一種光電監視系統的總體設計

程利東

【摘要】本文擬介紹一種光電監視系統的特點、系統組成、工作原理、技術指標以及總體方案設計。

【關鍵詞】光電監視;穩定精度;目標探測;穩定平臺

1.引言

光電監視系統是以光電器件（主要是激光器和光電探測器）為基礎，將光學技術、電子/微電子技術和精密機械技術等融為一體，形成具有特定戰術功能的軍事裝備。因其具有能跟蹤空中和水面目標，能抗干擾，提供直觀、清晰的圖像等優點，越來越受到各國海軍的重視。目前國內外較先進的軍用光電監視系統多以激光測距儀、電視跟蹤儀和紅外跟蹤儀三位一體為核心構成，其中激光測距儀是距離測量設備，當電視/紅外穩定跟蹤目標時，測出目標的距離信息，為火力系統精確打擊目標提供信息;紅外跟蹤儀利用目標自身的熱輻射能量成像，通過監視器觀察、監視目標及外界動態，具有較好的穿透霧、霆能力，能在較惡劣氣候條件下工作，是具有晝夜工作能力的被動式目標成像探測器;電視跟蹤儀為晝間目標探測器，對可見光波段的目標具有成像后目標特征明顯、探測及跟蹤距離較遠等特點，也是光電跟蹤儀的主要探測傳感器之一。

2.特點和技術指標

2.1 主要特點

（1）自主穩定，既能獨立使用，又能與其他設備（如雷達、GPS等）對接使用;

（2）具有手動跟蹤、自動跟蹤、手動掃描搜索、自動掃描搜索、鎖定5種工作模式;

（3）具有圖像無損記錄功能，為情報分析提供真實、詳盡資料;

（4）具有可見光電視、前視紅外熱像儀、激光測距機3種任務載荷，可以晝夜完成探測、監視任務;

（5）操控靈活方便，所有功能都集中在顯示控制設備上。

2.2 總體技術指標

波段范圍：可見光攝像機0.4μm～1.1μm，紅外熱像儀：3μm～5μm間優選。

作用距離：晝間在可通視和能見度不小于10km（20km）條件下，對殲七飛機（翼展8m）迎頭識別距離不小于22km，對無人機（翼展3m）迎頭識別不小于13km。夜間在簡單背景和無主動照明光源條件下，制冷紅外熱像儀對殲七飛機（翼展8m）迎頭識別距離不小于32km，對無人機（翼展3m）迎頭識別距不小于7km。

監視范圍：方位0o～360o，俯仰-25?～ +85?。

成像質量：在良好照明情況下，將國際三線靶標板放在距離可見光攝像機500m處，晝間視頻圖像主觀評價應達到4級以上;夜間視頻圖像清晰，無明顯斑點噪聲。

轉臺指標：最大方位回轉速度：≥60o/s;最大方位回轉加速度：≥100o/s2。

最小方位回轉速度：≤0.1o/s;最大俯仰回轉速度：≥60o/s。

最大俯仰回轉加速度：≥100o/s2 ;最小俯仰回轉速度≤0.1?/s。

方位轉動范圍0?～360?連續旋轉;俯仰轉動范圍-25o～+85o。

回歸精度：優于0.1o;預置位數≥64。

聯動響應時間：可見光光攝像機或紅外攝像儀收到雷達目標位置信息后，觸發并啟動轉臺轉動，視頻顯示和記錄等所需的響應時間不大于2s。存儲設備：視頻數據H.264.MPEG-4視頻編碼格式和文件格式進行存儲。存儲的圖像數據應保證具有4CIF以上的分辨率。存儲容量應滿足連續存儲30天的視頻。應支持按圖像的記錄時間、預置位點多種方式對存儲圖像進行檢索。

3.系統組成及工作原理

3.1 系統組成

根據光電監視系統的功能和主要戰技要求，系統擬采取模塊化設計的方法，它主要由三部分組成：一是前端設備，它主要包括光電轉臺、傳感器組合（包括光學系統、可見光攝像機、紅外熱像儀）、伺服控制及驅動、視頻跟蹤處理、供電電源、視頻編碼、對外接口控制、跟蹤控制機柜等單元。二是傳輸設備，主要包括光端機、光纜、電纜或微波天線（用于無線傳輸）等單元。三是顯控設備，主要對外接口控制、綜合操控臺、圖像記錄、計算機、監視器等。

