雙目光電綜合偵察平臺(tái)設(shè)計(jì)及信息處理

金曉會(huì)楊 衛(wèi)鄧立齊

（1.中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051；2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051）

雙目光電綜合偵察平臺(tái)設(shè)計(jì)及信息處理

金曉會(huì)1，2，楊 衛(wèi)1，2，鄧立齊1，2

（1.中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051；2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051）

為檢測(cè)定位高危特殊環(huán)境下的目標(biāo)，設(shè)計(jì)一種雙目光電綜合偵察平臺(tái)。平臺(tái)主要集成非平行式雙目紅外熱像儀、激光測(cè)距、云臺(tái)等裝備，整體結(jié)構(gòu)呈U型。平臺(tái)設(shè)計(jì)的兩個(gè)熱像儀性能一致且光軸交叉，根據(jù)最小二乘法可計(jì)算出目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡，同時(shí)根據(jù)目標(biāo)速度選擇激光測(cè)距或雙目紅外熱像儀測(cè)距方式，以獲取目標(biāo)的準(zhǔn)確距離，完成目標(biāo)的最終定位。該平臺(tái)可代替?zhèn)刹烊藛T檢測(cè)高危區(qū)域。

光電平臺(tái)；目標(biāo)定位；雙目視覺(jué)；激光測(cè)距

0 引 言

光電綜合偵察系統(tǒng)經(jīng)過(guò)了半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，其配備已經(jīng)從簡(jiǎn)單的光學(xué)瞄準(zhǔn)具發(fā)展為集雷達(dá)、激光測(cè)距、電視跟蹤等高端設(shè)備為一體的多功能偵察系統(tǒng)[1-2]。美國(guó)在這方面的研究一直處于領(lǐng)先地位，設(shè)計(jì)了LRAS3系統(tǒng)，該系統(tǒng)為一種地面作戰(zhàn)監(jiān)視系統(tǒng)，用于“斯特賴克”裝甲車和防地雷反伏擊車等平臺(tái)，采用多傳感器紅外系統(tǒng)，能夠在低可見(jiàn)度條件下工作[3]；英國(guó)科研機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)了“蛇眼”系統(tǒng)，采用實(shí)時(shí)視頻流信息處理方式為乘員提供作戰(zhàn)現(xiàn)場(chǎng)目標(biāo)信息。目前光電綜合偵察平臺(tái)具有自主搜索、目標(biāo)檢測(cè)、目標(biāo)跟蹤識(shí)別功能[4]，而應(yīng)用層面也由原來(lái)的簡(jiǎn)單背景偵察變?yōu)閺?fù)雜地形、軍事戰(zhàn)場(chǎng)、高危地帶的險(xiǎn)情偵察[5]，起到了越來(lái)越重要的作用。

為了更好地提升光電綜合偵察平臺(tái)的定位精度，達(dá)到戰(zhàn)場(chǎng)無(wú)死角、高準(zhǔn)確度偵察需求，改變傳統(tǒng)的單目視覺(jué)偵察平臺(tái)，以雙目雙向定位方式鎖定目標(biāo)，設(shè)計(jì)了一種雙目光電綜合偵察平臺(tái)。該雙目光電綜合平臺(tái)主要集成了兩個(gè)性能一致的紅外熱像儀、2 000 m量程激光測(cè)距機(jī)和全自動(dòng)雙自由度云臺(tái)等設(shè)備，能夠通過(guò)雙目視覺(jué)定位方法檢測(cè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)軌跡和目標(biāo)當(dāng)前與平臺(tái)的實(shí)際距離。

1 雙目光電綜合偵察平臺(tái)一體化設(shè)計(jì)

雙目光電綜合偵察平臺(tái)核心傳感器為兩個(gè)性能一致的紅外熱像儀，在內(nèi)部設(shè)計(jì)中，熱像儀A與熱像儀B對(duì)稱于中心軸密封在兩側(cè)，兩個(gè)熱像儀光軸夾角為θ，激光測(cè)距發(fā)送器與接收器平行放置于中間。如圖1所示為內(nèi)部排列構(gòu)成，圖2為傳感器組主視圖。

圖1 內(nèi)部構(gòu)成

圖2 傳感器組（單位：mm)

整個(gè)光電綜合偵察平臺(tái)集成了伺服云臺(tái)、紅外熱像儀、激光測(cè)距儀、內(nèi)部處理電路等。其中云臺(tái)為高精度雙自由度可控型云臺(tái)，可完成傳感器組的水平旋轉(zhuǎn)和垂直運(yùn)動(dòng)；傳感器組主要用于收集外部信息；信息處理單元主要控制傳感器運(yùn)行和對(duì)傳感器收集到的信息進(jìn)行處理。圖3為光電偵察平臺(tái)一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，整體構(gòu)架采用U型支撐構(gòu)架，U型構(gòu)架具有安全系數(shù)大、抗干擾能力強(qiáng)、剛度強(qiáng)等特點(diǎn)[6]，能夠提高戰(zhàn)場(chǎng)中平臺(tái)的抗打擊能力。

