蘇曉丹

(海軍駐航天科工集團(tuán)二院軍代表室，北京100845)

0 引 言

艦載光電探測系統(tǒng)是指安裝在艦艇上借助激光技術(shù)、紅外技術(shù)、電視技術(shù)、纖維光學(xué)、集成光學(xué)、自適應(yīng)光學(xué)和圖象處理技術(shù)等，利用目標(biāo)和背景反射或輻射的光信號差異，對目標(biāo)進(jìn)行探測、識別、跟蹤和瞄準(zhǔn)的系統(tǒng)，主要有低能級電視攝像儀、激光測距儀、熱視攝像儀等，是20 世紀(jì)60 年代以來迅速發(fā)展的新型探測系統(tǒng)。這類系統(tǒng)的優(yōu)點是隱蔽性好、對低空和超低空目標(biāo)探測能力強、跟蹤測量精度高。它與電子、雷達(dá)、聲磁等偵察設(shè)備相互輔助、互為補充，共同組成一個完整的偵察探測跟蹤系統(tǒng)［1-2］。

使電視攝像機(jī)、熱視儀等圖形傳感器的光軸連續(xù)地與朝向目標(biāo)的方向重合，這是可視化計算機(jī)式目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)的任務(wù)。從原理上來說，可以使用兩軸支撐框架解決使視頻傳感器光軸連續(xù)地與朝向目標(biāo)的方向重合問題，但在活動基座條件下跟蹤活動目標(biāo)時，視頻傳感器會相對背景態(tài)勢轉(zhuǎn)動，這會明顯加劇可視化計算機(jī)裝置發(fā)現(xiàn)并估計目標(biāo)在當(dāng)前圖像中坐標(biāo)的困難。若使用三軸支撐框架就能夠克服上述困難。

當(dāng)把光電探測跟蹤系統(tǒng)安裝在水面艦艇這類的活動載體上時，由于風(fēng)浪會引起艦艇的搖擺，所以在形成支撐框架的轉(zhuǎn)動控制律時，要考慮輸入到該系統(tǒng)中的艦艇當(dāng)前姿態(tài)角的信息，本文就介紹推導(dǎo)這種情況下的框架關(guān)系及控制律形成問題［3］。

1 系統(tǒng)組成及空間框架關(guān)系

可視化計算機(jī)式目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)的功能框圖如圖1 所示，它包括可視化計算機(jī)裝置，其任務(wù)是估計被跟蹤目標(biāo)在視頻傳感器圖像中的坐標(biāo)并形成支撐框架各環(huán)的角位置;使支撐框架環(huán)相對其轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動的隨動式驅(qū)動機(jī)構(gòu)和框架角傳感器。

圖1 可視化計算機(jī)式目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)的功能框圖Fig.1 Functional block diagram of target tracking system for visualized computer

視頻傳感器安裝在三軸支撐框架上，通過三軸支撐框架的驅(qū)動機(jī)構(gòu)實現(xiàn)視頻傳感器光軸空間方位的控制。

安裝在水面艦艇上的三軸支撐框架方案如圖2所示，視頻傳感器的平面圖如圖3 所示，其中P 為被跟蹤目標(biāo)的中心位置。用機(jī)電式驅(qū)動機(jī)構(gòu)使支撐框架的角度變化，以實現(xiàn)安裝視頻傳感器的平臺臺體的空間姿態(tài)控制。

圖2 安裝在水面艦艇上的三軸支撐框架結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic figure of tri-axis supporting frame fixed on the surface ship

圖3 視頻傳感器平面圖Fig.3 Plane diagram of video sensor

定義以下坐標(biāo)系:臺體坐標(biāo)系Otxtytzt，其Oyt軸與視頻傳感器的光軸重合;地面坐標(biāo)系Odxdydzd，Oxdyd平面與當(dāng)?shù)厮矫嫫叫?艦體坐標(biāo)系Ojxjyjzj，其原點位于艦艇的搖擺中心，坐標(biāo)軸與艦艇的結(jié)構(gòu)軸重合，oyj軸沿艦體縱軸指向艦首。在艦艇搖擺角和支撐框架角θ，ψ，φ 都等于0 時，上述3 個坐標(biāo)系的相應(yīng)軸平行。

再引入一個目標(biāo)方位坐標(biāo)系Omxmymzm，它描述安裝有視頻傳感器平臺臺體Otxtytzt需要的(給出的)空間位置。坐標(biāo)軸Oym的空間指向確定光軸在地面坐標(biāo)系Odxdydzd中的方位，可以用坐標(biāo)軸Oym的方位角θm和高低角φm給出坐標(biāo)系Oxmymzm相對地面坐標(biāo)系Oxdydzd的方位。在空間搜索狀態(tài)，方位角θm和高低角φm可以由操作手或者是程序給出，而在目標(biāo)自動跟蹤狀態(tài)，應(yīng)該在支撐框架角和艦艇搖擺角當(dāng)前值下根據(jù)圖象中的目標(biāo)坐標(biāo)值計算出來。

如圖4 所示，由地面坐標(biāo)系Odxdydzd到目標(biāo)方位坐標(biāo)系Omxmymzm的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣為

圖4 地面坐標(biāo)系Odxdydzd 到目標(biāo)方位坐標(biāo)系Omxmymzm 的轉(zhuǎn)換關(guān)系Fig.4 Conversion relation between Odxdydzd ground coordinate system and Omxmymzm target azimuth coordinate system

