注入式紅外捕獲跟蹤仿真關(guān)鍵技術(shù)研究

黨東妮，高 衛(wèi)，孫奕帆

（北京跟蹤與通信技術(shù)研究所，北京100094）

注入式紅外捕獲跟蹤仿真關(guān)鍵技術(shù)研究

黨東妮，高 衛(wèi)，孫奕帆

（北京跟蹤與通信技術(shù)研究所，北京100094）

闡述了注入式紅外捕獲跟蹤仿真系統(tǒng)的組成及工作流程；分析了制約仿真體系構(gòu)建的關(guān)鍵技術(shù)，針對(duì)目標(biāo)在圖像中位置的仿真精度要求，提出了直接采集紅外捕獲跟蹤設(shè)備編碼盤角度信息來進(jìn)行目標(biāo)位置仿真計(jì)算的方法；針對(duì)紅外圖像生成實(shí)時(shí)性要求，提出了預(yù)先生成目標(biāo)、背景圖像數(shù)據(jù)，在仿真進(jìn)程中將之實(shí)時(shí)合成的方法，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提方法的有效性；最后提出了仿真體系構(gòu)建的建議。

紅外捕獲跟蹤設(shè)備；注入式仿真；實(shí)時(shí)合成

1 引 言

紅外捕獲跟蹤設(shè)備是電子對(duì)抗特別是光電對(duì)抗裝備的重要組成部分，一般由紅外成像分系統(tǒng)、信號(hào)處理器及伺服分系統(tǒng)組成，主要用于自動(dòng)捕獲、跟蹤目標(biāo)并引導(dǎo)干擾源動(dòng)態(tài)瞄準(zhǔn)目標(biāo)，同時(shí)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別、分類。紅外捕獲跟蹤設(shè)備的性能指標(biāo)檢驗(yàn)一般采用外場(chǎng)方法，但外場(chǎng)方法存在目標(biāo)對(duì)象模擬不完全、多目標(biāo)難以構(gòu)建、電磁環(huán)境難以模擬等諸多問題。相比外場(chǎng)方法，采用仿真手段構(gòu)建紅外捕獲跟蹤設(shè)備檢驗(yàn)所需的環(huán)境，具有容易實(shí)現(xiàn)、信號(hào)環(huán)境可控、可多次重復(fù)、效費(fèi)比高等突出優(yōu)點(diǎn)。

紅外捕獲跟蹤仿真包括場(chǎng)景輻射式仿真、數(shù)字圖像注入式仿真、數(shù)學(xué)仿真等多種方法，各種方法應(yīng)用場(chǎng)合不同。其中，前兩種方法均引入紅外捕獲跟蹤設(shè)備實(shí)體參與仿真，屬于半實(shí)物仿真，相比之下，數(shù)字圖像注入式仿真繞過了紅外場(chǎng)景轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，仿真系統(tǒng)建設(shè)費(fèi)用低，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)紅外捕獲跟蹤設(shè)備多種關(guān)鍵性能指標(biāo)的檢驗(yàn)，尤其適用于與圖像信息處理與目標(biāo)檢測(cè)、跟蹤能力息息相關(guān)的性能指標(biāo)的考核與評(píng)估，在有限條件下是一種現(xiàn)實(shí)有效的紅外仿真方法［1－5］。

2 注入式紅外捕獲跟蹤仿真系統(tǒng)組成及工作流程分析

外引導(dǎo)數(shù)據(jù)模擬、紅外捕獲跟蹤設(shè)備光軸指向信息采集、圖像中目標(biāo)位置仿真、仿真數(shù)據(jù)采集及評(píng)估等。模型數(shù)據(jù)庫用于提供圖像生成所需的目標(biāo)／背景模型及紅外素材。數(shù)字圖像生成分系統(tǒng)采用高性能圖形工作站，利用圖像生成軟件生成仿真所需的紅外場(chǎng)景圖像。數(shù)字圖像注入設(shè)備用于將生成的紅外數(shù)字圖像注入到紅外捕獲跟蹤設(shè)備信息處理器。

圖1 注入式紅外捕獲跟蹤仿真系統(tǒng)組成框圖

2.1 組成

注入式紅外捕獲跟蹤仿真系統(tǒng)主要由仿真控制計(jì)算機(jī)、數(shù)字圖像生成分系統(tǒng)、模型數(shù)據(jù)庫、數(shù)字圖像注入設(shè)備等部分組成。組成框圖如圖1所示。其中，仿真控制計(jì)算機(jī)主要用于完成仿真劇情設(shè)計(jì)及推演、

