第二章+光电测量系统及其应用-3

图像探测、跟踪与识别技术

主讲人：赵丹培宇航学院图像处理中心

zhaodanpei@

2012年9月20日第二章光电测量系统及其应用学习目的

光电测量系统是一种应用目标探测、跟踪与识别技术的最典型也是最常规的靶场设备，这一章中将结合光电测量系统的典型应用，学习光电测量系统的基本原理、组成与分类，详细介绍电视跟踪测量系统的应用。学习的重点光电测量系统的基本结构和工作原理；什么是电视图像信号？电视图像信号的基本特征；电视跟踪测量系统的基本原理及脱靶量的计算。

本章的主要内容2.1光电测量系统概述2.2光电测量设备的分类及其组成2.3典型光电测量系统介绍－光电经纬仪2.4电视跟踪测量系统的基本原理2.1光电测量系统概述什么是光电测量系统？

光电测量系统是用光学成像原理，采集飞行目标的信息，经处理得到所需的目标轨道参数(或弹道参数)与目标特性参数，并获取飞行实况图像资料的专用测量系统，是导弹航天测量控制系统的重要组成部分。导弹航天测控系统：

是导弹航天试验靶场中用于完成飞行目标弹道测量、遥测、安控三大任务的专用系统，是与弹、箭、星等测试发射系统并列的独立系统。导弹航天测控系统由光电测量系统、无线电外测系统、遥测系统、试验指挥监视显示系统、遥控系统、时间统一系统、通信系统、实时和事后信息处理系统及大地测量和气象勤务保障等部分组成。光电测量系统的特点：

测量精度高；可测量飞行目标的光辐射特性参数；可获得飞行目标影像，直观性强，并可事后复现；不受“黑障”和地面杂波干扰影响等。但与无线电外测系统比较，光电测量的作用距离较近，并易受气象条件限制。光电测量系统的作用：弹道测量飞行实况记录物理特性参数测量本章的主要内容2.1光电测量系统概述2.2光电测量设备的分类及其组成2.3典型光电测量系统介绍－光电经纬仪2.4电视跟踪测量系统的基本原理2.2光电测量设备的分类及其组成光电测量系统的分类

根据光电测量系统在导弹试验和航天器发射中的功能和作用，分为四大类：弹道测量设备飞行实况记录设备物理特性参数测量设备事后信息处理设备模拟跟踪系统硬件实现优点：速度快缺点：单一特定目标简单场景不能智能跟踪任务单一数字跟踪系统软件实现优点：可智能跟踪较复杂场景的多个目标缺点：速度慢、不能全视场搜索任意指定图像目标的数字跟踪系统、软硬件结合，(DSP+ASIC)软件跟踪器优点：速度快可全视场搜索可编程多任务智能跟踪任意指定目标，复杂场景能处理遮挡问题第一代第二代第三代目标跟踪系统的发展本章的主要内容2.1光电测量系统概述2.2光电测量设备的分类及其组成2.3典型光电测量系统介绍－光电经纬仪2.4电视跟踪测量系统的基本原理2.5光电测量系统的发展现状及应用前景2.3典型光电测量系统介绍－光电经纬仪光电经纬仪亦称“电影经纬仪”。能连续自动瞄准空中移动目标,并进行观测与拍照的一种经纬仪。经纬仪是测量水平面方位角和垂直面俯仰角的大地测量用的光学仪器。其中早期的电影经纬仪是用来捕获、跟踪飞行目标，并将目标影像、十字丝标记及点阵信息摄影记录在胶片上的仪器。光电经纬仪是采用光电技术，具有实时测量和自动跟踪功能的电影经纬仪，是导弹、航天测量控制系统中的重要测量设备，是光电测量系统中的骨干设备。光电经纬仪的跟踪系统是由方位和俯仰两个跟踪控制系统组成。跟踪系统有三种跟踪方式：自动跟踪：电视自动跟踪、红外自动跟踪和激光自动跟踪，在光电经纬仪中一般具有一种或两种自动跟踪手段随动跟踪：计算机引导、雷达引导半自动跟踪：单人操纵杆跟踪（单杆跟踪）这三种跟踪方式都是有差闭环控制系统。自动跟踪电视跟踪器测量出目标相对其光轴的角量，送伺服系统的位置回路形成闭环自动跟踪。光电经纬仪的跟踪和引导方式光电经纬仪的跟踪和引导方式光电经纬仪因视场角较小，在不能直视或有遮挡而丢失目标时，需要采用引导方式进行随动跟踪，一旦捕获目标后可转入半自动跟踪或自动跟踪方式。光电经纬仪的引导有两种方式：模拟引导和数字引导。通常采用数字引导。数字引导也有两种方式：一种是用引导雷达或其它测量设备所获取的实测数据，通过数据传输，经计算机处理后引导光电经纬仪，近距离时可直接引导。另一种是理论弹道引导。在导弹起飞时或在其它无实测数据的情况下，往往采用理论弹道引导下进行随动跟踪，直至发现目标，可切换跟踪方式。本章的主要内容2.1光电测量系统概述2.2光电测量设备的分类及其组成2.3典型光电测量系统介绍－光电经纬仪2.4电视跟踪测量系统的基本原理2.4电视跟踪测量系统的基本原理⑴、电视测量技术的基本概念什么是电视？电视是一门集微电子学、光度和色度学、通信理论和技术、视觉心理学等于一体的综合性较强、紧密结合应用的光电子技术。

