本發(fā)明涉及被動(dòng)光學(xué)掃描成像告警技術(shù)，特別涉及紅外面陣搜索跟蹤系統(tǒng)和方法。

背景技術(shù)：

隨著精確制導(dǎo)導(dǎo)彈、炮彈等武器的大量使用，戰(zhàn)場(chǎng)地面機(jī)動(dòng)設(shè)備(指揮控制車(chē)、導(dǎo)彈發(fā)射車(chē)、坦克、裝甲車(chē))的防護(hù)已成為現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中必須考慮的關(guān)鍵問(wèn)題之一。在各類告警技術(shù)中，雷達(dá)、激光等有源技術(shù)存在易被敵方察覺(jué)并打擊的缺點(diǎn)，而紅外告警作為一種無(wú)源技術(shù)，能夠做到在發(fā)現(xiàn)敵人的同時(shí)隱蔽自己，在對(duì)付精確制導(dǎo)導(dǎo)彈、炮彈、魚(yú)雷等武器方面具有不可替代的作用。

當(dāng)前，紅外搜索跟蹤系統(tǒng)主要采用的是掃描成像的線陣列焦平面探測(cè)器，這種探測(cè)器的積分成像原理很適合于固定角速度的空域搜索工作模式。但是系統(tǒng)積分時(shí)間受掃描速率所限，通?；ㄔ诿總€(gè)像素的時(shí)間都在數(shù)十微秒量級(jí)。因此，輸出的信號(hào)強(qiáng)度較弱，信噪比較低。

相比較線陣列器件而言，面陣列焦平面器件具備以下三大優(yōu)勢(shì)：首先，面陣列焦平面器件積分時(shí)間更長(zhǎng)，達(dá)到1～1000ms的數(shù)量級(jí)，從而使得面陣列焦平面器件具備更高的熱靈敏度，更長(zhǎng)的成像積分時(shí)間，更有利于系統(tǒng)信噪比及系統(tǒng)的極限作用距離兩項(xiàng)核心指標(biāo)的提升；其次，采用面陣列焦平面探測(cè)器的紅外搜索跟蹤系統(tǒng)工作幀頻高，單位時(shí)間內(nèi)獲得的圖像信息多，更適應(yīng)高速和超高速武器系統(tǒng)圖像信息獲取的需求；再次，在分辨率相同的情況下，面陣列器件具備更高的搜索效率。因此，研究面陣列探測(cè)器在搜索跟蹤系統(tǒng)中的應(yīng)用技術(shù)，可大幅度的提高系統(tǒng)信噪比及搜索效率，進(jìn)而延長(zhǎng)系統(tǒng)的預(yù)警探測(cè)距離。

然而，假如僅僅只是將原有的線列探測(cè)器更換為面陣探測(cè)器，而仍沿用原系統(tǒng)搜索狀態(tài)下的工作模式，轉(zhuǎn)臺(tái)周轉(zhuǎn)時(shí)，場(chǎng)景相對(duì)于面陣探測(cè)器也在周轉(zhuǎn)，在無(wú)任何補(bǔ)償措施的情況下，場(chǎng)景圖像無(wú)法在面陣列器件的積分時(shí)間內(nèi)相對(duì)成像器件保持靜止，所形成的搜索圖像會(huì)存在嚴(yán)重的“拖尾”，使得系統(tǒng)無(wú)法對(duì)告警目標(biāo)進(jìn)行精確定位。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于設(shè)計(jì)出一套通用的、適合于實(shí)際作戰(zhàn)環(huán)境的基于面陣探測(cè)器的紅外搜索跟蹤系統(tǒng)。系統(tǒng)同時(shí)具有目標(biāo)告警與目標(biāo)跟蹤的功能，同時(shí)具有清晰的成像效果、更低的虛警率以及更遠(yuǎn)的探測(cè)距離。

一種基于高速擺鏡的紅外面陣搜索跟蹤系統(tǒng)，包括：紅外頭部、方位轉(zhuǎn)臺(tái)、基座以及伺服控制組件和信息處理組件，其特征在于：所述的紅外頭部與伺服控制組件、信息處理組件安裝在方位轉(zhuǎn)臺(tái)上，方位轉(zhuǎn)臺(tái)安裝在作為系統(tǒng)支架的基座上；外部輻射經(jīng)高速擺鏡組件以平行光的形式反射到光學(xué)系統(tǒng)，光學(xué)系統(tǒng)將紅外輻射匯聚到紅外面陣探測(cè)器，面陣探測(cè)器將光學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，并輸入到信息處理組件，信息處理組件對(duì)目標(biāo)信息進(jìn)行分析和識(shí)別，伺服控制組件根據(jù)信息處理組件提供的目標(biāo)告警信息分別控制高速擺鏡組件和方位轉(zhuǎn)臺(tái)，使系統(tǒng)工作在搜索或者跟蹤模式下。所述的信息處理組件包括數(shù)據(jù)采集模塊、信號(hào)處理模塊和主控及顯示模塊；所述數(shù)據(jù)采集模塊將電信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)；所述信號(hào)處理模塊處理所述數(shù)字信號(hào)，得到目標(biāo)告警信息；主控及顯示模塊將目標(biāo)告警信息上報(bào)和顯示，形成指令，并輸出到伺服控制組件，所述數(shù)據(jù)采集模塊安裝于紅外頭部。

