本專利涉及被動光學掃描成像告警技術(shù)，特別涉及紅外面陣搜索跟蹤系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

隨著精確制導(dǎo)導(dǎo)彈、炮彈等武器的大量使用，戰(zhàn)場地面機動設(shè)備(指揮控制車、導(dǎo)彈發(fā)射車、坦克、裝甲車)的防護已成為現(xiàn)代戰(zhàn)爭中必須考慮的關(guān)鍵問題之一。在各類告警技術(shù)中，雷達、激光等有源技術(shù)存在易被敵方察覺并打擊的缺點，而紅外告警作為一種無源技術(shù)，能夠做到在發(fā)現(xiàn)敵人的同時隱蔽自己，在對付精確制導(dǎo)導(dǎo)彈、炮彈、魚雷等武器方面具有不可替代的作用。

當前，紅外搜索跟蹤系統(tǒng)主要采用的是掃描成像的線陣列焦平面探測器，這種探測器的積分成像原理很適合于固定角速度的空域搜索工作模式。但是系統(tǒng)積分時間受掃描速率所限，通?；ㄔ诿總€像素的時間都在數(shù)十微秒量級。因此，輸出的信號強度較弱，信噪比較低。

相比較線陣列器件而言，面陣列焦平面器件具備以下三大優(yōu)勢：首先，面陣列焦平面器件積分時間更長，達到1～1000ms的數(shù)量級，從而使得面陣列焦平面器件具備更高的熱靈敏度，更長的成像積分時間，更有利于系統(tǒng)信噪比及系統(tǒng)的極限作用距離兩項核心指標的提升；其次，采用面陣列焦平面探測器的紅外搜索跟蹤系統(tǒng)工作幀頻高，單位時間內(nèi)獲得的圖像信息多，更適應(yīng)高速和超高速武器系統(tǒng)圖像信息獲取的需求；再次，在分辨率相同的情況下，面陣列器件具備更高的搜索效率。因此，研究面陣列探測器在搜索跟蹤系統(tǒng)中的應(yīng)用技術(shù)，可大幅度的提高系統(tǒng)信噪比及搜索效率，進而延長系統(tǒng)的預(yù)警探測距離。

然而，假如僅僅只是將原有的線列探測器更換為面陣探測器，而仍沿用原系統(tǒng)搜索狀態(tài)下的工作模式，轉(zhuǎn)臺周轉(zhuǎn)時，場景相對于面陣探測器也在周轉(zhuǎn)，在無任何補償措施的情況下，場景圖像無法在面陣列器件的積分時間內(nèi)相對成像器件保持靜止，所形成的搜索圖像會存在嚴重的“拖尾”，使得系統(tǒng)無法對告警目標進行精確定位。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本專利的目的在于設(shè)計出一套通用的、適合于實際作戰(zhàn)環(huán)境的基于面陣探測器的紅外搜索跟蹤系統(tǒng)。系統(tǒng)同時具有目標告警與目標跟蹤的功能，同時具有清晰的成像效果、更低的虛警率以及更遠的探測距離。

一種基于高速擺鏡的紅外面陣搜索跟蹤系統(tǒng)，包括：紅外頭部、方位轉(zhuǎn)臺、基座以及伺服控制組件和信息處理組件，其特征在于：所述的紅外頭部與伺服控制組件、信息處理組件安裝在方位轉(zhuǎn)臺上，方位轉(zhuǎn)臺安裝在作為系統(tǒng)支架的基座上；外部輻射經(jīng)高速擺鏡組件以平行光的形式反射到光學系統(tǒng)，光學系統(tǒng)將紅外輻射匯聚到紅外面陣探測器，面陣探測器將光學信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，并輸入到信息處理組件，信息處理組件對目標信息進行分析和識別，伺服控制組件根據(jù)信息處理組件提供的目標告警信息分別控制高速擺鏡組件和方位轉(zhuǎn)臺，使系統(tǒng)工作在搜索或者跟蹤模式下。所述的信息處理組件包括數(shù)據(jù)采集模塊、信號處理模塊和主控及顯示模塊；所述數(shù)據(jù)采集模塊將電信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號；所述信號處理模塊處理所述數(shù)字信號，得到目標告警信息；主控及顯示模塊將目標告警信息上報和顯示，形成指令，并輸出到伺服控制組件，所述數(shù)據(jù)采集模塊安裝于紅外頭部。

