一种光电监视系统的总体设计

【摘要】本文拟介绍一种光电监视系统的特点、系统组成、工作原理、技术指标以及总体方案设计。

【关键词】光电监视;稳定精度;目标探测;稳定平台

1.引言

光电监视系统是以光电器件（主要是激光器和光电探测器）为基础，将光学技术、电子/微电子技术和精密机械技术等融为一体，形成具有特定战术功能的军事装备。因其具有能跟踪空中和水面目标，能抗干扰，提供直观、清晰的图像等优点，越来越受到各国海军的重视。目前国内外较先进的军用光电监视系统多以激光测距仪、电视跟踪仪和红外跟踪仪三位一体为核心构成，其中激光测距仪是距离测量设备，当电视/红外稳定跟踪目标时，测出目标的距离信息，为火力系统精确打击目标提供信息;红外跟踪仪利用目标自身的热辐射能量成像，通过监视器观察、监视目标及外界动态，具有较好的穿透雾、霆能力，能在较恶劣气候条件下工作，是具有昼夜工作能力的被动式目标成像探测器;电视跟踪仪为昼间目标探测器，对可见光波段的目标具有成像后目标特征明显、探测及跟踪距离较远等特点，也是光电跟踪仪的主要探测传感器之一。

2.特点和技术指标

2.1 主要特点

（1）自主稳定，既能独立使用，又能与其他设备（如雷达、GPS等）对接使用;

（2）具有手动跟踪、自动跟踪、手动扫描搜索、自动扫描搜索、锁定5种工作模式;

（3）具有图像无损记录功能，为情报分析提供真实、详尽资料;

（4）具有可见光电视、前视红外热像仪、激光测距机3种任务载荷，可以昼夜完成探测、监视任务;

（5）操控灵活方便，所有功能都集中在显示控制设备上。

2.2 总体技术指标

波段范围：可见光摄像机0.4μm～1.1μm，红外热像仪：3μm～5μm间优选。

作用距离：昼间在可通视和能见度不小于10km（20km）条件下，对歼七飞机（翼展8m）迎头识别距离不小于22km，对无人机（翼展3m）迎头识别不小于13km。夜间在简单背景和无主动照明光源条件下，制冷红外热像仪对歼七飞机（翼展8m）迎头识别距离不小于32km，对无人机（翼展3m）迎头识别距不小于7km。

监视范围：方位0o～360o，俯仰-25º～ +85º。

成像质量：在良好照明情况下，将国际三线靶标板放在距离可见光摄像机500m处，昼间视频图像主观评价应达到4级以上;夜间视频图像清晰，无明显斑点噪声。

转台指标：最大方位回转速度：≥60o/s;最大方位回转加速度：≥100o/s2。

最小方位回转速度：≤0.1o/s;最大俯仰回转速度：≥60o/s。

最大俯仰回转加速度：≥100o/s2 ;最小俯仰回转速度≤0.1º/s。

方位转动范围0º～360º连续旋转;俯仰转动范围-25o～+85o。

回归精度：优于0.1o;预置位数≥64。

联动响应时间：可见光光摄像机或红外摄像仪收到雷达目标位置信息后，触发并启动转台转动，视频显示和记录等所需的响应时间不大于2s。存储设备：视频数据H.264.MPEG-4视频编码格式和文件格式进行存储。存储的图像数据应保证具有4CIF以上的分辨率。存储容量应满足连续存储30天的视频。应支持按图像的记录时间、预置位点多种方式对存储图像进行检索。

3.系统组成及工作原理

3.1 系统组成

根据光电监视系统的功能和主要战技要求，系统拟采取模块化设计的方法，它主要由三部分组成：一是前端设备，它主要包括光电转台、传感器组合（包括光学系统、可见光摄像机、红外热像仪）、伺服控制及驱动、视频跟踪处理、供电电源、视频编码、对外接口控制、跟踪控制机柜等单元。二是传输设备，主要包括光端机、光缆、电缆或微波天线（用于无线传输）等单元。三是显控设备，主要对外接口控制、综合操控台、图像记录、计算机、监视器等。