应用电视分为广播电视和工业电视两类。靶场测量电视属于工业电视的一种。电视的制式：NTSC、PAL、SECAM数字电视、高清晰度电视、立体电视等带动了电视的发展。场消隐脉冲（25Ｈ）第１场开始场同步与场消隐12362554前均衡脉冲场同步开槽脉冲场消隐脉冲（25Ｈ）后均衡脉冲第２场开始行同步电视图像信号的规定我国规定的标准电视体制(PAL制)为：

每帧625行，隔行扫描，行频15.625（kHz);光栅宽高比为4：3;视频带宽6MHz.每秒50场，两场为一帧。我国电视图像信号的同步、消隐脉冲的宽度规定如下：

根据要求对视频图像进行某种处理，主要包括：

消除视频信号产生、获取和传输过程中引入的失真和干扰，使视频信号尽可能逼真地重现景物，保证测量的精度；［预处理］

尽可能地去除视频信号中的无用信息而突出有用的信息；［目标提取］

从视频图像中提取某些特征，以便对其进行描述、分类和识别；［目标识别］

同步提取；［图像/文字显示］

在保证图像质量的前提下尽可能压缩视频图像的数据量。［图像传输］电视图像的处理过程

⑷、电视测量技术在靶场测量

控制系统中的应用

导弹武器试验靶场测量控制系统中的工作波段为可见光波段或红外波段，用于电视自动跟踪测量、实时记录等；用于无线电测量系统低仰角条件下的自动跟踪及星体标校；为靶场安全控制、指挥监控显示等系统提供火箭离架及飞行中的实况图像。具体概括为：自动捕获跟踪实时测轨实况记录指挥监视显示⑸、电视跟踪测量系统概述电视跟踪测量把计算机、图像处理、模式识别、自动控制、光学等学科有机地结合起来，形成一种能从图像信号中实时、自动识别目标，测量目标的位置信息和几何参数，自动跟踪目标运动的技术。电视系统的测量精度可以达到角秒量级，电视制导是其典型的应用。电视跟踪系统工作时不向外辐射无线电波，不会被电子侦察设备发现，它也不会受到电子干扰装置施放的干扰所影响。由于从电视监视器上能直接看到目标图像，因而能可靠地辨别目标。电视跟踪测量系统作成一个能以非接触方式自动测量目标（动/静）位置/速度、形状/变化的功能模块，可以把精密非接触测量扩展到天上、地下、水下、高温、严寒等人类视觉难以达到的地方。电视跟踪测量的突出优点是它具有精密、非接触、隐蔽、直观、抗电子干扰的特性，使它在军事上获得广泛应用。在试验靶场中，电视分系统作为一种光学设备被普遍应用。它改变了雷达测量不能显示目标姿态，摄影测量不能实时输出数据的缺点，兼有高精度，实时显示目标姿态，实时输出测量数据的功能，使新一代光测设备具有了更优越的性能。测量和跟踪的主要图像类型有三种:

可见光图像、雷达图像、红外图像。测量和跟踪的目标范围主要是空中目标、地面目标、海上目标。自动目标跟踪系统的主要算法包括图像数据的预处理、图像分割、目标检测、特征计算、相关匹配、识别和分类、运动分析、目标跟踪瞄准点选择等，目的是要实现这些功能的实时性，并应用于动态战术环境。电视跟踪测量系统的基本组成框图图像传感器自动目标识别系统跟踪处理器图像监视器伺服机构人工控制图像处理系统⑹、电视测量跟踪系统的基本工作原理

图像传感器通过对目标景物进行扫描产生电视信号，电视信号经采集形成数字图像，由图像处理系统处理，不断地计算出运动目标在视场内的瞬时位置，并形成相应的位置偏差调整信号量，传给伺服机构，伺服机构根据这些信号量调整电视跟踪系统及摄像机的空间位置和角度，使得目标始终位于视场中心，从而实现对目标的自动跟踪，也可以进行人工干预。探测器件的分类与比较由于探测器件不同，其脱靶量测量原理也略有差异。常用的探测器件可分为两类：一是真空摄像器件（如硅靶管和增强型硅靶管）；二是CCD器件。两类器件都是将光图像信号转换为电子图像，不同之处在于扫描方式不同。真空摄像管扫描时是先从左至右（分隔行和逐行），然后从上至下进行场扫描，其扫描周期和扫描速度都是固定的。CCD的分类：按像素排列方式可分为线阵CCD和面阵CCD；面阵CCD按传输过程可分为帧转移型和行转移型；按照敏感波段可分为射线、X射线、紫外线、可见光和红外线响应CCD。CCD的优点：全固体化，体积小重量轻、可靠性高、寿命长、有较理想的扫描线性，可进行像素寻址和变更扫描速度，尺寸重复性好，图像畸变小，灵敏度高，耐冲击性强。CCD和CMOS的差异与性能对比：CCD器件：电荷耦合器件CMOS器件：互补金属氧化物半导体

成像过程比较:CCD和CMOS使用相同的光敏材料，因而受光后产生电子的原理相同，并且具有相同的灵敏度和光谱特性，但是读取过程不同：CCD是在同步信号和时钟信号的配合下以帧或行的方式转移，整个电路非常复杂；CMOS则以类似DRAM的方式读出信号，电路简单。集成性比较：辅助功能难以与CCD集成到一块芯片上，需要特殊时钟驱动；CMOS能容易地把上述功能集成到单一芯片上。抗辐射比较：

CCD非常容易受到辐射电子的影响；CMOS由于在像素生成的时候加入抗辐射电路，并且采用直接寻址读取的方式，减少了辐射影响的机会。电源、功耗和体积比较：CCD功耗和体积都比较大；CMOS功耗相当于CCD的1/10，可以高度集成。成像质量：

CCD的灵敏度和信噪比要高于CMOS；

电视跟踪测量系统提供的主要信息可分为两大类：

其一是图像资料，其二是图像中目标的位置信息。

前者是对整个或部分图像形态、姿态及灰度的空间分布等随时间变化的图像记录。后者主要用于自动跟踪捕获和脱靶量实时输出。电视脱靶量通常是指视场中

目标偏离光轴的角量大小。

方位角：视准轴绕垂直轴旋转的角度由装在垂直轴上的轴