光学脱靶量测量设备红外引导跟踪观测子系统关键技术研究

中国人民解放军91550部队 孙贵新

光学脱靶量系统用于完成被试品脱靶量测量、攻靶姿态观测、落点精度测量及攻靶段实况摄录、存储、传输、显示等任务。文章针对红外引导跟踪观测子系统观测目标为超音速/亚音速目标时的需求，对红外小目标跟踪技术、红外弱小目标捕获技术、红外图像增强技术等关键技术开展研究，并通过具体的实践证明了采用上述技术的红外引导跟踪观测子系统设备能够在短时间内完成对目标的捕获、跟踪和锁定等动作，具有快速调转、实时预测和精确控制的能力,进一步证明了光学脱靶量测量系统建设方案的科学性及合理性。

光学脱靶量系统组成主要由靶载三光跟踪观测子系统、实况监视子系统、数据存储与控制子系统、授时单元、通信子系统、供电单元和地面显控子系统等组成。三光跟踪观测子系统每套由1台红外热像仪、1台超清常速摄像机、1台高速相机、1台2轴转台、1台转台控制器、GNSS授时单元、供电单元和机柜等组成，其用于反舰、对陆攻击被试品攻靶时的远距离观测，并可实现子母弹攻击跑道时对母弹的跟踪观测以及夜间任务的观测。红外引导跟踪观测子系统主要观测目标为超音速/亚音速被试品目标，设备需在短时间内完成对目标的捕获、跟踪和锁定等动作，必须具有快速调转、实时预测和精确控制的能力。因此，必须对红外小目标跟踪技术、红外弱小目标捕获技术、红外图像增强技术等关键技术开展研究。

1 红外弱小目标捕获技术

由于设备视场角大，目标在远处的张角小于红外探测单元的一个瞬时视场，在跟踪过程中，目标辐射能量可能分散到多个探测单元上，不利于目标探测，因此弱小目标的信号获取和处理技术是系统需要解决的关键技术。拟采用以下技术方案来提高红外弱小目标信息获取的能力：采用红外图像增强技术来提高红外图像的清晰度；采用去冗余直方图变换算法提高红外图像对比度；通过红外抗干扰技术减少海面反射的被试品尾焰或太阳光对被试品目标捕获的干扰；通过红外小目标检测技术提高检测识别率。

2 红外小目标跟踪技术

在完成红外图像小目标检测任务后，后续任务是进行红外小目标跟踪。对于实现红外小目标的跟踪，我们经常使用的跟踪算法主要有两种，一种是基于目标进行定位，另一种是基于滤波算法进行跟踪。本系统选择了一种融合了两大类跟踪框架优点的红外小目标跟踪算法，以下是该跟踪算法的大致思路：首先，由卡尔曼滤波器对小目标进行初步估计，然后再根据Mean-shift算法进行进一步的匹配，最终得到较精确的结果。

为了提高该方法的跟踪效果，选择一种稳定的目标核函数直方图建模的非线性量化方法；同时，为了保证当前帧目标模板更新的可靠性，选用一种由另一个Kalman滤波器来实施对小目标局部区域背景复杂程度的跟踪和预测。该方法不仅可以降低由于红外小目标对象灰度信息匮乏引起的不稳定性，同时还能较大的抑制系统的噪声干扰。这种融合了两类跟踪框架优点的红外小目标跟踪算法结构流程图如图1所示。

图1 跟踪算法结构框图

首先，由滤波器对目标进行初步的估计，预估红外小目标可能出现的区域。在得到了红外小目标的预估区域后，使用进一步的算法进行迭代。针对红外小目标这一处理任务，在基于核函数直方图建模的基础上，选择了一种更加适用于红外小目标对象建模的非线性量化准则。基于以上找到的更有效的小目标区域的量化方法并建立了目标模型后，经过滤波器预估并进行迭代后得到目标位置。

3 红外图像增强技术

红外测量技术的特点是能够全时性工作，可以较普遍的用于测量各种飞行参数。这里主要论述两种方式，一种是采取手动分段线性增强方法，另一种是采取去冗余直方图变换方法。

图5 去冗余直方图变换结果

3.1 手动分段线性增强方法

在图像处理中我们要做的工作是在背景中提出目标，因此我们可以采用分段灰度变换的方法进行图像增强，对高段、中段和低端三部分采用不同的灰度线性变换方法。该方法可以根据具体情况进行设计，获得目标区域的最佳视觉效果。具体情况如图2所示。

图2 手动分段线性增强结果

3.2 去冗余直方图变换算法

去冗余直方图变换算法对动态序列图像具有很强的适应性，能够有效的消除噪声对图像增强产生的不利影响。通过处理后的结果我们可以看出：直接线性变换算法作为灰度化图像是通过移位的方法选取有效位数中的高位数据，具体处理结果如图3所示，直接线性变换方法不足之处得到了较好的弥补，最终的处理效果更加明显。具体的处理效果如图4、5所示。

图3 直接线性变换增强结果

图4 分段线性增强结果

结束语：红外引导跟踪观测子系统主要观测目标为超音速/亚音速被试品目标，需要就红外小目标跟踪技术、红外弱小目标捕获技术、红外图像增强技术等关键技术开展研究。通过一定的技术手段处理,红外引导跟踪观测子系统设备能够在短时间内完成对目标的捕获、跟踪和锁定等动作，具有快速调转、实时预测和精确控制的能力。