【文章內(nèi)容簡介】 算機(jī)終端拼出360度的攝取的空域合成條帶圖。在熱像儀場同步信號的作用下，伺服系統(tǒng)發(fā)送當(dāng)前伺服系統(tǒng)的位置信號給cPCI計(jì)算機(jī)，A進(jìn)程搶占cPCI總線，計(jì)算機(jī)及圖像信號處理板獲得位置信息；B進(jìn)程對達(dá)到檢測域值紅外目標(biāo)疊加波門；最后由計(jì)算機(jī)內(nèi)存讀取以上相關(guān)信息，進(jìn)行位置、目標(biāo)波門疊加顯示。圖25 紅外熱像儀視頻檢測信號關(guān)系示意圖 系統(tǒng)伺服控制圖26 系統(tǒng)伺服控制部分示意圖如圖26所示，伺服控制分系統(tǒng)提取來自cPCI計(jì)算機(jī)的直流24V電源，涵蓋伺服控制、電源、伺服驅(qū)動整體供電。伺服控制箱電源電路向光電搜索跟蹤轉(zhuǎn)臺的激光、紅外熱像儀、光纖傳輸發(fā)送板提供電源，向光電搜索跟蹤轉(zhuǎn)臺的方位、俯仰電機(jī)饋送高壓PWM信號，并提供紅外搜跟轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)變壓器激勵電源。伺服控制電路讀取紅外搜跟轉(zhuǎn)臺反饋的電機(jī)絕對位置信號。通過伺服控制箱的伺服控制電路提供手柄電源，讀取手柄方位、俯仰模擬電壓及開關(guān)信號。根據(jù)信號處理板接收到的來自熱像儀的圖像幀的起始信號向伺服發(fā)起同步，伺服接收到來自信號處理板發(fā)起的同步信號響應(yīng)中斷，即時(shí)向cPCI計(jì)算機(jī)系統(tǒng)回饋位置信息，以便在計(jì)算機(jī)顯控終端顯示當(dāng)前幀圖像信息及當(dāng)前幀位置信息。 光電搜索跟蹤系統(tǒng)軟件方案 系統(tǒng)工作流程圖27 光電搜索跟蹤系統(tǒng)工作流程 系統(tǒng)上電后工作流程見圖27。其中除自動跟蹤外均來自于操控命令。 伺服控制軟件及控制模式方案圖28 伺服控制軟件模塊組成關(guān)系圖根據(jù)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案要求，伺服控制板完成對轉(zhuǎn)臺的伺服控制和任務(wù)管理兩項(xiàng)主要功能，其中伺服控制功能需要完成速度閉環(huán)和位置閉環(huán)兩種控制模式，任務(wù)管理功能需要根據(jù)目標(biāo)信息處理板的指令進(jìn)行轉(zhuǎn)臺的工作模式切換、自檢和狀態(tài)監(jiān)控等一系列功能。同時(shí)，由于該控制與任務(wù)管理板采用雙DSP結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，還應(yīng)包括兩塊DSP之間的數(shù)據(jù)交換功能[15~16]。伺服控制軟件組成模塊如28。控制任務(wù)工作狀態(tài)由目標(biāo)信息處理板控制，伺服及任務(wù)管理根據(jù)目標(biāo)信息處理板發(fā)送的命令，產(chǎn)生不同的狀態(tài)字，同時(shí)控制搜索跟蹤兩框架平臺執(zhí)行相應(yīng)的動作。任務(wù)工作狀態(tài)見圖29所示（以下相關(guān)控制框圖未考慮穩(wěn)定系統(tǒng)）。圖29 控制系統(tǒng)任務(wù)狀態(tài)圖（1）360度周掃模式系統(tǒng)通過不停的快速周掃，及時(shí)了解戰(zhàn)場態(tài)勢，對區(qū)域內(nèi)的所有目標(biāo)進(jìn)行全方位搜索，目標(biāo)信息處理板將搜索到的所有可疑目標(biāo)在顯示屏上進(jìn)行顯示，同時(shí)顯示這些目標(biāo)當(dāng)前的坐標(biāo)信息和航跡預(yù)測信息，從而實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)搜索、探測功能。