CN103412345A - 航母飞行甲板异物自动侦测识别系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种航母飞行甲板异物自动侦测识别系统，包括可见光探测模块、目标定位模块、告警显示模块和总控处理模块，以及为该系统提供电源的电源模块；可见光探测模块与总控处理模块连接，其包括高精度数字定位云台，以及设置在该定位云台上的图像采集摄像机和目标跟踪摄像机；目标定位模块与总控处理模块连接，也设置在定位云台上，该目标定位模块包括超声波探测器和激光指示器；告警显示模块与总控处理模块和目标跟踪摄像机连接；本发明可实现对航母飞行甲板的全方位、全自动的异物检测识别功能，有效地提高了舰载机跑道的异小物体检测效率，降低了人工成本，节省了检测时间，能够满足实际应用中可靠性、及时性的要求。

Description

航母飞行甲板异物自动侦测识别系统

技术领域

本发明涉及航母与电子技术应用的交叉领域，尤其涉及一种航母飞行甲板异物自动侦测识别系统。

背景技术

随着国际上船舶、航海事业的发展，大型水面舰艇尤其是航母，所搭载的飞机数量及使用频率也将逐渐增加，如何提升航母上舰载机起/降的安全性，增强航母飞行甲板的可靠性，减少舰员劳动强度，提高航母飞机的出动率，成为了国际上需要解决的问题之一。

威胁航母舰载机起降安全的主要因素之一是甲板跑道上的异小物体，如金属零碎物件、防水塑料布、碎石块、橡胶碎片等。这些异小物体的存在都严重影响着舰载机的起飞安全，尤其是给飞机轮胎和发动机带来了直接危害，如割破轮胎、被吸入飞机引擎等。此外，被气流卷入的异小物体碎片也会堆积在飞机的机械装置中，影响着起落架、襟翼等设备的正常运行，对舰载机的正常安全飞行构成了间接隐患。

目前，国际上普遍采用人工成排地联合巡检的方式检查航母飞行跑道甲板上的异小物体，这种方式在一定程度上能够有效实现甲板上异小物体的检测功能，但同时存在着以下缺陷： 

（1）由于舰载机任务的突发性以及舰载机起/降的密度，在很多情况下，不能提供足够的时间供工作人员检查甲板跑道上的所有碎片。

（2）舰载机跑道范围较大，国际上一次巡检需要出动的检查人员较多（横排站满飞行甲板），舰员劳动强度高，从飞行跑道甲板艉部走到艏部耗时长，影响了飞机的波次出动率。

（3）受天气因素影响大、疲劳等因素影响，人工肉眼有时难以发现较小的物体，存在着漏检的情况。   

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中难以发现航母飞行甲板异物的缺陷，提供一种航母飞行甲板异物自动侦测识别系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

提供一种航母飞行甲板异物自动侦测识别系统，包括可见光探测模块、目标定位模块、告警显示模块和总控处理模块，以及为该系统提供电源的电源模块；

所述可见光探测模块与所述总控处理模块连接，其包括高精度数字定位云台，以及设置在该定位云台上的图像采集摄像机和目标跟踪摄像机；

所述目标定位模块与所述总控处理模块连接，也设置在所述定位云台上，该目标定位模块包括超声波探测器和激光指示器；

所述告警显示模块与所述总控处理模块和所述目标跟踪摄像机连接；

所述定位云台根据所述总控处理模块的控制指令运动，所述图像采集摄像机将采集的航母飞行甲板上的图像信息发送给所述总控处理模块，所述总控处理模块对所述图像信息进行图像处理和目标识别，在识别到异物目标后，控制所述目标跟踪摄像机对准异物目标，并将放大后的目标图像通过所述告警模块显示；所述超声波探测器根据所述总控处理模块的控制指令，发送和接收超声波，进行超声波测距，并将距离信息发送给所述总控处理模块，所述激光指示器在总控处理模块的控制下发出激光，指示异物目标所在位置。

本发明所述的系统中，该系统还包括红外探测模块，与所述总控处理模块连接，该红外探测模块采集航母飞行甲板上的红外图像信息，并发送给所述总控处理模块。

本发明所述的系统中，所述红外探测模块包括红外成像器和伺服结构；

所述的红外成像器包括红外摄像头、信号放大器、方位转换器和扫描变换器，红外摄像头与伺服机构相连接，用于采集甲板跑道的红外辐射信息；

所述伺服结构与所述总控处理模块连接，根据获取的指令控制红外摄像头的空间扫描和方位调整。

本发明所述的系统中，所述红外成像器包括两个视频输出端口和一个串行控制端口，其中一个视频输出端口与所述告警显示模块相连，用于输出视频模拟图像；另一个视频输出端口与所述总控处理模块相连，用于输入红外数字图像信息；串行控制端口与所述总控处理模块相连，用于获取所述总控处理模块发送的调节红外成像器性能的调节指令。

