CN111246099B - 主动式闭环控制的高速目标同步跟拍装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种跟拍装置，包括高速摄录系统、大视场被动探测系统、跟拍触发信号发射系统、稳像补偿平台和控制及数据存储处理系统，所述高速摄录系统包括高速跟拍相机和快摆镜；其中，当目标发射命令发出时，同步给跟拍触发信号发射系统传送触发信号；触发信号同时控制高速摄录系统与大视场被动探测系统开启工作；大视场被动探测系统实时输出目标校正信号给快摆镜与稳像补偿平台，完成快摆镜角度实时修正与自身探测视场的微调；数据采集接收后，通过控制及数据存储处理系统完成最终图像的分析与获取。本发明的跟拍装置实现快摆镜的闭环控制，对快摆镜角度进行实时修正，可以大大提高拍摄成功率和拍摄质量，具有高精度、抗干扰、适应能力强等优点。
Description
技术领域
本发明涉及高速目标跟拍摄录领域，具体涉及一种采用主动光探测实时反馈目标位置信息的闭环控制高速目标同步跟拍装置及方法。
背景技术
对高速目标的跟拍摄录在军事及民用领域都有迫切需求。目前，满足此应用需求的高速目标同步跟拍摄录系统探测技术相对成熟，探测方法基于开环控制，通过高速相机与快摆镜组合完成对高速目标跟拍摄录。如图1所示，其中，图1(a)为高速目标跟拍摄录设备，图1(b)为工作模式；该跟拍方法在目标出射口布置两个天幕靶，根据布靶现场将靶距、运动目标与快摆镜距离、预估运动速度等参数输入伺服控制计算机。目标出射后，两块靶标采集目标的运动速度，第一块靶标的触发信号启动快摆镜控制系统进行快摆镜加速运动，第二块靶标信号启动高速相机拍摄。靶标测出的运动速度作为快摆镜伺服控制的标识信息，启动伺服控制系统预先设置计算好的运动轨迹转换成快摆镜运动控制指令。当电机角速度与目标运动速度相匹配时，目标图像通过平面反光镜成像在高速相机上，在一定误差范围内图像保持相对静止，得到所需要的图像。
开环跟拍摄录技术在拍摄过程中无法获取目标实时反馈信息进行拍摄位置校正，受跟拍环境多样性、搭载平台稳定性以及跟拍目标自身运动方式与轨迹影响，存在高速目标初始速度不便测量、目标运动轨迹计算误差、测量精度低以及抗干扰能力弱等问题，容易造成拍摄质量不佳或丢失目标等情况。
快摆镜开环控制模式技术相对成熟，但有如下缺点：
(1)在一些特殊环境下天幕靶布置困难，并且通过天幕靶测得的弹丸速度信号需要较高的精度，否则有可能造成快摆镜运动轨迹与弹丸速度拼配误差较大，使拍摄质量不佳或丢失目标；
(2)根据理论计算得出的快摆镜运动轨迹所产生的误差，同样有可能造成快摆镜运动轨迹与弹丸速度拼配误差较大，使拍摄质量不佳或丢失目标；
(3)搭载平台适应性能力较弱，无法适应一些特殊搭载平台(如较难在船舶等平台上实现对海上运动目标精准跟拍)，并且容易受外界环境因素干扰。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种主动式闭环控制的高速目标同步跟拍装置及方法，以期至少部分地解决上述技术问题中的至少之一。
为了实现上述目的，作为本发明的一方面，提供了一种跟拍装置，包括高速摄录系统、大视场被动探测系统、跟拍触发信号发射系统、稳像补偿平台和控制及数据存储处理系统，所述高速摄录系统包括高速跟拍相机和快摆镜；其中，
当目标发射命令发出时，同步给跟拍触发信号发射系统传送触发信号；触发信号同时控制高速摄录系统与大视场被动探测系统开启工作；大视场被动探测系统实时输出目标校正信号给快摆镜与稳像补偿平台，完成快摆镜角度实时修正与自身探测视场的微调；数据采集接收后，通过控制及数据存储处理系统完成最终图像的分析与获取。
其中，所述大视场被动探测系统包括高速线阵相机、照明光源、光束整形模块、窄带滤光模块和成像视场压缩模块，其中，
光束整形模块位于主动照明光源前端；窄带滤光模块位于高速线阵相机前端，成像视场压缩模块位于高速线阵相机前端。
