CN110858892A - 岸岛观测系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种岸岛观测系统，包括：一体化球形光电转塔和本地显示控制计算机，其中，所述一体化球形光电转塔包括：球形二维伺服转台装置、以及集成在球形二维伺服转台上的可见光摄像机、红外热像仪、激光照明器、信息处理器和网络通信组件，本发明能够于军用侦察监视和民用安防监控领域，实现昼夜高清成像探测和持续跟踪监视。

Description

岸岛观测系统

技术领域

本发明涉及光电探测与目标跟踪监视技术领域，尤其涉及一种岸岛观测系统。

背景技术

在现有技术中，岸岛观测光电系统充分利用光电高分辨率成像，辅助雷达系统或者独立完成对海上目标与低空来袭目标的昼夜远程高清监视与精密跟踪测量，具有灵敏度高、工作隐蔽性好、跟踪精度高等优点。与雷达系统复合可有效提高军用侦察系统与边海防安全监控体系的综合技术能力，也可接收AIS设备或ADS-B设备目标指示信息自动捕获目标连续跟踪监视。但是，复杂背景下的目标的探测测和恶劣环境下昼夜高清跟踪监视能力亟需提高。

发明内容

本发明提供一种岸岛观测系统，以解决现有技术中的上述问题。

根据本发明实施例的岸岛观测系统，包括：

一体化球形光电转塔和本地显示控制计算机，其中，所述一体化球形光电转塔包括：球形二维伺服转台装置、以及集成在球形二维伺服转台上的可见光摄像机、红外热像仪、激光照明器、信息处理器和网络通信组件

球形二维伺服转台装置，包括伺服转台和伺服控制器，伺服转台在伺服控制器的控制下进行目标跟踪监视过程的视轴运动的控制；

可见光摄像机，用于进行可见光波段背景与目标的成像；

红外热像仪，用于获取目标与背景的红外辐射信息，完成光电转换，形成红外目标原始图像数据，并将其存储于外部存储器中，同时接收上级火控系统功能指令，完成目标捕获与跟踪，实时测量并反馈目标角偏差，进行连续调焦，实现远近目标探测和测量；

激光照明器，用于夜间可见光成像探测的辅助照明，实现近距离夜视；

信息处理器，与所述可见光摄像机、红外热像仪、激光照明器、以及球形二维伺服转台装置连接，用于进行双波段图像数据处理、目标检测、跟踪测量、综合处理与数据接口适配；

网络通信组件，包括与所述可见光摄像机、以及红外热像仪连接的视频编码器，以及与所述信息处理器连接的以太网交换机，具体用于通过视频编码器完成视频图像的压缩传输，通过以太网交换机进行系统数据和指挥控制指令数据路由以及与外部系统信息交互；

本地显示控制计算机，用于通过以太网交换机与所述一体化球形光电转塔相连，进行本地综合显示、指挥控制和数据管理。

优选地，本地显示控制计算机具体用于：

在无侦候条件下，设置扫描监视模式，自动对既定空域以固定的速度扫描监视，实时记录监视场景；

在收到外部引导信息时，设置为跟踪监视模式，调转伺服系统在指定空域搜索目标，发现目标后捕获目标进行连续跟踪、测量，将测量结果和图像数据报送上级系统；

设置为测试标校模式，进行系统零位标校、红外辐射定标与参考靶标录入，进行伺服零位校准、海平面位置校准和光轴一致性校准。

优选地，可见光摄像机具体包括：

光学镜片组，用于将可见光入射到变倍装置上；

变倍装置，用于在通过连续变倍距镜头来进行可见光图像的摄取，在变倍电机在电路的控制下，根据目标在视场中成像的大小，自适应调整镜头焦距值，或者根据操作员手动调整镜头焦距，使目标成像的大小适中，实现对目标的捕获，并且进行焦距实时输出，在长短焦到位时进行限位保护；

调光装置，用于在可变光栏电机的控制下，根据景物照度的不同，驱动光栏片旋转，使通光孔径变化，并与摄像机的电子快门相结合，组成一个全自动的调光系统，使CCD摄像机在光强变化很大的范围内获得最佳照度，输出清晰的图像；

滤光装置，用于通过选择不同的滤色片，提高CCD摄像机在不同时间段、不同环境中目标成像的清晰度，其中，所述滤色片包括色度调和片、暗透雾绿色片、明透雾透雾滤色片三片；

聚焦装置，用于使CCD摄像机的摄像头在长焦距对近距离目标成像清晰，在长焦位置处，保证对距离30米到无穷远的景物清晰成像，通过步进电机，根据设置的标定，控制电视摄像头镜片自动恢复到初始位置，进行远距离目标的清晰成像；

CCD摄像机，用于进行可见光波段背景与目标的摄像。

优选地，所述CCD摄像机具体包括：

光学滤色片中增加有400～680nm带通滤波的色度调和滤色片，用于在无雾天气使用该滤色片彩色成像，在有雾天气光照充分时，采用明透雾滤色片，是680nm～1100nm高通滤波，采用近红外谱段进行探测，实现1.5倍以上能见度透雾能力，在有雾天气光照不充分时，采用暗透雾绿色片，是550nm～1100nm高通滤波，采用红色加近红外谱段进行探测，保持良好的能量接收，实现有限透雾。

优选地，所述红外热像仪具体用于：进行红外辐射信息采集，光电转换，形成红外辐射分布的数据图像，对图像进行预处理，包括模拟电信号缓冲、放大，A/D转换，非均匀性校正、坏元检测与替代、以及增益和偏置控制这些处理。

