原因,光電跟蹤儀無法像火控雷達(dá)一樣自主俯仰掃描捕獲目標(biāo)。隨著光電探測(cè)器技術(shù)、圖像跟蹤處理技術(shù)以及電子對(duì)抗技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用,被動(dòng)探測(cè)技術(shù)受到越來越多的重視、研究和應(yīng)用。光電跟蹤儀作為火控系統(tǒng)的瞄準(zhǔn)設(shè)備,其地位在不斷提高,已從原來的配角變成了主角。因此發(fā)展光電跟蹤儀的自主捕獲是完全有必要和可行的。2大氣不均勻性分析光電跟蹤儀的自主捕獲面臨著多種因素的影響,包括自然界的背景不均勻性、大氣傳輸特性、目標(biāo)特性等;技術(shù)上的圖像生成特性、圖像處理能力、綜合設(shè)計(jì)水平等。2.1氣、云的干擾及不同目標(biāo)的特性自然條件的影響包括背景復(fù)雜、背景的不均勻性、大氣的傳輸、云的干擾和不同目標(biāo)的特性影響。這些因素極大地影響圖像目標(biāo)信號(hào)的檢測(cè),影響光電跟蹤儀的探測(cè)距離和跟蹤穩(wěn)定性,甚至使探測(cè)距離成倍下降。2.1.1背景的影響(1)太陽輻射的影響太陽是最強(qiáng)的自然輻射源,通過地球大氣后,只有0.3～3μm波段的輻射到達(dá)地球表面,太陽輻射的直接影響是當(dāng)傳感器的指向與太陽夾角比較小時(shí),造成視場(chǎng)內(nèi)的圖像不均勻,一邊亮,一邊暗;或者使圖像飽和,甚至完全掩蓋目標(biāo);(2)太陽方位角的影響雖然天空背景相對(duì)海面和地面背景是最均勻的,但由于大氣散射的作用,廣域的天空仍呈現(xiàn)非均勻性。其呈現(xiàn)特性是:光譜輻亮度隨觀測(cè)仰角的增加而減少;隨觀測(cè)方位而變化,若以太陽方位為基準(zhǔn),則在90°～180°方位范圍內(nèi)輻亮度很小,且?guī)缀蹙鶆蚝愣ā５S著方位角向太陽靠近,天空光譜輻亮度逐漸增加,在15°附近增加最快;天空光譜輻亮度還隨太陽位置變化,隨著太陽仰角的增大(即接近天頂方向),散射輻射顯著增加。因此傳感器成像系統(tǒng)的光動(dòng)態(tài)范圍要大,且能夠及時(shí)調(diào)整,以利于傳感器的工作狀態(tài)為最佳,成像清晰,對(duì)比度好;(3)紅外探測(cè)器對(duì)云成像的影響空中的云是不定時(shí)出現(xiàn)的、運(yùn)動(dòng)的和無規(guī)則的。不論是可見光探測(cè)器或者紅外探測(cè)器,都能對(duì)云成像。許多時(shí)候云的成像大小遠(yuǎn)大于目標(biāo),亮度也高于目標(biāo),非常不利于采用門限分割的目標(biāo)提取;(4)海洋背景的影響海洋背景輻射由自身發(fā)射以及水面對(duì)太陽的反射和天空散射構(gòu)成。主要表現(xiàn)為受水天線、波浪等影響比較大;(5)在不同季節(jié)和季節(jié)影響最大的光電系統(tǒng)地面背景是最復(fù)雜的,既有各種地形地貌(山谷、河流、樹林、沙漠等)的差異,又有季節(jié)變化帶來的背景變化(大雪、植被四季變化等),對(duì)光電系統(tǒng)的探測(cè)和跟蹤來說影響最大的。2.1.2光學(xué)測(cè)試的影響目標(biāo)和背景的輻射只有通過大氣傳輸?shù)竭_(dá)光電探測(cè)器后,才能形成視頻圖像信號(hào)。在傳輸過程中,大氣的吸收和散射會(huì)使輻射發(fā)生很大衰減,同時(shí),散射還會(huì)產(chǎn)生非信號(hào)的附加輻射,使對(duì)比度下降。最不利于光電探測(cè)的天氣是霧大、濕度大、灰塵多、能見度低等。嚴(yán)重時(shí),將使光電探測(cè)設(shè)備無法探測(cè)到目標(biāo)。