光电经纬仪人工跟踪训练系统

光电经纬仪人工跟踪训练系统（共4篇）

篇1：光电经纬仪人工跟踪训练系统

光电经纬仪人工跟踪训练系统

为解决航空武器试验中人工跟踪难度大、成本高、有一定危险性等问题,设计了一套光电经纬仪人工跟踪训练系统.本文首先对训练系统自身的要求和特点进行了研究,提出了基本设计思想,重点分析了系统的.体系结构,并介绍了使用的关键技术.最后介绍了该系统的硬件组成和软件功能.实际应用表明,该系统能有效地满足训练的要求.

作者：龚锦龙邓彬 GONG Jin-long DENG Bin 作者单位：成都电子科技大学电子工程学院,成都,610054刊名：电光与控制 ISTIC PKU英文刊名：ELECTRONICS OPTICS & CONTROL年，卷(期)：200613(4)分类号：V24 TH761.1关键词：光电经纬仪航迹规划任务 HDLC

篇2：光电经纬仪人工跟踪训练系统

在某姿态测量系统中,伺服系统控制经纬仪在方位和俯仰两个自由度运动对目标进行实时跟踪.测量分站主控计算机首先通过接收外部引导信息快速将目标引入捕获电视视场,当脱靶量信息稳定后切入电视跟踪模式.当目标位置超出捕获电视作用距离后,重新切换到外引导模式,并进行必要的地球曲率修正,保证测量电视系统对目标的`连续成像.实际应用证明,多种引导源可以相互补充,扩展系统的捕获和跟踪能力,提高跟踪精度.

作者：刘铁军杨小军彭伟 LIU Tie-jun YANG Xiao-jun PENG Wei 作者单位：刘铁军,LIU Tie-jun(中国科学院西安光学精密机械研究所,西安,710019;中国人民解放军63861部队60-1分队,白城,137001)

杨小军,彭伟,YANG Xiao-jun,PENG Wei(中国科学院西安光学精密机械研究所,西安,710019)

篇3：光电经纬仪人工跟踪训练系统

随着现代光电技术的迅猛发展,促进了精确制导与武器防御系统的日益成熟和完善。由于红外技术具备全天时工作、检测概率高、隐蔽性能好和抗干扰性强等特点,从而被较多的应用于精确制导及目标检测跟踪领域,成为世界各国的研究热点。多目标跟踪技术是一项包括图像处理、模式识别、概率论与统计推理、随机过程、系统状态估计等多学科交叉的前沿研究主题。在军事领域,多目标跟踪已用于无人侦察机战场侦察,巡航导弹末端制导,弹道导弹防御,海洋监视、战场监视等方面。

红外多目标实时跟踪技术的实现有很多难点[1],首先,图像信噪比低、对比度差,目标尺寸小、形状和纹理等信息匮乏,图像背景复杂,目标与杂波交织在一起,形成大量虚假目标,因此,红外目标的检测与跟踪十分困难。其次,目标合并及交叉运动过程中的数据关联问题,目标的丢失与重现现象,也是多目标跟踪的难点之一。目前国内外的研究重点都集中在红外单目标的跟踪上,而红外多目标的检测跟踪领域却研究较少,开展红外多目标实时检测跟踪方面的研究具有重要的学术意义和实用价值。

红外图像的多目标跟踪过程包括图像预处理、目标检测、目标跟踪等过程,数据计算量大,且必须满足实时性要求。传统的地平式跟踪架构经纬仪视场有限,在天顶角15°附近有天顶跟踪盲区,当目标涵盖范围广时,单视场往往很难包含所有的红外小目标,这时就会出现丢失目标的现象。因此本文采用FPGA+双DSP架构和多经纬仪大视场来建立多目标协同跟踪系统。FPGA与DSP之间通过高速通信协议SRIO进行数据交互,以满足跟踪系统实时性的要求;FPGA对双路红外图像处理结果进行数据拼接融合,本文针对图像拼接实时性的要求,结合双经纬仪的多坐标系的几何结构,提出了一种Harris提取特征点、目标坐标进行修正的红外图像拼接算法,最后将处理结果通过PCI-e送给上位机进行实时显示。

1 大视场协同跟踪方案

在靶场测量中,目标数量较多且方位性比较随机,单经纬仪的视场很难满足多目标实时跟踪,在跟踪过程中会遇到目标的丢失现象,针对这一特点,提出一种多经纬仪、大视场协同跟踪方案。具体设计思想如图1所示。