优选地，信息处理器具体包括：

图像预处理模块，用于接收可见光与红外两路视频图像，同步进行数据格式归一化、数字滤波与对细节增强等处理，为后续目标检测识别与综合显示提供高质量的图像数据；

海天线检测模块，用于采用改进的行分割算法和行聚类目标检测算法，将海天线检测出来，并采用特征滤波消除海天线对目标检测识别过程的干扰；

小目标检测模块，用于采用归一系数自适应的Robinson-Gard图像分割算法，将成像面积小于3×3的目标从复杂背景中分割出来，通过与历史数据关联消除虚假目标，进行远程小目标检测；

统计特征检测模块，用于采用自适应双门限的图像分割算法，将成像面积大于2×2的目标从背景中分割出来，并进行二值滤波，采用多目标分析算法将目标检测出来，进行常规目标自适应检测；

互相关特征检测，用于采用多级仿射变换模板匹配算法，进行复杂背景目标、不规则大目标和随机干扰背景条件下的目标稳定跟踪；

特征融合模块，用于采用改进的卡尔曼滤波算法，将背景海天线特征参量、目标统计特征参量、互相关参量与历史参量融合处理，形成目标识别决策判据体系；

目标跟踪综合决策处理模块，用于采用基于简化的粒子滤波算法将目标的几何特征、谱段特征、灰度特征、运动特征和变化特征综合处理，形成目标识别决策，解算目标偏差数据与伺服系统实现闭环跟踪；

接口适配单元，用于将系统内部各功能单元之间数据采用交互的RS-422串行总线和CAN总线等转化成以太网与外部进行信息交互，将外部供给的DC24V直流电源转换成处理器、可见光相机、红外热像仪和网络通信组件所需的专用电压。

优选地，球形二维伺服转台装置具体用于：与光电传感器构成闭环跟踪系统，实现对目标的连续稳定跟踪，与惯性传感器构成稳定回路，进行运动平台扰动隔离，实现视轴稳定功能；伺服控制器完成误差信号的处理，动态校正，目标丢失时记忆和外推，实现对目标的自动跟踪；伺服控制器根据外部引导指令或人工操作指令执行随动控制，进行目标跟踪与景象采集。

优选地，球形二维伺服转台装置具体用于：两轴伺服跟踪转塔的支架由内环和外环两个框架构成，分别对应俯仰、方位方向的运动，框架由驱动电机直接驱动，速度由惯性传感器完成，角度由俯仰、方位轴上的光电编码器测量角度，由伺服控制器结合目标脱靶偏差量、惯性传感器输出、光电编码器输出等参数自动控制目标的搜索、跟踪。

优选地，球形二维伺服转台装置具体包括：

光电编码器，用于实现位置闭环控制功能，作为位置和跟踪回路的前馈传感器，利用前馈控制技术，保证系统的伺服控制精度及目标高速稳定跟踪时的性能；

电流传感器，直接接入电机线上，用于实现电流到数字信号的转换，经由FPGA组成的计数电路即可获得电流的物理量。

控制电路，包括各种传感器信号的采集电路、专用控制处理器、存储器和驱动电路，用于根据上位机送来指令信息以及控制电路采集到的各种信号，并结合选定的控制算法和策略，计算出相应的控制信号，驱动转台执行手动或自动搜索、跟踪功能。

优选地，所述控制电路具体用于：

采用多回路数字变换控制方案，其数字闭环控制器包括电流环、速度回路和位置回路三部分：

电流环设计采用闭环设计，采用将输出电流以闭环的形式接入的方式，确保控制系统的电流稳定性，从而增强系统性能，电流环反馈部分，是由线性电流传感器来完成的，在对电流环中的电流进行反馈控制的过程中，用于反馈电流信号的电流取样元件是电流环设计中的重要器件。

速度环设计成闭环结构，将速度值通过直流测速电机反馈回来，电机的转速是由FPGA输出的PWM脉冲提供的，为速度给定，而在反馈时的速度信号是通过直流测速电机所获得的脉冲信号通过换算得到的，这一反馈回来的速度值和速度环的输入值即速度给定值相对比，所产生的差值通过速度环的PID控制算法进行调节，其经过环内PID调节输出的量直接就是电流环给定，最后将此调节值通过测速电机上传给DSP；

位置环采用闭环结构，将DSP所产生的位置预期作为位置环的输入，通过光电编码器将力矩电机的位置信号反馈回来，使反馈的脉冲信号和原有输入的脉冲信号相比较，将比较出的差值在位置环中进行模糊控制算法的调节，最后输出的调节值为速度环的给定值。

优选地，所述岸岛观测系统的光学舱与转台侧壁进行气密设计，充干燥氮气；方位与俯仰轴采用迷宫式动密封设计，保证控制电路和电机轴系长期干燥；可见光光学窗口镀钢化膜和憎水膜；红外光学窗口采用硫化锌材料，镀增透膜和硬膜，硬膜采用飞秒激光物理沉淀工艺；所述岸岛观测系统的主体结构使用抗腐蚀合金铝材铣制，舱内结构面发黑氧化，舱外结构面喷漆，安装接触面微孤氧化处理，电气组件喷涂三防漆，螺钉选用抗腐蚀标准件；电缆选用舰用防腐蚀软电缆，接插件选用不锈钢钝化的气密插头插座，电缆制作时严格按照水下工作标准装配。

