祝濤 冷悅

【摘? 要】目前，圖像跟蹤系統(tǒng)對(duì)慣性運(yùn)動(dòng)信息應(yīng)用不充分，針對(duì)近距離移動(dòng)目標(biāo)、大機(jī)動(dòng)環(huán)境等特殊狀態(tài)的跟蹤模型不完善，未能充分挖掘跟蹤系統(tǒng)潛力。論文以光電探測(cè)、星體跟蹤等經(jīng)典圖像跟蹤系統(tǒng)為研究對(duì)象，將跟蹤穩(wěn)定過(guò)程從擾動(dòng)源角度分解為載體運(yùn)動(dòng)隔離與目標(biāo)移動(dòng)跟蹤，并從跟蹤手段角度分解為物理伺服跟蹤與圖像數(shù)字跟蹤。建立了一套與上述擾動(dòng)源對(duì)應(yīng)的工程實(shí)用數(shù)學(xué)模型，充分發(fā)揮了慣性信息對(duì)目標(biāo)跟蹤的輔助作用。

【Abstract】Nowadays， the inertial motion information was not fully used in image tracking system. The tracking models for special states such as close-range moving targets and large maneuvering environment are not perfect and the potential of tracking system cannot be fully exploited. Taking the classic image tracking system such as photoelectric detection and star tracking as the research object， the tracking stability process is decomposed from the disturbance source to the carrier motion isolation and target motion tracking， and from the tracking means to the physical servo tracking and image digital tracking. A set of practical engineering mathematical model corresponding to the disturbance source is established， which gives full play to the auxiliary role of inertial information in target tracking.

【關(guān)鍵詞】圖像跟蹤;慣性信息;擾動(dòng)源

【Keywords】image tracking; inertial information; disturbance source

【中圖分類號(hào)】TP391.4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號(hào)】1673-1069（2020）07-0180-02

1 引言

傳統(tǒng)跟蹤控制方法利用系統(tǒng)自帶的測(cè)角微分信息或控制用陀螺信息實(shí)現(xiàn)速度環(huán)穩(wěn)定[1]，并通過(guò)探測(cè)器采集、檢測(cè)待跟蹤目標(biāo)，將脫靶量信息引入伺服位置環(huán)，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)持續(xù)跟蹤。跟蹤效果依賴圖像的識(shí)別能力與更新頻率，抗擾動(dòng)能力較差。但在岸基或大型艦船等靜止、低動(dòng)態(tài)平臺(tái)影響不明顯[2]。對(duì)于輪式車、飛行器以及高速水面航行器等平臺(tái)，跟蹤系統(tǒng)需要在高動(dòng)態(tài)條件下完成目標(biāo)圖像穩(wěn)定及檢測(cè)[3]。該任務(wù)背景下，運(yùn)載體劇烈角運(yùn)動(dòng)以及目標(biāo)近距離高速位移，會(huì)導(dǎo)致目標(biāo)在圖像中難以清晰成像，降低目標(biāo)識(shí)別率，甚至造成目標(biāo)丟失[4]。針對(duì)上述問(wèn)題，論文提出了基于慣性運(yùn)動(dòng)信息輔助的目標(biāo)跟蹤控制策略。以探測(cè)成像過(guò)程中的跟蹤擾動(dòng)誤差源的分類分析為出發(fā)點(diǎn)，圍繞慣性運(yùn)動(dòng)信息如何輔助伺服跟蹤這一問(wèn)題，開展研究工作。最終實(shí)現(xiàn)同等伺服硬件條件下目標(biāo)跟蹤能力的有效提升，從信息跨界融合的角度深度挖掘了伺服跟蹤性能潛力。

2 跟蹤擾動(dòng)源分類分析

圖像穩(wěn)定跟蹤的核心功能是通過(guò)伺服控制將目標(biāo)穩(wěn)定在圖像指定區(qū)域內(nèi)，縮小目標(biāo)脫離靶面坐標(biāo)系中心的偏移量（以下簡(jiǎn)稱脫靶量）[5]。在控制過(guò)程中，目標(biāo)脫靶量主要受到兩類擾動(dòng)誤差源的影響，上述兩類擾動(dòng)均會(huì)導(dǎo)致觀測(cè)目標(biāo)在載體坐標(biāo)系下產(chǎn)生高度和方位角變化，進(jìn)而導(dǎo)致目標(biāo)偏離靶面坐標(biāo)系中心[6]。但本質(zhì)上兩類干擾的形成機(jī)制、特點(diǎn)完全不同。

第一類，由設(shè)備自身角運(yùn)動(dòng)造成，因此，擾動(dòng)頻率受載體影響分布較寬，但可以被設(shè)備自帶的慣性敏感器件完整的敏感到。其影響主要在使用小視場(chǎng)觀察遠(yuǎn)距離目標(biāo)時(shí)較大，會(huì)導(dǎo)致圖像嚴(yán)重晃動(dòng)。第二類，由設(shè)備與目標(biāo)在垂直光軸方向的相對(duì)線運(yùn)動(dòng)造成。以低頻擾動(dòng)形式存在，但只能通過(guò)較低頻率的圖像信息獲取，在跟蹤近距離目標(biāo)時(shí)影響較大。

