摘要 本文以火控系统中的光电跟踪仪为研究对象，重点分析研究了光电跟踪仪在二坐标搜索雷达的引导下，采用一维扫描方式，自主捕获目标问题的战术需求、面临的主要技术难题等，提出了解决问题的方法。从试验结果来看，采用本文所述的方法对空中目标的自主捕获问题是完全可行的，对于实现光电跟踪仪的二维扫描自主捕获目标也具有一定的参考意义。
关键词 火控系统；光电跟踪仪；自主捕获
Abstract: This paper have a discussion on the Autonomous-capturing target technology of Opto-electronic tracker for FCS. It proposes the a practical method and steps for autonomous-capturing target. The experimental results show that the performance is very well to capture target of air.
Key words: FCS; Opto-electronic Tracker ; Autonomous-capturing
1 问题的提出
现代火控系统的探测手段主要依靠雷达和光电跟踪仪两种探测器。长期以来光电跟踪仪大多为辅助通道，其捕获跟踪一般是在跟踪雷达（或高炮瞄准镜）的引导下，使目标进入视场，然后转入波门搜索、波门套住目标、自动跟踪目标状态。而在二坐标搜索雷达的引导下，由于光电视场小、虚警率高等原因，光电跟踪仪无法像火控雷达一样自主俯仰扫描捕获目标。
随着光电探测器技术、图像跟踪处理技术以及电子对抗技术的发展和应用，被动探测技术受到越来越多的重视、研究和应用。光电跟踪仪作为火控系统的瞄准设备，其地位在不断提高，已从原来的配角变成了主角。因此发展光电跟踪仪的自主捕获是完全有必要和可行的。
2 自主捕获面临的主要技术难题
光电跟踪仪的自主捕获面临着多种因素的影响，包括自然界的背景不均匀性、大气传输特性、目标特性等；技术上的图像生成特性、图像处理能力、综合设计水平等。
2.1背景复杂和目标差异等自然条件的影响比较大[1]
自然条件的影响包括背景复杂、背景的不均匀性、大气的传输、云的干扰和不同目标的特性影响。这些因素极大地影响图像目标信号的检测，影响光电跟踪仪的探测距离和跟踪稳定性，甚至使探测距离成倍下降。
2.1.1背景的影响
（1）太阳辐射的影响
太阳是最强的自然辐射源，通过地球大气后，只有0.3μm～3μm波段的辐射到达地球表面〔1〕，太阳辐射的直接影响是当传感器的指向与太阳夹角比较小时，造成视场内的图像不均匀，一边亮，一边暗。或者使图像饱和，甚至完全掩盖目标。
（2）天空背景的影响
虽然天空背景相对海面和地面背景是最均匀的，但由于大气散射的作用，广域的天空仍呈现非均匀性。其呈现特性是：光谱辐亮度随观测仰角的增加而减少；随观测方位而变化，若以太阳方位为基准，则在90°～180°方位范围内辐亮度很小，且几乎均匀恒定。但随着方位角向太阳靠近，天空辐亮度逐渐增加，在15°附近增加最快；天空光谱辐亮度还随太阳位置变化，随着太阳仰角的增大（即接近天顶方向），散射辐射显著增加。因此传感器成像系统的光动态范围要大，且能够及时调整，以利于传感器的工作状态为最佳，成像清晰，对比度好。
（3）云的影响
空中的云是不定时出现的、运动的和无规则的。不论是可见光探测器或者红外探测器，都能对云成像。许多时候云的成像大小远大于目标，亮度也高于目标，非常不利于采用门限分割的目标提取。
（4）海洋背景的影响
海洋背景辐射由自身发射以及水面对太阳的反射和天空散射构成。主要表现为水天线、波浪等影响比较大。
（5）地面背景的影响
地面背景是最复杂的，既有各种地形地貌（山谷、河流、树林、沙漠等）的差异，又有季节变化带来的背景变化（大雪、植被四季变化等），对光电系统的探测和跟踪来说是最困难的。
2.1.2 大气的传输影响
目标和背景的辐射只有通过大气传输到达光电探测器后，才能形成视频图像信号。在传输过程中，大气的吸收和散射会使辐射发生很大衰减，同时，散射还会产生非信号的附加辐射，使对比度下降。最不利于光电探测的天气是空气中雾大、湿度大、灰尘多、能见度低等。严重时，将使光电探测设备无法探测到目标。
