應(yīng)用于紅外搜索跟蹤和態(tài)勢感知系統(tǒng)的全景成像技術(shù)

陳 潔，張若嵐

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應(yīng)用于紅外搜索跟蹤和態(tài)勢感知系統(tǒng)的全景成像技術(shù)

陳 潔1,2，張若嵐1,2

（1. 昆明物理研究所，云南 昆明 650223；2. 于起峰院士工作站，云南 昆明 650223）

本文指出紅外全景成像技術(shù)應(yīng)用于搜索跟蹤和態(tài)勢感知系統(tǒng)的優(yōu)勢，提出了該類系統(tǒng)的幾種主要全景成像方案，對各方案逐一介紹，列舉典型應(yīng)用實例說明，進行技術(shù)分析，對比了幾種主要的全景成像方案的特點和應(yīng)用領(lǐng)域，概括了全景成像系統(tǒng)的支撐關(guān)鍵技術(shù)，并展望發(fā)展趨勢。

全景成像；紅外搜索跟蹤系統(tǒng)（IRST）；態(tài)勢感知；圖像拼接；步進凝視

0 引言

全景成像（Panoramic Imaging，PI）采用特殊的成像裝置獲得水平或者垂直方向上的大于180°的半球視場或者360°的視場，被廣泛應(yīng)用于紅外搜索跟蹤和態(tài)勢感知系統(tǒng)[1]。

紅外搜索跟蹤系統(tǒng)（IRST）通過探測目標的紅外輻射來實現(xiàn)在廣域空間內(nèi)對目標進行搜索與跟蹤，利用紅外被動探測、便于隱身和探測概率高的優(yōu)勢，在強電子對抗的條件下，對無人機、隱身飛機、巡航彈、彈道導(dǎo)彈等各種軍事目標有較強探測、識別能力。紅外搜索跟蹤系統(tǒng)早期主要用于對空的點目標探測，現(xiàn)在類似的光電系統(tǒng)也被廣泛用于對周邊態(tài)勢的全景感知，即關(guān)注的是面目標和全景成像。近年來，隨著對有關(guān)目標、背景特性認知程度的增加，以及光電傳感器、電子電路和軟件技術(shù)的快速發(fā)展和有關(guān)算法的改進，各種產(chǎn)品呈現(xiàn)出良好的發(fā)展前景[2]。

在分析總結(jié)紅外搜索跟蹤系統(tǒng)發(fā)展的基礎(chǔ)上，筆者歸納總結(jié)出該類系統(tǒng)全景成像技術(shù)方案如圖1所示，由圖1可見，紅外搜索跟蹤系統(tǒng)首先可根據(jù)其所選用的紅外探測器類型分為基于線列和凝視器件兩種，其中基于凝視型器件的系統(tǒng)可再細分為不同技術(shù)路線的產(chǎn)品，分別為：連續(xù)慢速掃描類、步進凝視掃描類、反向掃描補償類、分布式孔徑類、全景光學(xué)鏡頭成像類以及數(shù)字TDI等多種類型系統(tǒng)，從發(fā)展歷史和當前產(chǎn)品分布看，紅外搜索跟蹤系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展可概述為從最初唯一的技術(shù)途徑只能采用線陣列器件進行掃描周視探測發(fā)展到如今可根據(jù)具體情況（比如指標要求、應(yīng)用特點、成本等）在以上提到的多種技術(shù)途徑中靈活選擇最適合的技術(shù)方案來實現(xiàn)廣域搜索跟蹤或全景態(tài)勢感知等功能，以下做詳細闡述。

1 按器件類型分

紅外搜索跟蹤系統(tǒng)第一個核心點在“紅外器件”選型，采用何種器件又反過來決定了系統(tǒng)的基本性能和全景成像方式。這里有幾個問題須得首先考慮：一是波段選擇，二是掃描或者凝視？三是制冷還是非制冷？等等，這些選項必須綜合權(quán)衡。

紅外探測波段的選擇需要綜合考慮探測器、目標輻射、背景輻射、大氣衰減、材料和成本等多種因素。

圖1 紅外全景成像技術(shù)方案

某些情況下，各個因素對波段選擇的影響并不一致。這就更要求對各個因素進行綜合分析，以做出最合適的選擇。探測某些目標時選用兩個波段各有利弊，可能都是合理的。在某些應(yīng)用場合，中波探測比長波探測距離更遠—些，而在另一些場合，長波探測比中波探測距離更遠一些。這時就要再考慮其他方面的因素，如探測器的訂貨來源、系統(tǒng)的成本、光學(xué)材料的選擇和系統(tǒng)的復(fù)雜性要求等因素，以做出合理決策。

對一些常見的被測目標，可以參照以下方式選擇合適的探測波段：

1）對于近距應(yīng)用，如普通紅外安防監(jiān)控系統(tǒng)、手持紅外望遠鏡和頭盔式熱像儀等，探測距離多在幾十米到2km之間，應(yīng)優(yōu)先采用非制冷長波探測。

2）對于濕度較高的應(yīng)用，如艦載光電系統(tǒng)，由于這種環(huán)境下中波輻射的大氣透過率比長波的高很多，中波探測器的靈敏度也較高，因此，應(yīng)優(yōu)先選用中波紅外波段。但對于對抗掠海飛行的來襲導(dǎo)彈，由于水面波動會形成很多小鏡面，中波產(chǎn)生的鏡面反射遠高于長波，會對點目標跟蹤帶來很大的影響，因此此類應(yīng)用還要考慮用長波，除非能有效濾除鏡面干擾。