本方案拟采用图像拼接融合决策器(FPGA)控制两台经纬仪达到扩大视场的目的。当有目标出现在主视场内时,主经纬仪会将目标的方位及灰度等特征传输给决策器,当主视场内有目标丢失时,决策器会收集主视场中丢失目标的数据,控制从经纬仪来跟踪丢失的目标,并将两台经纬仪的图像进行拼接融合,达到大视场、多目标实时跟踪的目的。

文献[2]提出了一种U型多传感器拼接方案,将是个镜头结合U型照准架的十字架两维拼接而成。此方案通过机械结构的改造单纯了扩大了视场,四个镜头的俯仰、水平方位必须统一转动,这样对于目标离开视场的时候就无法继续跟踪,如果采用双经纬仪多站分布,分成主从模式,对于离开视场的目标,通过图像拼接融合决策器进行伺服控制从经纬仪对丢失的目标进行二次跟踪,这样使得系统更加灵活,跟踪范围更广,也更加精确。

首先对主经纬仪A建立左手三维坐标系,假设目标C的坐标为(x, y, z),从经纬仪B在主经纬仪A坐标系下的坐标为(a,0,0),则可以得出目标C在以从经纬仪B建立的左手三维坐标系下的坐标为(x-a, y, z),因此目标C在主从经纬仪坐标系下的俯仰角、方位角都可以得到,如公式(1)-(4)所示,这样依据变换后的目标坐标及俯仰方位角,通过伺服控制从经纬仪就可以精确的捕捉到丢失的目标,实现二次跟踪。

$\begin{array}{l} θ_{1} = \arctan \frac{z}{\sqrt{x^{2} + y^{2}}} (1) \\ φ_{1} = \arctan \frac{y}{x} (2) \\ θ_{2} = \arctan \frac{z}{\sqrt{(x - a)^{2} + y^{2}}} (3) \\ φ_{2} = \arctan \frac{y}{x - a} (4) \end{array}$

2 图像拼接融合

本系统为双通道图像输出模式,一路为原始通道,输出原始红外拼接图像;一路为目标输出通道,输出预处理检测跟踪处理后的带有标记目标的红外图像。由于两台经纬仪俯仰方位转动的不一致性,两幅预拼接图像的重叠部分可分为三种情况:水平重叠、垂直重叠和旋转重叠,如图2所示。

红外图像的拼接过程包括图像配准、几何变换模型、图像融合三个方面。目前图像拼接的方法众多,如李[3]等人提出了结合特征点与极谐变换的图像拼接算法;田[4]提出了基于相位相关模板匹配的全景图像拼接算法;谭[5]等人提出了基于Halcom的图像拼接算法研究。以上算法都是依据图像本身的结构特征、灰度特征等信息来实现图像拼接,其算法较为复杂,计算量较大,不易实时实现,且容易出现错误的匹配点,精度不高。本文针对传统Harris特征提取算子提取特征点时容易出现错误特征点的问题,结合双经纬仪的多坐标系的几何结构,提出了一种Harris提取特征点、目标坐标进行修正的红外图像拼接算法。本文将像面坐标系和拼接算法结合起来,将经纬仪坐标系通过矩阵变换得到红外图像的像面坐标系,通过经纬仪得到的目标坐标结果转换为目标的像面坐标,这样利用多个目标的二维坐标结合Harris算法提取的特征点进行多方位对图像进行拼接操作,这样能降低由于判断错误特征点而消耗的时间,提高拼接算法的实时性,并且通过坐标标定能提高拼接算法的可靠性。

其算法流程如下:

1)初始化经纬仪,开启主经纬仪模式,从经纬仪处于关闭状态。

2)由主经纬仪获取原始图像序列,并对原图像进行预处理、目标检测、目标跟踪,获取目标的坐标及灰度等信息。

3)如果图像中有目标消失,决策器将该目标的坐标及灰度信息通过FPGA的坐标转换后,送至伺服控制器来控制从经纬仪对丢失目标进行二次跟踪。

4)对主经纬仪和从经纬仪获得的图像在图像融合决策器FPGA中进行Harris角点计算,并对两图像的目标坐标及灰度信息进行关联,结合角点及坐标信息进行拼接融合操作。