2.1.3 不同目标特性的影响
目标的图像特性主要表现为体积小、形状不规则、反射率低、红外辐射能量弱、目标拖尾等情况，没有通用的目标检测算法能够适应各种类型的目标，因此对不同特性的目标需要不同的目标检测算法。
（1）飞机
不同类型的飞机，因采用的发动机种类、型号、数量、布置和飞机表面材料、外形、大小以及飞行速度、方式和阶段的不同，其辐射强度及分布有很大差别。飞机的辐射主要来源于发动机燃烧室的热金属空腔（简称喷口）的辐射、喷气流（排出的热燃气）的辐射、蒙皮的辐射、飞机表面反射的环境辐射，包括阳光、大气和地球的辐射。飞机成像的特点是目标小、以天空为主要背景、背景均匀等，相对来说飞机是所有目标中最有利于光电跟踪的。
（2）导弹
导弹的红外辐射与飞机类似，也与发动机种类、型号和导弹表面材料、外形、大小及飞行速度、方式和阶段的不同，其辐射强度及分布会有很大差别。采用火箭发动机的导弹在动力段最强的辐射源是喷气流，其排出物中有相当一部分物质可继续燃烧，这些物质和空气中的氧气混合后产生外燃反应而形成一个后燃区。这种后燃反应会使尾焰温度增加500K左右。导弹的成像特点是目标小、形状不规则、有尾烟成像、角速度大时有拖尾等。
（3）舰船
舰船有两个主要辐射源，即烟囱（温度30～90℃）和上层建筑。舰船的成像特点是目标大、对比度弱、有水天线、有海浪，还有船头/船尾掀起的浪花等。
（4）车辆
车辆分一般卡车和坦克之类的装甲车辆。卡车的主要辐射是排气管和消声器，其辐射能量比车辆的其余部分多好几倍；坦克的辐射包括自身辐射和反射辐射两部分，其自身辐射与坦克的形状、面积、温度、辐射方向、发射率等因素有关。坦克各部位的温度各不相同，其发动机、排气管等处的温度较高。车辆的成像特点是隐藏于复杂背景中、对比度弱、轮廓模糊甚至无轮廓像等。
2.2 图像生成技术的限制
（1）图像采样帧频比较低
现在的图像采样体制一般为50场/秒，不利于快速扫描捕获目标。而高帧频采样则极大地增加了信号处理的难度和设备的成本。
（2）电视摄像头或红外热像仪的视场比较小
为了提高光电跟踪仪的作用距离，光电传感器的视场都比较小，电视摄像头的视场一般设计为1°左右，红外热像仪的视场一般为2°左右，远小于光电传感器大搜索区域的需求。但视场大小与作用距离是矛盾的，视场大，则作用距离近；若要作用距离远，则视场应尽可能小。所以要综合设计作用距离的要求和视场的大小。
（3）被探测空域的光照能量或红外辐射能量变化比较大
其主要体现是视频信号的幅度特性和频谱特性都有较大的变化，不利于自动控制和目标的自适应门限检测，要么虚警大，要么漏警大。
（4）光学镜头杂光、畸变和传感器的响应均匀性差
由于设计、装配、调试等问题，光学镜头的成像光斑能量不可能是完全均匀的，还有杂光、热效应、光学和传感器的配合等问题，造成全视场响应的电信号不是平直的，而是带有噪声、馒头状、倾斜或波纹状的视频信号，不利于目标的自动检测和提取。
2.3 图像跟踪处理算法的制约
（1）全视场目标检测技术的制约
当前的图像跟踪技术主要以灰度门限分割和匹配相关为基础，以跟踪波门套住目标达到空间滤波的作用。而全视场捕获信息量大、目标与视场相比所占比例太小、图像不均匀，从视频信号来看，背景的灰度幅值可能大于目标的灰度幅值，传统的检测方法很难从背景中检测出目标。
（2）目标自动门限分割技术的制约
目标自动分割技术是建立在直方图统计基础上的，关键是要找出分割目标与背景的最佳门限。常用的方法有基于Bayes分类的目标分割法[2]，基于背景平均灰度的均方差检测法、峰值检测法等。但无论那种方法都有其局限性，要在连续的图像数据流中，用动态的分割门限不可能准确地把目标从动态的图像背景中分割出来，所以必须综合运用各种检测算法，才能正确地把目标从背景中分割出来。
（3）实时图像跟踪技术的制约
对于图像跟踪来说，从探测器的光电转换到输出目标角偏差有多个延时环节。图像采样延时约20ms，图像存储延时约20ms，图像跟踪处理延时约20ms，总的延时将达到50ms～60ms，这对于快速运动中的目标捕获和跟踪精度将有较大的影响。
