一種應用于地面遙測站的紅外跟蹤標校系統設計*

周庭伊 王 瑋 李海鵬

（92941部隊91分隊 葫蘆島 125000）

1 引言

現有傳統遙測裝備捕獲跟蹤目標主要方式是通過遙測接收天線在任務前提前指向預定空域，搜索或等待目標信號的出現［1～2］。當目標出現在天線射向波束范圍中且發生移動時，伺服分系統根據遙測分系統產生的跟蹤誤差信號，解算出相應的角誤差信號并反饋給伺服分系統，伺服分系統將角誤差信號經過濾波變換、數字處理和放大輸出后，驅動天線指向目標［3］。但在某些特殊情況下，一旦遙測信號發生中斷，伺服系統就會丟失目標導致無法完成既定任務［4］。該紅外跟蹤標校系統能夠獨立完成對飛行目標的捕獲、提取目標的脫靶量，并可將脫靶量數據送給遙測系統，遙測系統可利用此脫靶量數據作為跟蹤誤差，控制天控器實現對目標的穩定跟蹤。同時，紅外跟蹤標校系統配備的標校設備，可以完成系統的標定和校準，以確保測控裝備在工作時保持良好的測量精度和功能。

2 系統組成和功能

紅外跟蹤標校系統主要由兩部分組成，第一部分紅外光學望遠鏡箱體，第二部分為管理控制終端。其中，第一部分紅外光學望遠鏡箱體內，包括光學分系統、鏡頭控制分系統、紅外探測設備、圖像處理分系統組成；第二部分管理控制終端作為圖像顯示記錄終端，包括圖像實時采集及顯示、標校電視功能控制軟件、相機控制和紅外跟蹤參數選擇軟件等組成。系統組成框圖如圖1所示。

圖1 紅外跟蹤測量系統組成框圖

光學鏡頭接收來自目標的紅外輻射信號，紅外探測設備把差分圖像信息送到圖像處理分系統，由圖像處理分系統進行紅外差分數據接收與圖像處理，將大十字絲、游標、字符與天控器的跟蹤狀態和實時角信息以及時碼信息進行疊加，送出目標脫靶量通過管理控制終端轉給遙測控制系統完成對遙測天線的控制。紅外跟蹤標校系統能夠獨立完成對飛行目標的捕獲、提取目標的脫靶量，并將脫靶量數據送給遙測系統，遙測系統可利用此脫靶量數據作為跟蹤誤差，控制天控器實現對目標的穩定跟蹤，同時紅外跟蹤標校系統配備的標校設備，可以完成系統的標定和校準。

3 系統設計與實現

3.1 紅外光學望遠鏡箱體

紅外光學望遠鏡箱體由光學分系統、紅外探測設備、鏡頭控制系統、圖像處理分系統組成。其中光學分系統、紅外探測設備、鏡頭控制系統在物理結構上相連接，紅外探測設備把差分圖像信息送到圖像處理分系統，由圖像處理分系統進行紅外差分數據接收與圖像處理。

關于光學分系統參數的設計，既要考慮保證作用距離，又要考慮盡量減小設備體積和質量。對于紅外探測設備而言，主要信息來源于目標的熱輻射及目標反射環境的輻射（如大氣照射的反射，地球照射的反射，太陽照射的反射），其中最主要的是熱輻射［5］。熱輻射與目標的溫度相關，當發動機關閉以后，對溫度的貢獻源有發動機的余熱，氣動加熱等。如果飛行器的表面層蒙皮可以很快熱平衡（取決于表層特性及熱容量）其恢復溫度Tr可由下式計算：

式中，Tamb為目標環境溫度（取300K）；γ為空氣的比熱（常規為1.4）；Γ 為恢復系數（0.75～0.98），目標速度越快，Γ越小；M為飛行器的馬赫數。

系統的作用距離與目標的輻射強度、大氣透過率、光學系統帶寬、信噪比、像元尺寸等因素的關系為

式中，δ為由光學系統與信號提取決定的信號過程因子；D0為光學系統的通光口徑；D*為傳感器的探測率；I為點源目標的輻射強度；τa為大氣透過率；τ0為光學系統透過率；s為探測器單個像元面積；D*為系統噪聲等效帶寬；SNR為探測器信噪比。