其中，所述高速线阵相机优选为多线列线阵探测器，其满足具备近红外波段光响应能力，其像元数要求4096×4(或4096×8更大探测像元与探测线列)，其中，4096为被跟拍目标运动方向探测视场像元数，获取目标运动方向位置信息；4为与被跟拍目标运动方向垂直方向视场探测像元数，根据目标在该方向成像在像素点位置可以快速分析计算目标在行进过程中垂直方向偏离趋势，能够通过调整稳像补偿平台实现跟拍位置校正。
其中，所述高速线阵相机的探测帧频根据跟拍目标运动速度能够进行选取，目标速度大于500m/s情况下，高速线阵相机成像帧频选取为100kHz以上，以便达到更好的时时补偿修正结果。
其中，所述主动照明光源为大功率近红外激光光源或led照明光源，用于实现高速线阵相机获得更高信噪比的探测图像。
其中，所述光束整形模块包括光束准直扩束光学器件和光束一字整形光学器件，用于实现跟拍目标运动方向光束展宽与垂直跟拍目标运动方向光束压缩功能。
其中，所述窄带滤光模块的波段通过范围与所选用的主动照明光源相关；当主动照明光源选择激光光源时，窄带滤光模块中心透过波长与主动照明光源中心波长一致，波段通过范围优选为10nm以内，截止波段范围为400nm-1100nm，截止等级为OD5以上。
其中，所述成像视场压缩模块选用非球柱面镜，用于压缩垂直跟拍目标运动方向视场，以便获得该方向更大的探测视场。
其中，所述跟拍装置安置在稳像补偿平台中；
作为优选，被跟拍目标表面涂覆高反标识，以实现目标更加精准探测，提高获取探测图像的信噪比与位置计算精度。
作为本发明的另一方面，还提供了一种采用如上所述的跟拍装置进行目标跟拍的方法，包括以下步骤：
当目标发射命令发出时，同步给跟拍触发信号发射系统传送触发信号；
触发信号同时控制高速摄录系统与大视场被动探测系统开启工作；
大视场被动探测系统实时输出目标校正信号给快摆镜与稳像补偿平台，完成快摆镜角度实时修正与自身探测视场的微调；
数据采集接收后，通过控制及数据存储处理系统完成最终图像的分析与获取。
基于上述技术方案可知，本发明的主动式闭环控制的高速目标同步跟拍装置及方法相对于现有技术至少具有如下有益效果之一或其中的一部分：
本发明中的主动闭环控制的高速目标跟拍装置实现快摆镜的闭环控制，对快摆镜角度进行实时修正，可以大大提高拍摄成功率和拍摄质量，用于跟拍高速目标时，具有高精度、抗干扰、适应能力强等优点。
(1)不需要类似于天幕靶等设备测得的速度信息，只需要被跟拍目标发射或起始端给出的一个启动信号和速度设计值即可，在简化了测试设备的布局，同时由于不依赖初始速度的精确参数，大大提高拍摄的成功率；
(2)实时跟踪的实现，使快摆镜的运动不再依赖计算的理论轨迹，提高拍摄质量；
(3)高速线阵相机探测器优选多线列线阵探测器，满足高帧频探测与实时信号输出的同时，能够对跟拍目标轨迹偏离情况进行计算分析，提高探测能力。同时高速线阵相机满足近红外波段光响应能力，能够避开高速跟拍相机成像波段，避免主动照明光源对成像结果造成的干扰；
(4)主动照明光源的使用使得主动闭环控制具有更高的抗环境干扰能力，在白天或者夜晚均能实现目标的正常探测与计算。并且光束整形模块的使用降低装置对探测光源功率的需求；
(5)窄带滤光模块及高反标识涂覆的应用，进一步提高主动闭环探模块获取图像的信噪比，提高闭环数据精度；
(6)高速线阵相机前端放置成像视场压缩模块，压缩垂直跟拍目标运动方向视场，提高探测模块在该方向更大视场探测能力；
(7)主动闭环控制的高速目标同步跟拍装置安置在稳像补偿平台中，具有抗外界风或者安装平台抖动功能，提高装置的环境与平台适应能力。
附图说明
图1是现有技术中高速目标的跟拍摄录设备及工作模式，其中，图1(a)为高速目标跟拍摄录设备，图1(b)为工作模式；
图2为本发明实施例用于高速目标的主动闭环控制跟拍装置结构示意图；
图3为本发明实施例主动闭环控制的高速目标同步跟拍装置工作示意图；
图4为本发明实施例主动闭环同步跟拍装置的方法流程图。
上述附图中，附图标记含义如下：
1、高速跟拍相机； 2、快摆镜；3、高速线阵相机； 4、照明光源；