3）對于空地、空空和地空遠距離應(yīng)用，如果探測溫度在300K以下的低溫目標，由于此時目標的長波輻射比較明顯，且傳輸路徑中水汽較少，透過率較高，應(yīng)優(yōu)先采用長波探測系統(tǒng)。如果探測中高溫目標，如飛機熱噴管、排氣管、尾焰等，此時目標的中波輻射明顯，應(yīng)優(yōu)先采用中波探測系統(tǒng)。如果紅外系統(tǒng)自身在高速運動，如導(dǎo)彈探測系統(tǒng)、機載光電偵察系統(tǒng)等，由于其窗口玻璃要承受很大的風壓和氣動加熱，目前沒有合適的長波光學(xué)材料，因此也應(yīng)該采用中波探測系統(tǒng)。

4）對于地面遠距離應(yīng)用，背景輻射大多比較復(fù)雜，大氣傳輸路徑較長。如果環(huán)境濕度較高，一般應(yīng)考慮采用中波探測。如果環(huán)境濕度較低，可以考慮采用長波探測，但需要綜合分析目標輻射、背景輻射等因素。

5）對于某些紅外系統(tǒng)，可以同時選用兩個波段甚至多波段進行探測，通過融合分析多波段紅外圖像，更有利于識別目標，也會使系統(tǒng)具有更好的抗干擾能力[3]。

回望IRST的發(fā)展歷史，囿于器件發(fā)展水平，早期產(chǎn)品以采用長波制冷線列探測器為主，該類系統(tǒng)性能受限于積分時間和全景幀更新頻率；隨著技術(shù)發(fā)展，凝視型紅外焦平面探測器批量應(yīng)用以來，國內(nèi)外相關(guān)企業(yè)都圍繞基于該類型器件的紅外搜索跟蹤系統(tǒng)展開研究。相比線列探測器十幾μs的積分時間，凝視器件的積分時間可長達幾個ms量級，從而使投射到探測器上的能量大幅增加，提高了圖像的信噪比和系統(tǒng)作用距離，因而基于凝視器件的紅外搜索跟蹤系統(tǒng)越來越受到各國重視。凝視型探測器逐漸在擴大應(yīng)用中，非制冷器件在該領(lǐng)域也逐漸有了用武之地。

長波凝視焦平面探測器仍是碲鎘汞器件性能最佳[4]，但碲鎘汞材料制造大規(guī)模陣列的技術(shù)難度較大，工藝復(fù)雜，成本極高。近年，同樣應(yīng)用于長波的量子阱器件有較大突破，具有價格低的巨大優(yōu)勢，能有效降低系統(tǒng)成本，在低成本方案中可以考慮應(yīng)用。

2 幾種主要的全景成像技術(shù)方案介紹

由于早些時候凝視型紅外焦平面探測器還不成熟，紅外搜索跟蹤系統(tǒng)基本都是基于線列探測器進行設(shè)計，因此無論國外還是國內(nèi)基本都是采用線掃描方案進行構(gòu)型的，具體見2.1節(jié)描述；凝視器件發(fā)展起來后，則有了更多基于凝視焦平面器件的應(yīng)用，詳見2.2～2.7節(jié)。

2.1 線掃描方案

圖1中第1種系統(tǒng)為線掃描方式，該類方式是用得最早的一種紅外搜索跟蹤系統(tǒng)方式，系統(tǒng)采用制冷型長波線列紅外探測器（如288×4），系統(tǒng)工作在全景模式時，通過轉(zhuǎn)臺方位向的連續(xù)旋轉(zhuǎn)將周圍景物的紅外輻射順序投射到探測器上以實現(xiàn)全景成像，如圖2[5]所示。當系統(tǒng)工作在前視紅外（FLIR）模式時，掃描轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)變?yōu)樵婆_工作模式，紅外成像系統(tǒng)工作在熱像儀的狀態(tài)，通過內(nèi)部一個快速擺鏡來完成在視場內(nèi)的橫向空間解析[6]。

圖2 線掃描紅外搜索跟蹤系統(tǒng)示意圖

該類系統(tǒng)主要應(yīng)用于定點布放或者移動平臺實時對空搜跟等，近年來隨著凝視系統(tǒng)的應(yīng)用日益廣泛，更多地用于末端防御和要地防空等場合。

國外典型例子是Thales UK公司為英國陸軍研制的ADAD“防空告警裝置”（Air Defense Alerting Device），如圖3[7]所示，其核心器件為制冷長波線列型碲鎘汞紅外探測器。ADAD最先研制是基于陸軍應(yīng)用，后來根據(jù)實際需要研制了各種改進型，應(yīng)用領(lǐng)域擴張到海軍（ARISE“區(qū)域可重構(gòu)紅外掃描設(shè)備”Area Reconfigurable Infrared Scanner Equipment）和空軍（PIRATE）。

圖3 ADAD（左）和ARISE（右）紅外搜索跟蹤系統(tǒng)

2.2 凝視器件慢速掃描方案

為了獲得360°的全景圖像，需要一個無限大的像平面，物理上很難實現(xiàn)。隨著計算機技術(shù)和數(shù)字圖像傳感器的發(fā)展，對數(shù)字相機繞其光軸旋轉(zhuǎn)所拍得的序列圖像進行無縫拼接，既可以獲得人工合成的全景圖像，也可以采取圍繞一個固定點安裝多個攝像機，使得攝像機的全部視場加起來形成全景視場，由于凝視器件在進行快速掃描時會造成圖像拖尾，如果不增加補償環(huán)節(jié)，只能選用慢速掃描方式，即控制掃描平臺轉(zhuǎn)速在一定范圍，以達到凝視器件的每個積分時間內(nèi)存在的圖像拖尾在可接受域，通過一個個的凝視視場拼接來完成全景成像，圖4[8]所示為這種系統(tǒng)的基本構(gòu)型。