图1 系统组成框图

图2 光电监视系统组成框图

3.2 工作原理

如图2所示，光电转台是一个球形转台，其方位轴是外框，俯仰轴是是内框，在各框架上都安装有相应的驱动电机及角位置传感器、光学系统及传感器组合安装在球形转台内框上，球形转台外框上共有两个窗口，分别对应红外、可见光摄像机两个传感器，红外热像仪﹑可见光摄像机分别将外部的景物图像形成相应的视频图像信号，并通过传感器控制电缆传送给光电跟踪控制机柜的视频跟踪制单元。

视频跟踪控制单元主要由视频跟踪控制处理板、接口通信处理板、供电电源板等部分组成。主要完成对输入模拟视频信号的接口匹配、图像预处理，并将形成的数字视频信号送给FPGA，FPGA完成对数字视频信号的存储及时序控制，DSP实时对输入的数字视频信号进行滤波、目标特征识别及跟踪等处理，同时通过软硬件件结合的方法，实现跟踪综合视频信号的输出显示控制。

转台伺服控制及驱动主要由伺服控制板、接口控制板、伺服驱动控制板、供电电源等部分组成。通过利用测速机构成速度反馈控制回路，满足光电系统快速搜索和跟踪要求。利用视频跟踪控制单元输出目标偏离视场中心的跟踪误差，构成空间位置环，实现对目标的自动跟踪控制，同时通过接收雷达的目标指示信号，实现对目标的外部引导控制。

视频编码器主要完成对输入视频信号编解码处理，满足远距离传输的要求，视频解码器主要完成经传输后的视频信号实时解码处理，满足实时视频显示、记录等要求。

对外接口单元主要完成传输单元和前端设备、显示设备的接口匹配及状态、参数、数据的传送。

显示单元采用LCD显示器，用于显示系统工作状态、参数、及目标跟踪视频等。

4.总体方案设计

4.1 结构形式

该系统的稳定平台是两轴两框架结构，由方位框架、俯仰框架、角度传感器和控制电路组成。为了最大范围的观察视距，稳定平台要放在车载的顶部或者专用桅杆上。为了克服风阻，将稳定平台设计成球形，俯仰框架绕着水平轴可进行360度的旋转。可见光电视分系统、红外成像分系统都安装在球体内，防止雨水、太阳的伤害。

4.2 可见光电视

稳定平台结构紧凑，可见光电视作为载荷之一，尺寸和质量受到了严格的限制。如何在不牺牲战术指标的情况下，使得可见光电视的体积小质量轻，成为可见光电视设计重要目标。

4.2.1 面阵CCD

作为本子系统的核心部件，性能直接影响系统的作用距离与成像质量。CCD的选型主要从体积、质量、分辨力、信噪比等几方面综合考虑。

4.2.2 变焦镜头

连续变焦镜头由前物镜组、变倍组、补偿组及后固定组等几部分组成，每组又有多个镜片，为了达到所要求的透过率，各透镜组需镀多层减反膜，以满足总透过率的要求。在变焦镜头中，依靠变倍组与补偿组在光轴方向同步、不同量的移动来改变焦距的大小，同时保持像面稳定，从而改变物镜对目标的放大倍数，达到改变观测范围的目的。为了减少杂光，光学系统的整体结构要进行消杂光处理，在适当的部位加人消杂光光阑，系统的杂光系数小于5%。

4.3 红外热像仪

本系统的红外传感器选用工作波段3μm～ 5μm的第三代红外焦平面热像仪。该热像仪的温度灵敏度和空间分辨率都很高，适合于远距离探测目标。目标的辐射能通过光学系统到达探测器，经过探测器组件的光电转化，由显示电路输出标准的视频格式，在显示器中显示目标的红外图像。主要技术性能为：采用凝视型红外焦平面，探测器像元数CMT320x256，视场9ox6o/2oxl.5o，瞬时视场护IFOV=0.6mrad/0.1 mrad。