2.2 工作流程

仿真試驗(yàn)開始前，仿真控制計(jì)算機(jī)根據(jù)當(dāng)次仿真需求進(jìn)行劇情想定和參數(shù)配置，生成劇情想定和參數(shù)配置信息；仿真試驗(yàn)開始后，仿真控制計(jì)算機(jī)判斷目標(biāo)是否在視場(chǎng)內(nèi)，如不在，則通過發(fā)送外引導(dǎo)數(shù)據(jù)，將目標(biāo)引導(dǎo)到紅外捕獲跟蹤設(shè)備視場(chǎng)內(nèi)，同時(shí)實(shí)時(shí)采集紅外捕獲跟蹤設(shè)備編碼盤的輸出信息，結(jié)合目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡，實(shí)時(shí)仿真目標(biāo)在設(shè)備視場(chǎng)中的空間位置［6］，并下發(fā)給數(shù)字圖像生成分系統(tǒng)；數(shù)字圖像生成分系統(tǒng)根據(jù)仿真劇情想定和參數(shù)設(shè)置，調(diào)用模型數(shù)據(jù)庫模型，利用仿真控制計(jì)算機(jī)下發(fā)的目標(biāo)位置信息，仿真生成所需的紅外場(chǎng)景圖像；經(jīng)數(shù)字圖像注入設(shè)備進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換后，按照紅外捕獲跟蹤設(shè)備通訊協(xié)議、工作幀周期、圖像數(shù)據(jù)流格式以及時(shí)序要求，注入到紅外捕獲跟蹤設(shè)備信息處理器；信息處理器處理出目標(biāo)相對(duì)紅外捕獲跟蹤設(shè)備光軸的偏差送給伺服系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)光軸指向目標(biāo)，模擬紅外捕獲跟蹤設(shè)備動(dòng)態(tài)跟蹤目標(biāo)工作過程；仿真控制計(jì)算機(jī)對(duì)仿真試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、比對(duì)，評(píng)估紅外捕獲跟蹤設(shè)備的性能［7］。

3 關(guān)鍵技術(shù)研究

由上述仿真系統(tǒng)的工作流程可以看出，影響仿真可行性的關(guān)鍵因素是仿真時(shí)序精度，即在仿真工作過程中紅外捕獲跟蹤設(shè)備光軸指向數(shù)據(jù)的采集、圖像中目標(biāo)位置的仿真、紅外數(shù)字圖像的生成及注入帶來的時(shí)間延遲與紅外捕獲跟蹤設(shè)備實(shí)際工作過程中相應(yīng)耗時(shí)的誤差。由于目前計(jì)算機(jī)硬件的采集速率可達(dá)到兆赫茲，所以光軸指向信息的采集時(shí)間可以忽略，而仿真圖像注入時(shí)間消耗與設(shè)備將所成圖像傳送給信息處理器的時(shí)間消耗相當(dāng)，因此注入式紅外捕獲跟蹤仿真的關(guān)鍵技術(shù)有兩個(gè)方面：圖像中目標(biāo)位置的仿真精度及仿真場(chǎng)景的實(shí)時(shí)合成速度如何滿足仿真需求?？刂品抡嫦到y(tǒng)延時(shí)，精確仿真目標(biāo)在圖像中的位置及提高圖像生成的實(shí)時(shí)性是保證仿真系統(tǒng)構(gòu)建逼真度的主要途徑。下面主要針對(duì)這兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析，提出相應(yīng)的解決方法。

3.1 圖像中目標(biāo)位置的仿真精度

3.1.1 圖像中目標(biāo)位置的仿真計(jì)算

由于紅外捕獲跟蹤設(shè)備視場(chǎng)較小，目標(biāo)在視場(chǎng)中的位置不能簡(jiǎn)單依靠目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡確定，還需要利用其跟蹤特性，因此目標(biāo)在圖像中位置的模擬需要結(jié)合紅外捕獲跟蹤設(shè)備的光軸指向信息來實(shí)現(xiàn)。首先建立紅外捕獲跟蹤設(shè)備站點(diǎn)坐標(biāo)系，其次將目標(biāo)在地心坐標(biāo)系下的位置坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為站點(diǎn)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，最后根據(jù)設(shè)備的光軸指向信息計(jì)算出目標(biāo)偏離設(shè)備光軸的偏差，即得出目標(biāo)在圖像上的位置。