該類系統(tǒng)由于只能在轉(zhuǎn)臺低速轉(zhuǎn)動時進行探測器積分，使得積分時間也受限制，因此只能用于低端或輕小型應(yīng)用，多用于民用近距離定點監(jiān)控，布放在機場、監(jiān)獄或其他敏感區(qū)域等。

2.3 步進凝視掃描方式

這是慢速掃描模式的升級改善版，為了彌補凝視器件在進行連續(xù)掃描時造成圖像拖尾，使得系統(tǒng)傳遞函數(shù)降低，全景掃描速度受限這一缺陷，可以采用基于步進凝視的掃描方式，即在保持方位向全景掃描的同時盡量保證在凝視器件的每個積分時間內(nèi)場景相對固定，通過一個個的凝視視場拼接來完成全景成像，如圖5[5]所示。

圖5 步進凝視紅外搜索跟蹤系統(tǒng)示意圖

為實現(xiàn)步進凝視，在具體系統(tǒng)設(shè)計上也有2種選擇，一種是采用掃描平臺直接在掃描方向上進行步進控制，即在360°范圍內(nèi)不停地快啟快停，在每一個停止時刻進行凝視采樣，從而實現(xiàn)步進掃描的目的。由于在工程實現(xiàn)上想徹底做到快速停止再快速啟動不太可能，因此通?？紤]采用不等速運動，如圖6[5]所示，系統(tǒng)在圖像采集的瞬間使掃描運動平臺低速運行，完成積分圖像采集后，運動平臺迅速加速，在到達下一個圖像采集位置前即開始減速，速度降低后開始下一幅圖像的采集，如此周期步進即可得到全景圖像，成像質(zhì)量可接近于凝視成像。

圖6 變速掃描示意圖

由于該方式是對整個傳感頭進行變速控制，因此傳感頭的轉(zhuǎn)動慣量不能太大，全景幀頻也很難提高，且和慢速連續(xù)掃描的方案一樣只能在轉(zhuǎn)臺低速轉(zhuǎn)動時進行探測器積分，使得積分時間也受限制，同樣只能用于低端或輕小型應(yīng)用。

昆明物理研究所正在研發(fā)中的“慧眼”（iEye）便攜式小型全景成像態(tài)勢感知系統(tǒng)正是該類系統(tǒng)的應(yīng)用實例，圖7所示為系統(tǒng)傳感頭，集成了非制冷長波熱像、低照度CMOS成像傳感器，系統(tǒng)看上去像一個普通的小光電轉(zhuǎn)塔，但實際上是通過高速啟停的步進掃描來實現(xiàn)全景成像或動態(tài)局域圖像。

圖7 昆明物理研究所研發(fā)中的iEye產(chǎn)品

2.4 反向掃描補償方式

另一種步進凝視方式是采用帶補償鏡的方式實現(xiàn)步進全景成像，其主要原理是在光路中加入一塊相對于掃描平臺進行反向掃描的補償反射鏡，通過反射鏡的反向掃描來補償掃描平臺的轉(zhuǎn)動，當掃描平臺轉(zhuǎn)過一個凝視視場時，補償鏡再快速回到初始位置，以進行下一個凝視視場的補償，如圖8所示。如此周期步進即可得到全景圖像，成像質(zhì)量可接近于凝視成像。

圖8 補償掃描示意圖

由于該方式只需要控制反射鏡進行快速擺動，因此比變速掃描方式的控制對象要輕小許多，可以實現(xiàn)快速全景掃描，且由于在反射鏡進行差動補償期間大部分時間都可以用于積分，因此可以獲得更好的能量累積，該方式也是目前國內(nèi)外基于凝視器件的中高端全景成像系統(tǒng)的首選方式。

一個典型例子是法國Sagem公司研制的新一代海軍紅外搜索跟蹤系統(tǒng)EOMS NG，如圖9[9]所示。該系統(tǒng)為原“旺皮爾（VAMPIR）”MB系統(tǒng)的升級產(chǎn)品。其中，系統(tǒng)的紅外圖像由一臺中波焦平面紅外熱像儀通過快速步進機構(gòu)進行周視掃描來提供，圖像采集速率高達100Hz，整個系統(tǒng)預(yù)警距離是原MB系列產(chǎn)品的1.5倍。

圖9 EOMS NG紅外搜索跟蹤系統(tǒng)

同為法國Sagem公司研制的DS全景成像傳感器是另一個典型應(yīng)用實例，已投入艦載實用的系統(tǒng)實物照片如圖10[9]所示。

圖10 Sagem DS全景成像傳感器

圖11[9]給出了該系統(tǒng)的光學(xué)示意圖。由圖中可見，該系統(tǒng)采用一個被稱作Training scanner的機構(gòu)進行圖像校正補償，實現(xiàn)全景成像。

圖11 Sagem DS全景成像傳感器光學(xué)系統(tǒng)示意圖

一般采用擺鏡做補償?shù)南到y(tǒng)，全景幀頻可達到1～2Hz左右，比如2014年法國HGH公司推出的高分辨率中波紅外廣域監(jiān)視系統(tǒng)——Spynel-X8000，如圖12[10]所示，該系統(tǒng)包括一個每秒旋轉(zhuǎn)一周的360°全方位旋轉(zhuǎn)傳感器，采用1280×1024探測器，全景掃描速度為每秒2幀，單幀幀頻60Hz。