設(shè)艦艇的偏航角為α、縱搖角為β、橫搖角為γ，則由地面坐標(biāo)系Oxdydzd到艦體坐標(biāo)系Oxjyjzj的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣為

從艦體坐標(biāo)系Oxjyjzj到目標(biāo)方位坐標(biāo)系Oxmymzm的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣為

設(shè)支撐框架外環(huán)軸、內(nèi)環(huán)軸和臺體軸的轉(zhuǎn)角分別是θ，ψ，φ，則由艦體坐標(biāo)系Oxjyjzj到臺體坐標(biāo)系Oxtytzt的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣為

2 框架轉(zhuǎn)動控制律設(shè)計

式中Am←j(i，j)為矩陣Am←j(θm，φm，α，β，γ)的第i 行第j 列的元素。

在自動跟蹤目標(biāo)時，可以通過把朝向目標(biāo)方向的矢量坐標(biāo)由臺體坐標(biāo)系Oxtytzt轉(zhuǎn)換到地面坐標(biāo)系Oxdydzd而得到包含在Am←j(i，j) 中的角度θm，φm的值。可以根據(jù)視頻傳感器圖像上目標(biāo)中心的坐標(biāo)來確定所指出的矢量在臺體坐標(biāo)系Oxtytzt中的投影。圖5 給出了能夠求解該問題形成視頻傳感器圖像的模型。

圖5 視頻傳感器圖像的模型Fig.5 Image model of video sensor

取距離視頻傳感器光學(xué)系統(tǒng)R 處的與視頻傳感器光軸Oyt垂直的平面上形成的尺寸為2X1×2Z1的圖像ABCD，視場角為2θM×2φM。認(rèn)為圖像ABCD上的任意一點只可以接受經(jīng)過給定點和光學(xué)系統(tǒng)中心O 的光流。

設(shè)圖像ABCD 上坐標(biāo)為(ΔX1，ΔZ1)的P1點對應(yīng)目標(biāo)中心，朝向目標(biāo)的矢量OP1在臺體坐標(biāo)系Oxtytzt中的投影是:

矢量的方向不隨其大小而變化，可以把式(7)寫成

式中:NXP，NZP為P1點對應(yīng)的像素數(shù)量;NXM，NZM為圖像ABCD 上半幅對應(yīng)的像素數(shù)量。

為了確定角度θm，φm，把所得到的矢量在臺體坐標(biāo)系的投影轉(zhuǎn)換到地面坐標(biāo)系:

根據(jù)坐標(biāo)(xP1d，yP1d，zP1d)，就能通過下面的表達(dá)式，確定指向被跟蹤目標(biāo)方向的方位角θm和高低角φm。為了確定方位角θm和高低角φm所需要的框架角組合，要在與視頻傳感器上得到圖像同步的時刻從相應(yīng)的傳感器上采集艦艇搖擺角α，β，γ 以及支撐框架角θ，φ，ψ，進(jìn)而形成框架角組合。

應(yīng)該指出的是，所推導(dǎo)的比較復(fù)雜的圖像處理算法可能導(dǎo)致在確定所需要的框架角組合時的時間延遲，有關(guān)被跟蹤目標(biāo)坐標(biāo)的信息可能短時間衰落，圖像輸入頻率低于從支撐框架角度傳感器上輸出信息的頻率，這些因素可能降低跟蹤目標(biāo)的精度。顯然，為了補償可視化計算機(jī)式目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)給出處理結(jié)果時的延遲，對目標(biāo)角運動軌跡進(jìn)行統(tǒng)計預(yù)測、提高轉(zhuǎn)角數(shù)值的給出頻率到轉(zhuǎn)角傳感器的頻率、當(dāng)目標(biāo)信息衰落時根據(jù)預(yù)測值組織跟蹤系統(tǒng)的運動，這些措施能明顯提高跟蹤目標(biāo)的精度。

3 結(jié) 語

本文介紹了安裝在水面艦艇上的用于計算機(jī)式目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)的視頻傳感器三軸支撐框架結(jié)構(gòu)，利用所定義的相應(yīng)坐標(biāo)系，推導(dǎo)了考慮艦艇搖擺時支撐框架角、艦艇搖擺角和目標(biāo)方位角之間的關(guān)系式，研究了保證跟蹤目標(biāo)的框架驅(qū)動機(jī)構(gòu)控制量的形成方法，提出了提高目標(biāo)跟蹤精度的建議。

［1］陳福勝，裴曉黎. 淺析艦用光電探測系統(tǒng)的幾個問題［J］.艦船科學(xué)技術(shù)，2002，24(5):28 -32.CHEN Fu-sheng，PEI Xiao-li. A discussion on shipborne electro-optical detection systems［J］. Ship Science and Technology，2002，24(5):28 -32.

［2］于起峰，尚洋.攝像測量學(xué)原理與應(yīng)用研究［M］. 北京:科學(xué)出版社，2009.

［3］БААлпатов. ОЕБалашов. АИСтепашкин. Формированиеуправленияприводамитрёхосногокард нногоподвесавсистемесопровожденияобьектов. Изв. вузов. Приборостроение2006No5.

［4］李殿璞.船舶運動與建模(2 版)［M］北京:國防工業(yè)出版社，2008.