（1）假定紅外捕獲跟蹤設(shè)備工作站點(diǎn)為大地坐標(biāo)，以工作站點(diǎn)為原點(diǎn)建立虛擬空間直角坐標(biāo)系o－x′y′z′。

（2）仿真開始前，想定目標(biāo)運(yùn)動(dòng)參數(shù)，在仿真進(jìn)程中，根據(jù)想定的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)參數(shù)和試驗(yàn)進(jìn)程時(shí)間實(shí)時(shí)計(jì)算目標(biāo)的空間坐標(biāo)值。

（3）將地心坐標(biāo)系下的目標(biāo)位置坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為紅外捕獲跟蹤設(shè)備站點(diǎn)坐標(biāo)系下的極坐標(biāo)（A′，E′，R′）或直角坐標(biāo)（x′，y′，z′）。

（4）利用式（1）計(jì)算目標(biāo)相對(duì)光軸在方位和俯仰方向的偏差［8］：

式中：ΔA為目標(biāo)相對(duì)紅外捕獲跟蹤設(shè)備光軸方位方向脫靶量值；ΔE為目標(biāo)相對(duì)紅外捕獲跟蹤設(shè)備光軸俯仰方向脫靶量值；A′為目標(biāo)在紅外捕獲跟蹤設(shè)備站點(diǎn)坐標(biāo)系下的方位角；E′為目標(biāo)在紅外捕獲跟蹤設(shè)備站點(diǎn)坐標(biāo)系下的俯仰角；A0′為紅外捕獲跟蹤設(shè)備光軸方位指向碼盤值；E0′為紅外捕獲跟蹤設(shè)備光軸俯仰指向碼盤值。

3.1.2 提高目標(biāo)在圖像中位置仿真精度的方法

由上式可見，目標(biāo)在圖像中位置的模擬精度主要與目標(biāo)空間位置坐標(biāo)（A′，E′）的計(jì)算精度、紅外捕獲跟蹤設(shè)備光軸指向信息（A0′，E0′）的采集精度有關(guān)。目標(biāo)空間位置的計(jì)算精度一般較高，所帶來的誤差可以忽略；光軸指向信息的采集精度主要取決于兩個(gè)方面：一是編碼盤的精度，二是數(shù)據(jù)的采集時(shí)刻，目前編碼盤的精度較高所帶來的誤差也可以忽略，因此影響光軸指向信息精度的主要因素為數(shù)據(jù)的采集時(shí)刻。由于目標(biāo)始終處于運(yùn)動(dòng)中，由滯后的光軸數(shù)據(jù)計(jì)算出目標(biāo)在圖像中的位置進(jìn)而合成數(shù)字圖像，與紅外捕獲跟蹤設(shè)備實(shí)際工作相比，從時(shí)域上相當(dāng)于延遲了幾幀，因而必將降低仿真時(shí)序精度，影響紅外捕獲跟蹤設(shè)備的工作穩(wěn)定性。

紅外捕獲跟蹤設(shè)備光軸指向信息一般通過伺服系統(tǒng)以幀頻輸出給設(shè)備的主控計(jì)算機(jī)，由于傳輸延遲，主控計(jì)算機(jī)一般在延遲一到兩幀后接收到該信息，如果據(jù)此信息計(jì)算目標(biāo)在圖像中的位置，與設(shè)備真實(shí)工作過程相比，至少帶來了兩幀的延遲誤差。而設(shè)備伺服系統(tǒng)的速度環(huán)采樣頻率一般為800Hz，即采樣周期為1.25ms，仿真系統(tǒng)如果直接利用編碼盤數(shù)據(jù)，則可大大減少延遲帶來的計(jì)算誤差。如圖（2）所示，其中，a）為紅外捕獲跟蹤設(shè)備編碼盤采樣頻率示意圖，T0、T1……為紅外捕獲跟蹤設(shè)備成像幀周期；b）為直接采集紅外捕獲跟蹤設(shè)備編碼盤信息計(jì)算目標(biāo)在圖像中的位置；c）為采集紅外捕獲跟蹤設(shè)備主控計(jì)算機(jī)輸出的光軸指向信息計(jì)算目標(biāo)在圖像中的位置。