進(jìn)一步，所述的紅外頭部以來(lái)自物方光束經(jīng)過(guò)先后為序，依次由高速擺鏡組件、光學(xué)系統(tǒng)以及紅外面陣探測(cè)器構(gòu)成，所述的光學(xué)系統(tǒng)包括第一透鏡組、45°反射鏡和第二透鏡組；所述高速擺鏡組件包括平面反射鏡、音圈電機(jī)、U型支架、反射鏡軸系、高精度光柵尺和機(jī)械限位裝置，采用音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)反射鏡，采用高精度光柵尺測(cè)量反射鏡轉(zhuǎn)角，對(duì)反射鏡驅(qū)動(dòng)形成閉環(huán)控制，同時(shí)設(shè)計(jì)機(jī)械限位裝置對(duì)反射鏡限位。

進(jìn)一步，所述方位轉(zhuǎn)臺(tái)包括方位電機(jī)、光柵編碼器和導(dǎo)流環(huán)以及方位轉(zhuǎn)臺(tái)軸系，方位電機(jī)采用圓環(huán)形的永磁交流伺服電機(jī)，光柵編碼器采用中空結(jié)構(gòu)的絕對(duì)式編碼器，導(dǎo)流環(huán)采用精密導(dǎo)電滑環(huán)，方位軸系主軸承采用交叉滾子軸承，方位軸系副軸承采用圓柱滾子軸承。

本發(fā)明提供的一種基于高速擺鏡的紅外面陣搜索跟蹤系統(tǒng)的搜索跟蹤方法，通過(guò)采用紅外面陣探測(cè)器配合高速擺鏡實(shí)現(xiàn)告警系統(tǒng)的全方位搜索與跟蹤，方法步驟如下：

步驟一、紅外頭部隨方位轉(zhuǎn)臺(tái)快速掃描，高速擺鏡組件同步進(jìn)行“像移補(bǔ)償”，控制方法上保證反射鏡轉(zhuǎn)動(dòng)方向與方位轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)方向相反，反射鏡轉(zhuǎn)動(dòng)角速度為方位轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)角速度的一半，反射鏡轉(zhuǎn)動(dòng)角范圍為光學(xué)視場(chǎng)的一半，實(shí)現(xiàn)探測(cè)器積分時(shí)間內(nèi)采集的空域不變，面陣探測(cè)器探測(cè)到的信息經(jīng)導(dǎo)流環(huán)輸出到信息處理組件，系統(tǒng)工作在搜索模式下；

步驟二、信息處理組件對(duì)上述信息進(jìn)行處理，如果認(rèn)為搜索到目標(biāo)，系統(tǒng)進(jìn)入跟蹤模式，方位轉(zhuǎn)臺(tái)快速旋轉(zhuǎn)至目標(biāo)所在方位角，同時(shí)控制高速擺鏡組件進(jìn)行精跟蹤；如果認(rèn)為沒(méi)有搜索到目標(biāo)，則系統(tǒng)繼續(xù)工作在搜索模式下。

本發(fā)明和現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果是：

(1)解決了面陣探測(cè)器由于轉(zhuǎn)動(dòng)帶來(lái)的成像“拖尾”問(wèn)題，使得系統(tǒng)能夠在快速搜索跟蹤過(guò)程中清晰成像，為面陣探測(cè)器在紅外搜索跟蹤系統(tǒng)中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)；(2)通過(guò)面陣探測(cè)器在紅外搜索跟蹤系統(tǒng)中的應(yīng)用，大幅度地提高了系統(tǒng)的核心指標(biāo)，使得系統(tǒng)具有更高的信噪比、更高的搜索效率和更遠(yuǎn)的探測(cè)距離。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的紅外頭部的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例提供的高速擺鏡組件的結(jié)構(gòu)示意圖，其中：

