視頻監(jiān)控系統(tǒng)在系留氣球中的應(yīng)用

摘 要：為了確保上海世博會安全保障任務(wù)的順利完成，本文設(shè)計了視頻監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)由視頻采集、穩(wěn)定跟蹤系統(tǒng)和數(shù)據(jù)傳輸三個部分組成，具備高清、紅外、可跟蹤、視頻實傳輸和抗氣球干擾，系統(tǒng)功能穩(wěn)定可靠性高。通過在系留氣球上的掛載，擴展了系統(tǒng)的監(jiān)控視野范圍，最后通過數(shù)月連續(xù)無故障的工作驗證，滿足對監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定跟蹤等功能需求，具有全天候無故障視野、圖像清晰，工作穩(wěn)定可靠性和安全性等特點。

關(guān)鍵詞：全天候無故障視野；高清圖像；實時傳輸；系留氣球

中圖分類號：TN959.7

系留氣球是一種自身不帶動力，依靠浮力升空的浮空飛行器，具有留空時間長、有效載重大、部署方便、費用低廉等優(yōu)點[1-2]。系留氣球的視頻監(jiān)控系統(tǒng)可在千米左右的高空持續(xù)長時間工作，其數(shù)據(jù)采集不受地球曲率的影響，可以提供目標的空間位置，目標區(qū)域的影像信息，當(dāng)前溫度，目標區(qū)域的地貌分布情況。本文設(shè)計了具有實時性、穩(wěn)定和抗外部干擾等特點的視頻監(jiān)控系統(tǒng)。文章由四個部分組成：（1）系統(tǒng)的需求和組成；（2）各個組成部分的詳細設(shè)計；（3）驗證和結(jié)果；（4）結(jié)論。

1 系統(tǒng)需求和組成

1.1 系統(tǒng)需求分析

球載視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要負責(zé)拍攝園區(qū)內(nèi)的高清實時畫面，采集當(dāng)前平臺的溫/濕度數(shù)據(jù)、姿態(tài)和位置等信息，并將畫面和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成光信號，通過光纖傳送到地面控制中心。視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的穩(wěn)定平臺，能夠根據(jù)測量到的氣球干擾情況，實時調(diào)整穩(wěn)定平臺實現(xiàn)圖像穩(wěn)定；能夠響應(yīng)從地面控制中心發(fā)出的關(guān)閉、自動跟蹤和指定角度等命令，實現(xiàn)目標跟蹤和視角保持等需求。

1.2 系統(tǒng)組成

視頻監(jiān)控系統(tǒng)由兩部分組成：球上視頻監(jiān)控部分和地面控制部分，如圖1所示。本文介紹的是球上監(jiān)控系統(tǒng)部分組成和設(shè)計，如無特指視頻監(jiān)控系統(tǒng)為球上部分。

圖1 視頻監(jiān)控系統(tǒng)的整體布局

視頻監(jiān)控系統(tǒng)由三個部分組成：（1）視頻采集系統(tǒng)；（2）跟蹤穩(wěn)定系統(tǒng)；（3）數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，如圖2所示。視頻采集系統(tǒng)由四個可見光的高清晰照相機和一個紅外相機。在白天監(jiān)控時，四個高清照相機拍攝園區(qū)的視頻圖像，在夜間監(jiān)控時，紅外攝像機具備夜間捕捉對象輸出灰度圖像，可以有效地彌補缺乏可見光系統(tǒng)。跟蹤穩(wěn)定系統(tǒng)能夠根據(jù)地面控制中心發(fā)出的指令能夠?qū)μ囟▍^(qū)域的跟蹤；能夠根據(jù)球體當(dāng)前的姿態(tài)及時調(diào)整跟蹤姿態(tài)以達到跟蹤區(qū)域圖像穩(wěn)定，其主要設(shè)備包括：計算機控制系統(tǒng)，導(dǎo)航系統(tǒng)和跟蹤結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)實現(xiàn)將信息和實時高清圖像傳輸至地面控制中心，能夠?qū)⒌孛嬷笓]中心的控制指令傳輸至球體，本系統(tǒng)采用波分復(fù)用技術(shù)和設(shè)備，包括信號傳輸模塊和數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)。

圖2 視頻監(jiān)控系統(tǒng)的俯仰視圖

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 視頻采集系統(tǒng)的設(shè)計

四臺HDC-X300型可見光攝像機安裝在穩(wěn)定平臺上，該攝像機的視頻范圍為100-1000m之間。這四臺攝像機可以工作在大視野和小視野兩種模式，包括世博園內(nèi)整體和小視場區(qū)域兩種模式。俯仰框架與紅外光學(xué)相機的實時監(jiān)控可以提供特定區(qū)域的紅外偽彩色圖像，以便發(fā)現(xiàn)實時火災(zāi)和熱異常點。通過光學(xué)優(yōu)化設(shè)計，紅外鏡頭的變焦透鏡的雙場的觀點和包括一個多個鍺透鏡得到良好的圖像質(zhì)量和所需的領(lǐng)域。紅外相機的關(guān)鍵部件是由室溫紅外焦平面陣列探測器及其驅(qū)動器和讀出電路，使用多晶硅微測輻射熱計探測器，如圖3所示。