5)通过PCI-e输出结果图至主控计算机显示及存储。

3 系统结构设计

系统框架图如图3所示,包括FPGA芯片、DSP芯片、DDR2-SDRAM芯片、FLASH芯片、红外探测器、主控计算机以及两台经纬仪等。

在核心器件选择方面,FPGA选用Xilinx公司的XC5VLX110T型芯片,最大可达5 328 Mb的block RAM为缓存模块提供丰富的存储资源,64个DSP48E Slice支持在FPGA内部开辟多个DSP核,680个用户I/O使其具有丰富的可扩展性,其对PCI-e和SRIO通信协议的支持提高了处理器间,处理器与终端间的通信速度。DSP芯片采用了T I公司高性能定点DSP处理器TMS320C6455。该DSP是支持SRIO协议的一款高速定点信号处理器,其内部有八个并行处理单元,体系结构采用超长指令字结构(VLIW),芯片工作主频可以达到1.2 GHz,当片内8个单元并行运行时其最大处理能力可以达到9 600 MIPS。

在通信协议方面,处理器间通过SRIO协议进行完成通信,处理器与控制计算机间按PCI Express协议进行交互,两种协议都采用了基于串化解串(Serdes)的高速串行总线技术。SRIO是Serial Rapid I/O的缩写,已于2004年被国际标准化组织(ISO)和国际电工协会(IEC)批准为ISO/IECDIS 18372标准,是一种高性能,低引脚数,基于报文交换的互连体系结构。SRIO协议包含定义电气特性、链路控制和低级错误管理的物理层,定义路由与寻址机制的传输层,定义总体协议和包格式的逻辑层。根据SRIO协议,其单路传输速率理论最高可达3.125 Gbps,而实际应用中一般不低于2 Gbps。PCI Express协议简称PCI-e,是由英特尔公司特出的适合板卡与计算机间交互的高速通信协议,在2.0版本16X模式下最高可达到80Gbps的传输速率,即使在通道数最少的1X模式下依然有4Gbps的通信速率。

具体流程:本文拟采用FPGA作核心处理芯片,对主视场红外图像进行采集,利用DDR2-SDRAM对输入数据进行乒乓缓存,然后在主从视场数据处理模块中对图像进行预处理操作,然后FPGA通过SRIO高速通信协议将处理后图像送至DSP芯片,对预处理图像进行目标检测、跟踪等运算;DSP再将得到的目标灰度值、方位等数据通过SRIO传回给FPGA,FPGA对目标数据进行分析,控制从经纬仪对丢失目标进行协同跟踪,这样,分视场数据处理模块以及DSP2对丢失的目标数据进行预处理、目标检测跟踪等算法运算,最后将数据送至FPGA中的图像拼接融合模块,此模块将处理后的红外图像进行拼接融合,然后将最终图像、目标的俯仰方位角和灰度等特征通过PCI-e送给主控计算机上实时显示。

4 实验结果及分析

首先搭建一套大视场协同跟踪实验平台,包括FPGA+双DSP的数据处理板卡、两台红外探测器,使用配置为Intel(R)Xeon(R) CPU 5110 @ 1.60 GHz 1.60 GHz,2.00 GB内存并安装有VC6.0的PC机作为控制计算机。通过外场实验采集到的红外图像数据对本平台进行试验验证。探测器为定制的适用于目标跟踪的某红外相机,帧频为50帧/s,像元大小14 μm,输出分辨率为640×512的8位灰度图像。采用针对多目标跟踪定制的V3IMG型信号处理平台作为实时图像处理系统,如图4所示。

为了验证此系统的有效性,本文选择一些处理效果好、实时性高的处理算法对采集图像进行数据处理分析,如采用文献[6]提出的改进固视微动算法对红外图像进行预处理操作,然后采用Otsu自适应阈值分割算法对图像进行分割检测得到目标。由于靶场中目标为近似线性运动,本文采用文献[1]提出的改进Mean-Shift算法对多目标进行跟踪运算。最后的数据处理结果在主控计算机上采用VC6.0编写的大视场协同跟踪软件上实时显示。图5为原始图像通道显示,原始图像通过PCI-e1通道将图像送至上位机显示。图6为图像处理通道结果,处理结果通过PCI-e2通道将图像送至上位机显示。

由上图可以看出,在分辨率640×512、镜头焦距220 mm条件下,单个经纬仪可获得方位2°,俯仰2.5°的视场。在靶场测量中,目标距离经纬仪10 km左右,目标涵盖范围在1 000个像元内,两台经纬仪视场重叠部分为280个像元,则本系统能达到的视场为方位3.6°、俯仰2.5°,达到了大视场的目的。

