机载红外搜索跟踪系统关键技术分析

3 图像跟踪处理器
图 像跟踪处理器是信号处理系统 ( SPU ) 及 IRST 的关键，完成对图像视频信号 ( PAL 制式 ) 的滤波与 处理， 按确定的判据检测和识别视场内的目 标; 在搜 索状态下，按照截获判据截获目 标，当自 动转人跟踪
状态时，完成对所截获目 标脱靶量的计算以及 目 标运 动方向的预测，并将 目 标的脱靶量数据及其他的状态 数据通过接口电路送往 PSS 中的跟踪组件。 图像跟踪处理器是 IRST 的智能核心， 在实现时着 重考虑以下几个方面:
度。
2 稳定与瞄准系统
由于该 IRST 是应用在飞机这个高速运动、 机动的
总第 78 期
王成昆: 机载红外搜索跟踪系统关键技术分析
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图像处理算法是图像跟踪处理器的关键。目 前， 在光电跟踪系统中， 边缘跟踪、形心跟踪、相关跟踪 等算法已有较多的应用。对于这些算法， 各有各的特 点，实际应用中，目 标特性及背景特性关系较大， 没 有哪个算法是“ ， 万能， 的。结合 IRST 的作战使命、 应用 环境及目 标的特性，它探测、搜索及捕获跟踪的目 标 是空中远距离的点目 标及近距离的面目 标。所以在根 据 TIS 的视频图像信号进行目 标检测、 识别及跟踪时， 有下面的考虑: ( 1) 目 标检测: 利用视频图像， 进行背景预测，
间分辨率及作用距离; 其另一优点是采用了斯特林制 冷技术， 体积小、 重量轻， 适合于空中 应用。 ( 2 ) 红外望远镜组件 它是探测器与目 标辐射之间的光学窗口，它把目 标的红外辐射聚焦到探测器上， 并尽可能地滤除工作 波段以外的红外干扰辐射。 采用了透射式锗透镜系统， 在对望远镜的色差及初级单色像差校正的基础上， 还 应校正望远镜的出瞳像差，必须使望远镜有容许的出 瞳像，否则对热图像将产生严重的遮挡影响。特别应 注意的是对 Narcissus 效应的消除[3]0 [ 通常用下列方法来降低 Narcissus : 用暖的阻挡来 降低焦平面冷面的有效辐射干扰; 用高效率抗反射镀 膜降低透镜表面的反射; 精心的光学设计，散焦冷的 反射， 使其不出现共焦表面; 以一定角度倾斜来放置 平面窗口等。 ( 3 ) 电子信号处理组件 它把 目 标的红外辐射转变为红外图像 ，主要由: 时钟驱动电路、低噪声前放电路、差分放大电路、多 路转换电路、视频处理电路及 A/D 转换电路等组成。 在把探测器输出的电信号转换成图像信号的过程中， 有两项关键技术: 1 ) 非均匀校正: 探测元响应的非均匀性主要有三 个原因: 一是响应率因子 ( 增益 ) 不同; 二是截距因 子 ( 偏置系数 ) 不同; 三是各元的响应达到饱和时的 值和光通量不同。 非均匀性将产生固定图形噪声，影响成像质量， 降低红外系统的探测距离， 导致IRST 的作用距离降低。 因此，必须进行非均匀校正， 使每个探测器对给定范 围的输人产生相同的输出信号，以便得到一个可以接 受的图像。 对非均匀性校正一般有三种方法: 单点校正、两 点校正和多点校正。为了更好地逼近光敏元的实际响 应曲线，系统中采用了多点校正方法实现: 光敏元的 响应曲线合理地分成若干段，每一段响应都用两点定 标校正算法作校正。 2 ) 疵点消除: 探测器的制作工艺造成焦平面器件 难免出现若干“ 盲元” 和亮点， 疵点”系统实现时， 称为‘ 。 对疵点的位置进行了检测与消除: 当焦平面阵列正常 成像时，疵点的信号由其邻近非疵点的信号取平均值 代替， 其他像元信号依旧。
图2 红外成像系统框图
图 1 红外搜索跟踪系统框图
( 1 ) 探测器组件 探测器是 TIS 的心脏，是完成把空间分布的红外 辐射转变为便于处理的时间电信号的信息转换器件。 其性能直接关系到IRST 的探测距离、 空间分辨率等重 要指标。 1 ) 工作波段选择: 红外辐射的大气窗口有三个:
( 1 ) 红外热成像系统: 主要包括红外望远镜、 探 测器和电子信号处理组件。望远镜是红外探测的光学 窗口。探测器一般选择线列或焦平面阵列器件，要求 其量子效率及工作波段的大气透射率比较高。电子信 号处理组件主要完成探测器电信号的前放和处理。 ( 2 ) 稳定与瞄准系统: 包括瞄准与稳定机构和电
2001,3 1(5):273-276
[3] Gerald C Holst. Testing and Evaluation of Inf ared Imaging r
Systems[M]. Second edition. JCD and SPIE Optical Engineering Press, 1998:24-37
王成 昆
( 海军驻西安东郊地区航空军事代表室， 西安. 710043 ) 摘 要: 概述了红外搜索跟踪系统的组成及主要技术特点，对红外成像系统中的红外望远光学
系统、红外探测器组件等进行了分析; 探讨了稳定与瞄准系统实现方案; 对图像跟踪器中的跟 踪算法及工程实现中采取的措施进行了论述。 关键词: 红外搜索跟踪系统; 红外探测器; 稳定与瞄准系统; 图像跟踪器
( I )作为机载应用， 由于作战飞机的运动速度高，
要求对目 标的数据处理速度要快; ( 2 ) IRST 在空中工作时， 所对付的目 标大多是远 距离的点目 标，要求其对弱小动目 标的处理应准确; ( 3 ) 要求对云彩等干扰有很好的滤除作用， 具有 好的抗干扰性能; ( 4 ) 要求其体积小、 重量轻。 被处理信号是包含 320x256 探测元信息量的 PAL 制视频信号， 率超过了 2M 字节/秒， 对图像处理 器的处理速度要求很高。在实现时，采用了 DSP 技术 来完成图像处理跟踪器的硬件，以保证系统的处理速
根据每点的背景预测值， 按照检测概率和虚警率构造
的检测门限， 完成 目 标的检测; ( 2 ) 多种算法共用， 解决对于不同目 标的最佳跟 踪。主要采用了三种跟踪算法: 远距离时，利用点跟 踪算法实施对目标的跟踪; 随着目标与载机距离的缩 短，目 标图像将呈现二维面目 标，利用形心算法来完 成跟踪; 当目 标在更近的距离上时， 利用相关跟踪完 成对 目 标的跟踪。 在实际的算法编制，系统联试及内、 外场试验中， 为了提高系统快速稳定、可靠地对目 标实施跟踪的性 能，在算法方面还采取了下面的主要措施: ( 1 ) 为了提高系统的快速性， 除了采用较高速度
WANG Cheng-kun
(Aeronautical Militar Representatives Off ce of Navy in Easter District of V an, Xi'an, 710043) y i n
Abstract: The composing and main technical characteristics of IRST are summarized. The IR optical-system, IR detector unit and the realizable method for the Present and Stabilization System are analyzed. Several algorithms in the Image Processing and Tracking Unit, and several practical measures are given. Key words: IRST; IR detector; present and stabilization system; image processing and tracking unit
列显著特点【2 ’1 ， ( 1 ) 被动探测方式，隐蔽性好， 反隐身能力强。 在电子对抗中，是雷达的替换 ( 或备份 ) 系统;
( 2 ) 角分辨率比雷达高， 体积、 重量比雷达小; ( 3 ) 提供符合人类视觉习惯的目 标及背景图像， 可完成被动识别目 标和帮助选择攻击最危险目 标; ( 4 ) 可昼夜工作， 提高了飞机夜战时对目 标的探
收稿 日期 : 2004-07-12 作者简介: 王成昆 ( 1965- )， 男，工程师，大学.