5、光束整形模块； 6、窄带滤光模块； 7、成像视场压缩模块；
8、反射镜； 9、稳像补偿平台； 10、跟拍触发信号发射模块；
11、控制及数据存储处理模块； 12、多线列线阵探测器；
13、线阵探测图像； 14、跟拍图像；
15、跟拍目标发射平台； 16、跟拍目标。
具体实施方式
本发明公开了一种跟拍装置，包括高速摄录系统、大视场被动探测系统、跟拍触发信号发射系统、稳像补偿平台和控制及数据存储处理系统，所述高速摄录系统包括高速跟拍相机和快摆镜；其中，
当目标发射命令发出时，同步给跟拍触发信号发射系统传送触发信号；触发信号同时控制高速摄录系统与大视场被动探测系统开启工作；大视场被动探测系统实时输出目标校正信号给快摆镜与稳像补偿平台，完成快摆镜角度实时修正与自身探测视场的微调；数据采集接收后，通过控制及数据存储处理系统完成最终图像的分析与获取。
本发明中所述用于高速目标的主动闭环控制跟拍装置，如图2所示，包括高速跟拍相机1、快摆镜2、高速线阵相机3、照明光源4、光束整形模块5、窄带滤光模块6、成像视场压缩模块7、反射镜8、稳像补偿平台9、跟拍触发信号发射系统10和控制及数据存储处理系统11。当被跟拍目标出射时，跟拍触发信号发射系统10发射启动控制信号至跟拍装置。启动控制信号控制主动照明光源4发射高功率宽视场探测光，并触发高速跟拍相机1与高速线阵相机3开启目标图像信息的捕获。控制与数据存储处理系统11快速处理高速线阵相机3获取的探测数据并将分析结果反馈给高速摄录模块中的快摆镜2与稳像补偿平台9，完成对快摆镜角度进行实时修正与闭环控制系统探测视场的微调校正。最终，通过控制及数据存储处理端完成对信号的存储以及数据的分析计算。整个跟拍装置安置在稳像补偿平台9中，实现拍摄过程中平台运动以及外界环境影响造成对拍摄信号的干扰。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
图3是本发明实施例的工作示意图，还包括跟拍目标发射平台15与跟拍目标16。
上述实施方式中，高速线阵相机3对跟拍目标运动区域进行大视场直接成像，并实时计算分析目标位置信息，同时将跟拍目标位置信息传递给快摆镜控制系统进行跟拍位置实时修正，同步也将位置信息传送给稳像补偿平台9以实现闭环控制模块探测视场的微调整，以适应目标在运动过程中的状态变化。
上述实施方式中，高速线阵相机3探测器优选多线列线阵探测器12，应满足具备近红外波段光响应能力，其像元数要求4096×4(或4096×8等更大探测像元与探测线列)，其线阵探测图像13如上图所示(高速跟拍相机1跟拍图像14见上图)。其中，4096为被跟拍目标运动方向探测视场像元数，获取目标运动方向位置信息。4为与被跟拍目标运动方向垂直方向视场探测像元数，根据目标在该方向成像在像素点位置可以快速分析计算目标在行进过程中垂直方向偏离趋势，可通过调整稳像补偿平台9实现跟拍位置校正。
高速线阵相机3探测帧频根据跟拍目标运动速度可进行是应用选取，目标速度高于500m/s情况下，高速线阵相机成像帧频建议100kHz以上以达到更好的时时补偿修正结果。
主动闭环控制模块包含主动照明光源4，主动照明光源4优选大功率近红外激光光源，实现高速线阵相机3获得更高信噪比的探测图像。照明光源4也可选择led等高功率照明光源。
主动照明光源4前端放置光束整形模块5，光束整形模块由光束准直扩束光学器件与光束一字整形光学器件组成，实现跟拍目标运动方向光束展宽与垂直跟拍目标运动方向光束压缩功能。其整形后两个方向视场与高速线阵相机3探测视场相匹配。
高速线阵相机3前端放置窄带滤光模块6，窄带滤光模块6的波段通过范围与选用主动照明光源相关。当主动照明光源选择激光光源时，建议窄带滤光模块6中心透过波长与主动照明光源中心波长一致，波段通过范围优选10nm以内，截止波段范围400nm至1100nm，截止等级OD5以上。
高速线阵相机3前端放置成像视场压缩模块7，成像视场压缩模块7可选用非球柱面镜，压缩垂直跟拍目标运动方向视场，以获得该方向更大的探测视场。