4.4 伺服系统

该车载光电跟踪监视系统的伺服系统是实现光电稳定平台方位、俯仰运动控制的主要环节，主要由方位伺服和俯仰伺服两个部分组成。它们分别接收主控计算机给出的方位和俯仰速度控制信号，与测速信号经过滤波后进行比较得到速度误差信号。误差信号经校正电路校正，再由功放电路送至执行电机，完成对方位轴和俯仰轴的速度控制。主要技术性能为：最大角速度，方位60o/s;俯仰60o/s;最大角加速度方位60o/s;俯仰60o/s。

4.5 电视/红外图像跟踪处理技术

信息处理技术是光电跟踪系统实现作战效能的关键技术之一。电视/红外图像跟踪处理器是电视跟踪仪和红外跟踪仪的核心，它是把图像处理、模式识别、人工智能、自动控制、信息处理有机地结合起来，形成一种能从图像中实时地自动识别目标、提取目标位置信息、自动跟踪运动目标的技术。图像跟踪处理器主要完成目标检测、目标识别、数据综合和角偏差测量任务，测量并计算出目标偏离光轴的方位角和高低角。电视/红外图像跟踪处理器从功能上来分，如图3所示，主要有五部分组成：目标分割、特征抽取、智能决策、跟踪控制、匹配相关。特征抽取是提取出被识别对象的某些特征，作为计算机处理的输入信息，用来对被识别对象进行分类和描述。智能决策是跟踪器在跟踪的过程中，随着跟踪环境的变化，计算出目标特征的相关性，自动选择跟踪模式和跟踪状态，以保证系统的稳定跟踪。跟踪控制主要是计算出目标的角误差信息和滤波，一方面提高跟踪精度和稳定性，另一方面，要进行记忆跟踪。匹配相关是利用图像相关技术，计算出图像中目标的配准点，更适用于复杂背景下的目标跟踪和近距离目标跟踪。

图3 图像跟踪处理器原理组成框图

4.6 系统工作模式

光电监视系统的工作模式可分为以下几种：

4.6.1 手动搜索

操作员通过操纵杆控制球形转台在方位、俯仰方向上对目标进行手动搜索和跟踪。为了提高系统的操控性能，手动搜索速度采用与光学系统焦距相关联的处理方法。

4.6.2 自动巡检

为了减轻操作员的负担，根据预先设定的监控位置、监控视场角、镜头焦距，能自动在多预置点间循环监视，每个预置点停留时间通过程序设定。

4.6.3 外部引导

接收雷达发送的目标指示信息，通过方位、俯仰位置控制回路，实现对给定目标的探测及跟踪。

4.6.4 自动跟踪

视频跟踪控制单元对输入的红外或可见光电视视频信号进行滤波、目标识别、跟踪等处理，当目标满足系统截获条件时，将产生目标偏离视场中心的误差信号，控制稳定平台对目标进行自动跟踪，使目标始终处于视场中心，实现对目标的自动跟踪。

5.结语

综上所述，本方案所设计的光电监视系统配合雷达使用，可为指挥中心提供空中目标的方位、距离、高度等情报信息。通过对可见光摄像机和红外热像仪传感器组合运用，可对监控的区域进行全天候的视频探测与监视，有抗电磁干扰能力强、低空探测性能好、图像分辨率高、目标识别能力强等特点，具备远距离控制、图像传输及实时显示记录等功能。

参考文献

[1]张启衡，彭先蓉，单承建等.高帧频电视跟踪系统的特点与关键技术研究[J].光电工程，1998，25（6）.

[2]王岱，吴钦章.光测设备上的现场总线应用设计[J].光电工程，2011，39（10）：92-97.

[3]李峨，马军，周兴义.机载光电稳定平台检侧技术的研究[J].光学精密工程，2006，14（5）：847-852.

[4]许洪，王向军.多光谱、超光谱成像技术在军事上的应用[J].红外与激光工程，2007，1（4）：13-17.