一种应用于地面遥测站的红外跟踪标校系统设计*

周庭伊 王 玮 李海鹏

（92941部队91分队 葫芦岛 125000）

1 引言

现有传统遥测装备捕获跟踪目标主要方式是通过遥测接收天线在任务前提前指向预定空域，搜索或等待目标信号的出现［1～2］。当目标出现在天线射向波束范围中且发生移动时，伺服分系统根据遥测分系统产生的跟踪误差信号，解算出相应的角误差信号并反馈给伺服分系统，伺服分系统将角误差信号经过滤波变换、数字处理和放大输出后，驱动天线指向目标［3］。但在某些特殊情况下，一旦遥测信号发生中断，伺服系统就会丢失目标导致无法完成既定任务［4］。该红外跟踪标校系统能够独立完成对飞行目标的捕获、提取目标的脱靶量，并可将脱靶量数据送给遥测系统，遥测系统可利用此脱靶量数据作为跟踪误差，控制天控器实现对目标的稳定跟踪。同时，红外跟踪标校系统配备的标校设备，可以完成系统的标定和校准，以确保测控装备在工作时保持良好的测量精度和功能。

2 系统组成和功能

红外跟踪标校系统主要由两部分组成，第一部分红外光学望远镜箱体，第二部分为管理控制终端。其中，第一部分红外光学望远镜箱体内，包括光学分系统、镜头控制分系统、红外探测设备、图像处理分系统组成；第二部分管理控制终端作为图像显示记录终端，包括图像实时采集及显示、标校电视功能控制软件、相机控制和红外跟踪参数选择软件等组成。系统组成框图如图1所示。

图1 红外跟踪测量系统组成框图

光学镜头接收来自目标的红外辐射信号，红外探测设备把差分图像信息送到图像处理分系统，由图像处理分系统进行红外差分数据接收与图像处理，将大十字丝、游标、字符与天控器的跟踪状态和实时角信息以及时码信息进行叠加，送出目标脱靶量通过管理控制终端转给遥测控制系统完成对遥测天线的控制。红外跟踪标校系统能够独立完成对飞行目标的捕获、提取目标的脱靶量，并将脱靶量数据送给遥测系统，遥测系统可利用此脱靶量数据作为跟踪误差，控制天控器实现对目标的稳定跟踪，同时红外跟踪标校系统配备的标校设备，可以完成系统的标定和校准。

3 系统设计与实现

3.1 红外光学望远镜箱体

红外光学望远镜箱体由光学分系统、红外探测设备、镜头控制系统、图像处理分系统组成。其中光学分系统、红外探测设备、镜头控制系统在物理结构上相连接，红外探测设备把差分图像信息送到图像处理分系统，由图像处理分系统进行红外差分数据接收与图像处理。

关于光学分系统参数的设计，既要考虑保证作用距离，又要考虑尽量减小设备体积和质量。对于红外探测设备而言，主要信息来源于目标的热辐射及目标反射环境的辐射（如大气照射的反射，地球照射的反射，太阳照射的反射），其中最主要的是热辐射［5］。热辐射与目标的温度相关，当发动机关闭以后，对温度的贡献源有发动机的余热，气动加热等。如果飞行器的表面层蒙皮可以很快热平衡（取决于表层特性及热容量）其恢复温度Tr可由下式计算：

式中，Tamb为目标环境温度（取300K）；γ为空气的比热（常规为1.4）；Γ 为恢复系数（0.75～0.98），目标速度越快，Γ越小；M为飞行器的马赫数。

系统的作用距离与目标的辐射强度、大气透过率、光学系统带宽、信噪比、像元尺寸等因素的关系为

式中，δ为由光学系统与信号提取决定的信号过程因子；D0为光学系统的通光口径；D*为传感器的探测率；I为点源目标的辐射强度；τa为大气透过率；τ0为光学系统透过率；s为探测器单个像元面积；D*为系统噪声等效带宽；SNR为探测器信噪比。