采用上述技术方案，本发明至少具有下列优点：

借助于本发明实施例的技术方案，能够于军用侦察监视和民用安防监控领域，实现昼夜高清成像探测和持续跟踪监视。

附图说明

图1是本发明实施例的系统组成框图；

图2是本发明实施例的可见光相机组成原理示意图；

图3是本发明实施例的CCD器件光谱响应曲线示意图；

图4是本发明实施例的红外热像仪系统组成与功能模块示意图；

图5是本发明实施例的信息处理器组成原理；

图6是本发明实施例的控制回路原理框图。

具体实施方式

本发明实施例提供一种恶劣环境下高清目标探测与跟踪监视技术方案，实现复杂背景下的目标的探测测和恶劣环境下昼夜高清跟踪监视能力。

本发明实施例提供了完整的传感器集成、信息处理与系统控制技术方案，形成一体化的工程样机，并经过试验考核，可用于军用侦察监视和民用安防监控领域，实现昼夜高清成像探测和持续跟踪监视。

为更进一步阐述本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对本发明进行详细说明如后。

本发明实施例针对军用侦察装备和边海防监控装备的战技术能力需求进行针对性设计，最终形成功能完备、技术先进与切实可行的设计方案。

1)白天高清监控需求

主要关注海上中小型舰艇高清成像识别，需要将目标分辨能力提高到15km以远，识别目标类型甚至舷号，并具有良好的透雾能力和强光抑制能力，因此需要配备近红外增强的高分辨率彩色可见光相机。

2)夜晚进程高清监控需求

鉴于红外相机分辨能力不足问题，需要配置大功率连续变焦激光照明器，以实现2km以内目标的高清识别能力。

3)夜晚远程监控需求

考虑到海上告示环境下夜间远程高分辨率目标探测需求，需要配置长焦距中波红外热像仪，以兼顾高温高湿环境下的远程目标探测能力。同时需要针对海上大其特性进行光谱滤波图像增强和红外图像细节增强。

4)复杂背景目标连续跟踪需求

由于海上应用时海面杂波、海天线、强光直射、天空云层和不良天气等因素影响，目标捕获跟踪难度较大，若实现边缘条件下的目标快速捕获与持续跟踪能力，需设计多算法融合的跟踪处理体系。

5)网络化视频传输与指挥控制需求

侦察监视装备的信息化和网络化是发展趋势，新型装备研制需要考虑网络化的视频传输和指挥控制功能，监视装备需要按照GB/T28181的要求进行信息化体系设计。考虑到安防体系的信息化，系统应具有两坐标与三坐标雷达、AIS系统、ADS-B系统的信息接收能力，用于引导系统自动进行目标跟踪监视。

6)海上恶劣环境长期值班适应性需求

海上应用条件需要重点考虑“三防”问题，对于光电装备需要从光学舱、电子舱与伺服轴系的密封以及光学窗口外漏结构件的防护等方面采取有力措施。

具体地，借助于本发明实施例的技术方案，能够形成良好的恶劣环境高清成像探测能力、目标持续跟踪能力和环境适应能力，具有良好的适装性。

1)彩色可见光相机两级高清透雾设计

传统彩色高清可见光相机透雾采用红光谱段工作，透雾模式下图像只有红色图像输出，透雾效果与显示效果较差。本产品采用光学滤色片组、图像增强处理和归一化灰度处理，既能实现正常高清彩色成像，有保证良好透雾无能力。

2)红外光谱滤波背景抑制设计

针对1km以外目标探测需求，根据使用环境红外光谱大气传输特性、目标特性和红外焦平面器件光谱响应特性仿真结果，研制具有光谱滤波功能的红外光学窗口，有效抑制背景杂波，增强目标特性，红外昼夜提高观测效果。

3)多模式复合的目标检测识别处理设计

根据实际使用各种边缘条件下目标检测识别需求，采用多种目标特征检测算法和多特征融合目标特性鉴别算法，有效提高海天线干扰、海面杂波干扰和人为干扰对抗条件下的目标检测识别，对地信噪比条件下极大目标、弱小目标与不规则目标等具有良好的识别跟踪能力。