圖12 HGH公司的紅外廣域監(jiān)視系統(tǒng)——Spynel-X8000

若要進一步提高全景圖像幀頻，采用如前所述的擺鏡步進凝視運動方案已經(jīng)不敷應(yīng)用。比如想要IRST工作在10～12Hz幀頻的話，擺鏡的加速度將高達30000rad/s2，這已超出了擺鏡運動的穩(wěn)定帶寬極限，會導(dǎo)致系統(tǒng)穩(wěn)定波動大到難以恢復(fù)，對系統(tǒng)PSF的影響將是不可接受的。為了消除這種影響，意大利Selex ES公司設(shè)計實現(xiàn)了另一種掃描補償方式。掃描系統(tǒng)利用一個有專利支撐的特殊機構(gòu)設(shè)計掃描覆蓋關(guān)注區(qū)域，保持積分時間內(nèi)光軸穩(wěn)定。如圖13～15[11]所示，掃描系統(tǒng)采用兩個轉(zhuǎn)鼓做連續(xù)旋轉(zhuǎn)運動，其中第一個掃描轉(zhuǎn)鼓帶動多個反射面勻速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生掃描運動，第二個多邊形去拖尾轉(zhuǎn)鼓則以與掃描轉(zhuǎn)鼓反向的同步速度旋轉(zhuǎn)，在積分時間內(nèi)消除光軸位移。圖13[11]表示掃描轉(zhuǎn)鼓通過5個分視場序列掃描獲得完整視場。

圖13 掃描轉(zhuǎn)鼓掃描序列示意圖

掃描轉(zhuǎn)鼓和去拖尾轉(zhuǎn)鼓的相應(yīng)面配合完成每幀采樣運動，圖14[11]示意了兩種轉(zhuǎn)鼓的外形，圖(a)所示掃描轉(zhuǎn)鼓的單面尺寸有差異以獲得全視場覆蓋，圖(b)所示的去拖尾轉(zhuǎn)鼓則是一個均勻的六邊形外形，以獲得同樣的光軸穩(wěn)定性能。圖15[11]展示了利用這種掃描補償方式獲得的穩(wěn)定的全景圖像。

圖14 掃描轉(zhuǎn)鼓(a)和去拖尾轉(zhuǎn)鼓(b)

圖15 利用轉(zhuǎn)鼓掃描補償方式獲得的全景圖像

2.5 分布孔徑方式

分布式孔徑系統(tǒng)也是全景成像的一個研究熱點之一，其中心思想是通過多個不同的成像孔徑進行全景空間解析，也即通過孔徑數(shù)來消除掃描機構(gòu)或降低掃描壓力，同時也降低了系統(tǒng)的復(fù)雜性，提高了全景態(tài)勢感知的實時性，但需要為此付出多光路多探測器帶來的成本提升。

法國Thales公司研制的第二代艦載紅外搜索跟蹤系統(tǒng)是該類型系統(tǒng)的典型代表。全景紅外成像頭由3個子成像傳感頭組成，每個子成像傳感頭采用分布式孔徑成像原理，利用一個640×512中波焦平面探測器，通過一個特殊的7段視場光學(xué)掃描機構(gòu)覆蓋120°水平視場，在保證足夠的圖像空間分辨率的前提下，實現(xiàn)了120°大范圍的視場搜索，通過3個子傳感頭圍繞桅桿分布安置即可覆蓋360°搜索視場，系統(tǒng)如圖16[12]所示。

圖16 Thales公司的第二代艦載紅外搜索跟蹤系統(tǒng)

2.6 全景光學(xué)鏡頭成像方式

傳統(tǒng)的成像設(shè)備基于中心投影法，是人眼觀察外部世界的方式，也是針孔相機的成像方式，魚眼透鏡和折反射透鏡利用光學(xué)手段實現(xiàn)全景成像，其中魚眼透鏡和2.1～2.3節(jié)所述的各種旋轉(zhuǎn)拼接法符合人眼視覺的中心投影法原理，折反射全景成像則是屬于環(huán)帶成像，即柱面映射投影。

魚眼透鏡可有效地實現(xiàn)大視場，魚眼透鏡實際上是超廣角物鏡，超廣角物鏡由于有非常短的焦距，通常焦距小于16mm，因此能獲得接近半球或者大于半球的全景視場，在獲得大視場的同時，魚眼透鏡的設(shè)計者必須做出犧牲，即允許桶形畸變的存在，結(jié)果是除了圖像中心的景物保持不變，其它本應(yīng)水平和垂直的景物沿各個方向從中心向外輻射，缺陷是所得到的圖像仍然需要拼接, 成像機理仍然是中心投影法。

為了克服中心投影法的缺陷，人們提出了平面圓柱投影法，在三維空間視場和有限的二維像平面建立了一種新的投影關(guān)系，即將三維圓柱區(qū)域通過特殊的系統(tǒng)投影到二維平面的圓環(huán)區(qū)域。圖17[13]所示為一種全向相機及其成像結(jié)果。

圖17 一種全向相機（左）及其成像結(jié)果（右）

2.7 數(shù)字TDI全景成像系統(tǒng)

南京理工大學(xué)何偉基等人的發(fā)明專利公開了一種Snapshot型面陣紅外探測器TDI掃描成像方法，在面陣型紅外焦平面陣列前安裝一光機掃描結(jié)構(gòu)，由光機掃描來控制圖像的移動。將紅外焦平面陣列得到的平移后的圖像輸入到數(shù)據(jù)累加處理電路，進行圖像移位累加處理，得到所需圖像。數(shù)據(jù)累加處理電路主要由采樣電路和數(shù)字處理電路兩部分組成，通過FPGA控制AD器件進行采樣來完成模數(shù)轉(zhuǎn)換。在完成模數(shù)轉(zhuǎn)換后，將數(shù)字圖像信號輸入數(shù)字處理電路，由數(shù)字處理電路進行圖像的移位累加，最后輸出所需的圖像。本發(fā)明消除了在搜索系統(tǒng)中使用面陣探測器時由于探測器轉(zhuǎn)動帶來的拖尾現(xiàn)象，提高了圖像的信噪比，利于在目標搜索跟蹤系統(tǒng)中及時地發(fā)現(xiàn)弱小目標。上海技術(shù)物理研究所蘇曉鋒發(fā)表了名為《紅外面陣探測器DTDI技術(shù)性能分析》的文章，文中技術(shù)方案目前還未見到真實的樣機報道。