圖1 系統組成框圖

圖2 光電監視系統組成框圖

3.2 工作原理

如圖2所示，光電轉臺是一個球形轉臺，其方位軸是外框，俯仰軸是是內框，在各框架上都安裝有相應的驅動電機及角位置傳感器、光學系統及傳感器組合安裝在球形轉臺內框上，球形轉臺外框上共有兩個窗口，分別對應紅外、可見光攝像機兩個傳感器，紅外熱像儀﹑可見光攝像機分別將外部的景物圖像形成相應的視頻圖像信號，并通過傳感器控制電纜傳送給光電跟蹤控制機柜的視頻跟蹤制單元。

視頻跟蹤控制單元主要由視頻跟蹤控制處理板、接口通信處理板、供電電源板等部分組成。主要完成對輸入模擬視頻信號的接口匹配、圖像預處理，并將形成的數字視頻信號送給FPGA，FPGA完成對數字視頻信號的存儲及時序控制，DSP實時對輸入的數字視頻信號進行濾波、目標特征識別及跟蹤等處理，同時通過軟硬件件結合的方法，實現跟蹤綜合視頻信號的輸出顯示控制。

轉臺伺服控制及驅動主要由伺服控制板、接口控制板、伺服驅動控制板、供電電源等部分組成。通過利用測速機構成速度反饋控制回路，滿足光電系統快速搜索和跟蹤要求。利用視頻跟蹤控制單元輸出目標偏離視場中心的跟蹤誤差，構成空間位置環，實現對目標的自動跟蹤控制，同時通過接收雷達的目標指示信號，實現對目標的外部引導控制。

視頻編碼器主要完成對輸入視頻信號編解碼處理，滿足遠距離傳輸的要求，視頻解碼器主要完成經傳輸后的視頻信號實時解碼處理，滿足實時視頻顯示、記錄等要求。

對外接口單元主要完成傳輸單元和前端設備、顯示設備的接口匹配及狀態、參數、數據的傳送。

顯示單元采用LCD顯示器，用于顯示系統工作狀態、參數、及目標跟蹤視頻等。

4.總體方案設計

4.1 結構形式

該系統的穩定平臺是兩軸兩框架結構，由方位框架、俯仰框架、角度傳感器和控制電路組成。為了最大范圍的觀察視距，穩定平臺要放在車載的頂部或者專用桅桿上。為了克服風阻，將穩定平臺設計成球形，俯仰框架繞著水平軸可進行360度的旋轉。可見光電視分系統、紅外成像分系統都安裝在球體內，防止雨水、太陽的傷害。

4.2 可見光電視

穩定平臺結構緊湊，可見光電視作為載荷之一，尺寸和質量受到了嚴格的限制。如何在不犧牲戰術指標的情況下，使得可見光電視的體積小質量輕，成為可見光電視設計重要目標。

4.2.1 面陣CCD

作為本子系統的核心部件，性能直接影響系統的作用距離與成像質量。CCD的選型主要從體積、質量、分辨力、信噪比等幾方面綜合考慮。

4.2.2 變焦鏡頭

連續變焦鏡頭由前物鏡組、變倍組、補償組及后固定組等幾部分組成，每組又有多個鏡片，為了達到所要求的透過率，各透鏡組需鍍多層減反膜，以滿足總透過率的要求。在變焦鏡頭中，依靠變倍組與補償組在光軸方向同步、不同量的移動來改變焦距的大小，同時保持像面穩定，從而改變物鏡對目標的放大倍數，達到改變觀測范圍的目的。為了減少雜光，光學系統的整體結構要進行消雜光處理，在適當的部位加人消雜光光闌，系統的雜光系數小于5%。