5 结论

本文针对多目标跟踪过程中容易出现的丢失目标的问题,提出了一种大经纬仪、多视场的协同跟踪系统。通过主从经纬仪对目标信息的数据交互,利用图像拼接融合决策器控制从经纬仪对丢失的目标进行协同跟踪。针对系统中红外图像的拼接融合问题,结合双经纬仪的多坐标系的几何结构,提出了一种Harris提取特征点、目标坐标进行修正的红外图像拼接算法,本算法适用于红外图像的多种重叠方式,计算量小,易于实时实现。最后通过实验平台的搭建,对实地场景进行实验操作,并通过实验结果的表观现象以及数据分析证明了此多经纬仪、大视场协同跟踪平台的可行性和可靠性。今后的研究方向主要集中在目标检测、目标跟踪的算法优化领域,提出效果更好、实时性更高的跟踪算法以及将算法在此协同跟踪平台上实现。

参考文献

[1]杜辉,郭雷.一种红外多目标跟踪的快速算法[J].微处理机,2009,6(6):56-58.

[2]杨立保,李艳红,王晶,等.多镜头成像拼接方法在经纬仪系统中的应用[J].光学精密工程,2010,18(5):1048-1054.

[3]李淑尚,李雷达,何霁野,等.结合特征点与极谐变换的图像拼接[J].计算机工程与应用,2011.7.

[4]田丰.基于相位相关模板匹配的全景图像拼接[J].电子测试,2011,(12):31-36.

[5]谭杰,王殊轶,王慧芳,等.基于Halcon的图像拼接算法研究[J].微电子学与计算机,2011,28(12):184-189.

篇4：光电跟踪仪目标仿真系统设计

关键词：动态目标；目标仿真；模拟场景

中图分类号： TN 2文献标志码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2015.02.013

Design of target simulator for optoeletronical tracking system

LUO Jingling， DU Juan

（Wuhan National Laboratory for Optoelectronics， China Shipbuilding Industry Group

No.717 Research Institute， Wuhan 430020， China）

Abstract： Optoelectronical tracking system works day and night. It has the advantages of lots of information， high resolution and it is an intelligent system on the ships. In this paper， we design a target simulator for ships and aerial target. It presents the system composition and the function blocks of simulation software. By analysis of the system for static and dynamic target tracking， we calculate tracking accuracy for optoelectronical tracking system.

Keywords： dynamic target； target simulation； simulative scene

引言舰载光电跟踪仪是舰炮武器系统中跟踪海空目标的跟踪设备，采用光电成像方式，将自然景物的光信息转变为视频图像。它是舰载近程反导武器系统中最适合的跟踪设备，目标的跟踪能力是光电跟踪仪的重要性能指标之一[1]。因此在光电跟踪仪的跟踪能力测试中，目标的选取至关重要。光电跟踪仪对目标进行可靠提取并跟踪通常要同时满足3个条件：目标表面光或热辐射能量经大气传输达到接收光学系统最小接收范围；目标经光学系统在靶面上成像的尺寸应满足跟踪提取目标的要求；目标和背景在探测器像面对比度应大于信号检测所需要的最小对比度要求[23]。目前，在光电跟踪仪试验和测试过程中，目标的选取主要还是依赖于实体目标。本文介绍了一种舰载光电跟踪仪的目标仿真系统，通过软件对目标进行仿真，可对海上和空中两种目标进行仿真，从而达到对舰载光电跟踪仪跟踪能力的全面测试。1系统组成及基本原理光电跟踪仪目标仿真系统的原理是通过计算机模拟真实场景的变换，通过视频叠加技术，在海天背景上叠加海上和空中目标，配合光电跟踪仪进行工作，达到了真实仪器和虚拟现实系统的实时同步，从而完成对光电跟踪仪跟踪能力的测试[45]。光电跟踪仪目标仿真系统主要由工控计算机和控制机箱组成。控制机箱包含操控模块、低压电源、距离模拟电路板、检测控制板和角度转换板五个部分。工控计算机中包含高速视频叠加卡、显卡。高速视频叠加卡用于目标的叠加和产生，距离模拟电路板和角度转换板用于目标三维航路的生成，检测控制板用于激光主、回波信号的模拟和时统信号的对准。其原理图如图1所示。

