光電偵察吊艙對海廣域搜索方法

方喜波

光電偵察吊艙對海廣域搜索方法

方喜波

（凱邁（洛陽）測控有限公司，河南 洛陽 471009）

光電偵察吊艙對海搜索方式與搜索范圍是直升機(jī)對海搜索效率與搜索力配置研究的基礎(chǔ)。基于直升機(jī)及其光電偵察吊艙的性能特點(diǎn)，提出了直升機(jī)對海搜索的兩種基本搜索方式和覆蓋面積；建立了直升機(jī)搜索面積計算模型，為直升機(jī)系統(tǒng)采用不同的搜索方式進(jìn)行搜索時計算其搜索效率和搜索力的配置提供了決策依據(jù)。為了易于搜索區(qū)域發(fā)現(xiàn)感興趣的目標(biāo)，同時介紹了針對掃描搜索區(qū)域圖像拼接的處理方法。

光電偵察吊艙；伺服控制；圖像拼接

0 引言

我國是一個海洋面積廣、海岸線長的國家，也是臺風(fēng)海嘯和海洋事故多發(fā)的國家，每年各種災(zāi)難給人民群眾和國家?guī)砹司薮蟮纳拓敭a(chǎn)損失。中國海上搜救中心及全國各級搜救中心先后在上海成立了東海第一救助飛行隊，在廈門成立了東海第二救助飛行隊，在蓬萊、大連成立了北海第一救助飛行隊，在湛江、三亞成立了南海第一救助飛行隊，配備了多架專業(yè)救助飛機(jī)和光電搜救設(shè)備，預(yù)警災(zāi)難的發(fā)生和災(zāi)難后的搶救工作，達(dá)到最大程度減少人員傷亡的目的。

通過配備高清可見光攝像機(jī)、大面陣凝視紅外熱像儀、高精度激光測距機(jī)、圖像跟蹤器和伺服控制分系統(tǒng)等組成一個綜合的光電偵察系統(tǒng)。該系統(tǒng)具備穩(wěn)定清晰成像，目標(biāo)識別/跟蹤和廣域快速搜索等功能，達(dá)到廣域高效綜合的偵察搜救的目的。該系統(tǒng)可裝配于各種載體，如搜救飛機(jī)、搜救船、搜救車和飛艇等；可應(yīng)用于救災(zāi)監(jiān)視、執(zhí)法取證和搜索救援等領(lǐng)域。

1 系統(tǒng)組成及工作原理

介紹某型搜救直升機(jī)配備的光電偵察吊艙的組成情況。其主要由光電轉(zhuǎn)塔、操縱桿控制器、減振裝置及地面檢測儀組成。光電轉(zhuǎn)塔由伺服控制組件控制的穩(wěn)定平臺、可見光攝像機(jī)、紅外熱像儀、激光測距儀和圖像跟蹤與處理器等組成。穩(wěn)定平臺主要作用是承載可見光攝像機(jī)、紅外熱像儀、激光測距機(jī)；結(jié)合減振裝置來消除載機(jī)振動和擺動帶來的干擾，保證視軸在慣性空間的穩(wěn)定性，圖像的清晰度，并能為可見光攝像機(jī)或紅外熱像儀提供足夠大的搜索范圍。最終光電偵察吊艙通過減振裝置安裝在載機(jī)安裝任務(wù)載荷的合適位置。光電偵察吊艙組成，按照參考文獻(xiàn)[1]如圖1所示，三維仿真圖如圖2所示。

圖1 光電偵察吊艙組成框圖

圖2 光電偵察吊艙仿真圖

2 相關(guān)指標(biāo)

依據(jù)單機(jī)前向橫掃和單機(jī)側(cè)向推掃兩種基本的對海搜索方式進(jìn)行如下指標(biāo)分析。

2.1 載機(jī)飛行條件

1）飛行高度：≤3km；

2）巡航速度：≤240km /h（航拍最佳速度50km/h～100km /h）。

2.2 穩(wěn)定平臺

1）搜索范圍

①方位軸：360°×（連續(xù)）；

②俯仰軸：＋110°～－20°（光軸水平向前為0°，向下為正）；

③搜索角速度：≥60°/s。

2）廣域搜索方式

①前向：俯仰0°或45°固定、方位±90°“一”字掃描（光軸水平向前為0°，向下為正）；

②側(cè)向：方位90°固定，俯仰＋90°～＋10°“一”字掃描（光軸水平向前為0°，向下為正）。

2.3 高清可見光攝像機(jī)

