張龍浩,陳國強,徐 梁,沈 騰,程慶敏

(中國航空工業(yè)集團(tuán)公司洛陽電光設(shè)備研究所,河南 洛陽，471000)

1 引 言

低小慢目標(biāo)是指具有低空、超低空飛行,尺寸小,飛行速度較慢等特征的小型飛行器等目標(biāo),低小慢目標(biāo)目前已對我國機場、油田等事關(guān)民生國防的重要場所構(gòu)成重大安全威脅[1]。對低小慢目標(biāo)有效、快速、準(zhǔn)確的發(fā)現(xiàn)、跟蹤、識別,從而實現(xiàn)全天時、全天候、全方位、自動化的低小慢監(jiān)視能力具有重大的意義。也是進(jìn)一步實現(xiàn)對低小慢目標(biāo)進(jìn)行干擾壓制和殺傷摧毀的基礎(chǔ)。

目前對低小慢目標(biāo)的探測方式主要有雷達(dá)探測和光電探測。目前國內(nèi)環(huán)掃LFMCW雷達(dá)系統(tǒng)可以在復(fù)雜雜波背景對低小慢目標(biāo)探測,并對探測范圍內(nèi)的低小慢無人機進(jìn)行自動跟蹤[2],但是雷達(dá)難以探測目標(biāo)的輪廓特征和辨別目標(biāo)的形態(tài)和種類。光電探測也是探測低小慢目標(biāo)的重要方式。但目前對低慢小目標(biāo)的光電探測系統(tǒng)大多依賴人工手動搜索,效率低,消耗人精力,且人工很容易看漏目標(biāo)。自動化程度較低,無法實現(xiàn)人不管。提出了一種對低小慢目標(biāo)實現(xiàn)全自動搜索跟蹤監(jiān)視的光電轉(zhuǎn)塔控制方法,可以在雷達(dá)的配合下,實現(xiàn)全自動工作,無需手動操作光電轉(zhuǎn)塔。

2 系統(tǒng)組成

低小慢目標(biāo)跟蹤監(jiān)視光電轉(zhuǎn)塔是低小慢目標(biāo)自動跟蹤監(jiān)視系統(tǒng)的一部分(如圖1所示),低小慢目標(biāo)自動跟蹤監(jiān)視系統(tǒng),由雷達(dá)系統(tǒng)、光電轉(zhuǎn)塔、和光電轉(zhuǎn)塔顯示控制系統(tǒng)組成(如圖2所示),他們共同工作,實現(xiàn)對對低小慢目標(biāo)的自動發(fā)現(xiàn)、跟蹤、監(jiān)視、識別。

圖1 低小慢目標(biāo)跟蹤監(jiān)視光電轉(zhuǎn)塔

圖2 低小慢目標(biāo)自動跟蹤監(jiān)視系統(tǒng)組成圖

雷達(dá)系統(tǒng)主要由環(huán)掃線性調(diào)頻連續(xù)波(LFMCW)雷達(dá)組成,LFMCW雷達(dá)是探測近程低小慢目標(biāo)的常用傳感器,具有高距離分辨率、高接收靈敏度、低發(fā)射功率,全天候工作等優(yōu)點[3]。雷達(dá)系統(tǒng)可以自動探測低小慢目標(biāo)給出目標(biāo)位置信息,并發(fā)送給光電轉(zhuǎn)塔,引導(dǎo)光電轉(zhuǎn)塔對目標(biāo)進(jìn)行自動搜索、跟蹤監(jiān)視和識別。

光電轉(zhuǎn)塔顯示控制系統(tǒng)可以向光電轉(zhuǎn)塔發(fā)送控制信息,顯示可見光紅外圖像、光電轉(zhuǎn)塔運行信息和探測到的低小慢目標(biāo)信息,如操作人員如對其他目標(biāo)感興趣也可通過顯示控制系統(tǒng)讓光電轉(zhuǎn)塔退出全自動模式,手動控制轉(zhuǎn)塔。

低小慢目標(biāo)跟蹤監(jiān)視光電轉(zhuǎn)塔是具備晝夜間目標(biāo)搜索成像功能的兩軸四框架光電轉(zhuǎn)塔。轉(zhuǎn)塔內(nèi)有長焦高清可見光傳感器和長焦制冷式紅外傳感器兩個傳感器。

轉(zhuǎn)塔內(nèi)有慣性姿態(tài)測量單元,可以輸出轉(zhuǎn)塔光軸的空間姿態(tài)信息。根據(jù)光軸姿態(tài)信息、轉(zhuǎn)塔自身和目標(biāo)地理位置等信息可以算出使轉(zhuǎn)塔對準(zhǔn)已知地理位置目標(biāo)所需轉(zhuǎn)動到的方位俯仰角。