4)轻量化集成、信息化设计、完整的智能化控制和完善的防护性设计。

以下对本发明实施例的上述技术方案进行详细说明。

本发明实施例采用一台岸岛观测光电系统样机实现，设备的功能和技术性能指标以及组成实例如下。

1、功能指标

(1)可见光与长波红外双波段全天时成像监视功能：采用高清彩色可见光相机与长焦距红外热像仪实现全天时海空目标成像监视。

(2)具备薄雾天气近红外成像监视功能：选用近红外增强的可见光相机，采用光学滤波技术和自适应图像增强技术，探测距离达到能见度的1.5倍以上；

(3)连续变焦激光照明功能：夜间自动开启激光照明，根据可见光相机焦距自动调校，实现2km以内景物可见光高清成像。

(4)远程操控模式下目标跟踪测角功能：在远程操控条件下，通过操控指令捕获目标，并进行连续跟踪，测量目标方位角与俯仰角。

(5)无人值守模式下自动扫描监视与记录功能：能够实现无人值守条件下的连续工作，自主连续扫描能够自动扫描监视。

(6)图像数据压缩与网络信息传输功能：两个波段的视频图像数据经过压缩后通过以太网传送给显控计算机进行显示与存储。

(7)在线自检功能，故障定位到可更换单元：在开机或收到自检指令时，系统自动进行功能自检，，能将故障定位到可更换单元。

2、性能指标

(1)总体技术指标

探测距离：能见度≥15km对中型舰艇≥15km，对战斗机≥10km；；

覆盖范围：方位360°，俯仰-20°～80°；

测角精度：优于0.5mrad。。

(2)红外热像仪

工作波段：3μm～5μm；；

探测器：640×512像素；

瞬时视场：1.0°×0.8°～20°×16连续变焦，自动聚焦；

NETD：优于25mK。

(3)可见光相机

工作波段：0.4μm～1.1μm(彩色)；

像素数：1920×1080像素。

瞬时视场：1°×0.6°～20°×12°连续；

最低照度：≤0.1ux。

(4)激光照明器

工作波段：0.810μm；

照明距离：2km；

照明角度：0.5°～15°；

照明功率：15W。

(5)伺服平台

转动范围：方位360°，俯仰-20°～80°；

最大转速：60°/s；

最大加速度：30°/s²；

测角精度：≤0.5mrad。

(5)信息处理

跟踪处理延时：≤0.1s；

最低可跟踪对比度：≤10％；

视场内目标捕获时间：≤0.1s；

目标检测精度：优于2个像素。

(6)其他指标

通信接口：以太网，数据协议按GB/T28181执行。

体积重量：最大外径≤450mm，高度≤700mm，重量≤75kg；

供电功耗：供电AC220V/50Hz，峰值功耗≤300W，平均功耗≤200W。

3、系统组成原理

岸岛观测系统是由一体化球形光电转塔和本地显示控制计算机组成。球形光电转塔是集成在球形二维伺服转台上的电视摄像机、红外热像仪、激光照明器、信息处理器和网络通信组件等组成，电视摄像机、红外热像仪与激光照明器完成昼夜高清成像探测。信息处理器用于双波段图像数据处理、目标检测、跟踪测量、综合处理与数据接口适配等任务。球形二维伺服转台实现目标跟踪监视过程的视轴运动控制。网络通信组件完成视频图像的压缩传输和、系统数据和指挥控制指令数据路由以及与外部系统信息交互。本地显示控制计算机通过以太网与光电转塔相连，实现本地综合显示、指挥控制和数据管理。组成原理如图1所示。

4、工作模式

(1)扫描监视模式

无侦候条件下，系统根据任务设置自动对既定空域以固定的速度扫描监视，实时记录监视场景。

(2)跟踪监视模式

在收到外部引导信息时，调转伺服系统在指定空域搜索目标，发现目标后捕获目标进行连续跟踪、测量，将测量结果和图像数据报送上级系统。

(3)测试标校模式

标校模式下，进行系统零位标校、红外辐射定标与参考靶标录入等工作，实现伺服零位校准、海平面位置校准和光轴一致性校准。

5、可见光相机

1)组成原理

可见光相机主要实现可见光波段背景与目标的成像功能，主要由光学镜片组、变倍装置、调光装置、滤光装置、聚焦装置和高性能黑白CCD摄像机组成。

(1)变倍装置：如图2所示，为了保证不同距离目标的稳定跟踪，在本方案中选用25mm～500mm连续变倍距镜头来完成可见光图像的摄取。变倍电机在电路的控制下，根据目标在视场中成像的大小，自适应调整镜头焦距值，或者通过操作员手动调整镜头焦距，使目标成像的大小适中，易于监视或跟踪处理器对目标的捕获。具有焦距实时输出功能，长短焦到位有限位保护功能。

(2)调光装置：为减少操作手的工作量，电视摄像头采用了自动调光设计。可变光栏电机在电路的控制下，根据景物照度的不同，驱动光栏片旋转，使通光孔径变化，并与摄像机的电子快门相结合，组成一个全自动的调光系统，使CCD摄像机在光强变化很大的范围内能获得最佳照度，输出清晰的图像。

(3)滤光装置：不同的滤色片有不同的光谱特性，操作员通过手动模式选择不同的滤色片，尽量提高在不同时间段、不同环境中目标成像的清晰度。滤色片包括色度调和片、暗透雾绿色片、明透雾透雾滤色片三片。色度调和片用于正常光照条件下彩色色度调和，明透雾绿色片用于良好光照条件下抑制海空背景，暗透雾绿色片用于薄雾天气条件下目标观测，实现能见度1.5倍的观测距离。

(4)聚焦装置：为保证电视摄像头在长焦距对近距离目标成像清晰，增加了聚焦功能设计，在长焦位置处，保证对距离30m～无穷远的景物清晰成像，聚焦控制采用手动电控模式。聚焦电极采用步进电机，当标定完成后，光学控制电路控制电视摄像头镜片自动恢复到初始位置，保证远距离目标的清晰成像。

(5)CCD摄像机：CCD摄像机将选用高分辨率、高灵敏度的2/3英寸彩色摄像机，主要技术指标为：有效像素1920×1080；最低照度0.11x；信噪比60dB。满足系统图像分辨率和灵敏度技术指标要求。

2)透雾成像设计

彩色CCD组件出厂时为保证彩色色度适于人眼观测在器件窗口上镀上了400～680nm带通滤波膜，近红外部分不能透过，近红外透雾设计难以实现。常见的彩色相机透雾功能是采用红色分量来实现，透雾能力有限。为实现良好的透雾功能需要去掉带通滤波窗口。此时具有了近红外光接收能力，但图像色度就会偏紫，我们在光学滤色片中增加400～680nm带通滤波的色度调和滤色片，在无雾天气使用该滤色片彩色成像。在有雾天气光照充分时，采用明透雾滤色片，是680nm～1100nm高通滤波，采用近红外谱段进行探测，实现1.5倍以上能见度透雾能力。在有雾天气光照不充分时，采用暗透雾绿色片，是550nm～1100nm高通滤波，采用红色加近红外谱段进行探测，保持良好的能量接收；实现有限透雾。