1）像元數(shù)：1920×1080；

2）視場：18°×10°～3°×1.67°；

3）幀頻：30幀/s。

2.4 中波紅外熱像儀

1）像元數(shù)：640×512；

2）視場：

寬視場：16.5°×13.3°；

中視場：8.3°×6.6°；

窄視場：4.15°×3.3°。

3）幀頻：50幀/s。

3 對海搜索要素分析

3.1 基本假設(shè)

1）直升機(jī)定高勻速直線飛行；

2）光電偵察吊艙采用最基本的兩種推掃方式：第一種與直升機(jī)航向一致側(cè)向推掃，第二種與直升機(jī)航向垂直前向橫掃。

3）探測器積分時間內(nèi)像移小于1/2個像素認(rèn)為清晰成像。

3.2 分析計算

裝載光電偵察吊艙的直升機(jī)實(shí)現(xiàn)對海廣域搜索，前提條件是搜索過程中光電偵察吊艙配裝的可見光攝像機(jī)和紅外熱像儀必須清晰成像。如何保證可見光攝像機(jī)和紅外熱像儀清晰成像，必須考慮以下兩個方面因素：第一方面因素是光電偵察吊艙廣域搜索的方式（按照上述兩種搜索方式）和搜索的角速度大??；第二方面因素是直升機(jī)飛行的速度和飛行的高度?，F(xiàn)結(jié)合可見光攝像機(jī)和紅外熱像儀最小視場的焦距、探測器單象元尺寸和積分時間進(jìn)行綜合分析。

1）第一方面光電偵察吊艙搜索的角速度大小

本系統(tǒng)的紅外熱像儀是三視場紅外，其探測器單個像元尺寸為15mm，探測器積分時間≤3ms。可根據(jù)式(1)計算在紅外熱像儀3個不同視場下，光電偵察吊艙俯仰方向推掃角速度的關(guān)系，如表1所示：

對于本系統(tǒng)的可見光攝像機(jī)是連續(xù)變焦的光學(xué)鏡頭（分析計算時只考慮最大視場和最小視場），其探測器單個像元尺寸為2.8mm，探測器積分時間≤0.5ms。按照紅外熱像儀計算原理也可根據(jù)式(1)計算可見光攝像機(jī)在最大和最小視場時，光電偵察吊艙俯仰推掃的角速度的關(guān)系，如表2所示。

表1 紅外熱像儀的視場與俯仰方向推掃角速度W關(guān)系

表2 可見光攝像機(jī)視場與俯仰方向推掃角速度W關(guān)系

2）第二個方面直升機(jī)的速高比

設(shè)定直升機(jī)飛行高度3km時，最大的飛行速度為240km/h（67m/s）。由上文可知，本系統(tǒng)的紅外熱像儀為3視場紅外，其探測器單個像元尺寸為15mm，探測器積分時間≤3ms?？筛鶕?jù)公式(2)計算在直升機(jī)不同飛行速度，紅外熱像儀3個不同視場與俯仰角度的范圍關(guān)系，如表3所示。

可見光攝像機(jī)計算方法與紅外熱像儀原理一致，通過分析計算光電偵察吊艙推掃俯仰角度范圍∈[＋110°～－20°]，覆蓋了光電轉(zhuǎn)塔俯仰方向搜索的角度范圍。

通過上述分析，在直升機(jī)飛行速度≤100km/h，光電偵察吊艙成像傳感器處于大視場成像的情況下，光電偵察吊艙可實(shí)現(xiàn)其全俯仰角度范圍和一定角速度（采用紅外熱像儀時，光電偵察吊艙推掃角速度≤4.3°/s；采用可見光攝像機(jī)時，光電偵察吊艙推掃角速度≤9.42°/s）進(jìn)行廣域搜索，且能成像清晰。

4 對海搜索范圍模型

直升機(jī)的飛行空域、飛行方式、機(jī)動方式、飛行高度、飛行距離、光電偵察吊艙的視軸指向等統(tǒng)稱為直升機(jī)的“空間狀態(tài)”。對于給定的光電偵察吊艙，“空間狀態(tài)”對搜索發(fā)現(xiàn)目標(biāo)具有決定性的影響。直升機(jī)的搜索方式是由“空間狀態(tài)”決定的，不同搜索方式其搜索范圍不同，不同的搜掃范圍具有不同的搜掃效率。

4.1 基本假設(shè)

