|
現(xiàn)代化信息戰(zhàn)爭對復(fù)雜背景下的目標探測提出了很高的要求。相對于雷達、可見光等探測技術(shù)，紅外成像探測隱蔽性好、抗電子干擾能力強、目標定位精度高，受到越來越多的重視。針對現(xiàn)代信息戰(zhàn)爭復(fù)雜背景的實際應(yīng)用需求，緊密結(jié)合工程實際，本文介紹了一套自研的便攜式紅外自動目標檢測跟蹤系統(tǒng)。該系統(tǒng)結(jié)合當(dāng)前最新的制冷凝視成像紅外傳感器技術(shù)、高速圖像信息處理技術(shù)、精密伺服控制技術(shù)，采用模塊化、小型化、可擴充性及低功耗設(shè)計，構(gòu)建了一套由雙視場中波制冷凝視成像紅外傳感器、高速信息處理系統(tǒng)及精密伺服控制轉(zhuǎn)臺組成的便攜式紅外自動目標檢測跟蹤系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對復(fù)雜環(huán)境下目標的自動搜索、捕獲、識別與伺服閉環(huán)跟蹤，尤其針對復(fù)雜天地背景下遠距離、低信噪比、低對比度弱小目標。系統(tǒng)可便攜機動快速展開，通過預(yù)留對外擴展接口，可以方便地將目標信息實時上報決策中心或者直接與擴展系統(tǒng)連接，系統(tǒng)能夠適應(yīng)于各種載體平臺。 1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)與功能 系統(tǒng)由高靈敏度雙視場中波制冷凝視紅外焦平面陣列探測器、高速實時信息處理機、精密伺服控制系統(tǒng)與主控計算機組成，并預(yù)留激光測距機接口、慣導(dǎo)陀螺儀接口、GPS接口及對外擴展接口(見圖1)。 通過模塊化、小型化、低功耗設(shè)計使得系統(tǒng)主體(精密伺服平臺與紅外熱像儀)重量限制在20 kg以內(nèi)，閉環(huán)跟蹤時功耗小于125 w，待機功耗小于50 w。 探測系統(tǒng)檢測跟蹤獲取的目標坐標信息需驅(qū)動精密伺服平臺持續(xù)指向跟蹤目標，系統(tǒng)整個工作流程規(guī)劃為 4個階段： (1)系統(tǒng)準備階段：各個分系統(tǒng)加電，初始化，故障自檢； (2)搜索檢測階段：系統(tǒng)可通過外部導(dǎo)引信息或直接在預(yù)定區(qū)域自動搜索檢測目標，使目標進入光學(xué)傳感器的視場并自動檢測鎖定目標；操作手可通過操控臺控制伺服平臺對目標可能出現(xiàn)的區(qū)域進行人工搜索，手動鎖定目標； (3)跟蹤、實時處理階段：在系統(tǒng)捕獲到目標后，自動跟蹤系統(tǒng)開始工作，測量位置信號偏差，激光測距機對目標測距，得出位置誤差信息并轉(zhuǎn)換為控制信號，傳遞到伺服計算機。伺服計算機通過運動控制器和一定控制算法驅(qū)動伺服轉(zhuǎn)臺運動從而實現(xiàn)對目標的跟蹤。整個過程是一個閉環(huán)負反饋控制過程。同時，將目標坐標信息實時上傳至上級決策系統(tǒng)。另外，系統(tǒng)在跟蹤階段可對目標的中波紅外輻射特性進行錄取。 (4)事后處理階段：對檢測跟蹤過程錄像進行編輯，快速形成結(jié)果上報，對于重要目標的紅外輻射圖像數(shù)據(jù)，事后處理包括目標的特征提取、目標識別等處理。 系統(tǒng)選用便攜式計算機作為主機，目標的紅外圖像、高速實時信息處理機的實時檢測結(jié)果、熱像儀當(dāng)前狀態(tài)、伺服轉(zhuǎn)臺狀態(tài)及當(dāng)前指向、擴展接口設(shè)備信息必須實時可靠地上傳給主機，同時r)SF'算法參數(shù)設(shè)置、實時處理狀態(tài)控制、熱像儀控制、伺服分系統(tǒng)控制、擴展接口控制也必須及時地傳給高速實時信息處理機。通觀目前的各種接口，兼顧熱插拔、即插即用、速度、實時性、成本等特點，系統(tǒng)選用高速USB 2．