光電轉(zhuǎn)塔內(nèi)有圖像處理器,它可以對光電轉(zhuǎn)塔傳感器采集的紅外圖像進(jìn)行處理并對低小慢目標(biāo)進(jìn)行自動檢出和跟蹤。圖像處理器采集實時紅外圖像后,首先會使用目標(biāo)對比度增強算法對圖像進(jìn)行預(yù)處理并對目標(biāo)背景進(jìn)行抑制,然后會對圖像進(jìn)行分割及虛警抑制對序列圖像進(jìn)行多幀關(guān)聯(lián)來提取目標(biāo)[3],并將信噪比最高的目標(biāo)進(jìn)行檢出和鎖定,該算法能運行在嵌入式設(shè)備上,快速準(zhǔn)確的目標(biāo)檢測。該方法易于實現(xiàn),能提高檢測概率,較好并且實時完整地檢測出視頻圖像中的低小慢目標(biāo),并且降低虛警率，圖像處理器檢測低小慢目標(biāo)流程圖如圖3所示。

圖3 圖像處理器檢測低小慢目標(biāo)流程圖

3 實施方法

在低小慢目標(biāo)跟蹤監(jiān)視光電轉(zhuǎn)塔內(nèi),傳感器自動控制系統(tǒng)和運動自動控制系統(tǒng)兩個系統(tǒng)配合工作,共同實現(xiàn)實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)塔的全自動化工。

3.1 準(zhǔn)備工作

首先在地面上已知地理位置信息點(經(jīng)度Lo、緯度Bo、高度ho)的位置安裝光電轉(zhuǎn)塔,并且雷達(dá)系統(tǒng)和光電轉(zhuǎn)塔相交聯(lián),使雷達(dá)可以實時向光電轉(zhuǎn)塔傳輸探測到的低小慢目標(biāo)所在的的預(yù)測地理位置(經(jīng)度La、緯度Ba、高度ha)。地面開機的檢查工作,光電轉(zhuǎn)塔上電完成初始化并自檢,向顯示控制系統(tǒng)發(fā)送系統(tǒng)參數(shù)信息,并接收顯示控制系統(tǒng)控制。同時光電轉(zhuǎn)塔等待雷達(dá)發(fā)送目標(biāo)信息,當(dāng)收到雷達(dá)信息后,光電轉(zhuǎn)塔自動進(jìn)入自動化工作模式。

3.2 傳感器自動控制系統(tǒng)

傳感器自動控制系統(tǒng)會自動控制可見光傳感器和紅外傳感器視場將低小慢目標(biāo)以合適的大小顯示在圖像中,并且自動調(diào)焦使目標(biāo)清晰。

根據(jù)低小慢目標(biāo)所在的預(yù)測地理位置(La、Ba、ha)和光電轉(zhuǎn)塔所在的地理位置(Lo、Bo、ho),將兩點對經(jīng)緯高轉(zhuǎn)化為兩點在地球坐標(biāo)系中的坐標(biāo),便可求出目標(biāo)預(yù)測點和光電轉(zhuǎn)塔間的距離(Lao)[4]。

觀察點A的經(jīng)度LA,緯度BA,海拔高度hA。在地球坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為:

其中:

其中,a為地球橢球長半軸;e為地球橢球第一偏心率。

因為低小慢目標(biāo)在紅外圖像中特征更明顯,所以紅外傳感器提供紅外圖像給圖像處理器用于低小慢目標(biāo)檢出和跟蹤,可見光傳感器用于輔助觀察。

轉(zhuǎn)塔內(nèi)的傳感器自動控制系統(tǒng)可以根據(jù)目標(biāo)預(yù)測點和光電轉(zhuǎn)塔間的距離(Lao)控制轉(zhuǎn)塔內(nèi)的紅外可見光傳感器自動調(diào)焦變倍,使低小慢目標(biāo)可以在圖像一直保持清晰和在圖像內(nèi)有合適的大小。

根據(jù)目標(biāo)預(yù)測距離Lao和低小慢目標(biāo)的平均大小可以調(diào)節(jié)紅外和可見光圖像視場角大小,使目標(biāo)在紅外圖像內(nèi)有適合檢出和觀察的大小可見圖像內(nèi)也適合觀察。設(shè)低小慢目標(biāo)的平均尺寸為LD,那么目標(biāo)在視頻畫面中所占像素數(shù)可用以下公式計算得出:

其中,P為目標(biāo)在視頻中橫向和縱向所占的像素寬度;F為傳感器視場角;R為視頻分辨率。

根據(jù)目標(biāo)預(yù)測距離Lao對可見光傳感器和紅外傳感器進(jìn)行自動調(diào)焦,使目標(biāo)在圖像內(nèi)清晰。圖4是傳感器自動控制系統(tǒng)的工作流程圖。