4.3 紅外熱像儀

本系統的紅外傳感器選用工作波段3μm～ 5μm的第三代紅外焦平面熱像儀。該熱像儀的溫度靈敏度和空間分辨率都很高，適合于遠距離探測目標。目標的輻射能通過光學系統到達探測器，經過探測器組件的光電轉化，由顯示電路輸出標準的視頻格式，在顯示器中顯示目標的紅外圖像。主要技術性能為：采用凝視型紅外焦平面，探測器像元數CMT320x256，視場9ox6o/2oxl.5o，瞬時視場護IFOV=0.6mrad/0.1 mrad。

4.4 伺服系統

該車載光電跟蹤監視系統的伺服系統是實現光電穩定平臺方位、俯仰運動控制的主要環節，主要由方位伺服和俯仰伺服兩個部分組成。它們分別接收主控計算機給出的方位和俯仰速度控制信號，與測速信號經過濾波后進行比較得到速度誤差信號。誤差信號經校正電路校正，再由功放電路送至執行電機，完成對方位軸和俯仰軸的速度控制。主要技術性能為：最大角速度，方位60o/s;俯仰60o/s;最大角加速度方位60o/s;俯仰60o/s。

4.5 電視/紅外圖像跟蹤處理技術

信息處理技術是光電跟蹤系統實現作戰效能的關鍵技術之一。電視/紅外圖像跟蹤處理器是電視跟蹤儀和紅外跟蹤儀的核心，它是把圖像處理、模式識別、人工智能、自動控制、信息處理有機地結合起來，形成一種能從圖像中實時地自動識別目標、提取目標位置信息、自動跟蹤運動目標的技術。圖像跟蹤處理器主要完成目標檢測、目標識別、數據綜合和角偏差測量任務，測量并計算出目標偏離光軸的方位角和高低角。電視/紅外圖像跟蹤處理器從功能上來分，如圖3所示，主要有五部分組成：目標分割、特征抽取、智能決策、跟蹤控制、匹配相關。特征抽取是提取出被識別對象的某些特征，作為計算機處理的輸入信息，用來對被識別對象進行分類和描述。智能決策是跟蹤器在跟蹤的過程中，隨著跟蹤環境的變化，計算出目標特征的相關性，自動選擇跟蹤模式和跟蹤狀態，以保證系統的穩定跟蹤。跟蹤控制主要是計算出目標的角誤差信息和濾波，一方面提高跟蹤精度和穩定性，另一方面，要進行記憶跟蹤。匹配相關是利用圖像相關技術，計算出圖像中目標的配準點，更適用于復雜背景下的目標跟蹤和近距離目標跟蹤。

圖3 圖像跟蹤處理器原理組成框圖

4.6 系統工作模式

光電監視系統的工作模式可分為以下幾種：

4.6.1 手動搜索

操作員通過操縱桿控制球形轉臺在方位、俯仰方向上對目標進行手動搜索和跟蹤。為了提高系統的操控性能，手動搜索速度采用與光學系統焦距相關聯的處理方法。

4.6.2 自動巡檢

為了減輕操作員的負擔，根據預先設定的監控位置、監控視場角、鏡頭焦距，能自動在多預置點間循環監視，每個預置點停留時間通過程序設定。

4.6.3 外部引導

接收雷達發送的目標指示信息，通過方位、俯仰位置控制回路，實現對給定目標的探測及跟蹤。

4.6.4 自動跟蹤

視頻跟蹤控制單元對輸入的紅外或可見光電視視頻信號進行濾波、目標識別、跟蹤等處理，當目標滿足系統截獲條件時，將產生目標偏離視場中心的誤差信號，控制穩定平臺對目標進行自動跟蹤，使目標始終處于視場中心，實現對目標的自動跟蹤。

5.結語

綜上所述，本方案所設計的光電監視系統配合雷達使用，可為指揮中心提供空中目標的方位、距離、高度等情報信息。通過對可見光攝像機和紅外熱像儀傳感器組合運用，可對監控的區域進行全天候的視頻探測與監視，有抗電磁干擾能力強、低空探測性能好、圖像分辨率高、目標識別能力強等特點，具備遠距離控制、圖像傳輸及實時顯示記錄等功能。

參考文獻

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