2.8 其他全景成像系統(tǒng)

最近幾年全景成像技術(shù)成為開發(fā)熱點，通過各種技術(shù)途徑實現(xiàn)的產(chǎn)品很多，典型實例見圖18[14]所示HGH公司的Spynel-M系列產(chǎn)品，是該公司近年來推出的一款輕小型全景成像系統(tǒng)，盡管未見詳細報道其采用的技術(shù)方案，但其產(chǎn)品頗具特色，外包絡(luò)尺寸小于12×20cm，重量僅1.8kg，采用非制冷凝視焦平面探測器，可持續(xù)監(jiān)視360°全景范圍，全景幀周期為1s。單個Spynel-M可有效實施1.5km方圓范圍內(nèi)人員入侵預(yù)警，實現(xiàn)實時安防監(jiān)控。

圖18 法HGH公司出品的Spynel-M產(chǎn)品

3 全景成像技術(shù)方案分析比較

3.1 關(guān)于分布式孔徑方案

最典型的分布式孔徑應(yīng)用實例是F-35機上的被動式探測系統(tǒng)：EODAS（electro-optical distributed aperture system），光電分布式孔徑系統(tǒng)，是美國諾格公司為四代機設(shè)計的內(nèi)置綜合光電設(shè)備。它能為飛行員提供一個圍繞飛機機身的全景視野，飛行員能夠“看透”飛機的底部和側(cè)面，主要用途范圍是對空作戰(zhàn)。

如圖19、20[15]所示，該分布孔徑系統(tǒng)在機身6處不同的位置上各安置一紅外傳感器（圖21[15]所示），分別負責飛機的左側(cè)、右側(cè)、機背前方、機背后方、機腹前方、機腹后方的視野，使用先進的信號處理運算法，對全機360°范圍內(nèi)來襲的導(dǎo)彈或逼近的飛機進行紅外探測及跟蹤，并將探測畫面顯示于飛行員的頭盔顯示器上，讓飛行員能夠看見飛機周圍的空域情況，因此除了讓飛行員具備全空域態(tài)勢感知外，也能提供導(dǎo)航、導(dǎo)彈警告、以及紅外搜索與跟蹤的功能。

圖19 F35 EODAS分布位置示意圖

圖20 DAS各分布孔徑功能示意圖

分布孔徑系統(tǒng)集成多個傳感器用于周邊進行態(tài)勢感知，具備隱身性能好，響應(yīng)時間短，實時性好，全景幀頻高等優(yōu)點，缺陷是整個系統(tǒng)體積龐大，且由于傳感器眾多，系統(tǒng)成本很高。故該種成像方式多在機載或艦載應(yīng)用場合出現(xiàn)。車載方案也有應(yīng)用，通?；诔杀究紤]，多選擇非制冷紅外、低照度電視和普通CCD等低成本傳感器，用于武器平臺的態(tài)勢感知沒問題。但如果用于火控系統(tǒng)，作用距離難以滿足要求，而采用制冷型紅外探測器又會使整個系統(tǒng)成本急劇上升。另外由于系統(tǒng)體積龐大，將各個傳感器分布在車輛周邊，需要整車深度配合，不容易進行整車集成。

圖21 EODAS所用紅外傳感器

3.2 關(guān)于全景光學(xué)鏡頭成像方案

全景光學(xué)鏡頭成像方式由于無需運動部件，即能獲得360°的大視場，在很多場合發(fā)揮著重要的作用，其中以魚眼透鏡為代表的超廣角全景成像技術(shù)已經(jīng)非常成熟，技術(shù)上很難再有新的突破。折反射全景成像系統(tǒng)還有很大發(fā)展空間，故越來越受到重視，其中全景環(huán)形透鏡由于其小型化和集成化的優(yōu)點將會得到更為廣泛的應(yīng)用。但這種全景成像方式的最大弊端是受凝視面陣像元數(shù)限制，空間分辨率相對較低。預(yù)計在超大面陣器件技術(shù)有突破時能有更長足的應(yīng)用發(fā)展。

3.3 關(guān)于線掃描和步進凝視掃描方案的比較

線掃描和步進凝視掃描是目前中端紅外搜索跟蹤系統(tǒng)采用最多的兩種方案，其中由于線列型紅外探測器出現(xiàn)較早的原因，早期的搜索跟蹤系統(tǒng)均是這一類型，步進凝視型搜索跟蹤系統(tǒng)是隨制冷紅外面陣器件工程化后才出現(xiàn)的新體制全景系統(tǒng)，下面針對幾個關(guān)鍵環(huán)節(jié)進行這兩種類型全景系統(tǒng)的比較。

1）作用距離的比較

紅外搜索跟蹤系統(tǒng)的作用距離和目標輻射功率、背景大氣條件、紅外光學(xué)系統(tǒng)性能以及探測器特性等因素密切相關(guān)，假定其他條件相同，系統(tǒng)空間截止頻率高低對系統(tǒng)作用距離起決定性作用。