3 主要解决方法
光电跟踪仪的自主捕获问题主要从面临的技术难题来解决。而目标特性和大气特性是我们无法改变的，但我们可以研究分析目标特性和大气特性，作为研制光电探测设备的依据。
3.1 自主捕获目标的工作流程
在二坐标搜索雷达的引导下，光电跟踪仪自主捕获目标的工作流程如图1所示。
3.2 高低搜索扫描的最大角速度
在远距离时，由于目标成像相对较小，其特征不明显，所以应按照点目标的方法进行处理。为了降低光电探测器的虚警率，在初始捕获阶段，常采用“积累检测”的方法对目标进行确认，即：必须连续三场均检测出目标，才能被确认为目标；否则，判为背景。
设光电探测器的成像周期为T＝0.02s（即50Hz图像）、高低视场角为E＝1°、连续N（＝3）场均检测出目标才被确认为目标，则探测器高低搜索最大速度VE与设备参数的关系为
VE×T×N＝E
则，
VE＝E/（T×N）
＝1/（0.02×3）
＝16.7
即探测器高低搜索的最大速度为16.7°/s。
3.3 探测器的最小方位视场角
对于光电成像探测来说，目标必须进入视场才能对目标进行检测。但由于探测器的视场比较小，二坐标搜索雷达的目标指示精度影响目标进入视场的概率。为了保证光电跟踪仪快速捕获目标，一般设计光电探测器的最小方位视场角应满足下列关系
ω≥3δ
式中，ω为光电传感器的方位视场角，δ为二坐标搜索雷达的目标指示精度。
3.4 光电传感器的设计
光电传感器包括电视摄像头和红外热像仪，其组成和成像原理是类似的，由光学镜头、光电摄像器件及控制电路组成。光学镜头收集目标/背景的光辐射能量，并将它们成像在光电摄像器件的靶面上。光电摄像器件经过光电转换和处理后输出视频信号，送给图像信号处理器处理。
（1）采用高帧频成像技术
第一，能够提高对目标搜索扫描速度，提高系统反应时间；
第二，在信号处理上可以进行积累检测，提高视频信号的信噪比，有利于远距离目标的提取；
第三，可以提高系统的带宽，提高跟踪精度。
（2）采用大口径、高透过率、长焦距的光学系统，提高红外辐射能量的收集能力和光学放大率。
（3）采用高灵敏度、小像元、大面阵光电探测器
第一，增大视场角，有利于对目标的捕获；
第二，在信号读出、非均匀性校正等方面采取措施，提高视频信号的均匀性和信噪比，以利于后续目标的检测和识别。
（4）根据大气窗口特性、目标辐射特性和探测器响应特性，开展光谱匹配设计，选择合适的光谱带通滤光片，提高目标与背景的对比度，有利于目标的检测。
3.5 图像跟踪处理器的设计
图像跟踪处理的目的就是正确检测目标、抑制背景，提高检测率、降低虚警率。当前目标的检测方法有许多种，比如分形算法、高阶梯度算法、区域扩张算法、小波变换、基于遗传算法的匹配相关算法等。我们主要采用了下列算法，从试验结果看，效果是不错的。
（1）采用数字自适应滤波技术，抑制背景、突出目标，提高目标与背景的对比度。
（2）采用多模式、多目标处理、多门限分割技术，均方差检测与Bayes判据相结合、一维检测与二维检测相结合，提高目标的检测率。
（3）采用高帧频积累检测，可以有效提高目标的检测灵敏度。
（4）采用相关跟踪技术、航迹预测技术、目标识别技术等，降低检测目标的虚警率。
4 结论
本文研究了光电跟踪仪在二坐标搜索雷达的引导下自主搜索捕获目标的实现，从试验结果来看，采用本文所述的方法对空中目标的自主捕获是完全可行的。另外，当没有搜索雷达引导时，则光电跟踪仪必须在方位、俯仰方向二维扫描，要实现大范围自主搜索、捕获目标，本文的方法也是适用的。当然，若光电跟踪仪可以在三坐标搜索雷达的引导下搜索、捕获目标，则目标可直接进入视场，要实现目标的光电自动跟踪就简单多了。
参考资料：
[1]徐南荣，卞南华编著.红外辐射与制导.北京:国防工业出版社, 1997
[2]杨宜禾，周维真.成像跟踪技术导论.西安：西安电子科技大学出版社，1992
作者简介：
李连学，男，1964年2月出生，教授级高级工程师，学士学位。长期从事电视/红外跟踪技术和光电应用系统的研究和开发，曾获部级科技进步二等奖两项、河南省新技术新产品一等奖一项。
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