图1光电跟踪仪目标仿真系统原理图

Fig.1Schematic diagram of target simulator for optoelectronical tracking system

光学仪器第37卷

第2期罗静玲，等：光电跟踪仪目标仿真系统设计

工作原理通过光电跟踪仪目标仿真系统的计算机软件界面设置模拟目标参数，计算机根据目标的距离、航向、航速、航路捷径和光电跟踪仪传送过来的测角模拟量，由计算机解算出目标叠加在视频图像上的位置；通过视频叠加卡生成模拟目标视频信号及相关背景，并依据模拟目标的距离确定激光主、回波信号，将叠加了模拟目标的视频和模拟的激光主、回波信号回送给光电跟踪仪；通过控制机箱的操控模块对光电跟踪仪进行操控，完成模拟目标捕获、提取、跟踪和测距，光电跟踪仪目标仿真系统根据光电跟踪仪发送回来的目标跟踪误差来评定其跟踪性能[6]。2目标仿真软件设计光电跟踪仪目标仿真系统采用Windows XP操作系统，其软件设计采用VC6.0、OpenGL。功能模块可分为人机交互、目标航路计算、目标仿真图像绘制、仿真图像视频叠加、数据与图像处理发送、数据处理评估、系统自检等模块。

2.1目标航路计算根据设定的目标类型、目标速度、航向等信息，实现目标航路的计算，实时计算出目标在当前时刻的三维坐标参数。

2.2目标仿真图像绘制模块实现目标模型的绘制、场景图像的绘制、依据目标距离和视场匹配目标大小、目标姿态调整。目标仿真图像绘制子功能模块组成如图2所示。

2.3仿真图像视频叠加模块依据目标运行轨迹，实现目标与背景场景的准确叠加。包括目标三维数据折算成像素点坐标、目标模型在像素点坐标的贴图。其组成如图3所示。

图2目标仿真图像绘制子功能模块图

nlc202309040206

Fig.2Function block for images plotting of

the target simulator图3仿真图像视频叠加子功能模块图

Fig.3Function block for image superposition of

the target simulator

2.4数据与图像处理模块实现测角方位、高低数据的采样、激光状态采样、仿真图像数据发送、目指数据发送等。其组成如图4所示。

2.5数据处理评估实现光电跟踪的误差统计。光电设备对模拟目标进行跟踪时，统计光电跟踪的方位和高低误差量，计算出方位和高低方向跟踪误差的均方差，与设备要求的跟踪精度进行比较，并判断跟踪性能是否合格。

2.6操控组件检测实现操纵杆、触摸屏、摸球等操控组件的检测。如图5所示。

图4数据与图像处理子模块图

Fig.4Function block for data and image processing图5操控组件检测子模块组成图

Fig.5Function block for component testing

3系统测试光电跟踪仪目标仿真系统操作界面如图6所示。在人机界面上可以选择目标类型“海上目标”或是“空中目标”，然后对目标的运动方向、距离、速度、图6光电跟踪仪目标仿真系统界面

Fig.6Interface of the target simulator system加速度等参数进行设置，还可以预设几个固定的目标轨迹，以便随时调用。当目标参数设置完毕后，即可开始仿真，系统会按照相应的目标参数模拟出目标的实时视频。该仿真视频输入光电跟踪仪，操作手操作光电跟踪仪对目标进行捕获跟踪，系统则会统计出方位与高低方向的跟踪误差，并判断光电跟踪仪的跟踪性能是否满足要求。测试数据如表1所示，可见该仿真系统可正确地进行目标仿真，并能有效地测试光电跟踪仪的跟踪精度。

表1测试数据表

Tab.1Test data

序号目标距离/m运动速度/（m·s-1）运动方向/（°）目标类型航路捷径/m跟踪精度/mrad110 0001290海上目标1 0000.08212 00020030空中目标5000.2037 00018045空中目标4000.18

4结论该目标仿真系统采用视频叠加技术生成仿真目标的视频，供光电跟踪仪进行目标跟踪。经实际应用表明该系统可稳定正常地产生仿真目标视频，并自动计算光电跟踪仪的跟踪精度，有效地检验了光电跟踪仪的跟踪性能。参考文献：

[1]蒋鸿旺.舰用光电跟踪仪的发展特点和趋势[J].应用光学，1995，16（42）：16.

[2]赵建川，姜润强，王伟国.光电跟踪仪作用距离分析[J].光电技术应用，2009，24（3）：1516.

[3]孙希东.光电观察系统对海作用距离测试与评价方法[J].光学与光电技术，2010，8（5）：2829.

[4]陈纬真，张春华，王学伟，等.空间观测序列图像目标运动成像仿真[J].激光与红外，2008，8（3）：1419.

[5]何永强，唐德帅，胡文刚，等.一种红外场景仿真系统工作状态寻优方法[J].光学仪器，2013，35（6）：4347.

[6]韩意，孙华燕，李迎春，等.基于OpenGL的空间目标图像生成方法[J].计算机仿真，2010，27（6）：267270.

（编辑：张磊）

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