1）直升機(jī)定高勻速直線飛行；

2）光電偵察吊艙廣域搜索采用最基本的兩種推掃方式：第一種與直升機(jī)航向垂直前向橫掃，第二種與直升機(jī)航向一致側(cè)向推掃。

3）光電偵察吊艙推掃過程中清晰成像。

4.2 模型建立

設(shè)定直升機(jī)飛行的速度和飛行的高度；光電偵察吊艙俯仰角度；光電傳感器的視場為×，掃描梯形中心寬度為，掃描面積為，那么推掃單幀覆蓋的面積，按照參考文獻(xiàn)[2]如圖3所示。

4.3 推掃偵察覆蓋面積計算

1）第一種情況與直升機(jī)航向垂直前向橫掃方式

設(shè)定直升機(jī)飛行高度為3km，飛行的速度為50km/h（約為14m/s）；紅外熱像儀處于寬視場（16.5°×13.3°）成像；方位方向推掃的角度范圍為±90°，推掃角速度為4.3°/s；直升機(jī)航向和垂直航向兩個方向的圖像重疊率≥20%的條件下，進(jìn)行覆蓋面積的計算。

表3 紅外熱像儀的視場、直升機(jī)的飛行速度和吊艙的俯仰角度關(guān)系表

圖3 推掃單幀覆蓋的面積示意圖

圖4 連續(xù)推掃搜索示意圖

2）第二種情況與直升機(jī)航向一致側(cè)向推掃方式

設(shè)定直升機(jī)飛行高度為3km，飛行的速度為50km/h（約為14m/s）；紅外熱像儀處于寬視場（16.5°×13.3°）成像；光電偵察吊艙方位設(shè)定角度為90°，俯仰方向推掃的角度范圍為＋90°～＋10°（即直升機(jī)航向前后擺掃，擺掃的單幀區(qū)域?yàn)樘菪危?，推掃角速度?.3°/s；直升機(jī)航向和垂直航向的圖像重疊率≥20%的條件下，進(jìn)行覆蓋面積的計算。

圖5 側(cè)方搜索區(qū)域示意圖

5 圖像無縫拼接思路

5.1 初步拼接

假設(shè)可見光攝像機(jī)的幀頻，光電轉(zhuǎn)塔方位掃描速度。當(dāng)光電轉(zhuǎn)塔每次推掃到達(dá)角度后，給后端圖像處理發(fā)送標(biāo)識位，當(dāng)后端圖像處理收到標(biāo)識后，即可以利用光電轉(zhuǎn)塔方位旋轉(zhuǎn)的角度計算出相鄰兩幀圖像的位移D，則圖像拼接示意圖，如圖6所示。

5.2 基于特征點(diǎn)的拼接

完成圖像基于光電轉(zhuǎn)塔方位角度的配準(zhǔn)之后，即可以在圖像的公共區(qū)域提取特征點(diǎn)，完成基于特征點(diǎn)的精配準(zhǔn)，基于特征點(diǎn)的拼接流程圖，按照參考文獻(xiàn)[5]如圖7所示。

圖6 基于光電轉(zhuǎn)塔方位角度的圖像拼接示意圖

圖7 基于特征點(diǎn)的圖像拼接流程

5.3 圖像預(yù)處理

圖像預(yù)處理主要包括圖像幾何畸變校正和圖像去噪。首先因?yàn)閲?yán)重的幾何畸變會導(dǎo)致兩幅圖像中相同的物體變得不匹配，使圖像配準(zhǔn)失效，所以必須進(jìn)行校正。最后噪聲的存在會影響圖像配準(zhǔn)過程中特征的提取和相似度計算，也需要加以抑制。圖像預(yù)處理是圖像配準(zhǔn)的準(zhǔn)備工作，通過預(yù)處理可使圖像質(zhì)量滿足圖像配準(zhǔn)的要求，提高配準(zhǔn)過程的效率。

5.4 圖像配準(zhǔn)

1）特征空間的選擇：特征空間指的是從參考圖像和待拼接圖像中提取的可用于配準(zhǔn)的特征?？梢允菆D像像素灰度，也可以是邊緣、角點(diǎn)、高曲率點(diǎn)等圖像特征，還可以是不變矩、重心等。