本发明所述的系统中，所述告警显示模块包括警示灯、语音提示器和显示器。

本发明所述的系统中，该系统还包括吸拾装置，用于在所述总控处理模块的控制下，吸拾异物目标。

本发明所述的系统中，所述总控处理模块包括视频信号处理器和存储器，所述视频信号处理器与所述图像采集摄像机、所述红外成像器连接，所述存储器存储有跑道背景数据库和目标特征数据库，所述跑道背景数据库存储了多种环境下、无异物时的航母飞行甲板可见光/红外背景图像信息；所述目标特征数据库存储了航母甲板上固定存在的物体的可见光/红外图像特征，以及甲板上常见异小物体的可见光/红外图像特征。

本发明所述的系统中，所述视频信号处理器为ARM嵌入式处理器、DSP数字信号处理器、FPGA处理器中的一种或多种。

本发明产生的有益效果是：本发明的航母飞行甲板异物自动侦测识别系统包括可见光探测模块、目标定位模块、告警显示模块和总控处理模块，以及为该系统提供电源的电源模块，形成了一个完整的异小物体自动侦测识别系统，可实现对航母飞行甲板的全方位、全自动的异物检测识别功能，有效地提高了舰载机跑道的异小物体检测效率，降低了人工成本，节省了检测时间，能够满足实际应用中可靠性、及时性的要求。

进一步地，使用红外探测作为异小物体目标检测的方式之一，与传统目标检测方法相比（如雷达探测、人工检测等），探测范围广，抗干扰能力强，受环境因素制约小，能真正做到24小时及恶劣天气环境下的全天候检测。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例航母飞行甲板异物自动侦测识别系统的结构示意图；

图2是本发明实施例可见光图像侦测识别工作原理图；

图3 是本发明实施例红外成像器的工作原理图；

图4是本发明实施例红外成像目标侦测识别原理图；

图5 是本发明实施例超声探测器工作原理图；

图6是本发明实施例图像侦测识别控制软件的控制流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明实施例航母飞行甲板异物自动侦测识别系统，包括可见光探测模块20、目标定位模块30、告警显示模块40和总控处理模块10，以及为该系统提供电源的电源模块50。

可见光探测模块与20总控处理模块10连接，其包括高精度数字定位云台21，以及设置在该定位云台上的图像采集摄像机22和目标跟踪摄像机23；

目标定位模块30与总控处理模块10连接，也设置在定位云台21上，该目标定位模块30包括超声波探测器32和激光指示器31；

告警显示模块40与总控处理模块10和目标跟踪摄像机23连接；

定位云台21根据总控处理模块10的控制指令运动，图像采集摄像机22将采集的航母飞行甲板上的图像信息发送给总控处理模块10，总控处理模块10对图像信息进行图像处理和目标识别，在识别到异物目标后，控制目标跟踪摄像机23对准异物目标，并将放大后的目标图像通过告警模块40显示；超声波探测器32根据总控处理模块10的控制指令，发送和接收超声波，进行超声波测距，并将距离信息发送给总控处理模块10，激光指示器31在总控处理模块10的控制下发出激光，指示异物目标所在位置。

本发明的一个实施例中，为了更好地对飞行甲板上的异物进行侦测，该系统还包括红外探测模块60，与总控处理模块10连接，该红外探测模块60采集航母飞行甲板上的红外图像信息，并发送给总控处理模块10。本发明利用可见光和红外光的不同检测特性，同时采用这两种目标检测方式，可有效提高异小物体目标的检测效率，并降低了人工成本，缩短了甲板跑道检测时间，能够满足航母飞行甲板异物检测的可靠性、及时性要求。

本发明实施例中，红外探测模块60包括红外成像器61和伺服结构62；

红外成像器包括红外摄像头、信号放大器、方位转换器和扫描变换器，红外摄像头与伺服机构相连接，用于采集甲板跑道的红外辐射信息；

伺服结构62与总控处理模块10连接，根据获取的指令控制红外摄像头的空间扫描和方位调整。

其中，红外成像器包括两个视频输出端口和一个串行控制端口，其中一个视频输出端口与告警显示模块40相连，用于输出视频模拟图像；另一个视频输出端口与总控处理模块10相连，用于输入红外数字图像信息；串行控制端口与总控处理模块10相连，用于获取总控处理模块10发送的调节红外成像器61性能的调节指令。