結合地面遙測裝備實際使用情況［2］，選擇鏡頭口徑D≥120mm的尺寸；光學分系統焦距f=240mm/480mm兩檔，可通過電控改變倍數；取δ=0.65；探測設備工作波長為3μm～5μm，傳感器探測率；平均大氣透過率0.0496（按大氣能見度20km計算）；光學系統透過率0.6；像元尺寸 30μm×30μm（目標成像為6個像元）；系統噪聲等效帶寬Δf=150Hz；探測設備信噪比SNR＝6；系統對目標作用距離隨溫度變化如圖2所示。

圖2 系統對目標的作用距離

寬視場2.2°×1.8°，窄視場1.1°×0.9°；探測溫差≤30mk，幀頻為每秒50幀。光學分系統結構圖如圖3所示。

圖3 窄視場（f=480mm）MTF、寬視場（f=240mm）MTF

3.1.1 鏡頭控制分系統

鏡頭控制分系統可實現對兩檔定焦距鏡頭的電控變倍、通過對相機的電子快門和對光欄的電動控制實現電動調光［6］，通過對調焦機構的控制實現溫度和距離的調焦控制。本系統采用標準的RS422接口的控制方式，圖像處理分系統處理接收到管理控制終端送來的串行控制信號后，對鏡頭控制系統發送串行控制信號，再由鏡頭控制系統分別對機上的頭部電機進行控制。鏡頭控制系統接收溫度和壓力傳感器送來的溫度信息還有變倍、調焦、調光是否到位的信息再通過RS422串口發送給管理控制終端。其結構框圖如圖4所示。

圖4 鏡頭控制系統結構框圖

3.1.2 圖像處理分系統

圖像處理分系統包括兩部分，一是數字信號處理板，二是圖像信息接收板。數字信號處理簡稱DSP技術［7］，利用DSP強大的數據處理能力和運行速度，結合FPGA可編程、可實現大規模邏輯運算的特點，圖像處理分系統通過將DSP與FPGA結構進行耦合［4］，可對數量大、耗時長的運算進行合并處理，進而實現目標的快速捕獲與自動跟蹤決策。設計上層為數字信號處理板，下層為圖像信息接收板，二者通過插針棧接在一起，數字信號處理板向圖像信息接收板發送控制和處理數據，圖像信息接收板向數字信號處理板傳送高速數字圖像數據。

數字信號處理板的主要功能是接收面板上的游標控制信號，并解算出游標距視場中心的角度偏差值。FPGA可以完成對串口收發控制和對B（DC）直流碼的解調功能，同時可產生相應的接口控制邏輯，從而實現與數字信號處理板之間的數據交換，FPGA接收管理控制終端的控制信號送給數字信號處理板［8］，數字信號處理板板送出目標脫靶量通過管理控制終端轉給遙測控制系統完成對遙測天線的控制。首先，對圖像數據接收板提供的圖像數據進行接收和目標提取；其次，對脫靶量進行計算并將脫靶量信息送給遙測分系統；最后，將大十字絲、游標、字符與天控器的跟蹤狀態和實時角信息以及時碼信息進行疊加，疊加后的圖像信息通過DA轉換成標準PAL格式視頻信號在視頻監視器上顯示。數字信號處理板結構原理圖如圖5所示。圖像數據接收板為數字信號處理板提供了+12V電源的輸入、二次穩壓并向數字信號處理板傳送高速數字圖像數據。

圖5 數字信號處理板結構框圖

3.2 管理控制終端

管理控制終端為圖像顯示記錄終端，可完成紅外圖像采集、顯示、記錄；相機及鏡頭控制；跟蹤參數的調整；游標的控制；脫靶量的接收和發送功能。采用標準CPCI工控機機箱，配備標準的計算機電源輸入，一個交流220V的電源輸入，一個是輸出到光學望遠鏡的交流220V電源。機箱內前插一塊板，承擔工控機的所有計算功能［9］。機箱內后插兩塊板，一塊板是主板后插板，用來送VGA/DVI信號給管理控制終端顯示器，通過CPCI的總線接收編碼接口板轉送的圖像處理分系統串口信號和天控器的串口信號；一塊是視頻編碼及接口板，它接收圖像處理分系統送出的帶字符PAL圖像，并對視頻進行A/D轉換后編碼成H.264編碼圖像，通過總線的網口信號將圖像送到主板進行軟解壓后顯示在管理控制終端顯示器上［10］。管理控制終端通過串口接收圖像處理分系統送入的脫靶量信息，同時回送方向控制、閾值控制、相機控制等控制信號，把脫靶量信息通過RS422串口送給遙測系統，并接收B（DC）直流碼的信號，再將B（DC）直流碼連同串口的收發信號轉送給圖像處理分系統。