在紅外成像系統(tǒng)中，其空間截止頻率由探測器決定，而探測元的中心距離決定了探測器的空間截止頻率。由于線列掃描型FPA行與行探測元的中心距離，可以通過錯開排列而連續(xù)減小直至到零，所以FPA有足夠高的空間截止頻率。通過增加參加TDI的探測元的數(shù)量，可以提高線列FPA的熱靈敏度，這使得帶時間延遲積分（time delay integration，TDI）功能的掃描型FPA的熱靈敏度和空間分辨率得以很好的平衡。在系統(tǒng)設(shè)計中，當要求某一個方向有足夠大的視場、而空間分辨率又不能很低時，采用線列FPA就是一個很好的選擇。

凝視型FPA探測元的中心距離必須大于少數(shù)載流子橫向擴散長度，否則就會產(chǎn)生串音。因此，探測元之間的溝道也就決定了凝視型FPA的空間截止頻率。由于凝視型FPA的探測元不能錯開排列，所以探測元的中心間距大于掃描型FPA的，表現(xiàn)在FPA的調(diào)制傳遞函數(shù)上，就是空間截止頻率低于掃描型FPA。在實際應(yīng)用中，中等規(guī)模（254×254、320×240、384×288）的凝視型FPA成像有比較明顯的馬賽克效應(yīng)[16]。

在長波波段，線掃描系統(tǒng)能量足夠的情況下，若采用較長線列的掃描型FPA，比如576、768或1024以上系列，空間分辨率優(yōu)于當前主流的640×512凝視探測器，故作用距離更遠，對空搜索小目標占優(yōu)。但其他波段則不然，詳見以下分析。

2）能量的比較

線掃描型搜索跟蹤系統(tǒng)由于需要連續(xù)將周圍場景的紅外輻射信號投射到線列探測器上，因此導(dǎo)致入射信號在每個探測器單元上駐留的時間（即積分時間）較短，通常只有十幾個微秒（取決于周視幀頻），為了得到足夠的靈敏度，一方面采用TDI的方式在掃描方向進行能量的延時積分，可以一定程度彌補能量的不足，另外需要確保足夠的探測器像元面積，通過增加光敏面積提高信噪比；而步進凝視系統(tǒng)采用面陣器件，積分時間可以高達幾毫秒到幾十毫秒量級（取決于周視幀頻），很好地保證了能量累積，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，并且在能量足夠的前提下可以進一步減小探測器面元尺寸以達到減小系統(tǒng)體積的目的。另外，即使將凝視器件本身的幀頻調(diào)整到100Hz以上依然可以保證有幾個毫秒的積分時間，從而步進凝視系統(tǒng)的全景掃描時間可以減小到1s以內(nèi)（前提是補償反射鏡的控制響應(yīng)能跟上），在掃描速度上潛力巨大，而線掃描體制下器件積分時間已經(jīng)很短，限制了進一步提高掃描速度的可能性。正是由于能量方面的巨大優(yōu)勢，步進凝視搜索跟蹤系統(tǒng)也越來越受到重視。

3）搜索效率的比較

線掃描方案的工作機制決定了該類型搜索跟蹤系統(tǒng)對目標的搜索效率不如步進凝視型的高。圖22和圖23是一種極限情況對比，如果采用線掃描方案，假如在0時刻時場景中沒有發(fā)生特殊狀況，而1時刻時在剛掃過的區(qū)域出現(xiàn)緊急情況，線掃描系統(tǒng)只有在下一次掃過時才能發(fā)現(xiàn)狀況，最大延遲長達一個幀周期（通常是秒的量級），而如果是步進凝視系統(tǒng)，假如凝視期間正好掃描到該區(qū)域，就可以及時發(fā)現(xiàn)緊急情況，在如圖22和圖23的極限情況下，步進凝視系統(tǒng)的響應(yīng)時間可以比線掃描系統(tǒng)提前近一個幀周期（相同的系統(tǒng)幀頻條件下）。盡管相同幀頻的情況下線掃描型和步進凝視型2種系統(tǒng)掃描一周所需要的時間相等，但由于系統(tǒng)機制的不同，對突發(fā)事件的捕捉能力步進凝視系統(tǒng)會更占優(yōu)，尤其面對瞬息萬變的戰(zhàn)場局勢時，哪怕是能夠搶占一點先機有時也是決定性的。

圖22 線掃描搜索跟蹤系統(tǒng)掃描響應(yīng)示意圖

圖23 步進凝視搜索跟蹤系統(tǒng)掃描響應(yīng)示意圖

4）經(jīng)濟性的比較

線掃描方案的優(yōu)點是利用線列探測器天然的便于進行橫向掃描的特點來進行全景成像，對器件沒有面陣要求，降低了器件壓力，可以通過加大器件線列長度（如從早期的288發(fā)展成576、768甚至更大規(guī)格）來提高水平分辨率。用數(shù)千個探測元就能獲得畫質(zhì)很好的熱圖像。而要達到同樣的圖像質(zhì)量，凝視型FPA探測元的數(shù)量要增加2個數(shù)量級。

大面陣的凝視型FPA，技術(shù)上很難實現(xiàn)，經(jīng)濟成本較高。FPA采用讀出電路后，為保證應(yīng)有的空間分辨率，探測元與讀出電路均采用直接注入方式，這就要求探測元有比較高的零偏阻抗，而對能帶在0.1eV的窄禁帶HgCdTe半導(dǎo)體，在技術(shù)上很難做到面積大、組份均勻而缺陷又少，因此，提高零偏阻抗、制備大規(guī)模的面陣很困難。當探測器的尺寸達到一定程度時，還要受HgCdTe、Si等半導(dǎo)體材料熱膨脹系數(shù)的限制，從材料到器件的工藝復(fù)雜度都是數(shù)量級的提高，從性價比的角度考慮，尤其在量大面廣的應(yīng)用中有一定局限性。