2.1.3反射率低的目標(biāo)檢測(cè)算法目標(biāo)的圖像特性主要表現(xiàn)為體積小、形狀不規(guī)則、反射率低、紅外輻射能量弱、目標(biāo)拖尾等情況,沒有通用的目標(biāo)檢測(cè)算法能夠適應(yīng)各種類型的目標(biāo),因此對(duì)不同特性的目標(biāo)需要不同的目標(biāo)檢測(cè)算法。(1)不同時(shí)期的輻射強(qiáng)度不同類型的飛機(jī),因采用的發(fā)動(dòng)機(jī)種類、型號(hào)、數(shù)量、布置和飛機(jī)表面材料、外形、大小以及飛行速度、方式和階段的不同,其輻射強(qiáng)度及分布有很大差別。飛機(jī)的輻射主要來源于發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的熱金屬空腔(簡(jiǎn)稱噴口)的輻射、噴氣流(排出的熱燃?xì)?的輻射、蒙皮的輻射、飛機(jī)表面反射的環(huán)境輻射,包括陽光、大氣和地球的輻射。飛機(jī)成像的特點(diǎn)是目標(biāo)小、以天空為主要背景、背景均勻等,相對(duì)來說飛機(jī)是所有目標(biāo)中最有利于光電跟蹤的;(2)后燃反應(yīng)機(jī)理導(dǎo)彈的紅外輻射與飛機(jī)類似,也與發(fā)動(dòng)機(jī)種類、型號(hào)和導(dǎo)彈表面材料、外形、大小及飛行速度、方式和階段的不同,其輻射強(qiáng)度及分布會(huì)有很大差別。采用火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的導(dǎo)彈在動(dòng)力段最強(qiáng)的輻射源是噴氣流,其排出物中有相當(dāng)一部分物質(zhì)可繼續(xù)燃燒,這些物質(zhì)和空氣中的氧氣混合后產(chǎn)生外燃反應(yīng)而形成一個(gè)后燃區(qū)。這種后燃反應(yīng)會(huì)使尾焰溫度增加500K左右。導(dǎo)彈的成像特點(diǎn)是目標(biāo)小、形狀不規(guī)則、有尾煙成像、角速度大時(shí)有拖尾等;(3)艦船艦船有兩個(gè)主要輻射源,即煙囪(溫度30～90℃)和上層建筑。艦船的成像特點(diǎn)是目標(biāo)大、對(duì)比度弱、有水天線、有海浪,還有船頭/船尾掀起的浪花等;(4)陣風(fēng)下的輻射車輛分一般卡車和坦克之類的裝甲車輛?？ㄜ嚨闹饕椛涫桥艢夤芎拖暺?其輻射能量比車輛的其余部分多好幾倍;坦克的輻射包括自身輻射和反射輻射兩部分,其自身輻射與坦克的形狀、面積、溫度、輻射方向、發(fā)射率等因素有關(guān)。坦克各部位的溫度各不相同,其發(fā)動(dòng)機(jī)、排氣管等處的溫度較高。車輛的成像特點(diǎn)是隱藏于復(fù)雜背景中、對(duì)比度弱、輪廓模糊甚至無輪廓像等。2.2圖像生產(chǎn)技術(shù)的限制(1)圖像采樣的頻率相對(duì)較低現(xiàn)在的圖像采樣體制一般為50場(chǎng)/s,不利于快速掃描捕獲目標(biāo)。而高幀頻采樣,則極大地增加了信號(hào)處理的難度和設(shè)備的成本;(2)光電傳感器視場(chǎng)的設(shè)計(jì)為了提高光電跟蹤儀的作用距離,光電傳感器的視場(chǎng)都比較小,電視攝像頭的視場(chǎng)一般設(shè)計(jì)為1°左右,紅外熱像儀的視場(chǎng)一般為2°左右,遠(yuǎn)小于光電傳感器大搜索區(qū)域的需求。但視場(chǎng)大小與作用距離是矛盾的,視場(chǎng)大,則作用距離近;若要作用距離遠(yuǎn),則視場(chǎng)應(yīng)盡可能小。