2）搜索空間的選擇：搜索空間指的是在配準(zhǔn)過程中對圖像進(jìn)行變換的范圍和變換的方式。圖像的變換范圍分為全局的、局部的和位移場的三類。全局變換指整幅圖像的空間變換都可以用相同的變換參數(shù)表示；局部變換指在圖像的不同區(qū)域采用不同的變換參數(shù)；位移場變換指對圖像中的每一個像素都獨(dú)立進(jìn)行參數(shù)變換。圖像的變換方式包括線性變換和非線性變換。線性變換可分為剛體變換、仿射變化和投影變化；非線性變換一般指多項式變換。

3）相似性測度的選擇：相似性測度是衡量每次變換結(jié)果優(yōu)劣的準(zhǔn)則，用來對變換結(jié)果進(jìn)行評估，為搜索策略的下一步動作提供依據(jù)。常用的相似性測度有互信息、互相關(guān)、聯(lián)合熵、歐氏距離等。

4）搜索策略的選擇：搜索策略的任務(wù)是以相似性測度作為依據(jù)，在搜索空間中找到最優(yōu)的配準(zhǔn)參數(shù)。常用的搜索策略有黃金分割法、拋物線法、梯度下降法、牛頓法、遺傳算法等。

圖像拼接結(jié)果如圖8所示。

圖8 基于特征點(diǎn)的圖像拼接的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

6 結(jié)論

本文基于直升機(jī)及其配裝的光電偵察吊艙的性能參數(shù)，并結(jié)合直升機(jī)速高比、光電偵察吊艙搜索的角速度和成像傳感器的視場，分析計算了光電偵察吊艙俯仰方向角度大小。文中也對兩種對海廣域搜索方式和搜索范圍進(jìn)行了分析，并建立了光電偵察吊艙搜索計算模型，和兩種基本搜索區(qū)域單位覆蓋面積計算；同時介紹了針對掃描搜索區(qū)域圖像拼接的處理方法，為計算其搜索效率以及研究搜索力的配置和搜索目標(biāo)奠定了基礎(chǔ)。

[1] 李承選, 朱斌. 國外艦載紅外搜索跟蹤系統(tǒng)[J]. 國防科技, 2005(8): 38-41.

LI Chengxuan, ZHU Bin. Ship-borne infrared search and tracking system abroad[J]., 2005(8): 38-41.

[2] 譚安勝, 賀凱, 郭江龍. 艦載無人機(jī)光電載荷對海搜索方式與搜索寬度[J]. 指揮控制與仿真, 2011(6): 32-33.

TAN Ansheng, HE Kai, GUO Jianglong.The Search Method and Search Width of Optical Payload of Ship-borne UAV for Sea Target[J]., 2011(6): 32-33.

[3] 譚安勝. 艦載無人機(jī)光電載荷對海上目標(biāo)搜索決策分析[J]. 指揮控制與仿真, 2010(4): 22-32.

TAN Ansheng. The analysis of Ship-borne UAV’s photoelectric load to the sea target search decision[J]., 2010(4): 22-32.

[4] 譚安勝, 葉丹, 趙金強(qiáng). 驅(qū)護(hù)艦編隊對潛防御效率與決策分析[J]. 軍事運(yùn)籌與系統(tǒng)工程, 2006(4): 65-69.

TAN Ansheng, YE Dan, ZHAO Jinqiang. Analysis of submarine defense efficiency and decision-making by escort fleets[J]., 2006(4): 65-69.

[5] 蘇宇. 基于特征點(diǎn)的圖像拼接技術(shù)研究[D]. 西安: 西安電子科技大學(xué), 2008.

SU Yu. Research on Image Mosaic Based on Feature Points[D]. Xi’an: Xi’an University of Electronic Science and Technology, 2008.

Searching Method of the Wide Area of Optical Recon Pod for Sea Targets

FANG Xibo

(CAMA (LuoYang) Measurements & Controls Co，Ltd, Louyang 471009, China)

The search efficiency of a sea target helicopter can be studied based on the searching method and search width of the optical recon pod of the helicopter. According to the characteristic performance of the optical recon pod and helicopter，two basic methods of searching and covering square are proposed for the helicopter to search the sea target. According to the developed search covering square，the commander can determine how to configure the recourses to attain the optimal efficiency. In addition, the processing method for image stitching for the scanned search area is introduced to identify the target of interest in the easy search area.

optical recon pod，servo control，image stitching

TN965

A

1001-8891(2021)11-1055-06

2018-6-19；

2018-6-28.

方喜波（1978-），男，湖北新洲人，碩士，高級工程師，主要研究方向?yàn)榧t外成像、光電系統(tǒng)等。E-mail: fangxbrww@163.com。