周掃模式控制框圖如圖210所示。圖210 周掃模式控制框圖 (2) 預(yù)置自動搜索模式在上級空情信息導(dǎo)引條件下，系統(tǒng)預(yù)置一定搜索范圍，實(shí)現(xiàn)對指定空域進(jìn)行快速自動搜索目標(biāo)，將搜索到的所有可疑目標(biāo)在顯示屏上進(jìn)行顯示，同時(shí)顯示這些目標(biāo)當(dāng)前的坐標(biāo)信息和航跡預(yù)測信息，從而實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)搜索、探測功能。預(yù)置自動搜索模式控制框圖如圖211所示。圖211 預(yù)置自動搜索模式控制結(jié)構(gòu)圖 (3) 手動搜索模式上、下、左、右搖動手柄，手柄輸出轉(zhuǎn)臺期望到達(dá)的速度與旋轉(zhuǎn)變壓器測得的電機(jī)速度構(gòu)成偏差進(jìn)行相應(yīng)的搜索控制。對應(yīng)的控制框圖見圖212。圖212 手動搜索模式控制結(jié)構(gòu)圖 (4) 自動跟蹤模式圖像跟蹤器給出框架光軸指向?qū)δ繕?biāo)的偏差作為控制命令的輸入。對應(yīng)的控制框圖見圖213。圖213 自動跟蹤模式控制結(jié)構(gòu)圖 (5) 手動干預(yù)跟蹤模式當(dāng)按下手柄按鍵時(shí)，進(jìn)入手動干預(yù)模式，手動干預(yù)模式在四種工作模式中優(yōu)先級最高。此時(shí)系統(tǒng)隨動于操控手柄，松開手柄按鍵系統(tǒng)返回自動搜索模式或手動搜索模式（返回模式由上位機(jī)確定，跟蹤模式直接由上位機(jī)發(fā)送帶命令字的偏差，無需返回），如果返回自動搜索模式則帶參數(shù)返回，即修改自動搜索模式掃描扇區(qū)中心線到當(dāng)前位置，手動干預(yù)模式用于彌補(bǔ)自動目標(biāo)識別方式的不足。 (6) 軟件總體設(shè)計(jì)伺服控制及任務(wù)管理軟件采用C語言進(jìn)行設(shè)計(jì)，分別在兩片DSP上運(yùn)行不同的程序。軟件設(shè)計(jì)按照模塊化設(shè)計(jì)要求，充分考慮了可維護(hù)性、可繼承性和可擴(kuò)展性。伺服系統(tǒng)主要軟件模塊如圖214所示。圖214 伺服系統(tǒng)軟件模塊組成圖 目標(biāo)信號處理系統(tǒng)軟件及目標(biāo)處理方案圖215 雙DSP并行軟件流程圖目標(biāo)信息處理板內(nèi)部軟件設(shè)計(jì)采用目標(biāo)檢測算法，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的實(shí)時(shí)檢測，算法實(shí)現(xiàn)于處理板的DSP中。由于采用雙片DSP并行結(jié)構(gòu)，為最大程度的發(fā)揮各DSP陣元的處理能力，需要結(jié)合處理數(shù)據(jù)的特點(diǎn)和算法的結(jié)構(gòu)，采用合理的任務(wù)劃分和調(diào)度策略[17~22]。圖215顯示了雙DSP并行的主體程序流程圖。DSP1,DSP2 經(jīng)初始化后，加載預(yù)置參數(shù)。DSP1，DSP2分別進(jìn)行面目標(biāo)和點(diǎn)目標(biāo)檢測，DSP2將這兩個(gè)結(jié)果進(jìn)行融合，并接收計(jì)算機(jī)終端的命令，設(shè)置DSP1，DSP2的工作狀態(tài)，進(jìn)行相應(yīng)的目標(biāo)檢測跟蹤處理，最后將最終處理結(jié)果實(shí)時(shí)傳遞給伺服控制和cPCI計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。 