所以要綜合考慮作用距離的要求和視場(chǎng)的大小;(3)在研究區(qū)域內(nèi)，光能量或紅外輻射能量變化很其主要體現(xiàn)是視頻信號(hào)的幅度特性和頻譜特性都有較大的變化,不利于自動(dòng)控制和目標(biāo)的自適應(yīng)門限檢測(cè),要么虛警大,要么漏警大;(4)在視頻壓力方面,各有側(cè)重、分由于設(shè)計(jì)、裝配、調(diào)試等問題,光學(xué)鏡頭的成像光斑能量不可能是完全均勻的,還有雜光、熱效應(yīng)、光學(xué)和傳感器的配合等問題,造成全視場(chǎng)響應(yīng)的電信號(hào)不是平直的,而是帶有噪聲、饅頭狀、傾斜或波紋狀的視頻信號(hào),不利于目標(biāo)的自動(dòng)檢測(cè)和提取。2.3圖像跟蹤處理算法的限制(1)波門套住目標(biāo)當(dāng)前的圖像跟蹤技術(shù)主要以灰度門限分割和匹配相關(guān)為基礎(chǔ),以跟蹤波門套住目標(biāo)達(dá)到空間濾波的作用。而全視場(chǎng)捕獲信息量大、目標(biāo)與視場(chǎng)相比所占比例太小、圖像不均勻,從視頻信號(hào)來看,背景的灰度幅值可能大于目標(biāo)的灰度幅值,傳統(tǒng)的檢測(cè)方法很難從背景中檢測(cè)出目標(biāo);(2)分析方法及檢測(cè)方法目標(biāo)自動(dòng)分割技術(shù)是建立在直方圖統(tǒng)計(jì)基礎(chǔ)上的,關(guān)鍵是要找出分割目標(biāo)與背景的最佳門限。常用的方法有基于Bayes分類的目標(biāo)分割法,基于背景平均灰度的均方差檢測(cè)法、峰值檢測(cè)法等。但無論哪種方法都有其局限性,要在連續(xù)的圖像數(shù)據(jù)流中,用動(dòng)態(tài)的分割門限,不可能準(zhǔn)確地把目標(biāo)從動(dòng)態(tài)的圖像背景中分割出來,所以必須綜合運(yùn)用各種檢測(cè)算法,才能正確地把目標(biāo)從背景中分割出來;(3)個(gè)延遲環(huán)節(jié)對(duì)于圖像跟蹤來說,從探測(cè)器的光電轉(zhuǎn)換到輸出目標(biāo)角偏差有多個(gè)延時(shí)環(huán)節(jié)。圖像采樣延時(shí)約20ms,圖像存儲(chǔ)延時(shí)約20ms,圖像跟蹤處理延時(shí)約20ms,總的延時(shí)將達(dá)到50～60ms,這對(duì)于快速運(yùn)動(dòng)中的目標(biāo)捕獲和跟蹤精度將有較大的影響。3術(shù)難題的解決光電跟蹤儀的自主捕獲問題主要從面臨的技術(shù)難題來解決。而目標(biāo)特性和大氣特性是我們無法改變的,但可以研究分析目標(biāo)特性和大氣特性,作為研制光電探測(cè)設(shè)備的依據(jù)。3.1獨(dú)立檢測(cè)目標(biāo)的工作流在二坐標(biāo)搜索雷達(dá)的引導(dǎo)下,光電跟蹤儀自主捕獲目標(biāo)的工作流程如圖1所示。3.2連續(xù)三年均有目標(biāo)檢測(cè)在遠(yuǎn)距離時(shí),由于目標(biāo)成像相對(duì)較小,其特征不明顯,所以應(yīng)按照點(diǎn)目標(biāo)的方法進(jìn)行處理。為了降低光電探測(cè)器的虛警率,在初始捕獲階段,常采用“積累檢測(cè)”的方法對(duì)目標(biāo)進(jìn)行確認(rèn),即:必須連續(xù)三場(chǎng)均檢測(cè)出目標(biāo),才能被確認(rèn)為目標(biāo);否則,判為背景。設(shè)光電探測(cè)器的成像周期為T=0.02s(即50Hz圖像)、高低視場(chǎng)角為E=1°、連續(xù)N(=3)場(chǎng)均檢測(cè)出目標(biāo)才被確認(rèn)為目標(biāo),則探測(cè)器高低搜索最大速度VE與設(shè)備參數(shù)的關(guān)系為:VE×T×N=E則,VE=E/(T×N)=1/(0.02×3)=16.7即探測(cè)器高低搜索的最大速度為16.7°/s。