本发明使用红外探测作为异小物体目标检测的方式之一，与传统目标检测方法相比（如雷达探测、人工检测等），探测范围广，抗干扰能力强，受环境因素制约小，能真正做到24小时及恶劣天气环境下的全天候检测。

如图3所示，红外成像器61由红外摄像头、信号放大器、方位转换器、扫描变换器等组成。红外摄像头由光学通道、光机扫描器以及成像探测器等组成，与伺服机构62相连接，在设定的扫描方式下接收航母飞行甲板上的红外辐射，经光学通道（光学系统）到光机扫描器，光机扫描将瞬时视场的红外辐射依次汇聚到红外成像探测器上，探测器将红外辐射转换为电信号，通过前置放大，并进行方位转换成像，同时根据成像的方位转换误差微调红外摄像头的同步机构，以获取更高精度的成像。生成的红外数字图像传至视频信号处理器11进行图像处理，根据处理结果，处理器产生控制信号驱动伺服机构62，调整红外摄像头的空间方向，以得到更好的成像效果。

图4为本发明实施例的红外目标侦测识别工作流程，其工作步骤包括：（1）红外图像预处理，主要完成图像滤波、灰度变换以及图像增强等过程，其目的在于提高图像对比度，增强图像中的目标信号，并抑制各种干扰及背景信号；（2）红外目标检测，包括噪声平滑、背景抑制、红外图像模板匹配等过程，主要完成对单帧、序列红外图像的噪声平滑处理，剔除虚假目标（高频红外信号），并抑制背景起伏以增加目标可检测性，进而通过与跑道背景数据库中无异物的红外图像比较匹配，判断是否存在异小目标，其原理与可见光目标检测相似；（3）目标识别，包括图像分割、目标特征提取、分类决策等过程，其原理是通过与目标特征数据库进行特征匹配，根据相似程度判断异物的识别结果。

本发明较佳实施例中，总控处理模块10用于对采集到的可见光/红外图像进行目标识别和定位，以及对其他模块的逻辑控制。总控处理模块10包括视频信号处理器11和存储器12，视频信号处理器11与图像采集摄像机22、红外成像器61连接，视频信号处理器11是一台专用的数字图像处理系统，可为ARM嵌入式处理器、DSP数字信号处理器、FPGA处理器的一种或多种。

存储器12存储有跑道背景数据库和目标特征数据库，跑道背景数据库存储了多种环境下、无异物时的航母飞行甲板可见光/红外背景图像信息，用于前后图像匹配，判断异小物体是否存在；目标特征数据库存储了航母甲板上固定存在的物体（如螺钉等）的可见光/红外图像特征，以及甲板上常见异小物体（如金属零件、塑料布、碎石块、橡胶碎片）的可见光/红外图像特征，用于目标特征匹配，判断是否为真正的异小物体，并帮助目标分类和识别。

存储器12内还存储有图像侦测识别控制软件，图像侦测识别控制软件是总控处理模块10的核心，通过控制系统硬件资源自动实现异小物体目标的可见光/红外图像采集、侦测识别、告警显示与目标定位等功能，其工作原理主要包括三个部分：

一是设置可见光/红外图像扫描方式，控制高精度数字定位云台216和伺服机构62的动作（旋转、俯仰等），实现全方位的航母飞行甲板可见光/红外图像扫描；

二是读取可见光/红外探测模块采集到的可见光/红外数字图像信息，分别进行可见光目标侦测识别和红外目标侦测识别等图像处理过程，在此过程中通过比较匹配跑道背景数据库、目标特征数据库对异小物体进行识别和分类；

三是当检测到异小物体目标后视频信号处理器11产生控制信号，驱动超声波探测器32对目标进行测距，合成语言信息进行声光提示，并调整目标跟踪摄像机的摄像角度、焦距和光圈，以及红外成像器的空间方位，拉近放大显示目标所在空间区域，同时控制激光指示器31指示目标所在方位协助工作人员拾取目标。

该系统在工作时，在总控处理模块10的控制下，可见光探测模块20和红外探测模块60按照设定的扫描方式全方位采集航母飞行甲板图像信息，经视频接口将图像数字信息传至视频信号处理器11，并分别进行可见光图像处理（包括图像预处理、图像特征提取、特征匹配、目标识别等过程）、红外图像处理（包括红外预处理、信息融合、目标检测与分割、目标识别等过程），在处理过程中结合目标特征数据库进行目标特征匹配；若检测到异小物体，总控处理模块控制超声波模块对其测距，并合成语音进行声/光提示异物所在方位、距离以及种类等信息，同时视频信号处理器产生控制信号，调整红外摄像头以及可见光镜头的摄像方向、焦距、光圈等参数，拉近、放大显示异小物体所在区域，以便近距离观察辨认；与此同时，总控处理模块控制激光指示器产生激光，指示目标所在方位，协助工作人员捡取异物。