结合地面遥测装备实际使用情况［2］，选择镜头口径D≥120mm的尺寸；光学分系统焦距f=240mm/480mm两档，可通过电控改变倍数；取δ=0.65；探测设备工作波长为3μm～5μm，传感器探测率；平均大气透过率0.0496（按大气能见度20km计算）；光学系统透过率0.6；像元尺寸 30μm×30μm（目标成像为6个像元）；系统噪声等效带宽Δf=150Hz；探测设备信噪比SNR＝6；系统对目标作用距离随温度变化如图2所示。

图2 系统对目标的作用距离

宽视场2.2°×1.8°，窄视场1.1°×0.9°；探测温差≤30mk，帧频为每秒50帧。光学分系统结构图如图3所示。

图3 窄视场（f=480mm）MTF、宽视场（f=240mm）MTF

3.1.1 镜头控制分系统

镜头控制分系统可实现对两档定焦距镜头的电控变倍、通过对相机的电子快门和对光栏的电动控制实现电动调光［6］，通过对调焦机构的控制实现温度和距离的调焦控制。本系统采用标准的RS422接口的控制方式，图像处理分系统处理接收到管理控制终端送来的串行控制信号后，对镜头控制系统发送串行控制信号，再由镜头控制系统分别对机上的头部电机进行控制。镜头控制系统接收温度和压力传感器送来的温度信息还有变倍、调焦、调光是否到位的信息再通过RS422串口发送给管理控制终端。其结构框图如图4所示。

图4 镜头控制系统结构框图

3.1.2 图像处理分系统

图像处理分系统包括两部分，一是数字信号处理板，二是图像信息接收板。数字信号处理简称DSP技术［7］，利用DSP强大的数据处理能力和运行速度，结合FPGA可编程、可实现大规模逻辑运算的特点，图像处理分系统通过将DSP与FPGA结构进行耦合［4］，可对数量大、耗时长的运算进行合并处理，进而实现目标的快速捕获与自动跟踪决策。设计上层为数字信号处理板，下层为图像信息接收板，二者通过插针栈接在一起，数字信号处理板向图像信息接收板发送控制和处理数据，图像信息接收板向数字信号处理板传送高速数字图像数据。

数字信号处理板的主要功能是接收面板上的游标控制信号，并解算出游标距视场中心的角度偏差值。FPGA可以完成对串口收发控制和对B（DC）直流码的解调功能，同时可产生相应的接口控制逻辑，从而实现与数字信号处理板之间的数据交换，FPGA接收管理控制终端的控制信号送给数字信号处理板［8］，数字信号处理板板送出目标脱靶量通过管理控制终端转给遥测控制系统完成对遥测天线的控制。首先，对图像数据接收板提供的图像数据进行接收和目标提取；其次，对脱靶量进行计算并将脱靶量信息送给遥测分系统；最后，将大十字丝、游标、字符与天控器的跟踪状态和实时角信息以及时码信息进行叠加，叠加后的图像信息通过DA转换成标准PAL格式视频信号在视频监视器上显示。数字信号处理板结构原理图如图5所示。图像数据接收板为数字信号处理板提供了+12V电源的输入、二次稳压并向数字信号处理板传送高速数字图像数据。

图5 数字信号处理板结构框图

3.2 管理控制终端

管理控制终端为图像显示记录终端，可完成红外图像采集、显示、记录；相机及镜头控制；跟踪参数的调整；游标的控制；脱靶量的接收和发送功能。采用标准CPCI工控机机箱，配备标准的计算机电源输入，一个交流220V的电源输入，一个是输出到光学望远镜的交流220V电源。机箱内前插一块板，承担工控机的所有计算功能［9］。机箱内后插两块板，一块板是主板后插板，用来送VGA/DVI信号给管理控制终端显示器，通过CPCI的总线接收编码接口板转送的图像处理分系统串口信号和天控器的串口信号；一块是视频编码及接口板，它接收图像处理分系统送出的带字符PAL图像，并对视频进行A/D转换后编码成H.264编码图像，通过总线的网口信号将图像送到主板进行软解压后显示在管理控制终端显示器上［10］。管理控制终端通过串口接收图像处理分系统送入的脱靶量信息，同时回送方向控制、阈值控制、相机控制等控制信号，把脱靶量信息通过RS422串口送给遥测系统，并接收B（DC）直流码的信号，再将B（DC）直流码连同串口的收发信号转送给图像处理分系统。