(a)為高速擺鏡組件右向等軸測(cè)圖，

(b)為高速擺鏡組件左向等軸測(cè)圖；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例提供的方位轉(zhuǎn)臺(tái)與高速擺鏡組件控制時(shí)序圖；

圖5為本發(fā)明實(shí)施例提供的信息處理組件組成示意圖；

圖6為本發(fā)明實(shí)施例提供的信息處理流程框圖。

圖中編號(hào)：1為紅外頭部，2為方位轉(zhuǎn)臺(tái)，3為基座，4為伺服控制組件，5為信息處理組件；1-1為高速擺鏡組件，1-2為光學(xué)系統(tǒng)，1-3為面陣探測(cè)器；1-1-1為反射鏡，1-1-2為音圈電機(jī)，1-1-3為U型支架，1-1-4為反射鏡軸系，1-1-5為高精度光柵尺，1-1-6為機(jī)械限位裝置，1-2-1為第一透鏡組，1-2-2為45°反射鏡，1-2-3為第二透鏡組。

具體實(shí)施方式

下文中，結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步闡述。

結(jié)合參考圖1和圖2，本發(fā)明實(shí)施例提供的一種基于高速擺鏡的紅外面陣搜索跟蹤系統(tǒng)包括：紅外頭部1、方位轉(zhuǎn)臺(tái)2、基座3、伺服控制組件4和信息處理組件5。紅外頭部1包括依次以光路聯(lián)結(jié)的高速擺鏡組件1-1、光學(xué)系統(tǒng)1-2和面陣探測(cè)器1-3，其中光學(xué)系統(tǒng)1-2包括第一透鏡組1-2-1、45°反射鏡1-2-2和第二透鏡組1-2-3。紅外頭部1、伺服控制組件4和信息處理組件5集成設(shè)計(jì)，共同安裝在方位轉(zhuǎn)臺(tái)2上，能夠繞垂直軸全方位旋轉(zhuǎn)；方位轉(zhuǎn)臺(tái)2與基座3機(jī)械聯(lián)結(jié)；基座3作為系統(tǒng)支架，用于固定和支撐整套系統(tǒng)。

參考圖3，所述的高速擺鏡組件1-1包括：反射鏡1-1-1、音圈電機(jī)1-1-2、U型支架1-1-3、反射鏡軸系1-1-4、高精度光柵尺1-1-5和機(jī)械限位裝置1-1-6等。反射鏡1-1-1為平面反射鏡，以硬鋁合金為基底經(jīng)表面復(fù)制工藝達(dá)到反射鏡的動(dòng)態(tài)特性和反射率要求。音圈電機(jī)1-1-2持續(xù)推力為27.5N、總行程為15mm、側(cè)向間隙為1mm。高精度光柵尺1-1-5最小分辨率50nm。

由于反射鏡是往復(fù)擺動(dòng)的，而且只有在反射鏡轉(zhuǎn)動(dòng)方向與系統(tǒng)掃描方向相反、積分時(shí)間內(nèi)保持勻速，速度為方位掃描速度的一半，轉(zhuǎn)動(dòng)角范圍為光學(xué)視場(chǎng)的一半時(shí)，凝視積分過(guò)程中采集的空域才不變，因此反射鏡的頻率及速度應(yīng)與轉(zhuǎn)臺(tái)速度和紅外探測(cè)器積分時(shí)間密切配合，方位轉(zhuǎn)臺(tái)2與高速擺鏡組件1-1控制時(shí)序參考圖4。

所述光學(xué)系統(tǒng)1-2采用二次折反方式，視場(chǎng)為3.6°×2.88°，焦距157mm，F(xiàn)數(shù)2.0，鏡片表面鍍有增透膜，波段為中波，總透過(guò)率≥80％。45°反射鏡1-2-2采用K9玻璃制造，表面鍍鋁系反射膜，在系統(tǒng)工作的紅外輻射波段平均反射率≥98％。

所述探測(cè)器1-3采用中波紅外探測(cè)器，其波長(zhǎng)響應(yīng)范圍為3.7μm～4.8μm。探測(cè)器規(guī)模為640×512，采用斯特林循環(huán)制冷機(jī)，像元尺寸為15μm，具有較高的靈敏度和可靠性，最大積分時(shí)間為4ms，采集頻率100Hz/60Hz可調(diào)。

所述伺服控制組件4由電子學(xué)硬件和相應(yīng)的軟件組成，根據(jù)設(shè)定的工作模式和信息處理組件5所發(fā)的指令組成新的命令字，使高速擺鏡組件1-1和方位轉(zhuǎn)臺(tái)2完成要求的動(dòng)作：在搜索模式下，伺服控制組件4指令高速擺鏡組件1-1和方位轉(zhuǎn)臺(tái)2密切配合按設(shè)定的程序進(jìn)行全方位掃描；在跟蹤模式下，方位轉(zhuǎn)臺(tái)2快速旋轉(zhuǎn)至目標(biāo)所在方位角，同時(shí)控制高速擺鏡組件1-1進(jìn)行精跟蹤。