1- 3gm, 3- 5gm, 8- 121m， .t 实际应用中 应根据不同的
使用环境来选择工作波段。 由于IRST 是红外探测技术 在飞机上的应用，探测对象是空中的高速运动飞机，
综合飞机的红外辐射特性， 选择8- 12}m工作波段， L 既
参考文献:
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and SPIE Press, 1993
Βιβλιοθήκη Baidu
[2] 刘兴运. 机载红外搜索跟踪技术研究[J]. 激光与红外， [
有利于对飞机的迎头及尾后探测，同时，在兼顾对地 时 ( 如辅助着陆等 ) 的探测，更显优势。
海 军航 空 工 程 学 院 李报
2004 年 第 6 期
2) 探 器 件 择: 在8- 12泣 作 段，目 测 组 选 m工 波 前
主要的探测材料是锑锡汞。 保证 IRST 系统性能指 为了
标， 选择了进口的LWIR 器件， 其探测元数为320x256 元， 单元尺寸为 30gmx30gm， 保证了IRST 系统的空
中图分类号: TN 201 文献标识码: A
0 引言
机载红外搜索跟踪系统 ( IRST ) 是可自动 ( 或受 控 ) 对空中目 标实施探测、搜索、捕获与跟踪，并实 时为载机提供目 标参数的机载红外光电设备。具有下
子组件。主要完成对光学装置瞄准线的稳定，并实现
对光学视轴、 搜索视场等的控制;
( 3 ) 信号处理系统: 主要由滤波器、接口电路及 微处理计算机 ( 图像处理器 ) 组成， 完成目 标辨识、 捕获与跟踪等数据处理功能。
第 19 卷 第 6 期 2004 年 11 月
海军航 空 工程 学 院 学报
JO U R N A L O F N AVA L A ER O N A U T IC A L EN G IN EE R IN G IN ST IT UT E
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机载红外搜索跟踪 系统关键技术分析
( 2 ) 采用 自 适应波门跟踪技术， 最大限度地减少 处理数据，同时增强系统的抗干扰性能。
4 结束语
机载红外搜索跟踪系统 ( IRST ) 涉及的关键技术 很多，本文力求在概括一般性的前提下， 结合实际工 作中的部分设计及研究， 对相对具体的几项关键技术 进行了设计分析，以求对相关领域的研究者提供一些 帮助。
系统稳定需要用到惯性敏感元件，根据陀螺安装 和驱动方式的不同，常用的稳定系统有三种: 整体稳 定、齿轮传动稳定和稳定反射镜。
从稳定精度来看， 整体稳定的精度最高; 齿轮传
动稳定及稳定反射镜方案类似，均会受外部扰动及基 座运动的影响， 精度稍低。 机载 IRST 系统， 由于其在 实施对目 标的探测、捕获与跟踪时，目 标具有远距离
测能力。
1 红外热成像系统
TIS 主要完成对目 标及背景红外辐射的 探测， 包括
红外望远镜光学组件、探测器组件及电子信号处理组 件，如图2 所示。
红外搜索跟踪系统 ( IRST ) 主要由三部分组成: 红外热成像系统 ( TIS )、 稳定与瞄准系统 ( PSS )、信 号处理系统 ( SPU )，如图 1所示。
[4] 罗 俊萍. 机载光测设备视轴稳定精度分析[J] 飞行器测 [ 控学报， 2001,20(1):50-54
的 DSP 硬件， 提高软件运行效率外， 还采取了图 像在 线分割技术及图像数据分段存取等措施;
Analysis of Key Techniques in the Infrared Searching and Tracking System
成点，近距离成像的特点， 兼顾考虑系统的角分辨率 及跟踪算法， 所以IRST 对稳定与瞄准系统的 稳定精度
要求较高， 在系统实现时采用了整 体稳定方案[4]0
考虑到飞机对其设备的体积及重量限制，在工程 实现时， 尽量减轻稳定负载， TIS 中的部分处理电 将 路进行了分离，安装于稳定机架之下; 同时，在保证 强度的情况下，尽量减轻了结构件的重量。保证了总 体对性能、体积及重量的要求。
载体上，用于对 目 标的跟踪瞄准。载体的运动会给跟 踪瞄准带来扰动并产生误差， 所以必须建立稳定与瞄 准系统将红外热像仪的光学视轴与载体的运动和震动 等进行隔离。 稳定与瞄准系统主要完成对系统光轴的稳定和控 制，由稳定与瞄准机构和电子组件组成。系统光轴的
稳定， 可以建立稳定的测量坐标系，电子组件接收控 制信号并驱动执行机构， 从而驱动光轴去扫描整个视 场， 并实施对目 标的跟踪。