图2为本发明航母飞行甲板异物自动侦测识别系统对可见光目标图像侦测识别工作流程，主要由总控处理模块10实现，首先对可见光数字图像数据进行预处理工作，包括图像滤波、背景分离、图像分割、图像边界提取等工作，其目的是把有用的信号从噪声中提取出来，减小后续算法的复杂度；其次进行图像特征提取，主要包括图像中目标的颜色特征、形状特征、纹理特征和运动特征；图像特征提取过后，与跑道背景数据库保存的无异物时的模板信息进行匹配，由于无异物时的甲板跑道图像纹理、形状、颜色、灰度等特征较为平滑、一致，若甲板跑道上存在凸起的异小物体，则前后匹配图像的纹理、形状、灰度等特征不一致，形成毛刺信号，以此判断图像中是否存在异物；若检测存在异小物体目标，则首先判断是否为航母甲板上固定存在的物体（如螺钉等），根据目标特征数据库的数据进行特征匹配，若否则进一步根据异小物体的图像特征而进行图像分类以减小图像匹配次数，通过特征之间的相似程度，判断相比较的图像目标是否一致，进而得到异小物体的识别结果。

如图6所示，本发明的图像侦测识别控制软件流程包括以下步骤：

(1) 设置可见光和红外图像的扫描方式（包括水平扫描、垂直扫描、扫描速度、扫描方位角等），之后分别同时进入3个线程中。

(2) 线程1：控制高精度数字定位云台的动作（旋转、俯仰等），采集航母飞行甲板可见光图像信息并传至视频信号处理器，对数字图像进行可见光目标侦测识别，包括预处理、图像特征提取、目标检测判断、特征匹配、目标识别等步骤，的图像特征主要包括颜色特征，形状特征，纹理特征以及运动特征等。若判断甲板跑道上存在异小物体，则进入到线程3，若否，则返回至线程1起始处，开始新的循环。

(3) 线程2：根据红外图像扫描方式，控制伺服机构动作，驱动红外摄像头接收甲板跑道的红外辐射信息，并转换生成红外图像信息传至视频信号处理器，对红外数字图像进行红外目标侦测识别，包括红外预处理、红外目标检测、特征提取、目标识别等过程。若判断甲板跑道上存在异小物体，则进入到线程3，若否，则返回到线程2，开始新的循环。

(4) 线程3：视频信号处理器产生控制信号，驱动超声波对检测到的目标进行测距，根据异物识别结果、距离、方位等信息进行语音/灯光提示，同时调整可见光/红外摄像镜头方向、焦距、光圈等参数，放大显示异小物体所在区域，并控制激光指示器指示目标所在方位并捡取异物，或者协助工作人员捡取异物；判断是否结束甲板跑道异物自动检测服务，若是则程序结束，否则开始新一轮循环。

如图5所示，本发明的超声波探测器32是通过超声波回声的时间差原理进行测距的，其工作步骤为：在总控处理模块10的控制下，视频信号处理器11产生方波经过功率放大器功率放大，驱动发射探头发射超声脉冲，超声脉冲遇到异小物体目标发生反射，接收探头接收到回波后，经过信号放大器传递给总控处理模块，根据信号间的时间差从而得到目标的距离信息。

本发明同时还具有异小物体分类和声光警示、目标区域放大显示等功能，在夜间可通过激光指示器协助工作人员顺利发现目标，可有效预防和降低航母甲板异物对飞机跑道的安全威胁。

本发明的一个较佳实施例中，告警显示模块40包括警示灯、语音提示器和显示器。告警显示模块40主要用于声光提示目标所在方位以及跟踪放大显示异小物体所在区域。警示灯、语音提示器可集成在一个声光提示装置中，由警示灯、语音提示器、驱动电路等组成，并与总控处理模块10的视频信号处理器信号连接, 当检测到异小物体目标时，总控处理模块10的控制信号经过驱动电路，转化为音频、光电信号输出，驱动警示灯闪烁，并语音提示目标所在方位、距离。显示器可选用高清数字信号显示器，通过视频接口分别与目标跟踪摄像机、红外成像器相连接，用于放大显示异小物体的所在区域，以便工作人员近距离观察辨认。

当检测到异小物体目标后，总控处理模块10根据目标位置自动调整目标跟踪摄像机23的摄像角度、焦距和光圈，并将放大后的目标图像显示在高清数字信号显示器42上，以便于工作人员观察辨认。