圖3 紅外探測器組件

2.2 跟蹤穩(wěn)定系統(tǒng)的設(shè)計

系留氣球容易受到氣流等擾動，這使得視頻監(jiān)控系統(tǒng)拍攝的視頻圖像效果受到了影響。文獻[3]設(shè)計了穩(wěn)定平臺跟蹤系統(tǒng)，具備對外界干擾的穩(wěn)定功能。視頻跟蹤穩(wěn)定系統(tǒng)由慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）和跟蹤穩(wěn)定部分組成。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)部分完成氣球當(dāng)前位置和姿態(tài)的采集，跟蹤穩(wěn)定系統(tǒng)實現(xiàn)視頻圖像抗干擾和穩(wěn)定的功能，其整體如圖4所示。

圖4 跟蹤穩(wěn)定系統(tǒng)組成圖

2.2.1 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計

慣導(dǎo)系統(tǒng)包括計算機輸入接口、導(dǎo)航解算、電源模塊、慣性測量單元（IMU）和GPS時鐘同步。組合導(dǎo)航計算機采集IMU和GPS數(shù)據(jù)，時鐘同步，并判斷數(shù)據(jù)的有效性，然后初始化和調(diào)用的捷聯(lián)算法，計算出的位置，速度和姿態(tài)的運動參數(shù)，然后使用位置，速度和方位由GPS作為觀測量信息，估計誤差對慣性導(dǎo)航系統(tǒng)采用組合導(dǎo)航濾波器，并進行反饋校正，軟件設(shè)計流程圖如圖5所示。

圖5 慣導(dǎo)軟件流程圖

2.2.2 穩(wěn)定平臺的設(shè)計

穩(wěn)定平臺（ISP）是由光學(xué)傳感器、控制系統(tǒng)、可操縱的機電組件和輔助設(shè)備[4]組成。穩(wěn)定平臺配置雙自由度結(jié)構(gòu)框架，保證攝像頭在俯仰角和方位角上保持平穩(wěn)和目標跟蹤的功能?？刂葡到y(tǒng)包括內(nèi)環(huán)和外環(huán)，內(nèi)環(huán)是利用角速率作為反饋量的穩(wěn)定回路，外環(huán)是利用目標角度作為跟蹤反饋量的跟蹤回路，其結(jié)構(gòu)和原理如圖6所示。

圖6 穩(wěn)定平臺結(jié)構(gòu)和原理圖

2.2.3 跟蹤和穩(wěn)定計算機的設(shè)計

基于區(qū)域的跟蹤[5]，基于主動輪廓的跟蹤[6]和基于特征的跟蹤[7-8]算法已經(jīng)在視頻監(jiān)控系統(tǒng)中被廣泛使用。本次設(shè)計采用基于區(qū)域的跟蹤算法，根據(jù)不同的圖像區(qū)域的移動對象，采用區(qū)域跟蹤的算法來實現(xiàn)，其算法的軟件流程圖如圖7所示。

圖7 跟蹤算法軟件流程圖

2.3 數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的設(shè)計

數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)包括：光纖，信號傳輸模塊，數(shù)據(jù)處理模塊和八通道粗波分復(fù)用模塊，如圖8所示。球上視頻信號傳輸模塊包含四HD-SDI、兩個RS422和一個LVDS接口，采用八通道波分復(fù)用信號通過單光纖實現(xiàn)傳輸?？梢姽庀鄼C使用四通道數(shù)據(jù)傳輸，傳輸波長分別為：1530nm，1510nm，1550nm，1570nm，紅外信號相機的數(shù)據(jù)傳輸波長為1590nm，視頻控制穩(wěn)定平臺數(shù)據(jù)傳輸波長為1610nm。

圖8 數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

3 實驗結(jié)果和分析

系留氣球工作高度為300米，由圖9所示。由于氣流的擾動，系留氣球在該高度上有3°俯仰角和1°滾轉(zhuǎn)角的干擾。從圖10所示，視頻監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崟r傳輸拍攝到園區(qū)的高清圖像，并且消除對球體擾動的影響，如圖10所示高清和紅外攝像頭在跟蹤模式下的拍攝圖像效果。

圖9 系留氣球姿態(tài)變化

圖10 視頻監(jiān)控圖像

4 結(jié)束語

本文針對世博會安保的任務(wù)，設(shè)計了視頻監(jiān)控系統(tǒng)，并且將其掛載在系留氣球上，利用四臺可見高清攝像頭和一臺紅外攝像頭實現(xiàn)對園區(qū)內(nèi)實時圖像的拍攝；設(shè)計了抗干擾和具有跟蹤功能的穩(wěn)定平臺，保證攝像頭對目標區(qū)域的穩(wěn)定監(jiān)控；采用基于冗余光纖信號傳輸系統(tǒng)，實現(xiàn)多通道同步視頻傳輸和數(shù)據(jù)處理。通過七個月的長期使用，視頻監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)了對地面目標區(qū)域的監(jiān)控，圓滿完成世博會安全保障任務(wù)。

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作者簡介：王鑫（1982-），男，湖北通城人，工程師，碩士，研究方向：飛行控制系統(tǒng)。

作者單位：中國電子科技集團第三十八研究所，合肥 230088