H.264标准［11］是新一代数字视频编码标准，最大的优势是在具有高压缩比的同时还拥有高质量流畅的图像，故在网络传输过程中所需要的带宽更少，也更加经济［12］。本系统采用H.264编码技术可对图像进行实时显示、记录、回放，并通过网络传输在远程对图像进行实时显示，通过测试，可达到不大于300ms的系统低时延。管理控制终端的结构组成以及与外围设备的连接图如图6所示。

图6 管理控制终端结构组成及连线图

3.3 校飞测试

为验证本红外标校系统实时跟踪目标能力，结合某型无人机飞行任务进行测试。无人机搭载一台遥测信号模拟器，测试方案为组织无人机按预定航路飞行两架次，第一架次，遥测信号模拟器全程开机，遥测地面站采用传统遥测跟踪方式全程跟踪并记录数据；第二架次，当无人机飞至预定A点（相对时120s）时，遥测信号模拟器关机5s再开机，模拟遥测信号中断情境，此时立刻采用切换红外跟踪标校系统跟踪方式继续跟踪目标并记录数据。航迹显示及角误差统计如图7所示。

图7 航迹显示及角误差统计图

通过事后数据分析可见，遥测信号消失后，切换红外跟踪标校系统跟踪方式，可完成对目标的稳定跟踪，且角误差能够满足测控需求，因此该红外跟踪标校系统能够有效地与传统遥测跟踪方式进行互补，有效提高了测控装备跟踪能力。

3.4 标校分系统

系统配置有独立的标校设备，用于地面站天线标校的标校设备包括标校望远镜、信标机和标校板及天线，可完成遥测地面站装备的近场及远场标校功能，具体执行任务按以下步骤。

1）打开天线座锁定装置。

2）近场标校检查。

（1）打开信标机。将信标机放置于距离天线大于100m的地方，有条件的情况下，天线仰角应高于7°。目测调整天线至波瓣范围内。

（2）按信标机点频设置接收机。

（3）找跟踪零点

方法1：当接收机锁定后，微调天线使接收机（或天控器实时界面的左上角）实时界面显示的方位、俯仰误差趋向零，此时记录天线的实时角度即为跟踪零点。

方法2：转动天线，并用频谱仪观察机柜面板“IFR”或“IFL”信号，使接收信号功率最强，此为主瓣跟踪零点。

（4）系统极性检查。将天线方位顺时针旋转，则天控器实时界面所显示的方位误差为负；同理，天线俯仰位置高于跟踪零点时，则俯仰误差值应为负。若与此相反，则应检查接收机的参数设置并调整接收机相位（反相180°）。

（5）进行自跟踪和综合跟踪。

软件运行于WINDOWS XP系统，屏幕分辨率设置为1280X1024。管理控制终端标校软件运行界面如图8所示。

图8 软件运行界面

上电后，图像处理分系统送出带字符、游标、十字丝的PAL图像，在管理控制终端完成图像的存储和显示。在计算机上运行系统操控软件，可对红外光学系统进行调焦、变倍的控制，用鼠标引导游标也可点击操控界面上的游标上移、下移、左移、右移按键对游标进行精确控制，给出游标偏离中心十字丝的高低、方位的角度值。系统通过串口接收并显示天线控制器输出的实时角度和跟踪状态信息（信息传输格式按标校电视技术协议中的规定进行）；接收并显示时间信息（显示时、分、秒、毫秒）。

4 结语

本红外系统已经成功在某型遥测设备中应用，可以实现独立完成对运动目标的捕获、提取目标的脱靶量，引导装备对目标进行跟踪功能，从而达到遥测系统和光电成像系统的优势互补和稳定高精度跟踪目标、获取目标直观影像的需求。实践表明，本系统设计合理，性能可靠，具有较强的实用性，对提高靶场的测控保障能力具有一定作用。