O接口實現(xiàn)高速實時信息處理機與主控計算機通信。 2 USB 2．0接口設(shè)計 USB是一個快速、雙向、同步、動態(tài)的串行連接接口，他具有熱插拔、即插即用、數(shù)據(jù)傳輸可靠、擴展方便、低成本等優(yōu)點，已成為當(dāng)前計算機和各種處理機系統(tǒng)必備的接口之一。USB 2．O接口的理論傳輸速率高達480 Mb／s，實際應(yīng)用中選用批量傳輸最大帶寬可達53．248 MB／S［1］。本系統(tǒng)實時信息處理機與主控計算機之間最主要數(shù)據(jù)量為320×256×1 6×50一65 536 000，即為65．536 Mb/s，加上一些控制參數(shù)最大數(shù)據(jù)傳輸量不超過80 Mb/s，USB 2．O接口完全可以滿足系統(tǒng)對傳輸速率要求。同時，采用USB 2．0接口設(shè)計使得系統(tǒng)的連接簡單可靠，且USB支持熱插拔，即插即用，系統(tǒng)的拆裝極為靈活，是本系統(tǒng)接口的理想選擇。 在本系統(tǒng)中，USB 2．O接口是主控計算機與實時信息處理機惟一的通信接口，實時信息處理機通過USB 2．0接口傳輸給主控計算機的信息有：目標紅外圖像數(shù)據(jù)；目標檢測結(jié)果；熱像儀當(dāng)前狀態(tài)；伺服轉(zhuǎn)臺狀態(tài)及當(dāng)前指向；擴展接口設(shè)備信息。 主控計算機給實時信息處理機的信息有：DSIP算法參數(shù)設(shè)置；實時處理狀態(tài)控制；熱像儀控制；伺服分系統(tǒng)控制；擴展接口控制。 由于USB是主從式工作模式，整個USB系統(tǒng)中只允許有一個，而且必須要有一個USB主機控制整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸工作。所有的數(shù)據(jù)傳輸都是由USB主機端發(fā)起，USB主機根據(jù)各個設(shè)備的屬性周期性地訪問各個設(shè)備，USB設(shè)備則被動地響應(yīng)USB主機的訪問請求。在本系統(tǒng)中，USB主機是由便攜式計算機內(nèi)嵌的USB控制器擔(dān)當(dāng)，高速實時信息處理機則是USB設(shè)備。 USB程序設(shè)計基本上包含LJSB主機端的設(shè)備驅(qū)動程序設(shè)計和USB設(shè)備本身的固件程序設(shè)計。 2．1 USB固件程序設(shè)計 固件程序是指運行在USB微控制器上的程序，本系統(tǒng)采用的USB微控制器為Cypress公司FX2LP系列中的CY7C68013A，他提供了對USB 2．0的完整解決方案。其內(nèi)部集成了USB 2．O收發(fā)器、USB接口引擎、工作在48 MHz的增強型8051內(nèi)核并帶有2個通用異步收發(fā)器(uART)以及可編程接口控制邏輯。從端點F1FO可提供與眾多通用接口如：ATA，UTOPIA，EPP，PCMCIA，DSP以及通用處理器的無縫連接。 USB微控制器是實現(xiàn)USB通信的核心，同時也是系統(tǒng)的內(nèi)部通信中心。USB微控制器不僅要負責(zé)實時信息處理機與主機USB通信，同時還要負責(zé)與伺服轉(zhuǎn)臺、熱像儀、預(yù)留擴展接口等的通信。為了實現(xiàn)穩(wěn)定閉環(huán)跟蹤，實時信息處理機處理結(jié)果中包含的目標脫靶量必須以50 f/s的速率實時地傳送給伺服轉(zhuǎn)臺，此傳輸不能受主控計算機與實時信息處理機USB通信的影響。由于windows操作系統(tǒng)本身多進程與USB傳輸?shù)闹鲝氖焦ぷ髟恚骺赜嬎銠C之間的USB傳輸常被其他進程打斷，導(dǎo)致USB傳輸速率下降，無法保證當(dāng)前圖像與目標信息以50 f／s的恒定速率實時傳輸給主控計算機顯示。