如图3所示，由于CCD器件在近红外波段响应效率平均在20％左右，信号强度较弱，由于背景也较弱，这就给目标探测带来了优势。透雾增强是通过数字图像处理将目标信号增强，抑制背景信号与噪声，达到近红外波段清晰成像的效果。此时，彩色图像色度不利于观测，且接受能量不足，信息处理设需进行灰度图像转换和对比度增强处理。

6、红外热像仪

1)组成原理

红外热像仪用于获取目标与背景的的红外辐射信息，完成光电转换，形成红外目标原始图像数据，并将其存储于外部存储器中，同时红外热像仪接收火控系统功能指令，完成目标捕获与跟踪，实时测量并反馈目标角偏差，具备连续调校功能，兼顾远近目标探测和测量。

红外热像仪各功能模块的主要功能如下，如图4所示：

(1)光学系统：用于收集目标景物的红外辐射与反射，对入射光束进行视场和口径的转换，并将其汇聚到探测器的焦面上，具有被动无热化功能；

(2)焦平面探测器：包括凝视探测器与制冷机，制冷方式为整体斯特林制冷，用于实现光电信号的转换；

(3)预处理电路：目标和背景的红外辐射，经光电转换为模拟电信号，图像预处理电路则把模拟电信号缓冲、放大，经A/D转换为数字信号，并完成对图像信号的非均匀性校正、坏元检测与替代、增益和偏置控制等功能，最终输出图像信号。

红外热像仪按功能模块分，包括红外制冷焦平面探测器、红外光学镜头、处理控制电路。主要完成红外辐射信息采集，光电转换，形成红外辐射分布的数据图像，对图像进行预处理，包括模拟电信号缓冲、放大，A/D转换，非均匀性校正、坏元检测与替代、增益和偏置控制等。

2)红外热像仪功能

(1)光学系统无热化功能：光学系统无热化设计，确保典型工作温度范围内成型清晰、灵敏度、分辨率等关键指标相对稳定。

(2)在线非均匀性校正功能：在系统开机与“校正”指令驱动下，红外热像仪支持在线非均匀性校正，确保使用环境变化后红外热像仪的成像探测性能。

(3)输出自检图像功能：在系统开机与“自检”指令驱动下，红外热像仪输出自检图像，以支持红外热像仪与系统信息处理器在线自检。

(4)增益和偏置控制功能：为适应环境条件与目标特性的变化，红外热像仪开放了在线增益和偏置控制功能，提高恶劣或非常规条件下探测效果。

(5)自动聚焦功能：开机自检或调整焦距时，自动将焦面调整到清晰位置，聚焦功能还设有手动模式，用于边缘条件下场景层次差时人工聚焦。

(6)数字图像细节增强功能：采用先进的DDE图像细节增强处理技术，图像均匀性与目标细节显示效果明显提高

(7)光谱滤波功能：光学系统针对海上目标探测进行了光谱增强设计，有利于高温高湿条件下成像探测。

7、信息处理器

如图6所示，信息处理器采用高度集成的硬件电路，包括图像预处理模块、海天线检测模块、小目标检测模块、统计特征检测模块、互相关特征检测模块、多特征融合处理模块、目标跟踪决策模块和接口适配模块等组成，实现复杂背景目标快速捕获与持续稳定跟踪。

图像预处理模块：接收可见光与红外两路视频图像，同步进行数据格式归一化、数字滤波与对细节增强等处理，为后续目标检测识别与综合显示提供高质量的图像数据。

海天线检测模块：采用改进的行分割算法和行聚类目标检测算法，将海天线检测出来，并采用特征滤波消除海天线对目标检测识别过程的干扰。

小目标检测模块：采用归一系数自适应的Robinson-Gard图像分割算法，将成像面积小于3×3的目标从复杂背景中分割出来，通过与历史数据关联消除虚假目标，用于远程小目标检测。

统计特征检测模块：采用自适应双门限的图像分割算法，将成像面积大于2×2的目标从背景中分割出来，并进行二值滤波，采用多目标分析算法将目标检测出来，用于常规目标自适应检测。

互相关特征检测：采用多级仿射变换模板匹配算法，实现复杂背景目标、不规则大目标和随机干扰背景条件下的目标稳定跟踪。

特征融合模块：采用改进的卡尔曼滤波算法，将背景海天线特征参量、目标统计特征参量、互相关参量与历史参量融合处理，形成目标识别决策判据体系。

目标跟踪综合决策处理模块：采用基于简化的粒子滤波算法将目标的几何特征、谱段特征、灰度特征、运动特征和变化特征综合处理，形成目标识别决策，解算目标偏差数据与伺服系统实现闭环跟踪。

接口适配单元：将系统内部各功能单元之间数据采用交互的RS-422串行总线和CAN总线等转化成以太网与外部进行信息交互。将外部供给的DC24V直流电源转换成处理器、可见光相机、红外热像仪和网络通信组件所需的专用电压。