圖4 傳感器自動控制系統(tǒng)的工作流程圖

3.3 運動自動控制系統(tǒng)

轉(zhuǎn)塔內(nèi)的運動控制系統(tǒng)和圖像處理器配合工作,實現(xiàn)對低小慢目標(biāo)的自動對準(zhǔn)和跟蹤。

根據(jù)光電轉(zhuǎn)塔地理位置(La、Ba、ha)和目標(biāo)預(yù)測點地理位置(Lo、Bo、ho)通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換可以算出這兩個點在地球坐標(biāo)系內(nèi)的坐標(biāo)(OXYZq),進(jìn)而計算出這兩點在慣導(dǎo)坐標(biāo)系內(nèi)的坐標(biāo)(OXYZh),然后可計算出在慣導(dǎo)坐標(biāo)系(OXYZh)下光電轉(zhuǎn)塔指向目標(biāo)預(yù)測點的方向矢量[5]。光電轉(zhuǎn)塔內(nèi)的慣性姿態(tài)測量單元輸出了紅外傳感器和可見光傳感器的光軸姿態(tài)、根據(jù)光軸的姿態(tài)、目標(biāo)預(yù)測坐標(biāo)的方向矢量和轉(zhuǎn)塔的方位俯仰角,可以計算出需要使轉(zhuǎn)塔的瞄準(zhǔn)線對準(zhǔn)目標(biāo)預(yù)測點所需要的轉(zhuǎn)塔方位角η1和俯仰角η2。

圖5 轉(zhuǎn)塔瞄準(zhǔn)線對準(zhǔn)目標(biāo)預(yù)測點原理圖

當(dāng)系統(tǒng)全自動流程開始時,光電轉(zhuǎn)塔運動控制系統(tǒng)進(jìn)入角度對準(zhǔn)模式,轉(zhuǎn)塔的方位俯仰角對準(zhǔn)η1、η2,從而驅(qū)動瞄準(zhǔn)線指向目標(biāo)預(yù)測位置,當(dāng)轉(zhuǎn)塔實時方位俯仰角θ1,θ2和對準(zhǔn)預(yù)測目標(biāo)方位俯仰角η1,η2的絕對差小于閾值,且轉(zhuǎn)塔紅外和可見傳感器根據(jù)目標(biāo)預(yù)測距離Lao調(diào)焦變倍到位時,轉(zhuǎn)塔控制圖像處理器開始在轉(zhuǎn)塔紅外圖像內(nèi)檢出信噪比最高的紅外小目標(biāo)。如果檢出目標(biāo)成功,轉(zhuǎn)塔圖像處理器鎖定目標(biāo)并向轉(zhuǎn)塔運動系統(tǒng)報告目標(biāo)和紅外圖像中心的偏差量,光電轉(zhuǎn)塔運動控制系統(tǒng)進(jìn)入圖像跟蹤模式,控制轉(zhuǎn)塔轉(zhuǎn)動將目標(biāo)拉到圖像中心對目標(biāo)進(jìn)行持續(xù)跟蹤[6]。

由于雷達(dá)系統(tǒng)從發(fā)現(xiàn)目標(biāo)到計算出目標(biāo)坐標(biāo)并報告光電轉(zhuǎn)塔目標(biāo)有一定時間(3 s左右)的延時,所以對準(zhǔn)目標(biāo)預(yù)測點后,目標(biāo)未必在轉(zhuǎn)塔傳感器視場范圍內(nèi),所以需要對視場的鄰近區(qū)域也進(jìn)行搜索。如果對準(zhǔn)后圖像處理器未檢出目標(biāo),運動控制系統(tǒng)控制轉(zhuǎn)塔在對準(zhǔn)的方位俯仰角η1,η2的鄰近區(qū)域內(nèi)進(jìn)行小范圍掃描,并繼續(xù)檢出低小慢目標(biāo),設(shè)ξ1、ξ2為轉(zhuǎn)塔實時對準(zhǔn)的方位俯仰角的給定值,則有:

ξ1=η1+Aφ1sin(ωt)

ξ2=η2+Aφ2sin(ωt)

其中,A為掃描幅值系數(shù);ω為掃描頻率;φ1、φ2分別為轉(zhuǎn)塔當(dāng)前的紅外視場方位角和俯仰角。

當(dāng)檢出目標(biāo)后并穩(wěn)定跟蹤一段時間后,可以根據(jù)圖像視場、目標(biāo)預(yù)測距離Lao和圖像中的目標(biāo)像素大小估算目標(biāo)的大小,設(shè)LM為目標(biāo)大小,則有:

其中,P為目標(biāo)在視頻中橫向和縱向所占的像素寬度;F為傳感器視場角;R為視頻分辨率。

常見的低小慢目標(biāo)包括旋翼無人機(軸距0.4～1.8 m)和固定翼無人機(翼展1～4 m),可以根據(jù)估算的目標(biāo)大小對低小慢目標(biāo)類型做初步的判斷。

在個別天氣條件下,如天空中有很多碎云的時候,可能會出現(xiàn)檢出目標(biāo)錯誤的情況,此時轉(zhuǎn)塔在檢出目標(biāo)并進(jìn)入圖像跟蹤模式后也會跟蹤錯誤的目標(biāo)。但是這時由于跟蹤的目標(biāo)錯誤,轉(zhuǎn)塔實時方位俯仰角θ1,θ2和對準(zhǔn)預(yù)測目標(biāo)方位俯仰角η1,η2的差值會逐漸增大,當(dāng)差值大于閾值時,此時運動控制系統(tǒng)控制轉(zhuǎn)塔重新進(jìn)入角度對準(zhǔn)模式對準(zhǔn)η1,η2,對準(zhǔn)后系統(tǒng)會自動重新嘗試進(jìn)行檢出和跟蹤,直到對準(zhǔn)正確目標(biāo)。

當(dāng)雷達(dá)檢測到新目標(biāo)時,由于目標(biāo)預(yù)測點地理位置(Lo、Bo、ho)大幅變化,對準(zhǔn)預(yù)測目標(biāo)方位俯仰角η1,η2也會大幅變化,此時轉(zhuǎn)塔角度方位俯仰角θ1,θ2和目標(biāo)方位俯仰角η1,η2的差也會大于閾值,系統(tǒng)會自動重新對準(zhǔn)進(jìn)入新一輪的自動化進(jìn)程。圖6是光電轉(zhuǎn)塔自動運動控制系統(tǒng)的工作流程圖。

4 試驗驗證與結(jié)果分析

為驗證低小慢目標(biāo)跟蹤監(jiān)視光電轉(zhuǎn)塔對低小慢目標(biāo)的全自動跟蹤監(jiān)視識別的效果和性能,使用多種低小慢目標(biāo)在不同距離多種天氣條件下進(jìn)行了試驗。試驗中轉(zhuǎn)塔能夠成功的對低小慢目標(biāo)進(jìn)行檢出監(jiān)視,識別目標(biāo)的輪廓特征和辨別目標(biāo)的形態(tài)和種類如圖7、8所示。

圖6 光電轉(zhuǎn)塔自動運動控制系統(tǒng)的工作流程圖

圖7 光電轉(zhuǎn)塔紅外圖像檢出低小慢目標(biāo)

圖8 光電轉(zhuǎn)塔可見光傳感器發(fā)現(xiàn)低小慢目標(biāo)

表1給出了光電轉(zhuǎn)塔對多種小目標(biāo)自動跟蹤監(jiān)視試驗結(jié)果,試驗中光電轉(zhuǎn)塔對多種低小慢目標(biāo)均能成功進(jìn)行檢出和識別,對于大的低小慢目標(biāo)的檢出識別距離更遠(yuǎn),另外天氣也會對低小慢目標(biāo)的識別距離有一定的影響。

表1 光電轉(zhuǎn)塔對多種小目標(biāo)自動跟蹤監(jiān)視試驗結(jié)果

5 結(jié) 論

本文提出了一種低小慢目標(biāo)實現(xiàn)全自動搜索跟蹤監(jiān)視的光電轉(zhuǎn)塔控制方法,可以實現(xiàn)全自動工作,無需手動操作光電轉(zhuǎn)塔。在雷達(dá)發(fā)現(xiàn)低小慢目標(biāo)后,光電轉(zhuǎn)塔會自動搜索對準(zhǔn)檢出目標(biāo),將目標(biāo)以合適的大小清晰的顯示在圖像中并一直跟蹤,并對目標(biāo)的大小估算初步識別。如果目標(biāo)錯誤丟失可以自動退出目標(biāo)跟蹤,并自動重新嘗試對目標(biāo)進(jìn)行搜索跟蹤。雷達(dá)報告新的目標(biāo)轉(zhuǎn)塔會自動切換跟蹤新的目標(biāo)。

試驗證明,該方法可以全自動實現(xiàn)對各種常見的低小慢目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)、自動跟蹤監(jiān)視和識別,由于整個工作流程全自動化,此種控制方法工作大大節(jié)省了人力,提高了效率,減少了目標(biāo)漏檢出,并可以對目標(biāo)的大小估算初步識別。