進一步，所述的紅外頭部以來自物方光束經(jīng)過先后為序，依次由高速擺鏡組件、光學系統(tǒng)以及紅外面陣探測器構(gòu)成，所述的光學系統(tǒng)包括第一透鏡組、45°反射鏡和第二透鏡組；所述高速擺鏡組件包括平面反射鏡、音圈電機、U型支架、反射鏡軸系、高精度光柵尺和機械限位裝置，采用音圈電機驅(qū)動反射鏡，采用高精度光柵尺測量反射鏡轉(zhuǎn)角，對反射鏡驅(qū)動形成閉環(huán)控制，同時設(shè)計機械限位裝置對反射鏡限位。

進一步，所述方位轉(zhuǎn)臺包括方位電機、光柵編碼器和導(dǎo)流環(huán)以及方位轉(zhuǎn)臺軸系，方位電機采用圓環(huán)形的永磁交流伺服電機，光柵編碼器采用中空結(jié)構(gòu)的絕對式編碼器，導(dǎo)流環(huán)采用精密導(dǎo)電滑環(huán)，方位軸系主軸承采用交叉滾子軸承，方位軸系副軸承采用圓柱滾子軸承。

本專利提供的一種基于高速擺鏡的紅外面陣搜索跟蹤系統(tǒng)的搜索跟蹤方法，通過采用紅外面陣探測器配合高速擺鏡實現(xiàn)告警系統(tǒng)的全方位搜索與跟蹤，方法步驟如下：

步驟一、紅外頭部隨方位轉(zhuǎn)臺快速掃描，高速擺鏡組件同步進行“像移補償”，控制方法上保證反射鏡轉(zhuǎn)動方向與方位轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)方向相反，反射鏡轉(zhuǎn)動角速度為方位轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動角速度的一半，反射鏡轉(zhuǎn)動角范圍為光學視場的一半，實現(xiàn)探測器積分時間內(nèi)采集的空域不變，面陣探測器探測到的信息經(jīng)導(dǎo)流環(huán)輸出到信息處理組件，系統(tǒng)工作在搜索模式下；

步驟二、信息處理組件對上述信息進行處理，如果認為搜索到目標，系統(tǒng)進入跟蹤模式，方位轉(zhuǎn)臺快速旋轉(zhuǎn)至目標所在方位角，同時控制高速擺鏡組件進行精跟蹤；如果認為沒有搜索到目標，則系統(tǒng)繼續(xù)工作在搜索模式下。

本專利和現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果是：

(1)解決了面陣探測器由于轉(zhuǎn)動帶來的成像“拖尾”問題，使得系統(tǒng)能夠在快速搜索跟蹤過程中清晰成像，為面陣探測器在紅外搜索跟蹤系統(tǒng)中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)；(2)通過面陣探測器在紅外搜索跟蹤系統(tǒng)中的應(yīng)用，大幅度地提高了系統(tǒng)的核心指標，使得系統(tǒng)具有更高的信噪比、更高的搜索效率和更遠的探測距離。

附圖說明

圖1為本專利實施例提供的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本專利實施例提供的紅外頭部的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本專利實施例提供的高速擺鏡組件的結(jié)構(gòu)示意圖，其中：