8、伺服稳定平台

1)组成原理

伺服转台包括地平式球形机架、驱动电机、光电编码器、惯性传感器和伺服控制器等部分，是光电传感器进行目标捕获跟踪的执行机构。与光电传感器构成闭环跟踪系统，实现对目标的连续稳定跟踪，与惯性传感器构成稳定回路，用于运动平台扰动隔离，实现视轴稳定功能。伺服控制器完成误差信号的处理，动态校正，目标丢失时记忆和外推，实现对目标的自动跟踪。伺服控制器可根据外部引导指令或人工操作指令执行随动控制，进行目标跟踪与景象采集。

伺服转台具有以下功能：

1)与目标跟踪信息处理器构成闭环系统，实现对目标的自动跟踪。在目标丢失时，具有角度、角速度记忆等轨迹外推跟踪功能；

2)通过无线通信或有线通信接口，实现手动跟踪；

3)接收来自显控设备的引导数据，实现角位置的预定引导；

4)伺服框架具有断电自动锁定功能。

本系统采用的两轴伺服跟踪转塔，支架由内环和外环两个框架构成，分别对应俯仰、方位方向的运动，框架由力矩电机直接驱动，速度由惯性传感器完成，角度由俯仰、方位轴上的光电编码器测量角度，由伺服控制器结合目标脱靶偏差量、惯性传感器输出、光电编码器输出等参数自动控制目标的搜索、跟踪。

2)伺服控制器设计方案

系统采用双闭环回路控制，框架用直流力矩电机直接驱动，电机安装采用直接偶合单端驱动方式，用直流测速电机、光电编码器作为速度环与位置环反馈元件，电机线路上装有电流传感器，以提供电流反馈。

1)光电编码器

本系统用高精度光电编码器实现位置闭环控制功能。在本系统中作为位置和跟踪回路的前馈传感器，利用前馈控制技术，来保证系统的伺服控制精度及目标高速稳定跟踪时的性能。

2)电流环的应用

电流传感器直接接入电机线上，实现电流到数字信号的转换，经由FPGA组成的计数电路即可获得电流的物理量。

3)控制电路的应用

控制电路主要包括各种传感器信号的采集电路、专用控制处理器、存储器和驱动电路等电路组成，它根据上位机送来指令信息以及控制电路采集到的各种信号，并结合选定的控制算法和策略，计算出相应的控制信号，驱动转台执行手动或自动搜索、跟踪功能。

3)闭环控制系统设计方案

如图6所示，伺服转台采用多回路数字变换控制方案，其数字闭环控制器包括电流环、速度回路和位置回路三部分。

(1)电流环设计

电流环设计采用闭环设计，采用将输出电流以闭环的形式接入的方式，确保控制系统的电流稳定性，从而增强系统性能。电流环反馈部分，是由线性电流传感器来完成的。在对电流环中的电流进行反馈控制的过程中，用于反馈电流信号的电流取样元件是电流环设计中的重要器件。

(2)速度环设计

速度环的设计是实现动态运动的关键环节，因此需要有非常良好的动态响应速度。较宽的调速范围和较强的抗干扰性，从而能为稳定吊舱云台快速准确的定位提供基础和条件。

速度环设计成闭环结构，要求将速度值通过直流测速电机反馈回来。电机的转速是由FPGA输出的PWM脉冲提供的，称为速度给定。而在反馈时的速度信号是通过直流测速电机所获得的脉冲信号通过换算得到的，这一反馈回来的速度值和速度环的输入值即速度给定值相对比，所产生的差值通过速度环的PID控制算法做调节，其经过环内PID调节输出的量直接就是电流环给定，最后将此调节值通过测速电机上传给DSP，所以说速度环控制时就包含了速度环和电流环，电流环是控制的根本，在速度和位置控制的同时系统实际也在进行电流(转矩)的控制以达到对速度和位置的相应控制。

(3)位置环的设计方案

设置位置环是为了在一定的加速度和速度条件下，实现控制系统所要的动态和静态性能指标。因为，转塔在运动过程中，所控制的物体会随着转塔的转动而动，转塔的速度增加物体的旋转速度也会随之增加，转塔停止转动，被控物体也需要立即停止，这就需要控制系统要有一个精确的定位。在伺服转塔上装有光电编码器，其将检测到的精确的位置信息传送给控制系统，这样，控制系统就会根据所收集到的信息精确定位。但同时在位置到达时，需要做到快速停止，这样就会产生很大误差，此时希望转台以给定的速度趋向误差较小的方向运动，这样在位置误差尽量减小的情况下尽可能确保准确性提高。

本系统的位置环也采用闭环结构，将DSP所产生的位置预期作为位置环的输入，然后，通过光电编码器将力矩电机的位置信号反馈回来，使反馈的脉冲信号和原有输入的脉冲信号相比较，将比较出的差值在位置环中进行模糊控制算法的调节，最后输出的调节值就是速度环的给定值。