參考圖5和圖6，所述信息處理組件5是擴(kuò)充了一塊圖像處理板的嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。采用CPCI總線，主板選用加固寬溫型雙核CPU板，外圍設(shè)備有顯示器、鍵盤(pán)/鼠標(biāo)、硬盤(pán)等。主機(jī)板主要功能是：系統(tǒng)操作管理、目標(biāo)數(shù)據(jù)及圖像顯示和存儲(chǔ)、系統(tǒng)監(jiān)控、頭部通訊等?？偩€上擴(kuò)展了一塊圖像處理板，在處理板中完成圖像預(yù)處理、目標(biāo)提取和圖像壓縮。操作人員用鍵盤(pán)/鼠標(biāo)進(jìn)行操作控制，并在顯示屏幕上監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。數(shù)據(jù)處理板通過(guò)光纖接口接收到紅外頭部的數(shù)據(jù)流后，通過(guò)FPGA將圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)桨迳系腄SP，DSP進(jìn)行圖像處理、提取目標(biāo)后將目標(biāo)信息轉(zhuǎn)發(fā)給FPGA，F(xiàn)PGA通過(guò)CPCI總線將目標(biāo)信息發(fā)送給主機(jī)板。由于顯示和存儲(chǔ)圖像數(shù)據(jù)的需要，F(xiàn)PGA內(nèi)部圖像分兩路，一路通過(guò)EMIF接口將圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)桨迳螪SP，另一路通過(guò)CPCI總線將圖像發(fā)送給主機(jī)板，以中斷的方式通知主機(jī)板讀取圖像數(shù)據(jù)。圖像幀頻為100Hz，為了防止中斷丟失，將圖像壓縮降頻后傳輸給主機(jī)板，降低后的頻率為25Hz。主機(jī)板接收?qǐng)D像后完成解壓縮恢復(fù)成原始圖像，然后根據(jù)方位轉(zhuǎn)臺(tái)碼盤(pán)信息將圖像拼接成360°全景圖像并顯示在主界面上。

本發(fā)明還提供所述一種基于高速擺鏡的紅外面陣搜索跟蹤系統(tǒng)的工作方法。來(lái)自場(chǎng)景和目標(biāo)的紅外輻射通過(guò)高速擺鏡組件1-1反射，仍以平行光的形式進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)1-2，出射后由探測(cè)器1-3接收；探測(cè)器1-3將光學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，該電信號(hào)經(jīng)信息處理組件5處理最終得到目標(biāo)的告警信息。系統(tǒng)得到目標(biāo)的告警信息后，一方面顯示上報(bào)，另一方面以指令的形式發(fā)送給伺服控制組件4，由高速擺鏡組件1-1和方位轉(zhuǎn)臺(tái)2完成相應(yīng)的動(dòng)作；如果得到的目標(biāo)告警信息為要跟蹤目標(biāo)，則進(jìn)入跟蹤模式，否則繼續(xù)掃描。

綜上，本發(fā)明實(shí)施例提供的一種基于高速擺鏡的紅外面陣搜索跟蹤系統(tǒng)及方法，通過(guò)在光學(xué)系統(tǒng)前端配置高速擺鏡以實(shí)現(xiàn)紅外告警設(shè)備全方位搜索與跟蹤。解決了面陣探測(cè)器在紅外搜索跟蹤系統(tǒng)中應(yīng)用存在的成像“拖尾”等制約性問(wèn)題，大幅度提高了紅外搜索跟蹤系統(tǒng)的核心指標(biāo)，使得系統(tǒng)具有更高的搜索效率、更高的信噪比和更遠(yuǎn)的探測(cè)距離，為面陣探測(cè)器的廣泛應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

上述的對(duì)實(shí)施例的描述是為了便于該技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能理解和應(yīng)用本發(fā)明。熟悉本領(lǐng)域技術(shù)的人員顯然可以容易地對(duì)這些實(shí)施例做出各種修改，并把在此說(shuō)明的一般原理應(yīng)用到其他實(shí)施例中而不必經(jīng)過(guò)創(chuàng)造性的勞動(dòng)。因此，本發(fā)明不限于這里的實(shí)施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的揭示，不脫離本發(fā)明范疇所做出的改進(jìn)和修改都應(yīng)該在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。