光電傳感器自動變焦方法

王曉楠，周紅峰

(中國船舶重工集團公司第七二三研究所，江蘇 揚州 225001)

光電傳感器自動變焦方法

王曉楠，周紅峰

(中國船舶重工集團公司第七二三研究所，江蘇 揚州 225001)

介紹了一種光電傳感器自動變焦方法，在光電傳感器進行目標捕獲、跟蹤過程中，自動調節光電傳感器焦距，使不同尺寸、不同距離的目標在光電傳感器視場中的比例適中，便于目標提取跟蹤算法的實現，保證光電傳感器對目標的連續穩定跟蹤，提高了光電傳感器自動、快速目標捕獲跟蹤性能。

光電傳感器；自動變焦；目標捕獲

0 引 言

光電傳感器通常指可見光鏡頭及紅外熱像儀，采用對比度、相關等跟蹤算法對視場中的目標進行提取，解算出角偏差后送往伺服系統進行閉環控制，完成目標的精確跟蹤。光電傳感器將視頻信號送往顯控臺，在跟蹤過程中可在顯控臺上實時監視目標動態。

在光電傳感器進行目標捕獲、跟蹤時，由于目標尺寸、距離不同，目標在光電傳感器視場中所占比例有很大差異。當目標尺寸較大或目標距離較近時，目標在光電傳感器視場中所占比例較大，在動態跟蹤過程中目標可能超出視場范圍，導致跟蹤誤差無法計算，跟蹤不穩定。當目標充滿整個視場時，誤差將無法提取，即無法進行跟蹤；當目標尺寸較小或距離較遠時，目標在光電傳感器視場中可能很小，導致無法進行目標識別。在上述情況下，顯控臺監視效果差，嚴重影響光電傳感器跟蹤性能。

針對上述情況，以往常通過手動改變光電傳感器鏡頭的焦距來改變視場大小，使目標在視場中大小合適、比例適中。此方法無具體指標要求，操作要求較高，嚴重影響光電傳感器自動捕獲跟蹤及監視性能。

光電傳感器焦距的調整將直接影響到能否對各種目標進行快速捕獲跟蹤，從而影響光電傳感器性能，因此焦距調整方法對光電傳感器目標跟蹤非常重要[1-2]。

1 自動變焦方法

光電傳感器接收目標指示，調轉到目標指示位置后，根據鏡頭靶面尺寸、目標類型、目標指示距離、系統跟蹤精度來設定焦距值。目標穩定跟蹤后，根據鏡頭靶面尺寸、雷達或激光精確距離測量值、當前視場目標所占像素點得出目標實時尺寸、系統跟蹤精度，計算并設定焦距。在跟蹤過程中，根據上述參數的變化實時改變光電傳感器焦距值，實現基于自動變焦的光電傳感器目標跟蹤。

采用此方法設定的焦距在確保目標提取、穩定跟蹤前提下，減小其他目標進入視場，便于目標的提取、捕獲，提高了目標提取、跟蹤的可靠性，提高了光電跟蹤性能。

2 自動變焦具體方案

2.1 光電傳感器介紹

光電傳感器設備基本組成框圖如圖1所示。電視鏡頭或紅外熱像儀等光電傳感器將原始視頻信號傳送至誤差處理板，誤差處理板對原始視頻進行處理后產生復合視頻信號和角誤差信息，將復合視頻信號送至顯控臺顯示，將目標角誤差信息送至伺服系統，伺服控制系統根據角誤差信息驅動天線對目標進行角度跟蹤[3]。

2.2 自動變焦具體方法

基于自動變焦的光電傳感器目標跟蹤方法流程圖如圖2所示。

光電傳感器進行目標捕獲時，按照目標指示數據調轉到目標指示位置后，根據鏡頭靶面尺寸m×n、目標類型(尺寸預設橫向為L，縱向為H)、目標指示距離R、系統跟蹤精度σ，采用如下公式計算焦距預設值：

θ≥2σ+φ

(1)