5）器件適應(yīng)性的比較

由于線掃描型搜索跟蹤系統(tǒng)將器件的積分時間約束到十幾ms的量級，限制了該類型系統(tǒng)基本只能采用制冷長波線列紅外探測器（對于地面應(yīng)用，景物的長波輻射幾十倍于中波，因此可以支撐較短的積分時間），其中的特例像法國Thales公司早期研發(fā)的“天狼星”（SIRIUS）紅外搜索跟蹤系統(tǒng)，采用長波和中波同時探測，但必須通過高達10級的TDI和小的F數(shù)（0.9）來保證足夠的能量。除了少量例子外，絕大多數(shù)線掃描型搜索跟蹤系統(tǒng)均采用長波制冷器件，而步進凝視型系統(tǒng)由于積分時間的保證，可以在同一個架構(gòu)下采用不同的探測器（制冷長波、制冷中波、非制冷長波、可見光），系統(tǒng)可根據(jù)使用環(huán)境、目標特性和指標要求配置不同的器件（如濕熱環(huán)境下可考慮選擇中波器件，其它應(yīng)用選擇長波應(yīng)用），在器件的選擇上要更靈活。

綜上所述，采用這兩類FPA的搜索跟蹤系統(tǒng)各有優(yōu)劣，在較長時期內(nèi)還將并行發(fā)展，但凝視型器件構(gòu)成的系統(tǒng)是未來發(fā)展趨勢。

4 關(guān)鍵支撐技術(shù)

以上幾種應(yīng)用需要發(fā)展的關(guān)鍵支撐技術(shù)可歸納總結(jié)為以下幾種共用技術(shù)。

4.1 快速擺鏡控制技術(shù)

快速擺鏡在系統(tǒng)中完成功能為：在熱像單幀積分周期內(nèi)與方位機構(gòu)反向勻速運動，補償實現(xiàn)熱圖在紅外探測器焦平面相對靜止；積分間隙期間則快速回掃，使凝視空間回到起點，實現(xiàn)全景無縫拼接。機構(gòu)設(shè)計必須十分精巧，具有結(jié)構(gòu)緊湊、速度快、精度高、帶寬高、負載慣量大等特點，控制算法復(fù)雜。

4.2 高精度穩(wěn)定平臺設(shè)計技術(shù)

穩(wěn)定平臺的主要功能是穩(wěn)定光學(xué)傳感器光軸，隔離車載振動對光軸帶來的影響，穩(wěn)定平臺精度不高將直接影響成像質(zhì)量，從而影響對視頻圖像的有效判讀。高精度穩(wěn)定平臺研制技術(shù)主要可分解為以下幾方面的設(shè)計工作：

①高精度軸系結(jié)構(gòu)設(shè)計

作為雙軸雙框架的穩(wěn)定平臺，要達到技術(shù)指標所要求的穩(wěn)定精度和角位置精度，軸系部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計至關(guān)重要。要同時考慮到精度、承載能力、熱穩(wěn)定性、體積、重量、加工工藝性和裝配工藝性等諸多因素。在實際的設(shè)計過程中需采用計算機三維造型來輔助設(shè)計，并對關(guān)鍵的承載結(jié)構(gòu)進行了強度分析。在加工和裝配過程中需解決大口徑薄壁軸承裝配、傳動齒輪齒隙調(diào)整等技術(shù)難題。

②薄壁鑄件設(shè)計

穩(wěn)定平臺的結(jié)構(gòu)件中，中部殼體、前球殼、后球殼、俯仰框架等關(guān)鍵零件屬于薄壁鑄件，在制造工藝上有許多困難，容易出現(xiàn)縮孔、變形、裂紋等缺陷，極大的影響產(chǎn)品的強度和剛度，因此需要通過對材料、各種鑄造工藝的認真分析和對零件設(shè)計的不斷修改和優(yōu)化，制定合理的制造工藝流程。

③高穩(wěn)定精度控制系統(tǒng)設(shè)計

控制系統(tǒng)是穩(wěn)定平臺實現(xiàn)各項功能和滿足性能指標的核心部分。為了達到指標要求的穩(wěn)定精度，需進行細致地總體設(shè)計，對于測量元件和執(zhí)行元件等關(guān)鍵部件指標反復(fù)論證，擬采用全數(shù)字伺服控制技術(shù)，在硬件上使用高速數(shù)字信號處理芯片來進行計算，在控制算法上運用經(jīng)典控制理論與非線性區(qū)處理相結(jié)合的手段以確保平臺的高穩(wěn)定精度控制。

4.3 全景掃描模式下的目標跟蹤技術(shù)

不同于通常的視頻跟蹤應(yīng)用，當紅外搜索跟蹤系統(tǒng)處于全景工作狀態(tài)時，盡管熱像儀的工作幀頻通常還是50Hz，但系統(tǒng)的工作幀頻已降低到0.5～1Hz數(shù)量級，因此除了需要在全景視頻中進行空間的目標匹配和跟蹤外，還需要在相對較低的系統(tǒng)幀頻下進行時間域的跟蹤匹配，由于系統(tǒng)刷新時間較長（1～2s的回歸時間），目標在幀與幀之間的形狀、位置甚至對比度都可能發(fā)生較大變化，因此在進行相關(guān)匹配時必須研究軌跡外推、模板外推，運用反射變換等多種算法解決視頻刷新慢所帶來的相關(guān)性降低的問題，提高跟蹤準確率，降低誤識別概率。