圖2 利用不同時(shí)刻編碼盤數(shù)據(jù)計(jì)算目標(biāo)在圖像中位置時(shí)序圖

由圖2可以看出，直接采集編碼盤輸出數(shù)據(jù)計(jì)算目標(biāo)在圖像中的位置，由于采樣頻率和計(jì)算速度帶來的時(shí)間延遲很小，目標(biāo)運(yùn)動(dòng)帶來的空間位置變化可以忽略，因此以此目標(biāo)位置信息仿真生成的紅外圖像，與紅外捕獲跟蹤設(shè)備實(shí)際獲取的圖像在時(shí)序上比較接近，仿真逼真度較高。當(dāng)利用設(shè)備主控計(jì)算機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)的光軸指向信息計(jì)算目標(biāo)的像素位置時(shí)，從圖c）中可以看出，由于數(shù)據(jù)傳輸延遲及目標(biāo)運(yùn)動(dòng)，仿真系統(tǒng)在T2時(shí)刻利用T0時(shí)刻光軸的指向信息計(jì)算目標(biāo)在圖像中的位置，并仿真生成紅外圖像，此圖像相當(dāng)于紅外捕獲跟蹤設(shè)備在T0時(shí)刻實(shí)際獲取的圖像，不僅降低了仿真的逼真度，對(duì)設(shè)備的工作穩(wěn)定性也會(huì)帶來影響。

因此，為了提高目標(biāo)在圖像中位置的仿真精度，提高被檢測(cè)紅外捕獲跟蹤設(shè)備的工作穩(wěn)定性，仿真系統(tǒng)應(yīng)在幀成像同步時(shí)刻從設(shè)備的編碼盤讀取數(shù)據(jù)，并在幀成像周期內(nèi)完成目標(biāo)位置的計(jì)算及圖像的合成。

3.2 紅外場(chǎng)景的實(shí)時(shí)合成速度

由于紅外捕獲跟蹤設(shè)備幀頻較高，且仿真系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)采集設(shè)備伺服系統(tǒng)碼盤數(shù)據(jù)（復(fù)合軸系統(tǒng)有4個(gè)碼盤，非復(fù)合軸系統(tǒng)2個(gè)碼盤），如采用實(shí)時(shí)接收仿真劇情、實(shí)時(shí)仿真目標(biāo)紅外特性生成圖像的方式，必將大大犧牲目標(biāo)的仿真精度。因此本文提出采用圖像實(shí)時(shí)合成的方法同時(shí)滿足仿真實(shí)時(shí)性和精度要求，并對(duì)該方法的可行性進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

3.2.1 紅外場(chǎng)景實(shí)時(shí)合成方法

紅外場(chǎng)景實(shí)時(shí)合成方法：將數(shù)字圖像仿真的絕大部分工作如目標(biāo)、背景模型變換、紅外輻射特性計(jì)算、數(shù)字圖像三維到二維的投影轉(zhuǎn)換等在仿真準(zhǔn)備階段完成；仿真進(jìn)程中，根據(jù)仿真時(shí)序，從目標(biāo)圖像數(shù)據(jù)中讀取時(shí)間上最接近的目標(biāo)幀數(shù)據(jù)，從圖像噪聲數(shù)據(jù)中讀取相應(yīng)的圖像噪聲幀數(shù)據(jù)，并根據(jù)此時(shí)刻設(shè)備伺服系統(tǒng)光軸指向信息，從背景圖像數(shù)據(jù)的相應(yīng)位置讀取背景圖像數(shù)據(jù)，將目標(biāo)幀數(shù)據(jù)、圖像噪聲幀數(shù)據(jù)和背景圖像數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)合成。為減少數(shù)據(jù)讀取時(shí)間，可采用內(nèi)存容量較大的高性能計(jì)算機(jī)，預(yù)先將背景圖像數(shù)據(jù)、目標(biāo)圖像數(shù)據(jù)和圖像噪聲數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于高速硬盤中。