式中：θ為光電傳感器鏡頭視場角，并有：

(2)

(3)

σ為系統跟蹤精度；φ為目標在視場中的大小，并且：

(4)

(5)

計算得出：

(6)

(7)

比較fa與fe，取較小值作為預設焦距f。

用此公式計算焦距預設值，確保目標提取、穩定跟蹤的同時，減小了其他物體進入視場影響目標提取跟蹤的概率。

判斷焦距預設值f是否在光電傳感器焦距調節范圍內，如果是，則將焦距預設值設為焦距設定值；否則，取焦距調節上限或下限作為焦距設定值。

光電處理板根據視頻圖像在視場中進行目標捕獲，判斷視場中是否有可跟蹤目標。發現目標則轉入目標跟蹤狀態，若無目標則重新開始目標捕獲流程。

光電傳感器穩定跟蹤目標后，根據鏡頭靶面尺寸m×n、雷達或激光精確距離測量值R′、當前視場目標所占像素點x×y得出的目標實際尺寸(橫向L′，縱向H′)、系統跟蹤精度σ，計算出合適焦距預設值。計算確保目標提取、穩定跟蹤前提下，盡可能采用大焦距，減小其他物體進入視場，保證對目標的連續穩定跟蹤，提高光電傳感器自動、快速目標捕獲跟蹤性能。計算公式如下：

(8)

(9)

(10)

(11)

式中：a×b為光電傳感器圖像像素點數。

根據實時測量的目標距離和尺寸大小，實時改變光電傳感器焦距值，實現基于自動變焦的光電傳感器目標跟蹤。

2.3 效果對比

通過光電傳感器對典型飛機目標進行捕獲跟蹤，固定焦距與自動變焦目標跟蹤效果如圖3、圖4所示。

從效果圖上可以看出，光電傳感器采用固定焦距進行目標捕獲跟蹤時，較難選取合適焦距值，可能導致圖3所示目標在視場中太小，光電處理板較難進行目標識別、提取。采用自動變焦進行目標捕獲跟蹤，通過對焦距的自動調節(如圖4所示)，目標在視場中的比例適中，光電處理板可快速識別、提取目標位置，目標清晰可見，有利于目標監視。

3 結束語

本文介紹了一種基于自動變焦的光電傳感器目標跟蹤方法，在光電傳感器進行目標捕獲、跟蹤過程中，實時自動計算并調節光電傳感器焦距，使不同尺寸、不同距離的目標在光電傳感器視場中的比例適中，便于目標提取和跟蹤，并保證光電傳感器對目標的連續穩定跟蹤，提高了光電傳感器自動、快速的目標捕獲跟蹤性能。

該方法簡單可靠，能夠有效提高光電傳感器目標跟蹤的準確性和效率，可廣泛用于光電傳感器設備目標捕獲、跟蹤過程，也可推廣用于其它跟蹤傳感器的目標跟蹤過程。

[1] 夏德深，傅德勝.現代圖像處理技術與應用[M].南京：東南大學出版社,1997.

[2] 沈庭芝，王衛江，閆雪梅.數字圖像處理及模式識別[M].北京：北京理工大學出版社,1998.

[3] 王德純，丁家會，程望東，等.精密跟蹤測量雷達技術[M].北京：電子工業出版社,2007.

AutomaticZoomingMethodofPhotoelectricSensor

WANG Xiao-nan,ZHOU Hong-feng

(The 723 Institute of CSIC，Yangzhou 225001，China)

This paper introduces an automatic zooming method of photoelectric sensor,which automatically adjusts the focus of photoelectric sensor during the process of target acquisition and tracking,makes the proportion of targets with different sizes and distances in view field of photoelectric sensor,and is convenient for the realization of target extraction and tracking algorithm,ensures the continuous and stable tracking of photoelectric sensor to target,improves the automatic and fast target acquisition and tracking performance of photoelectric sensor.

photoelectric sensor;automatic zooming;target acquisition

2017-04-17

TN911.73

A

CN32-1413(2017)06-0109-03

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2017.06.025