4.4 全景成像顯示控制技術(shù)

由于所有的圖像、數(shù)據(jù)信息都需要在顯示控制組件上顯示，而與以往其它光電系統(tǒng)的工作性質(zhì)不同，全景成像系統(tǒng)可進行準實時的周邊態(tài)勢感知和目標搜索，并且可通過操控界面改變系統(tǒng)的工作方式和全景顯示模式，因此全景成像顯控部分的技術(shù)表現(xiàn)將會直接影響到全景系統(tǒng)的性能發(fā)揮和使用效率，該部分技術(shù)主要研究內(nèi)容如下：

①全景圖像拼接

在全景工作模式下，由于從熱像儀送至顯控組件的視頻的每一幀都是不同角度的紅外圖像，需要在顯控端將這些圖片進行緩存和全景顯示，因此需要將一組相互間存在一定重疊部分的圖像序列實施配準、平滑從而形成一幅包含各圖像序列信息的全景視場的新圖像，另外還需要對全景圖像進行畸變校正。

②多層次全景顯示及互操作人機工程研究

需要研究如何充分利用顯示界面高效動態(tài)顯示各種不同層次的圖像信息以達到信息最大化的目的，同時需要從作戰(zhàn)使用的角度、人機工程的角度研究互操作的需求與實現(xiàn)，盡量發(fā)揮全景系統(tǒng)的潛力和優(yōu)勢。

③軟硬件資源需求評估

在開發(fā)顯示控制組件的同時，深入進行軟硬件資源需求分析與評估，在型號階段與多功能顯控系統(tǒng)集成提出明確的資源需求（如顯示需求、計算需求、存儲需求、操控需求等）。

在此值得一提的是HGH公司開發(fā)的Cyclope全景圖像處理顯示控制軟件，如圖24[10]所示，軟件功能齊全，界面設(shè)計友好，合理排布了壓縮顯示全景圖、局部區(qū)域展寬顯示圖和360°環(huán)帶顯示、360°雷達顯示圖等，對感興趣區(qū)域可以展開全分辨顯示，還可以視需要顯示定位信息，自動告警等等。

圖24 HGH公司開發(fā)的Cyclope全景圖像處理顯示控制軟件

4.5 傳感頭集成設(shè)計技術(shù)

由于在全景工作模式下，掃描穩(wěn)定平臺和熱像儀機內(nèi)的掃描擺鏡需要進行同軸反向差速轉(zhuǎn)/擺動，因此在系統(tǒng)內(nèi)部布局時需優(yōu)先考慮熱像儀的安裝位置，這樣就給傳感頭內(nèi)部總體布局帶來很大的壓力，如果不能有效利用內(nèi)部空間包絡(luò)，會導(dǎo)致傳感頭體積大、重量大，不光會增加控制負擔，且會增大備彈面，因此需要充分考慮傳感頭內(nèi)部的集成設(shè)計，對各零部件的質(zhì)量質(zhì)心進行精確模擬，在布局上合理分配，做到既滿足空間尺寸要求，又達到各個軸向的最優(yōu)平衡，以減少裝調(diào)階段配平的工作量和配平重量；采用有限元分析軟件，對各關(guān)鍵零件進行結(jié)構(gòu)分析，在滿足強度可靠性要求的前提下達到體積重量的最優(yōu)化；在電氣布局上，讓相關(guān)功能對應(yīng)的電路板、執(zhí)行元件、反饋元件、傳感器等盡量在空間布局上靠近，以減小相關(guān)連接電纜的長度，提高布局的簡潔性和可靠性；在電纜選擇和布局上，選取柔性電纜并進行合理布局，以減少電纜對伺服穩(wěn)定控制的干擾，以利于伺服精度和穩(wěn)定精度的提高。

5 發(fā)展趨勢

光電設(shè)備與計算機處理和存儲技術(shù)的結(jié)合密不可分，信號和圖像誤差、信號識別和方位預(yù)測，信號傳輸與融合展示都越來越依賴計算機技術(shù)的進步才能取得實質(zhì)上的突破；超分辨力、圖像融合、圖像去模糊，以及智能視頻分析等等，正在成為光電系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。而隨著精確打擊的發(fā)展，對偵察圖像的清晰度、目標定位精度的要求不斷提高，也對伺服穩(wěn)定控制技術(shù)和像移補償技術(shù)提出了新的要求[17]。

總的說來，紅外搜索跟蹤和全景態(tài)勢感知系統(tǒng)正在向全天候、全空域、多光譜、多模式、兼地空的綜合模式演進，其中紅外全景成像技術(shù)相應(yīng)的發(fā)展趨勢為：單波段到多波段、大面陣到超大面陣分辨、高幀頻到超高幀頻、更智能化等等，朝著發(fā)現(xiàn)距離更遠，看得更清晰，實時性更好方向不斷進步。

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Panoramic Imaging Technology Applied in IRST and Status Awareness System

CHEN Jie1,2，ZHANG Ruolan1,2

(1.,650223,; 2.650223,)

The paper proposes the advantage of infrared panoramic imaging technology applied in IRST and status awareness system，gives several main panoramic imaging schemes，and illustrates typical application examples. The characters and application areas of panoramic imaging schemes are analyzed and compared with. Key technologies of panoramic imaging are summarized and finally the developing trend is prospected.

panoramic imaging，IRST，status awareness，image stitching，step-and-stare

TN942

A

1001-8891(2016)04-0269-11

2016-02-10；

2016-03-12.

陳潔（1975-），女，研高工，主要研究方向為紅外系統(tǒng)研發(fā)。

張若嵐（1972-），男，研高工，主要研究方向為光電系統(tǒng)。