視頻信號注入式光電經緯儀跟蹤性能評估方法

　　摘 要：針對目前光電經緯儀目標跟蹤性能評價方法的局限性，基于傳統光信號注入式測試方法的優點，提出了一種改進的視頻信號注入式測試方法。首先，根據目標在測試過程中的規劃運動軌跡，計算目標與經緯儀光軸之間的空間映射關系，生成相應的目標圖像和場景圖像，并由目標模擬器投射到光電經緯儀，從而建立目標和場景圖像數據庫;其次，根據每次測量時刻目標空間位置和目標與經緯儀光軸之間空間映射關系，調用圖像數據庫中目標圖像和場景圖像，并根據目標的相對運動速度對目標圖像進行模糊處理，再與場景圖像融合注入到經緯儀的視頻處理器中，實現經緯儀在無延遲信號注入條件下的跟蹤性能測試。實驗結果表明，提出的視頻信號注入式測試方法能夠達到外場評估的測量精度，不僅充分利用了傳統光信號注入式測試方法的優點，還有效解決了目標模擬器投射延遲和需隨動于經緯儀的難題，為光電經緯儀的跟蹤性能評價提供一種新的有效解決途徑。

　　關鍵詞：光電經緯儀;跟蹤性能;評估方法;視頻信號;注入式

　　胡林亭; 李佩軍; 李大偉; 祝民鵬 光子學報 2021-12-21

　　0 引言

　　大口徑跟蹤式光電經緯儀由于能夠同時記錄被測目標圖像、方位角以及俯仰角，廣泛應用于靶場飛行目標軌跡參數測量和目標姿態參數實況記錄，為武器性能的鑒定、事故分析等提供有效依據[1-2]。隨著靶場光學測量技術的快速發展，對光電經緯儀跟蹤性能的評價方法逐漸成為了研究熱點，目前常用的方法主要分為實驗室評估和外場評估兩種。外場評估由于費用高、跟蹤目標種類較少、環境因素復雜且不受控制等原因，往往無法全面綜合考核目標特性和環境特征對光電經緯儀跟蹤性能的影響。傳統實驗室評估包括光學動態靶標法和等效正弦引導檢測法[1]，其中光學動態靶標法僅能提供一個近似正弦的運動目標，無法準確獲取光電經緯儀跟蹤系統的傳遞函數，因此只能用于理論分析，無法精確量化與修正跟蹤誤差;而等效正弦檢測法由于沒有相應的光學目標檢測儀器，主要依賴被檢設備的計算機來完成檢測任務。即兩種傳統實驗室評估方法皆不能有效模擬真實目標的光學特性、運動軌跡及場景特征，進而無法客觀地評價光電經緯儀的跟蹤性能[3-5]。近年來國內外有很多學者提出了新的光電經緯儀跟蹤性能評價方法，但這些方法在探測精度方面仍有待提高。例如，結合光學動態靶標檢測法和等效正弦檢測法，形成了一種新的光電經緯儀跟蹤性能評價策略[6]，但未對光學動態靶標法中的目標信號進行誤差分析，仍未解決傳遞函數精度低的問題;通過將光學動態目標靶標視為有限項諧波加權和組成的諧波源，并將光電經緯儀跟蹤目標靶標的過程等效為一個理想的穩定線性時不變系統，實現了等效正弦法對光電經緯儀跟蹤性能的評價[7]，但實際跟蹤目標靶標的過程并不是一個理想的線性時不變系統，因而等效過程會引入一定誤差;光信號注入式測試方法[8]由于能夠模擬多種不同目標和環境，且具有高性價比，得到了廣泛的關注和應用，但由于其中目標模擬器的投射延遲和需要隨動于經緯儀等問題，限制了該方法的高精度應用。

　　針對目前光電經緯儀跟蹤性能評價方法的不足，本文提出了一種視頻信號注入式測試方法，通過采用先拍攝圖像、后跟蹤測試的方式避免信號注入延遲，以解決傳統光信號注入式測試方法中目標模擬器投射延遲引起的目標軌跡擾動問題和目標模擬器需要隨動于經緯儀而帶來的大尺寸、高動態性能要求問題。