3.2.2 紅外場(chǎng)景實(shí)時(shí)合成速度測(cè)試

為了驗(yàn)證上述方法的有效性，利用內(nèi)存為2G、雙核CPU計(jì)算機(jī)搭建仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，選取飛機(jī)圖片作為測(cè)試對(duì)象，對(duì)實(shí)時(shí)合成速度進(jìn)行測(cè)試。由于紅外捕獲跟蹤設(shè)備的多目標(biāo)捕獲和處理能力一般要求不小于5個(gè)，為了滿足檢驗(yàn)需求，目標(biāo)數(shù)選取3～5個(gè)，為了避免測(cè)試結(jié)果的隨機(jī)性，單個(gè)測(cè)試目標(biāo)圖像設(shè)定不小于1500幅，即由1500幀組成。具體測(cè)試方法為：

（1）考慮到計(jì)算機(jī)內(nèi)存有限，程序采用多緩存技術(shù)，首次加載800幀（數(shù)目可變），每處理完100幀則將新的幀讀入空出的緩存，同時(shí)采用多線程技術(shù)，在讀取下一幀的同時(shí)完成已加載幀的替換顯示過程。

（2）測(cè)試開始后，根據(jù)事先規(guī)劃的目標(biāo)軌跡文件，按照時(shí)間順序，在對(duì)應(yīng)時(shí)刻用目標(biāo)圖像像素替換背景上的對(duì)應(yīng)像素，對(duì)于非目標(biāo)像素則保留背景圖像，合成為帶有目標(biāo)的場(chǎng)景圖像。

圖3為數(shù)字圖像實(shí)時(shí)合成速度測(cè)試結(jié)果示意圖。

圖3 實(shí)時(shí)合成速度測(cè)試結(jié)果示意圖

從以上的測(cè)試結(jié)果可以得到以下結(jié)論：目標(biāo)與背景的實(shí)時(shí)合成速度與目標(biāo)數(shù)有關(guān)，目標(biāo)數(shù)越多，實(shí)時(shí)合成的速度就越慢，但實(shí)時(shí)合成速度并不隨目標(biāo)數(shù)量線性減??；當(dāng)目標(biāo)數(shù)量不大于5個(gè)時(shí)，圖像實(shí)時(shí)合成速度大于100幀／s。經(jīng)了解，目前地面紅外捕獲跟蹤設(shè)備成像幀頻一般在50～100幀／s，因此，采用上述方法進(jìn)行圖像的實(shí)時(shí)合成，可以滿足紅外捕獲跟蹤設(shè)備注入式仿真檢驗(yàn)的需求。

4 結(jié)論與建議

根據(jù)上述分析和測(cè)試結(jié)果，我們提出通過直接采集紅外捕獲跟蹤設(shè)備伺服系統(tǒng)編碼盤角度信息的方法，提高了圖像中目標(biāo)位置的仿真精度；采用預(yù)先生成目標(biāo)、背景、圖像噪聲文件，在仿真開始后進(jìn)行圖像實(shí)時(shí)合成的方法，提高了圖像的生成速度。因此，我們建議在仿真系統(tǒng)構(gòu)建中不通過采集紅外捕獲跟蹤設(shè)備主控計(jì)算機(jī)輸出的光軸指向信息，而是直接從編碼盤讀取數(shù)據(jù)來仿真生成目標(biāo)在圖像中的位置，不采用在仿真進(jìn)程中實(shí)時(shí)生成圖像的方法，而是采用將目標(biāo)與背景實(shí)時(shí)合成的方法。另外，仿真系統(tǒng)的構(gòu)建還需考慮圖像仿真逼真度、仿真系統(tǒng)與紅外捕獲跟蹤設(shè)備接口關(guān)系等問題。

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Key technologies research for IR capturing and tracking simulation based on digital image injection

DANG Dong-ni，GAOWei，SUN Yi-fan
（Beijing Track and Communication Technology Institute，Beijing 100094，China）

The constitution and working principle of IR capturing and tracking equipmentare described.The key technologies limiting the simulation system are analyzed.Aiming at the simulation accuracy，themethod that simulates the target’s location is put forward by collecting the data from the coders directly.As for the real-time requirement of IR image generation，correspondingmethod that generates the images of targets and background in advance and synthesizes them real-time are proposed.The validity and feasibility of the solutions are validated through simulation.Finally，some advice is given to design the simulation system.

IR capturing and tracking system；injected-simulation； real-time synthesis

TN216

A

10.3969／j.issn.1001-5078.2013.08.015

1001-5078（2013）08-916-04

黨東妮（1974－），女，碩士，主要研究方向?yàn)楣怆妼?duì)抗。

2012-12-30；

2013-01-18