(a)為高速擺鏡組件右向等軸測圖，

(b)為高速擺鏡組件左向等軸測圖；

圖4為本專利實施例提供的方位轉(zhuǎn)臺與高速擺鏡組件控制時序圖；

圖5為本專利實施例提供的信息處理組件組成示意圖；

圖6為本專利實施例提供的信息處理流程框圖。

圖中編號：1為紅外頭部，2為方位轉(zhuǎn)臺，3為基座，4為伺服控制組件，5為信息處理組件；1-1為高速擺鏡組件，1-2為光學系統(tǒng)，1-3為面陣探測器；1-1-1為反射鏡，1-1-2為音圈電機，1-1-3為U型支架，1-1-4為反射鏡軸系，1-1-5為高精度光柵尺，1-1-6為機械限位裝置，1-2-1為第一透鏡組，1-2-2為45°反射鏡，1-2-3為第二透鏡組。

具體實施方式

下文中，結(jié)合附圖和實施例對本專利作進一步闡述。

結(jié)合參考圖1和圖2，本專利實施例提供的一種基于高速擺鏡的紅外面陣搜索跟蹤系統(tǒng)包括：紅外頭部1、方位轉(zhuǎn)臺2、基座3、伺服控制組件4和信息處理組件5。紅外頭部1包括依次以光路聯(lián)結(jié)的高速擺鏡組件1-1、光學系統(tǒng)1-2和面陣探測器1-3，其中光學系統(tǒng)1-2包括第一透鏡組1-2-1、45°反射鏡1-2-2和第二透鏡組1-2-3。紅外頭部1、伺服控制組件4和信息處理組件5集成設(shè)計，共同安裝在方位轉(zhuǎn)臺2上，能夠繞垂直軸全方位旋轉(zhuǎn)；方位轉(zhuǎn)臺2與基座3機械聯(lián)結(jié)；基座3作為系統(tǒng)支架，用于固定和支撐整套系統(tǒng)。

參考圖3，所述的高速擺鏡組件1-1包括：反射鏡1-1-1、音圈電機1-1-2、U型支架1-1-3、反射鏡軸系1-1-4、高精度光柵尺1-1-5和機械限位裝置1-1-6等。反射鏡1-1-1為平面反射鏡，以硬鋁合金為基底經(jīng)表面復(fù)制工藝達到反射鏡的動態(tài)特性和反射率要求。音圈電機1-1-2持續(xù)推力為27.5N、總行程為15mm、側(cè)向間隙為1mm。高精度光柵尺1-1-5最小分辨率50nm。

由于反射鏡是往復(fù)擺動的，而且只有在反射鏡轉(zhuǎn)動方向與系統(tǒng)掃描方向相反、積分時間內(nèi)保持勻速，速度為方位掃描速度的一半，轉(zhuǎn)動角范圍為光學視場的一半時，凝視積分過程中采集的空域才不變，因此反射鏡的頻率及速度應(yīng)與轉(zhuǎn)臺速度和紅外探測器積分時間密切配合，方位轉(zhuǎn)臺2與高速擺鏡組件1-1控制時序參考圖4。

所述光學系統(tǒng)1-2采用二次折反方式，視場為3.6°×2.88°，焦距157mm，F(xiàn)數(shù)2.0，鏡片表面鍍有增透膜，波段為中波，總透過率≥80％。45°反射鏡1-2-2采用K9玻璃制造，表面鍍鋁系反射膜，在系統(tǒng)工作的紅外輻射波段平均反射率≥98％。

所述探測器1-3采用中波紅外探測器，其波長響應(yīng)范圍為3.7μm～4.8μm。探測器規(guī)模為640×512，采用斯特林循環(huán)制冷機，像元尺寸為15μm，具有較高的靈敏度和可靠性，最大積分時間為4ms，采集頻率100Hz/60Hz可調(diào)。

所述伺服控制組件4由電子學硬件和相應(yīng)的軟件組成，根據(jù)設(shè)定的工作模式和信息處理組件5所發(fā)的指令組成新的命令字，使高速擺鏡組件1-1和方位轉(zhuǎn)臺2完成要求的動作：在搜索模式下，伺服控制組件4指令高速擺鏡組件1-1和方位轉(zhuǎn)臺2密切配合按設(shè)定的程序進行全方位掃描；在跟蹤模式下，方位轉(zhuǎn)臺2快速旋轉(zhuǎn)至目標所在方位角，同時控制高速擺鏡組件1-1進行精跟蹤。