3 物理伺服跟蹤策略分析

可獲取高頻慣性導(dǎo)航信息條件下的控制策略：伺服跟蹤控制策略設(shè)計(jì)核心是充分利用慣性信息，對(duì)伺服系統(tǒng)位置環(huán)給定量進(jìn)行優(yōu)化，減小延時(shí)、降低噪聲、提高頻率，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制穩(wěn)定精度的提升。算法流程如下：

第一，獲取目標(biāo)矢量在地理坐標(biāo)系投影。脫靶量更新后，根據(jù)測(cè)角信息、慣導(dǎo)姿態(tài)信息換算到地理坐標(biāo)系。公式如下：

第二，在地理坐標(biāo)系進(jìn)行目標(biāo)預(yù)測(cè)。脫靶量會(huì)受到運(yùn)載體自身角運(yùn)動(dòng)的影響，由于運(yùn)載體角運(yùn)動(dòng)包含較多高頻量，因此，直接對(duì)載體坐標(biāo)系目標(biāo)矢量Rb、靶面坐標(biāo)系目標(biāo)矢量Rs進(jìn)行預(yù)測(cè)的精度很差。對(duì)載體運(yùn)動(dòng)解耦后，可得到的目標(biāo)在地理系下的矢量Rn，是一個(gè)低頻量，可以進(jìn)行插值預(yù)測(cè)，進(jìn)而提高目標(biāo)脫靶量的更新頻率，優(yōu)化跟蹤系統(tǒng)性能。

目標(biāo)在地理坐標(biāo)系的位置矢量可以描述為：

4 圖像數(shù)字跟蹤策略分析

由于其本質(zhì)是采用多幀圖像進(jìn)行疊加，一是無(wú)法解決一幀圖像積分時(shí)間內(nèi)，靶面晃動(dòng)導(dǎo)致的圖像模糊、拖尾問(wèn)題;二是在光電系統(tǒng)中，由于目標(biāo)是移動(dòng)的，不能長(zhǎng)時(shí)間積分疊加;三是在光電系統(tǒng)中，該方法可用于提高對(duì)外輸出圖像穩(wěn)定性，目標(biāo)識(shí)別過(guò)程中應(yīng)采用原始圖像或采用像素合并，減少圖像處理延時(shí)、提高幀頻率。

5 試驗(yàn)情況

輪式車跑車狀態(tài)為高頻率、強(qiáng)振動(dòng)環(huán)境，在該運(yùn)動(dòng)條件下目標(biāo)跟蹤難度較大。采用天文導(dǎo)航測(cè)星脫靶量分布統(tǒng)計(jì)結(jié)果對(duì)比跟蹤效果如下：

試驗(yàn)條件：①車速：60～80km/h。②觀測(cè)視場(chǎng)：22′×17′。③像素大?。?.1″。分別采用兩套同類系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)，每次試驗(yàn)持續(xù)2h，平均抽取1000幀星圖所對(duì)應(yīng)脫靶量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

試驗(yàn)結(jié)果：

6 結(jié)語(yǔ)

論文分析了目標(biāo)跟蹤控制系統(tǒng)中兩類干擾源的特點(diǎn)，提出了利用高頻率、高精度、微小延時(shí)慣性導(dǎo)航信息對(duì)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行隔離、對(duì)目標(biāo)軌跡進(jìn)行預(yù)測(cè)的工程應(yīng)用模型。介紹了在沒(méi)有完整慣性導(dǎo)航信息條件下，利用控制用陀螺信息進(jìn)行瞄準(zhǔn)線穩(wěn)定、圖像穩(wěn)定的方法、特點(diǎn)與不足。最終，通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)證明，利用慣性信息進(jìn)行伺服控制優(yōu)化，在相同的伺服硬件條件下，圖像脫靶量穩(wěn)定性可提高約1倍。

需要說(shuō)明的是，在實(shí)際工程應(yīng)用中，根據(jù)實(shí)際工況調(diào)整縮短積分時(shí)間;采用binning（像素合并）技術(shù)減小圖像處理時(shí)間、采用折返鏡技術(shù)減小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量均是提高伺服跟蹤效果的有效方法。

【參考文獻(xiàn)】

【1】陳德毅，柳萬(wàn)勝，賀東，等.基于三軸光電跟蹤系統(tǒng)的目標(biāo)捕獲方法[J].傳感器與微系統(tǒng)，2019，38（1）：12-19.

【2】付森.非合作空間目標(biāo)光學(xué)捕獲和快速鎖定方法研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2011.

【3】李焱.艦載光電設(shè)備跟蹤掠海目標(biāo)的控制[J].光學(xué)精密工程，2010，18（4）：935-942.

【4】姬偉，李奇.陀螺穩(wěn)定平臺(tái)伺服系統(tǒng)非線性特性補(bǔ)償控制[J].電氣傳動(dòng)，2005，35（7）：31-34.

【5】李文軍，陳濤.光電跟蹤系統(tǒng)噪聲分析及其抑制[J].光學(xué)精密工程，2007，15（2）：254-260.

【6】王合龍，朱培申.陀螺穩(wěn)定平臺(tái)框架伺服系統(tǒng)變結(jié)構(gòu)控制器的設(shè)計(jì)和仿真[J].電光與控制，1998（2）：24-29.