本系統(tǒng)中USB微控制器利用內(nèi)部集成的強型805l內(nèi)核通過對其可編程接口控制邏輯的合理設(shè)計和芯片內(nèi)部F1FO的有效運用，根據(jù)本系統(tǒng)各種數(shù)據(jù)傳輸對時間、速率和可靠性的不同要求靈活運用控制傳輸、中斷傳輸和批量傳輸，保證上述各種通信過程互不影響，有效地保證伺服轉(zhuǎn)臺的閉環(huán)跟蹤性能。其固件程序流程圖如圖2所示。 2．2 USB驅(qū)動程序設(shè)計 USB總線的驅(qū)動程序是運行在便攜式計算機上并實現(xiàn)對其內(nèi)嵌的LISB控制器進行控制，USB總線的驅(qū)動程序由USB主機控制器驅(qū)動，USB協(xié)議棧(包括總線管理、設(shè)備管理、多主機控制器管理等工作)，USB設(shè)備驅(qū)動程序(實現(xiàn)對特定類設(shè)備的配置管理、數(shù)據(jù)傳輸管理)3部分組成。Microsoft提供的一組驅(qū)動程序占據(jù)了系統(tǒng)軟件的底部。這些驅(qū)動程序包括主控制器驅(qū)動程序(OPENHCI．SYS或者UHCD．SYS)、HUB驅(qū)動程序(USBHUB．SYS)和一個類驅(qū)動程序(USBD．SYS)，由控制器驅(qū)動程序使用。把USBD下面的所有驅(qū)動程序看成一個整體，本系統(tǒng)設(shè)計的設(shè)備驅(qū)動程序主要與這個整體進行交互，占據(jù)系統(tǒng)軟件的頂部，管理著硬件連接和管道通信。設(shè)備驅(qū)動程序的工作就是把客戶軟件的請求翻譯成USBD能執(zhí)行的事務(wù)。 本系統(tǒng)的驅(qū)動程序的功能就是在固件程序的配合下完成USB控制、數(shù)據(jù)傳輸、電源管理和固件加載。具體而言，設(shè)備功能驅(qū)動程序需要完成的工作分別為：初始化；創(chuàng)建和刪除設(shè)備；處理win32打開和關(guān)閉文件句柄的請求；處理控制傳輸?shù)恼埱螅惶幚碇袛鄠鬏數(shù)恼埱螅惶幚砼總鬏數(shù)恼埱螅还碳虞d；處理一個可熱插拔設(shè)備被添加或刪除的情況；處理電源管理的請求。 3 實時信息處理機硬件設(shè)計 實時信息處理機是紅外自動目標檢測跟蹤系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，他實現(xiàn)對紅外熱像儀數(shù)據(jù)的獲取，對圖像中的目標進行實時檢測，并將目標信息如脫靶量等傳遞給伺服控制系統(tǒng)及外部擴展接口。同時，該分系統(tǒng)還負責(zé)熱像儀、伺服控制分系統(tǒng)、主控計算機及擴展接口之間的通信。 熱像儀圖像大小為320×256，幀頻為50幀／s，通過對目標檢測跟蹤算法的分析可知：其數(shù)據(jù)量大且圖像處理算法運算量大，而系統(tǒng)對實時性的要求高。以上這些特點對硬件平臺的設(shè)計提出了很高的要求。國內(nèi)一些同行在實時圖像處理機的設(shè)計中采用了DSP陣列結(jié)構(gòu)［3.4］，用多塊 DSP協(xié)同工作來提高處理 機的實時處理能力。由于本文設(shè)計的便攜式紅外目標自動檢測與跟蹤系統(tǒng)實時信息處理機的體積和功耗受到嚴格限制，在對各方面因素進行綜合考慮的基礎(chǔ)上，結(jié)合處理算法的動態(tài)可變和可重構(gòu)特點，根據(jù)目標信息處理的基本流程設(shè)計了基于單片DSP+FPGA的實時信息處理機硬件平臺，發(fā)揮DSP和FPGA各自的優(yōu)勢，合理劃分處理任務(wù)，使得效率和靈活性得到充分提高。其結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示： 其結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示： 來自熱像儀的14位差分數(shù)字圖像經(jīng)過電平轉(zhuǎn)化，通過FPGA進行自適應(yīng)偏置校正和增益校正拉伸處理后，緩存入FIFO中。