參考圖5和圖6，所述信息處理組件5是擴充了一塊圖像處理板的嵌入式計算機系統(tǒng)。采用CPCI總線，主板選用加固寬溫型雙核CPU板，外圍設(shè)備有顯示器、鍵盤/鼠標、硬盤等。主機板主要功能是：系統(tǒng)操作管理、目標數(shù)據(jù)及圖像顯示和存儲、系統(tǒng)監(jiān)控、頭部通訊等?？偩€上擴展了一塊圖像處理板，在處理板中完成圖像預(yù)處理、目標提取和圖像壓縮。操作人員用鍵盤/鼠標進行操作控制，并在顯示屏幕上監(jiān)測設(shè)備運行狀態(tài)。數(shù)據(jù)處理板通過光纖接口接收到紅外頭部的數(shù)據(jù)流后，通過FPGA將圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)桨迳系腄SP，DSP進行圖像處理、提取目標后將目標信息轉(zhuǎn)發(fā)給FPGA，F(xiàn)PGA通過CPCI總線將目標信息發(fā)送給主機板。由于顯示和存儲圖像數(shù)據(jù)的需要，F(xiàn)PGA內(nèi)部圖像分兩路，一路通過EMIF接口將圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)桨迳螪SP，另一路通過CPCI總線將圖像發(fā)送給主機板，以中斷的方式通知主機板讀取圖像數(shù)據(jù)。圖像幀頻為100Hz，為了防止中斷丟失，將圖像壓縮降頻后傳輸給主機板，降低后的頻率為25Hz。主機板接收圖像后完成解壓縮恢復(fù)成原始圖像，然后根據(jù)方位轉(zhuǎn)臺碼盤信息將圖像拼接成360°全景圖像并顯示在主界面上。

本專利還提供所述一種基于高速擺鏡的紅外面陣搜索跟蹤系統(tǒng)的工作方法。來自場景和目標的紅外輻射通過高速擺鏡組件1-1反射，仍以平行光的形式進入光學系統(tǒng)1-2，出射后由探測器1-3接收；探測器1-3將光學信號轉(zhuǎn)變成電信號，該電信號經(jīng)信息處理組件5處理最終得到目標的告警信息。系統(tǒng)得到目標的告警信息后，一方面顯示上報，另一方面以指令的形式發(fā)送給伺服控制組件4，由高速擺鏡組件1-1和方位轉(zhuǎn)臺2完成相應(yīng)的動作；如果得到的目標告警信息為要跟蹤目標，則進入跟蹤模式，否則繼續(xù)掃描。

綜上，本專利實施例提供的一種基于高速擺鏡的紅外面陣搜索跟蹤系統(tǒng)及方法，通過在光學系統(tǒng)前端配置高速擺鏡以實現(xiàn)紅外告警設(shè)備全方位搜索與跟蹤。解決了面陣探測器在紅外搜索跟蹤系統(tǒng)中應(yīng)用存在的成像“拖尾”等制約性問題，大幅度提高了紅外搜索跟蹤系統(tǒng)的核心指標，使得系統(tǒng)具有更高的搜索效率、更高的信噪比和更遠的探測距離，為面陣探測器的廣泛應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

上述的對實施例的描述是為了便于該技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能理解和應(yīng)用本專利。熟悉本領(lǐng)域技術(shù)的人員顯然可以容易地對這些實施例做出各種修改，并把在此說明的一般原理應(yīng)用到其他實施例中而不必經(jīng)過創(chuàng)造性的勞動。因此，本專利不限于這里的實施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本專利的揭示，不脫離本專利范疇所做出的改進和修改都應(yīng)該在本專利的保護范圍之內(nèi)。