圖216 DSP1面目標(biāo)算流程 圖 217 DSP2點(diǎn)目標(biāo)算法流程紅外目標(biāo)檢測跟蹤算法的實(shí)現(xiàn)是DSP程序的主要部分。在算法中，將紅外目標(biāo)分為面目標(biāo)和點(diǎn)目標(biāo)，DSP1完成面目標(biāo)算法，DSP2實(shí)現(xiàn)點(diǎn)目標(biāo)算法。面目標(biāo)算法如圖216所示，點(diǎn)目標(biāo)算法如圖217所示。 算法的工程化實(shí)現(xiàn)需要對DSP程序進(jìn)行高度優(yōu)化。結(jié)合DSP獨(dú)特的結(jié)構(gòu)對程序優(yōu)化，需要熟悉各種優(yōu)化手段甚至采用匯編優(yōu)化。只有經(jīng)過良好優(yōu)化的DSP代碼才能有效利用DSP具有的各種資源，充分發(fā)揮DSP特有的優(yōu)勢，最大限度的滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的要求。 本章小結(jié)本章提出了光電搜索跟蹤系統(tǒng)的功能及技術(shù)指標(biāo)，分析了系統(tǒng)整體組成架構(gòu)，光電搜索跟蹤系統(tǒng)轉(zhuǎn)臺、信號處理機(jī)、伺服控制分系統(tǒng)的電氣系統(tǒng)分配，提出了光纖通信解決系統(tǒng)雙向通信及對命令解析的方法。給出了伺服系統(tǒng)軟件流程及各模塊功能及目標(biāo)信號處理面目標(biāo)、點(diǎn)目標(biāo)處理流程。3 光電搜索跟蹤系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究光電搜索跟蹤系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)涉及以下主要內(nèi)容：(1) 紅外或CCD圖像信號的數(shù)字圖像光纖傳輸。數(shù)字圖像光纖傳輸技術(shù)的引入能解決光電搜索跟蹤系統(tǒng)轉(zhuǎn)臺與目標(biāo)信號處理板分離，并且目標(biāo)信息處理板獲得的光電圖像信號質(zhì)量不受損失，有利于轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)搜索時(shí)目標(biāo)信號處理的仿真， 有助于機(jī)構(gòu)動態(tài)旋轉(zhuǎn)動態(tài)目標(biāo)工程算法的提升，是增強(qiáng)目標(biāo)穩(wěn)健檢測的有效手段。同時(shí)采用光纖傳輸有利于系統(tǒng)抗干擾能力的提升，傳統(tǒng)的導(dǎo)電滑環(huán)的響應(yīng)頻率比較低，系統(tǒng)在傳輸數(shù)據(jù)時(shí)信號容易出現(xiàn)失真、誤碼率增加的情況。(2) 慣性空間穩(wěn)定。慣性空間穩(wěn)定技術(shù)決定了穩(wěn)定搜索跟蹤平臺的穩(wěn)定能力，慣性空間姿態(tài)傳感器的選擇及信號的處理和電源的隔離有助于陀螺采集信號噪聲的降低，極限情況是在伺服端對慣性空間姿態(tài)的信號采集逼近慣性空間姿態(tài)信號的本身情況。慣性空間姿態(tài)傳感器的帶寬及控制環(huán)路的設(shè)計(jì)對光電穩(wěn)定系統(tǒng)的隔離有較大的影響。(3) 光電搜索跟蹤系統(tǒng)框架伺服位置信號的獲取。位置信號的獲取決定了光電搜索跟蹤系統(tǒng)框架位置的采樣精度，從位置采集傳感器本身來看，采樣精度對系統(tǒng)的跟蹤定位性能有較大的影響，獲取采樣值的穩(wěn)健性在某種程度上決定系統(tǒng)位置閉環(huán)的穩(wěn)健。(4) 執(zhí)行機(jī)構(gòu)直流力矩電機(jī)的選擇。