3.3坐標(biāo)搜索雷達(dá)的目標(biāo)指示精度對(duì)于光電成像探測(cè)來說,目標(biāo)必須進(jìn)入視場(chǎng)才能對(duì)目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)。但由于探測(cè)器的視場(chǎng)比較小,二坐標(biāo)搜索雷達(dá)的目標(biāo)指示精度影響目標(biāo)進(jìn)入視場(chǎng)的概率。為了保證光電跟蹤儀快速捕獲目標(biāo),一般設(shè)計(jì)光電探測(cè)器的最小方位視場(chǎng)角應(yīng)滿足下列關(guān)系:ω≥3δ式中,ω為光電傳感器的方位視場(chǎng)角;δ為二坐標(biāo)搜索雷達(dá)的目標(biāo)指示精度。3.4高幀頻成像技術(shù)光電傳感器包括電視攝像頭和紅外熱像儀,其組成和成像原理是類似的,由光學(xué)鏡頭、光電攝像器件及控制電路組成。光學(xué)鏡頭收集目標(biāo)/背景的光輻射能量,并將它們成像在光電攝像器件的靶面上。光電攝像器件經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換和處理后輸出視頻信號(hào),送給圖像信號(hào)處理器處理。(1)采用高幀頻成像技術(shù)第一,能夠提高對(duì)目標(biāo)搜索掃描速度,提高系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間;第二,在信號(hào)處理上可以進(jìn)行積累檢測(cè),提高視頻信號(hào)的信噪比,有利于遠(yuǎn)距離目標(biāo)的提取;第三,可以提高系統(tǒng)的帶寬,提高跟蹤精度。(2)采用大口徑、高透過率、長(zhǎng)焦距的光學(xué)系統(tǒng),提高紅外輻射能量的收集能力和光學(xué)放大率。(3)采用高靈敏度、小像元、大面陣光電探測(cè)器第一,增大視場(chǎng)角,有利于對(duì)目標(biāo)的捕獲;第二,在信號(hào)讀出、非均勻性校正等方面采取措施,提高視頻信號(hào)的均勻性和信噪比,以利于后續(xù)目標(biāo)的檢測(cè)和識(shí)別。(4)根據(jù)大氣窗口特性、目標(biāo)輻射特性和探測(cè)器響應(yīng)特性,開展光譜匹配設(shè)計(jì),選擇合適的光譜帶通濾光片,提高目標(biāo)與背景的對(duì)比度,有利于目標(biāo)的檢測(cè)。3.5基于遺傳算法的檢測(cè)算法圖像跟蹤處理的目的就是正確檢測(cè)目標(biāo)、抑制背景、提高檢測(cè)率、降低虛警率。當(dāng)前目標(biāo)的檢測(cè)方法有許多種,比如分形算法、高階梯度算法、區(qū)域擴(kuò)張算法、小波變換、基于遺傳算法的匹配相關(guān)算法等。我們主要采用了下列算法,從試驗(yàn)結(jié)果看,效果是不錯(cuò)的。(1)采用數(shù)字自適應(yīng)濾波技術(shù),抑制背景,突出目標(biāo),提高目標(biāo)與背景的對(duì)比度;(2)采用多模式、多目標(biāo)處理、多門限分割技術(shù),均方差檢測(cè)與Bayes判據(jù)相結(jié)合、一維檢測(cè)與二維檢測(cè)相結(jié)合,提高目標(biāo)的檢測(cè)率;(3)采用高幀頻積累檢測(cè),可以有效提高目標(biāo)的檢測(cè)靈敏度;(4)采用相關(guān)跟蹤技術(shù)、航跡