當(dāng)FIFO存滿一幀圖像時中斷DSP，DSP將圖像數(shù)據(jù)讀入內(nèi)部RAM空間進行處理。處理完成后，DSP將處理結(jié)果以及圖像數(shù)據(jù)通過USB總線傳送至主控計算機分系統(tǒng)。同時，通過擴展串口與伺服控制分系統(tǒng)、擴展上報接口、激光測距機及慣導(dǎo)陀螺儀接口等外部接口通信。 根據(jù)信息處理數(shù)據(jù)量及處理速度的要求，分系統(tǒng)中的DSP采用TI公司的TMS320C6416T，他是專門針對圖像處理的一款高速定點處理器，其內(nèi)部有8個并行的處理單元，體系結(jié)構(gòu)采用超長指令字結(jié)構(gòu)(VL1w)，芯片的工作主頻可以達到1 GHz，當(dāng)片內(nèi)8個單元同時運行時其最大處理能力可以達到8000 MIPS；FPGA采用Xilinx公司的Virtex一Ⅱ系列，是業(yè)界先進的適合數(shù)字信號處理應(yīng)用的FPGA。其強大的可編程功能和內(nèi)置硬件乘法器為完成一些較復(fù)雜的圖像處理操作提供了強大的資源和結(jié)構(gòu)支持，外部大量的I／O管腳使之能夠提供多套數(shù)據(jù)和地址總線，利用該資源可以完成數(shù)據(jù)獲取中邊讀邊運算邊存儲的功能，從而大大節(jié)省數(shù)據(jù)訪問的時問。 圖4左側(cè)為實時信息處理板實物照片，信息處理板尺寸僅為1lO mm×8l mm，內(nèi)置于右側(cè)熱像儀機殼中。 在實時信息處理機中，DSP軟件需要完成3項任務(wù)：從FIFO中導(dǎo)人圖像數(shù)據(jù)、按照算法流程對圖像進行處理、將處理結(jié)果通過L7SB微控制器傳送給伺服控制及主控計算機如圖5所示。此3項任務(wù)具有一定的獨立性，需要妥善處理以下2個同步問題： 首先，來自熱像儀的圖像幀頻為固定的50幀／s，即相鄰兩幀圖像之間的時間間隔為20 ms。DSP對圖像的處理時間因目標類型以及背景復(fù)雜度不同而略有變化。通常在背景非常復(fù)雜、虛警干擾過多的情況下，DSP處理一幀圖像的時間會偶爾超過20 ms。這種情況出現(xiàn)的時候，系統(tǒng)的穩(wěn)定性不應(yīng)受到影響。 另外，此類問題還存在于DSP處理結(jié)果及目標圖像與主控計算機的傳輸中，Windows操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作方式?jīng)Q定了其實時性較差，在該系統(tǒng)中表現(xiàn)為，主控計算機端軟件通過LISB總線從圖像處理板讀取一幀數(shù)據(jù)的時間無法確定。經(jīng)測試，讀取一幀數(shù)據(jù)的耗時最快可小于8 ms，最慢可大于200 ms。因此，在DSP軟件中必須采取措施隔離圖像處理進程與USB傳輸進程，使USB傳輸超時不會影響圖像處理幀頻。除了解決2個協(xié)同問題之外，還必須采取諸多優(yōu)化手段保證DSP對圖像的處理速度。只有經(jīng)過良好優(yōu)化的DSP代碼才能有效利用DSP具有的各種資源，充分發(fā)揮DSP特有的優(yōu)勢，最大限度地滿足系統(tǒng)實時性的要求。 4 測試結(jié)果 本文自研的便攜式紅外自動目標檢測跟蹤系統(tǒng)對部分空中目標進行了外場聯(lián)調(diào)試驗，試驗結(jié)果表明，可以對320×256大小的圖像實現(xiàn)50幀／s的實時檢測，能夠?qū)崿F(xiàn)對低空目標的自動搜索、捕獲與跟蹤，探測到目標后能夠穩(wěn)定伺服閉環(huán)跟蹤，短暫遮擋目標不丟失，丟失目標后能夠有效地重新捕獲，同時系統(tǒng)易于便攜機動、功耗低，可以有效地應(yīng)用到預(yù)警系統(tǒng)中。 |