電機(jī)的選擇指標(biāo)涉及峰值堵轉(zhuǎn)電壓，連續(xù)堵轉(zhuǎn)電壓，峰值堵轉(zhuǎn)電流，連續(xù)堵轉(zhuǎn)電流，峰值堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩， 連續(xù)堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，最大空載轉(zhuǎn)速。選擇時(shí)要考慮負(fù)載總力矩、最大調(diào)轉(zhuǎn)速度等因素。 數(shù)字圖像光纖傳輸分析 數(shù)字圖像光纖傳輸?shù)谋匾约t外搜索系統(tǒng)通常采用線列探測器旋轉(zhuǎn)掃描的成像方式。這種掃描方式下，連續(xù)轉(zhuǎn)動的成像探測部分與信號處理機(jī)之間必需經(jīng)過滑環(huán)進(jìn)行連接[27]。現(xiàn)代紅外防御系統(tǒng)中，紅外搜索系統(tǒng)中紅外光電熱成像儀攝取的前方目標(biāo)場景經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)傳遞，送入紅外光電熱成像系統(tǒng)內(nèi)部電子系統(tǒng)處理產(chǎn)生模擬視頻及差分?jǐn)?shù)字視頻輸出，差分?jǐn)?shù)字視頻信號直接送入目標(biāo)信息處理板進(jìn)行處理。通常情況下，光電熱成像儀與激光、CCD構(gòu)成三光系統(tǒng)或光電熱成像儀與激光構(gòu)成的二光系統(tǒng)置于轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)內(nèi)。如目標(biāo)信息處理板置于轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)內(nèi)，紅外光電熱像儀圖像信號與目標(biāo)信息處理板連接有兩種方式：一種方法是紅外熱像儀數(shù)字視頻信號與目標(biāo)信息處理板連接，目標(biāo)信息處理板FPGA對圖像數(shù)字視頻信號進(jìn)行預(yù)處理；另一種方法是紅外熱像儀模擬視頻信號與目標(biāo)信息處理板連接，目標(biāo)信息處理板對模擬視頻信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，然后再進(jìn)行相應(yīng)的視頻預(yù)處理。前一種方式模擬視頻通過電滑環(huán)下行接入主控計(jì)算機(jī)中，由圖像采集卡采集并處理進(jìn)行顯示，但目標(biāo)信息處理板處理的數(shù)字視頻幀信息與終端顯示的模擬視頻信息需要幀同步信號進(jìn)行同步，以保證當(dāng)前顯示幀為當(dāng)前處理幀；后一種方式雖不存在同步問題，但存在紅外模擬圖像到數(shù)字圖像再到模擬圖像再到數(shù)字圖像的圖像傳輸質(zhì)量損失。這兩種傳輸方式如圖31所示。兩種方式下，由于目標(biāo)信息處理板置于轉(zhuǎn)臺機(jī)構(gòu)內(nèi)，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)動態(tài)時(shí)檢測紅外目標(biāo)時(shí)無法進(jìn)行仿真，這為動態(tài)目標(biāo)檢測算法的工程完整實(shí)現(xiàn)帶來了極大的不便。為此，需尋求一種新的傳輸圖像方式：光纖滑環(huán)傳遞數(shù)字圖像。采用光纖滑環(huán)結(jié)構(gòu)一方面解決了多位視頻信號通過光纖大容量的通信問題，另一方面解決了旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)與非旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的連接方式。