圖3 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2 雙目光電綜合偵察平臺(tái)信息處理技術(shù)

光電綜合偵察平臺(tái)工作原理如圖4所示，其工作流程為，首先在紅外檢測(cè)系統(tǒng)中植入圖像算法檢測(cè)可疑目標(biāo)，一旦發(fā)現(xiàn)有可疑目標(biāo)后，在圖像坐標(biāo)系上通過(guò)跟蹤框標(biāo)記對(duì)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤，此時(shí)雙目紅外熱像儀定位系統(tǒng)將對(duì)目標(biāo)的軌跡進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)檢測(cè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度，通過(guò)設(shè)置速度閾值，選擇激光測(cè)距或雙目紅外熱像儀測(cè)距，得到目標(biāo)準(zhǔn)確的距離，最終定位出目標(biāo)的具體方位。

圖4 光電綜合偵察平臺(tái)工作原理

2.1 雙目紅外熱像儀定位原理

圖5 雙紅外熱像儀成像

該平臺(tái)采用性能一致的兩個(gè)紅外熱像儀，兩個(gè)熱像儀的光軸交叉，當(dāng)目標(biāo)出現(xiàn)在感知畫(huà)面中，兩個(gè)紅外熱像儀將在同一時(shí)間收集目標(biāo)在同一地點(diǎn)出現(xiàn)的兩種狀態(tài)。系統(tǒng)的成像原理如圖5所示，紅外熱像儀焦距為f，W為基準(zhǔn)線，兩個(gè)光軸的夾角為θ。

定位原理是根據(jù)兩個(gè)紅外熱像儀在同一時(shí)間拍下相同場(chǎng)景中的兩幀照片來(lái)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)定位[7-8]，如圖6所示。假設(shè)熱像儀A和熱像儀B具有相同的焦距f和像素尺寸D，A熱像儀的坐標(biāo)系是O1x1y1，B熱像儀的坐標(biāo)系是O2x2y2，x1O1y1平面和x2O2y2平面在同一個(gè)平面上，假設(shè)C1坐標(biāo)系為世界坐標(biāo)系，設(shè)外界有任意一點(diǎn)M，m1表示MO1與A熱像儀焦平面I1的相交點(diǎn)，m2是MO2與B熱像儀焦平面I2的相交點(diǎn)，由于光軸z1、z2分別垂直于I1、I2平面，所以I1和I2分別平行于x1軸和x2軸，而A的光學(xué)中心O1與B的光學(xué)中心O2的距離為W，O1O2是A坐標(biāo)系的x軸，MO1O2平面和兩個(gè)焦平面I1、I2的交叉線分別為E1、E2，此時(shí)如果A坐標(biāo)系沿著y軸旋轉(zhuǎn)θ度，A坐標(biāo)系將完全重合于B坐標(biāo)系。

圖6 雙目視覺(jué)定位原理

空間點(diǎn)M所在的坐標(biāo)系是（X1，Y1，Z1)，而圖像平面中m1點(diǎn)像素坐標(biāo)為（u1，ν1)，m2的像素坐標(biāo)為（u2，ν2)，則有M坐標(biāo)為

式中 （u0，ν0)是紅外熱像儀A的光軸與圖像平面I1的交叉點(diǎn)，b=f/d（d為目標(biāo)在每幀圖像中行走的距離)。對(duì)于u1、u2、ν1、ν2，由于他們是理想坐標(biāo)系，而實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)考慮攝像頭畸變引起的徑向因素。

目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡可通過(guò)多幀圖像計(jì)算出來(lái)，采用雙目立體視覺(jué)計(jì)算多幀圖像的位置（Xn，Yn，Zn)，n代表幀號(hào)，獲取10幀圖像，根據(jù)最小二乘法擬合計(jì)算出目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡。