H.264標準［11］是新一代數字視頻編碼標準，最大的優勢是在具有高壓縮比的同時還擁有高質量流暢的圖像，故在網絡傳輸過程中所需要的帶寬更少，也更加經濟［12］。本系統采用H.264編碼技術可對圖像進行實時顯示、記錄、回放，并通過網絡傳輸在遠程對圖像進行實時顯示，通過測試，可達到不大于300ms的系統低時延。管理控制終端的結構組成以及與外圍設備的連接圖如圖6所示。

圖6 管理控制終端結構組成及連線圖

3.3 校飛測試

為驗證本紅外標校系統實時跟蹤目標能力，結合某型無人機飛行任務進行測試。無人機搭載一臺遙測信號模擬器，測試方案為組織無人機按預定航路飛行兩架次，第一架次，遙測信號模擬器全程開機，遙測地面站采用傳統遙測跟蹤方式全程跟蹤并記錄數據；第二架次，當無人機飛至預定A點（相對時120s）時，遙測信號模擬器關機5s再開機，模擬遙測信號中斷情境，此時立刻采用切換紅外跟蹤標校系統跟蹤方式繼續跟蹤目標并記錄數據。航跡顯示及角誤差統計如圖7所示。

圖7 航跡顯示及角誤差統計圖

通過事后數據分析可見，遙測信號消失后，切換紅外跟蹤標校系統跟蹤方式，可完成對目標的穩定跟蹤，且角誤差能夠滿足測控需求，因此該紅外跟蹤標校系統能夠有效地與傳統遙測跟蹤方式進行互補，有效提高了測控裝備跟蹤能力。

3.4 標校分系統

系統配置有獨立的標校設備，用于地面站天線標校的標校設備包括標校望遠鏡、信標機和標校板及天線，可完成遙測地面站裝備的近場及遠場標校功能，具體執行任務按以下步驟。

1）打開天線座鎖定裝置。

2）近場標校檢查。

（1）打開信標機。將信標機放置于距離天線大于100m的地方，有條件的情況下，天線仰角應高于7°。目測調整天線至波瓣范圍內。

（2）按信標機點頻設置接收機。

（3）找跟蹤零點

方法1：當接收機鎖定后，微調天線使接收機（或天控器實時界面的左上角）實時界面顯示的方位、俯仰誤差趨向零，此時記錄天線的實時角度即為跟蹤零點。

方法2：轉動天線，并用頻譜儀觀察機柜面板“IFR”或“IFL”信號，使接收信號功率最強，此為主瓣跟蹤零點。

（4）系統極性檢查。將天線方位順時針旋轉，則天控器實時界面所顯示的方位誤差為負；同理，天線俯仰位置高于跟蹤零點時，則俯仰誤差值應為負。若與此相反，則應檢查接收機的參數設置并調整接收機相位（反相180°）。

（5）進行自跟蹤和綜合跟蹤。

軟件運行于WINDOWS XP系統，屏幕分辨率設置為1280X1024。管理控制終端標校軟件運行界面如圖8所示。

圖8 軟件運行界面

上電后，圖像處理分系統送出帶字符、游標、十字絲的PAL圖像，在管理控制終端完成圖像的存儲和顯示。在計算機上運行系統操控軟件，可對紅外光學系統進行調焦、變倍的控制，用鼠標引導游標也可點擊操控界面上的游標上移、下移、左移、右移按鍵對游標進行精確控制，給出游標偏離中心十字絲的高低、方位的角度值。系統通過串口接收并顯示天線控制器輸出的實時角度和跟蹤狀態信息（信息傳輸格式按標校電視技術協議中的規定進行）；接收并顯示時間信息（顯示時、分、秒、毫秒）。

4 結語

本紅外系統已經成功在某型遙測設備中應用，可以實現獨立完成對運動目標的捕獲、提取目標的脫靶量，引導裝備對目標進行跟蹤功能，從而達到遙測系統和光電成像系統的優勢互補和穩定高精度跟蹤目標、獲取目標直觀影像的需求。實踐表明，本系統設計合理，性能可靠，具有較強的實用性，對提高靶場的測控保障能力具有一定作用。