兩個(gè)相對旋轉(zhuǎn)的部分實(shí)現(xiàn)光纖光路的動態(tài)連接，普通的固定連接器無法完成動態(tài)連接，而光纖旋轉(zhuǎn)連接器正是實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)連接不可或缺的器件[33]；圖31 紅外熱像儀視頻數(shù)據(jù)傳輸及通信示意圖光纖傳輸可以在潮濕、多塵、凹凸不平、高壓等惡劣環(huán)境下運(yùn)行。旋轉(zhuǎn)時(shí)可以連續(xù)輸出信號。特別適合應(yīng)用在需要無限制的，連續(xù)或斷續(xù)旋轉(zhuǎn)，同時(shí)又需要從固定位置到旋轉(zhuǎn)位置傳送大容量數(shù)據(jù)、視頻信號的場所[24~32]。用光纖傳遞信號，無泄密，無電磁干擾，可以遠(yuǎn)距離傳輸，產(chǎn)生的灰塵少，壽命長，可達(dá)1億轉(zhuǎn)以上[24~32]。 傳統(tǒng)圖像傳輸與數(shù)字圖像光纖傳輸比較(1) 傳統(tǒng)圖像傳輸紅外光電熱像儀安裝于轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)內(nèi)，目標(biāo)信息處理板安裝于光電平臺轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)內(nèi)，目標(biāo)信息處理板以50幀/秒發(fā)出同步觸發(fā)信號觸發(fā)伺服控制給出當(dāng)前位置信息，當(dāng)前的位置信息由目標(biāo)信息處理板轉(zhuǎn)發(fā)主控計(jì)算機(jī)，同時(shí)目標(biāo)信息處理板以50幀/秒發(fā)出當(dāng)前目標(biāo)相對光軸的脫靶量給伺服，伺服根據(jù)發(fā)來的脫靶量進(jìn)行對應(yīng)的控制調(diào)整。光電成像器發(fā)出的差分視頻數(shù)字信號或模擬圖像送往目標(biāo)信號處理板。目標(biāo)信號處理板通過RS422總線操控?zé)嵯駜x，對熱像儀進(jìn)行非均勻性、極性等等調(diào)整。光電熱像器模擬視頻信號送往主控計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)終端顯示成像器攝取的前方景象并合成來自目標(biāo)信息處理板發(fā)來的波門信息。此種傳輸方式存在以下缺點(diǎn)：1)通信鏈條過多。計(jì)算機(jī)與伺服信息的交互需通過目標(biāo)信息處理板這一中間環(huán)節(jié)，計(jì)算機(jī)終端對熱像儀的調(diào)整也經(jīng)過了目標(biāo)信息處理板這一中間環(huán)節(jié)。結(jié)果是一方面重復(fù)編程嚴(yán)重，另一方面增加了系統(tǒng)通信的不可靠性因素。2)目標(biāo)信息處理板置于轉(zhuǎn)動構(gòu)件中，系統(tǒng)無論是外場還是實(shí)驗(yàn)室動態(tài)調(diào)試，均無法在線仿真深入cpu內(nèi)部監(jiān)控內(nèi)部關(guān)鍵參數(shù)運(yùn)行情況。3)由于熱像儀傳輸?shù)哪M圖像送往計(jì)算機(jī)顯示，而來自目標(biāo)信息處理板處理后的目標(biāo)信息要在模擬圖像的場景中合成，在系統(tǒng)搜索的每幀動態(tài)圖像刷新過程中，波門與動態(tài)目標(biāo)，二者并不同步。4)長時(shí)間連續(xù)工作圖像噪聲嚴(yán)重。 (2) 數(shù)字圖像傳輸紅外熱像儀安裝于轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)內(nèi)，目標(biāo)信息處理板置于cPCI計(jì)算機(jī)內(nèi)，熱像儀給出的差分?jǐn)?shù)字視頻信號通過光纖傳輸鏈路傳遞，經(jīng)過視頻傳輸完成信道編碼，并串轉(zhuǎn)換，電光轉(zhuǎn)換，通過電光轉(zhuǎn)換的PECL端傳送入光纖，在視頻還原端完成光電轉(zhuǎn)換，串并轉(zhuǎn)換，信道解碼，完整復(fù)現(xiàn)差分視頻信號。數(shù)字圖像光纖傳輸線路如圖32所示。cPCI計(jì)算機(jī)獲取的50幀/秒顯示圖像信息與目標(biāo)信息處理板處理后的目標(biāo)信息任何時(shí)刻都是同步的。目標(biāo)信息處理板以50幀/秒發(fā)出當(dāng)前目標(biāo)相對光軸的脫靶量（先經(jīng)cPCI總線）給伺服，伺服根據(jù)發(fā)來的脫靶量進(jìn)行相應(yīng)的控制調(diào)整。cPCI計(jì)算機(jī)直接通過RS422總線操控?zé)嵯駜x，對熱像儀進(jìn)行非均勻性、極性等進(jìn)行調(diào)整。此種傳輸方式存在以下優(yōu)點(diǎn)：1）通信鏈條少，基于cPCI總線的穩(wěn)健性，系統(tǒng)通信是穩(wěn)健的。2）目標(biāo)信息處理板置于cPCI計(jì)算機(jī)內(nèi)，易于外場及室內(nèi)動態(tài)仿真測試。3）計(jì)算機(jī)顯示的場景圖像與目標(biāo)信息處理板處理的目標(biāo)信息是同步的，便于顯示圖像的合成。4）所有的頂層管理及數(shù)據(jù)交互均通過中央計(jì)算機(jī)cPCI總線完成，系統(tǒng)軟件管理簡潔。5）長時(shí)間連續(xù)工作試驗(yàn)后采集得到的圖像細(xì)膩清晰、噪聲小。圖32 數(shù)字圖像光纖傳輸示意圖 數(shù)字圖像光纖傳輸任務(wù)分析及實(shí)現(xiàn)（1）任務(wù)分析在轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)內(nèi)利用光纖傳輸兩路紅外熱像數(shù)字視頻數(shù)據(jù)，在轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)外接收還原紅外熱像數(shù)字視頻數(shù)據(jù)。首先，處于最上層的多路復(fù)用模塊完成兩個(gè)探測器數(shù)據(jù)的合并操作，然后，并串轉(zhuǎn)換和編碼模塊把合并后的圖像數(shù)據(jù)通過直流均衡編碼，轉(zhuǎn)換成串行信號，并在其中加入時(shí)鐘和字節(jié)對齊等信息，最底層的電光轉(zhuǎn)換模塊把串行電信號最終變成光信號發(fā)送出去。通過光纖旋轉(zhuǎn)連接器到達(dá)接收端，由光信號接收模塊放大并恢復(fù)成串行數(shù)字信號，時(shí)鐘恢復(fù)和串并轉(zhuǎn)換模塊從串行信號中恢復(fù)時(shí)鐘，進(jìn)行字節(jié)對準(zhǔn)，并恢復(fù)出并行數(shù)據(jù)，最后由解復(fù)用模塊分解和還原兩個(gè)紅外探測器的數(shù)據(jù)。雙路紅外視頻光纖傳輸如圖33所示。由于采用的紅外熱成像儀積分時(shí)間接近20us，實(shí)際的線列紅外探測器的數(shù)據(jù)是按列讀出的，且每兩列數(shù)據(jù)之間有大概20us的間隔。因此，可直接把多路探測器數(shù)據(jù)合并到一起，并添加幀同步信號形成一個(gè)數(shù)據(jù)幀。接收端相應(yīng)的解碼模塊根據(jù)幀同步信號解開數(shù)據(jù)幀，還原各路圖像數(shù)據(jù)[23]。 圖33 光纖傳輸圖像總圖由于選擇第二代線陣掃描紅外熱成像儀，視頻數(shù)據(jù)50幀/秒，熱像儀每幀輸出像素?cái)?shù)據(jù)為768288。1秒鐘內(nèi)8位視頻數(shù)據(jù)傳送量為：7682