9、系统防护性设计

光学舱与转台侧壁气密设计，充干燥氮气，可保持光学系统和处理电路长期干燥，无内外空气交换；

方位与俯仰轴采用迷宫式动密封设计，可保证控制电路和电机轴系长期干燥，实现长期海边免维护无人值守；

可见光光学窗口镀钢化膜、憎水膜，不结雾，不聚水、防护性好、使用维护简便；

红外光学窗口采用硫化锌材料，镀增透膜和硬膜，硬膜采用飞秒激光物理沉淀工艺，具有优越的耐盐雾特性和耐磨特性。

主体结构使用抗腐蚀合金铝材铣制，舱内结构面发黑氧化，舱外结构面喷漆，安装接触面微弧氧化处理，电气组件喷涂三防漆，螺钉选用抗腐蚀标准件。

电缆选用舰用防腐蚀软电缆，接插件选用不锈钢钝化的气密插头插座，电缆制作时严格按照水下工作标准装配。

综上所述，岸岛观测光电系统具有以下技术特点：

所有硬件一体化集成，体积小，重量轻，功耗低，安装使用方便；

传感器配置种类全面，远程探测、高清分辨与恶劣天气适应能力强；

目标跟踪处理考虑充分，复杂环境的目标识别跟踪能力强；

标准化设计的网络信息交互，目标引导接口丰富，信息化水平高；

设计有针对不同应用的自动工作控制流程，自动化视屏高；

针对海上应用防护措施完善，环境适应能力强，适于长期无人值守。

岸岛观测光电系统属于多功能多用途产品，可用作军用侦察装备、人防边海防监控装备，可固定架设(如岛礁、岸基、山地等)也可安装与运动平台使用(如车辆、舰艇与浮台等)。产品具有技术能力先进、适装性好与性价比高等优势，具有良好的应用前景。

通过具体实施方式的说明，应当可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效得以更加深入且具体的了解，然而所附图示仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明加以限制。

Claims (11)

1.一种岸岛观测系统，其特征在于，包括：一体化球形光电转塔和本地显示控制计算机，其中，所述一体化球形光电转塔包括：球形二维伺服转台装置、以及集成在球形二维伺服转台上的可见光摄像机、红外热像仪、激光照明器、信息处理器和网络通信组件：

球形二维伺服转台装置，包括伺服转台和伺服控制器，伺服转台在伺服控制器的控制下进行目标跟踪监视过程的视轴运动的控制；

可见光摄像机，用于进行可见光波段背景与目标的成像；

红外热像仪，用于获取目标与背景的红外辐射信息，完成光电转换，形成红外目标原始图像数据，并将其存储于外部存储器中，同时接收上级火控系统功能指令，完成目标捕获与跟踪，实时测量并反馈目标角偏差，进行连续调焦，实现远近目标探测和测量；

激光照明器，用于夜间可见光成像探测的辅助照明，实现近距离夜视；

信息处理器，与所述可见光摄像机、红外热像仪、激光照明器、以及球形二维伺服转台装置连接，用于进行双波段图像数据处理、目标检测、跟踪测量、综合处理与数据接口适配；

网络通信组件，包括与所述可见光摄像机、以及红外热像仪连接的视频编码器，以及与所述信息处理器连接的以太网交换机，具体用于通过视频编码器完成视频图像的压缩传输，通过以太网交换机进行系统数据和指挥控制指令数据路由以及与外部系统信息交互；

本地显示控制计算机，用于通过以太网交换机与所述一体化球形光电转塔相连，进行本地综合显示、指挥控制和数据管理。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，本地显示控制计算机具体用于：

在无侦候条件下，设置扫描监视模式，自动对既定空域以固定的速度扫描监视，实时记录监视场景；

在收到外部引导信息时，设置为跟踪监视模式，调转伺服系统在指定空域搜索目标，发现目标后捕获目标进行连续跟踪、测量，将测量结果和图像数据报送上级系统；

设置为测试标校模式，进行系统零位标校、红外辐射定标与参考靶标录入，进行伺服零位校准、海平面位置校准和光轴一致性校准。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，可见光摄像机具体包括：

光学镜片组，用于将可见光入射到变倍装置上；

变倍装置，用于在通过连续变倍距镜头来进行可见光图像的摄取，在变倍电机在电路的控制下，根据目标在视场中成像的大小，自适应调整镜头焦距值，或者根据操作员手动调整镜头焦距，使目标成像的大小适中，实现对目标的捕获，并且进行焦距实时输出，在长短焦到位时进行限位保护；

调光装置，用于在可变光栏电机的控制下，根据景物照度的不同，驱动光栏片旋转，使通光孔径变化，并与摄像机的电子快门相结合，组成一个全自动的调光系统，使CCD摄像机在光强变化很大的范围内获得最佳照度，输出清晰的图像；

滤光装置，用于通过选择不同的滤色片，提高CCD摄像机在不同时间段、不同环境中目标成像的清晰度，其中，所述滤色片包括色度调和片、暗透雾绿色片、明透雾透雾滤色片三片；

聚焦装置，用于使CCD摄像机的摄像头在长焦距对近距离目标成像清晰，在长焦位置处，保证对距离30米到无穷远的景物清晰成像，通过步进电机，根据设置的标定，控制电视摄像头镜片自动恢复到初始位置，进行远距离目标的清晰成像；

CCD摄像机，用于进行可见光波段背景与目标的摄像。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述CCD摄像机具体包括：

光学滤色片中增加有400～680nm带通滤波的色度调和滤色片，用于在无雾天气使用该滤色片彩色成像，在有雾天气光照充分时，采用明透雾滤色片，是680nm～1100nm高通滤波，采用近红外谱段进行探测，实现1.5倍以上能见度透雾能力，在有雾天气光照不充分时，采用暗透雾绿色片，是550nm～1100nm高通滤波，采用红色加近红外谱段进行探测，保持良好的能量接收，实现有限透雾。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述红外热像仪具体用于：进行红外辐射信息采集，光电转换，形成红外辐射分布的数据图像，对图像进行预处理，包括模拟电信号缓冲、放大，A/D转换，非均匀性校正、坏元检测与替代、以及增益和偏置控制这些处理。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，信息处理器具体包括：