图像采集摄像机22和目标跟踪摄像机23包括摄像镜头和图像传感器，摄像镜头为高分辨率的宽视角数字摄像镜头，并具有微光成像功能，图像传感器为CCD感光器件；高精度数字定位云台21与总控处理模块10的微处理器信号连接，接收总控处理模块10的控制指令完成旋转、前进、后退等动作。

本发明可形成完整的异小物体自动侦测识别系统，能够为使用者提供全方位自动的可见光/红外目标检测、识别/定位、指示等服务。

本发明的一个实施例中，该系统还包括吸拾装置70，用于在总控处理模块10的控制下，吸拾异物目标。

电源模块50由一个总电源组成，与其它模块物理连接，用于提供系统各模块所需要的供电电源，如红外成像器所需要的DC 12V电源，可见光摄像头DC 12V，超声探测器DC 5V，高精度定位云台DC 5V，视频信号处理器DC 5V，伺服机构DC 5V，激光指示器DC 3.3V，语音提示器DC 5V等。

对于本发明技术方案的改进，可见光/红外摄像设备、超声探测器、高精度定位云台数目可为一个或多个。

对于本发明技术方案的改进，图像采集摄像机22中的可见光摄像镜头的图像解析度或图像分辨率不小于800万象素，可调焦距范围为50~2000mm、最小视场角不大于17＇，还可包括一夜间光线补偿装置。

对于本技术方案的改进，红外摄像头的数字输出格式采用RS422差分信号，这种信号可以抑制传输过程中信号之间产生的共模干扰，进行长距离传输。

本发明的航母飞行甲板异物自动侦测识别系统可安装于航母甲板上的移动车辆之上，在进行甲板跑道异小物体检测时，可由一台专用车辆从头至尾扫描飞行甲板并拾取零碎物体，提高目标检测效率。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种航母飞行甲板异物自动侦测识别系统，其特征在于，包括可见光探测模块、目标定位模块、告警显示模块和总控处理模块，以及为该系统提供电源的电源模块；

所述可见光探测模块与所述总控处理模块连接，其包括高精度数字定位云台，以及设置在该定位云台上的图像采集摄像机和目标跟踪摄像机；

所述目标定位模块与所述总控处理模块连接，也设置在所述定位云台上，该目标定位模块包括超声波探测器和激光指示器；

所述告警显示模块与所述总控处理模块和所述目标跟踪摄像机连接；

所述定位云台根据所述总控处理模块的控制指令运动，所述图像采集摄像机将采集的航母飞行甲板上的图像信息发送给所述总控处理模块，所述总控处理模块对所述图像信息进行图像处理和目标识别，在识别到异物目标后，控制所述目标跟踪摄像机对准异物目标，并将放大后的目标图像通过所述告警模块显示；所述超声波探测器根据所述总控处理模块的控制指令，发送和接收超声波，进行超声波测距，并将距离信息发送给所述总控处理模块，所述激光指示器在总控处理模块的控制下发出激光，指示异物目标所在位置。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，该系统还包括红外探测模块，与所述总控处理模块连接，该红外探测模块采集航母飞行甲板上的红外图像信息，并发送给所述总控处理模块。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述红外探测模块包括红外成像器和伺服结构；

所述的红外成像器包括红外摄像头、信号放大器、方位转换器和扫描变换器，红外摄像头与伺服机构相连接，用于采集甲板跑道的红外辐射信息；

所述伺服结构与所述总控处理模块连接，根据获取的指令控制红外摄像头的空间扫描和方位调整。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述红外成像器包括两个视频输出端口和一个串行控制端口，其中一个视频输出端口与所述告警显示模块相连，用于输出视频模拟图像；另一个视频输出端口与所述总控处理模块相连，用于输入红外数字图像信息；串行控制端口与所述总控处理模块相连，用于获取所述总控处理模块发送的调节红外成像器性能的调节指令。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述告警显示模块包括警示灯、语音提示器和显示器。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，该系统还包括吸拾装置，用于在所述总控处理模块的控制下，吸拾异物目标。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述总控处理模块包括视频信号处理器和存储器，所述视频信号处理器与所述图像采集摄像机、所述红外成像器连接，所述存储器存储有跑道背景数据库和目标特征数据库，所述跑道背景数据库存储了多种环境下、无异物时的航母飞行甲板可见光/红外背景图像信息；所述目标特征数据库存储了航母甲板上固定存在的物体的可见光/红外图像特征，以及甲板上常见异小物体的可见光/红外图像特征。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述视频信号处理器为ARM嵌入式处理器、DSP数字信号处理器、FPGA处理器中的一种或多种。

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