2.2 測(cè)距原理

平臺(tái)設(shè)計(jì)中集成了兩種測(cè)距技術(shù)，分別是雙目測(cè)距和激光測(cè)距，兩種測(cè)距方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，只有集成兩種測(cè)距方案才能對(duì)目標(biāo)準(zhǔn)確測(cè)距。雙目紅外熱像儀在目標(biāo)靜止和緩慢移動(dòng)時(shí)測(cè)距準(zhǔn)確性較高，然而當(dāng)目標(biāo)快速移動(dòng)時(shí)，雙目視覺(jué)就無(wú)法滿足實(shí)時(shí)性的需求，在實(shí)際應(yīng)用中容易錯(cuò)過(guò)快速移動(dòng)的目標(biāo)。激光測(cè)距模塊具有實(shí)時(shí)性好，測(cè)距頻率高和體積小的特點(diǎn)，能夠及時(shí)向指揮部匯報(bào)目標(biāo)距離信息，然而存在激光光束無(wú)返回值和返回錯(cuò)誤目標(biāo)信息的情況，測(cè)距結(jié)果相對(duì)穩(wěn)定性較差。實(shí)際作業(yè)時(shí)，根據(jù)目標(biāo)的速度決定采用測(cè)距方式，設(shè)置速度閾值為ν0，當(dāng)檢測(cè)到的目標(biāo)速度＜ν0時(shí)，采用雙目紅外熱像儀測(cè)距，當(dāng)速度≥ν0時(shí)，采用激光測(cè)距。

2.2.1 激光測(cè)距原理

平臺(tái)采用脈沖式激光測(cè)距傳感器，在測(cè)距原點(diǎn)向測(cè)得的目標(biāo)發(fā)射一束激光，光照射到目標(biāo)上反射回的一部分激光被激光接收器接收，假設(shè)激光從發(fā)射到接收總時(shí)間為Δt，則被測(cè)目標(biāo)距離激光測(cè)距傳感器的距離為

式中：R——目標(biāo)與激光測(cè)距的距離；

c——大氣光速[9-10]。

激光信息處理器接收到上級(jí)的發(fā)射指令后，控制激光器產(chǎn)生激光脈沖，經(jīng)準(zhǔn)直后發(fā)向目標(biāo)，少量返回的激光進(jìn)入到采樣電路中形成回波信號(hào)，接收光學(xué)系統(tǒng)將回波信號(hào)經(jīng)放大、濾波等處理檢測(cè)出光回波信號(hào)，并與主波一起發(fā)送給激光信息處理器。經(jīng)過(guò)信息處理器對(duì)主波和回波的信號(hào)時(shí)延精密測(cè)量，從而得到目標(biāo)距離。

2.2.2 雙目紅外熱像儀測(cè)距原理

在世界坐標(biāo)系中，目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡上任意一點(diǎn)M都是可以通過(guò)雙目視覺(jué)定位原理實(shí)現(xiàn)的，點(diǎn)M坐標(biāo)是（X1，Y1，Z1)，激光測(cè)出的點(diǎn)M距離光電綜合偵察平臺(tái)的距離是L，在理想狀態(tài)下，非平行式紅外熱像儀測(cè)距原理如圖7所示。

圖7 非平行式雙目測(cè)距原理

圖中，AQ為垂直于A攝像頭光軸的線段，設(shè)長(zhǎng)度為s，則有：

由圖7相似三角形關(guān)系計(jì)算可得：

根據(jù)成像關(guān)系可得L長(zhǎng)度為

3 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)了一種雙目紅外熱像儀的智能光電綜合偵察平臺(tái)，對(duì)該平臺(tái)的結(jié)構(gòu)和信息處理技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)描述。在光電綜合偵察平臺(tái)中添加雙目紅外熱像儀能夠提升整體平臺(tái)的感知能力，利用相關(guān)信息處理技術(shù)可以計(jì)算出目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡和實(shí)際距離。該光電綜合偵察平臺(tái)可應(yīng)用于高危場(chǎng)景下的目標(biāo)感知，能夠增加戰(zhàn)場(chǎng)作戰(zhàn)能力。

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Binocular electro-optical search platform design and information processing

JIN Xiaohui1，2，YANG Wei1，2，DENG Liqi1，2
（1.Science and Technology on Electronic Test&Measurement Laboratory,North University of China，Taiyuan 030051，China；2.Key Laboratory of Instrumentation Science&Dynamic Measurement Ministry of Education，North University of China，Taiyuan 030051，China）

A binocular electro-optical search platform was proposed to locate the target in special and dangerous environments.The platform in a U-shaped structure is chiefly integrated with a nonparallel binocular infrared system，a laser rangefinder and a cradle head.Moreover，it is provided with two thermal imagers with the same performance and crossing axis to calculate the trajectory of the target by least squares.Meanwhile，laser rangefinders or binocular infrared thermal imagers are selected according to the speed of the target to measure the accurate distance and target location.The platform can be used as a substitute for scouts in special and dangerous environments.

electro-optical search platform；target location；binocular vision；laser rangefinder

A

：1674-5124（2015）10-0104-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2015.10.023

2015-01-29；

：2015-03-05

金曉會(huì)（1988-)，女，遼寧朝陽(yáng)市人，碩士研究生，專業(yè)方向?yàn)閳D像檢測(cè)與目標(biāo)識(shí)別。