图像预处理模块，用于接收可见光与红外两路视频图像，同步进行数据格式归一化、数字滤波与对细节增强等处理，为后续目标检测识别与综合显示提供高质量的图像数据；

海天线检测模块，用于采用改进的行分割算法和行聚类目标检测算法，将海天线检测出来，并采用特征滤波消除海天线对目标检测识别过程的干扰；

小目标检测模块，用于采用归一系数自适应的Robinson-Gard图像分割算法，将成像面积小于3×3的目标从复杂背景中分割出来，通过与历史数据关联消除虚假目标，进行远程小目标检测；

统计特征检测模块，用于采用自适应双门限的图像分割算法，将成像面积大于2×2的目标从背景中分割出来，并进行二值滤波，采用多目标分析算法将目标检测出来，进行常规目标自适应检测；

互相关特征检测，用于采用多级仿射变换模板匹配算法，进行复杂背景目标、不规则大目标和随机干扰背景条件下的目标稳定跟踪；

特征融合模块，用于采用改进的卡尔曼滤波算法，将背景海天线特征参量、目标统计特征参量、互相关参量与历史参量融合处理，形成目标识别决策判据体系；

目标跟踪综合决策处理模块，用于采用基于简化的粒子滤波算法将目标的几何特征、谱段特征、灰度特征、运动特征和变化特征综合处理，形成目标识别决策，解算目标偏差数据与伺服系统实现闭环跟踪；

接口适配单元，用于将系统内部各功能单元之间数据采用交互的RS-422串行总线和CAN总线等转化成以太网与外部进行信息交互，将外部供给的DC24V直流电源转换成处理器、可见光相机、红外热像仪和网络通信组件所需的专用电压。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，球形二维伺服转台装置具体用于：与光电传感器构成闭环跟踪系统，实现对目标的连续稳定跟踪，与惯性传感器构成稳定回路，进行运动平台扰动隔离，实现视轴稳定功能；伺服控制器完成误差信号的处理，动态校正，目标丢失时记忆和外推，实现对目标的自动跟踪；伺服控制器根据外部引导指令或人工操作指令执行随动控制，进行目标跟踪与景象采集。

8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，球形二维伺服转台装置具体用于：两轴伺服跟踪转塔的支架由内环和外环两个框架构成，分别对应俯仰、方位方向的运动，框架由驱动电机直接驱动，速度由惯性传感器完成，角度由俯仰、方位轴上的光电编码器测量角度，由伺服控制器结合目标脱靶偏差量、惯性传感器输出、光电编码器输出等参数自动控制目标的搜索、跟踪。

9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，球形二维伺服转台装置具体包括：

光电编码器，用于实现位置闭环控制功能，作为位置和跟踪回路的前馈传感器，利用前馈控制技术，保证系统的伺服控制精度及目标高速稳定跟踪时的性能；

电流传感器，直接接入电机线上，用于实现电流到数字信号的转换，经由FPGA组成的计数电路即可获得电流的物理量。

控制电路，包括各种传感器信号的采集电路、专用控制处理器、存储器和驱动电路，用于根据上位机送来指令信息以及控制电路采集到的各种信号，并结合选定的控制算法和策略，计算出相应的控制信号，驱动转台执行手动或自动搜索、跟踪功能。

10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述控制电路具体用于：

采用多回路数字变换控制方案，其数字闭环控制器包括电流环、速度回路和位置回路三部分：

电流环设计采用闭环设计，采用将输出电流以闭环的形式接入的方式，确保控制系统的电流稳定性，从而增强系统性能，电流环反馈部分，是由线性电流传感器来完成的，在对电流环中的电流进行反馈控制的过程中，用于反馈电流信号的电流取样元件是电流环设计中的重要器件。

速度环设计成闭环结构，将速度值通过直流测速电机反馈回来，电机的转速是由FPGA输出的PWM脉冲提供的，为速度给定，而在反馈时的速度信号是通过直流测速电机所获得的脉冲信号通过换算得到的，这一反馈回来的速度值和速度环的输入值即速度给定值相对比，所产生的差值通过速度环的PID控制算法进行调节，其经过环内PID调节输出的量直接就是电流环给定，最后将此调节值通过测速电机上传给DSP；

位置环采用闭环结构，将DSP所产生的位置预期作为位置环的输入，通过光电编码器将力矩电机的位置信号反馈回来，使反馈的脉冲信号和原有输入的脉冲信号相比较，将比较出的差值在位置环中进行模糊控制算法的调节，最后输出的调节值为速度环的给定值。

11.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述岸岛观测系统的光学舱与转台侧壁进行气密设计，充干燥氮气；方位与俯仰轴采用迷宫式动密封设计，保证控制电路和电机轴系长期干燥；可见光光学窗口镀钢化膜和憎水膜；红外光学窗口采用硫化锌材料，镀增透膜和硬膜，硬膜采用飞秒激光物理沉淀工艺；所述岸岛观测系统的主体结构使用抗腐蚀合金铝材铣制，舱内结构面发黑氧化，舱外结构面喷漆，安装接触面微弧氧化处理，电气组件喷涂三防漆，螺钉选用抗腐蚀标准件；电缆选用舰用防腐蚀软电缆，接插件选用不锈钢钝化的气密插头插座，电缆制作时严格按照水下工作标准装配。

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