被跟拍目标16表面涂覆高反标识或其他类似功能标识，以实现目标更加精准探测，提高闭环控制模块获取探测图像信噪比与位置计算精度。
上述实施方式中，主动闭环控制的高速目标同步跟拍装置安置在稳像补偿平台9中，已适应更广的安装平台(船舶、车辆等)与跟拍环境。
图4为本发明实施例主动闭环同步跟拍装置的方法流程图，主要包括以下步骤：
当目标发射命令发出时，同步给跟拍触发信号发射系统传送触发信号；
触发信号同时控制高速摄录系统与大视场被动探测系统开启工作；
大视场被动探测系统实时输出目标校正信号给快摆镜与稳像补偿平台，完成快摆镜角度实时修正与自身探测视场的微调；
数据采集接收后，通过控制及数据存储处理系统完成最终图像的分析与获取。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种跟拍装置，其特征在于，包括高速摄录系统、大视场被动探测系统、跟拍触发信号发射系统、稳像补偿平台和控制及数据存储处理系统，所述高速摄录系统包括高速跟拍相机和快摆镜；其中，
当目标发射命令发出时，同步给跟拍触发信号发射系统传送触发信号；触发信号同时控制高速摄录系统与大视场被动探测系统开启工作；大视场被动探测系统实时输出目标校正信号给快摆镜与稳像补偿平台，完成快摆镜角度实时修正与自身探测视场的微调；数据采集接收后，通过控制及数据存储处理系统完成最终图像的分析与获取；
其中，所述大视场被动探测系统包括高速线阵相机、照明光源、光束整形模块、窄带滤光模块和成像视场压缩模块，其中，
光束整形模块位于主动照明光源前端；窄带滤光模块位于高速线阵相机前端，成像视场压缩模块位于高速线阵相机前端。
2.根据权利要求1所述的跟拍装置，其特征在于，所述高速线阵相机为多线列线阵探测器，其满足具备近红外波段光响应能力，其像元数要求4096×4或4096×8更大探测像元与探测线列，其中，4096为被跟拍目标运动方向探测视场像元数，获取目标运动方向位置信息；4为与被跟拍目标运动方向垂直方向视场探测像元数，根据目标在该方向成像在像素点位置可以快速分析计算目标在行进过程中垂直方向偏离趋势，能够通过调整稳像补偿平台实现跟拍位置校正。
3.根据权利要求1所述的跟拍装置，其特征在于，所述高速线阵相机的探测帧频根据跟拍目标运动速度能够进行选取，目标速度大于500m/s情况下，高速线阵相机成像帧频选取为100kHz以上，以便达到更好的时时补偿修正结果。
4.根据权利要求1所述的跟拍装置，其特征在于，所述主动照明光源为大功率近红外激光光源或led照明光源，用于实现高速线阵相机获得更高信噪比的探测图像。
5.根据权利要求1所述的跟拍装置，其特征在于，所述光束整形模块包括光束准直扩束光学器件和光束一字整形光学器件，用于实现跟拍目标运动方向光束展宽与垂直跟拍目标运动方向光束压缩功能。
6.根据权利要求1所述的跟拍装置，其特征在于，所述窄带滤光模块的波段通过范围与所选用的主动照明光源相关；当主动照明光源选择激光光源时，窄带滤光模块中心透过波长与主动照明光源中心波长一致，波段通过范围为10nm以内，截止波段范围为400nm-1100nm，截止等级为OD5以上。
7.根据权利要求1所述的跟拍装置，其特征在于，所述成像视场压缩模块选用非球柱面镜，用于压缩垂直跟拍目标运动方向视场，以便获得该方向更大的探测视场。
8.根据权利要求1所述的跟拍装置，其特征在于，所述跟拍装置安置在稳像补偿平台中；
被跟拍目标表面涂覆高反标识，以实现目标更加精准探测，提高获取探测图像的信噪比与位置计算精度。
9.一种采用如权利要求1-8任一项所述的跟拍装置进行目标跟拍的方法，其特征在于，包括以下步骤：
当目标发射命令发出时，同步给跟拍触发信号发射系统传送触发信号；
触发信号同时控制高速摄录系统与大视场被动探测系统开启工作；
大视场被动探测系统实时输出目标校正信号给快摆镜与稳像补偿平台，完成快摆镜角度实时修正与自身探测视场的微调；
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