　　1 視頻信號注入式測試原理 1.1 傳統光信號注入式測試原理及難點

　　光電經緯儀目標跟蹤系統在目標軌跡范圍內等間隔的離散時間點上進行目標跟蹤測量，即根據每一次測量得到的跟蹤誤差，匹配跟蹤模型，并設置跟蹤系統的最佳轉動速度，之后在下一個離散時間點再次測量對目標的跟蹤誤差，一直循環到停止目標跟蹤[8-10]。傳統光信號注入式測試方法是在每次經緯儀測量目標時刻(拍攝目標圖像時刻)，按照目標在跟蹤視場中的位置，利用目標模擬器將目標和場景投射到經緯儀的攝像系統，以模擬實際跟蹤運動目標時的景象，進而實現對光電經緯儀的性能測試[11]。即對于經緯儀某一測量時刻 t，由于已知目標 M 的大地坐標(x(t)， y(t)，z(t))、經緯儀光軸方位角 A(t)和俯仰角 E(t)，可利用坐標系轉換公式[12]和經緯儀跟蹤角誤差計算公式[13]求出注入目標在攝像視場中的位置(x′(t)，y′(t)，z′(t))和目標角脫靶量，進而計算出 t 時刻所拍攝的目標姿態;并由 A(t)和 E(t)獲取測量時刻對應場景，將目標與對應場景融合為一幀目標場景圖，再利用目標模擬器投射到經緯儀攝像系統，進而完成一幀圖像的注入[13-14]。圖 1 是一種典型光信號注入式測試系統工作原理示意圖。

　　光信號注入式測試方法能夠模擬多種不同目標和不同環境參數，且費用低，但為了使經緯儀獲取的注入圖像與實際跟蹤運動目標的圖像一致，目標模擬器投射過程往往要求目標位置精度高，且投射速度快[9]。從圖 1 可以看出，光信號注入式測試方法中光電經緯儀通過測量目標模擬器所投射的圖像進行目標跟蹤。然而目標模擬器在投射圖像時都有一定的延遲，一般為幾十毫秒，需要跟蹤系統預測經緯儀攝像時刻的跟蹤軸指向，使目標模擬器提前投射目標場景，進而使投射和拍攝同步。目標場景的注入參照點是經緯儀跟蹤軸，經緯儀跟蹤軸指向的預測誤差會使投射目標位置偏離理論軌跡，進而導致經緯儀拍攝的目標軌跡圍繞規劃的目標軌跡做擾動，如圖 2 所示。而目標軌跡的擾動直接影響經緯儀的跟蹤性能，極限情況下甚至會引起跟蹤系統的發散，丟失目標，進而嚴重影響對經緯儀跟蹤性能的檢測精度。因此目標模擬器的投射延遲所引起的目標軌跡偏離是光信號注入式測試方法的一個難點。

　　測試光電經緯儀跟蹤性能的過程中，經緯儀攝像系統采集目標模擬器投射的圖像后，由經緯儀視頻處理器計算目標跟蹤誤差，并調整跟蹤軸的方位角和俯仰角，在下一個離散時間點對應位置再次拍攝目標模擬器投射的圖像。即經緯儀跟蹤目標的過程是動態過程，在整個跟蹤過程中目標模擬器需要隨動于經緯儀的攝像系統，進而使目標模擬器光軸與經緯儀攝像系統光軸同軸[15-16]。這不僅導致整個測量系統體積非常龐大，而且由于光軸偏移誤差會引起目標像坐標的偏移，同樣也會造成目標軌跡擾動現象。因此，構建大尺寸、高動態調整的目標模擬器是光信號注入式測試方法的另一難點。

　　1.2 改進的視頻信號注入式測試原理及實施 1.2.1 基本思想

　　為了有效克服光信號注入式測試方法的兩大難點，本文提出了一種改進的視頻信號注入式測試方法，消除光信號注入延遲問題的同時，避免目標模擬器的高動態性能要求。圖 3 是某型經緯儀跟蹤系統中 CCD 相機、圖像處理和伺服系統的工作時序圖，可以看出，CCD 相機的圖像拍攝和圖像獲取處理之間有規律時間間隔的固定時序。因此，只要在 CCD 相機的每一幀圖像曝光時間范圍內能夠生成當前幀對應的模擬目標場景圖像，就可消除光信號注入延遲。

　　由于 CCD 相機根據目標場景的光強和對比度自動控制積分時間，不同幀圖像積分時間往往有所差異。同時，考慮到光電經緯儀跟蹤誤差處理和跟蹤系統控制所需的時間，通常以拍攝一幀圖像的中間時間點作為拍攝目標時刻，如圖 3 中第 N 幀拍攝時刻為 TN，在 TN時刻之前 20 ms 時間內主要進行跟蹤誤差計算、設置轉動速度、轉動跟蹤軸等，從 TN時刻到該幀圖像輸出為止的 20 ms 時間內拍攝目標。而傳統光信號注入式測試方法中幾十毫秒的目標模擬器投射延遲導致曝光時間截止所拍攝的圖像并不是期望的當前位置下的目標圖像。因此，以 TN為第 N 幀圖像注入的時間基準點，只要在 TN時刻之后 20 ms 時間內完成第 N 幀目標場景圖像的生成，以替代拍攝獲取第 N 幀圖像信息的過程，并輸出到經緯儀的視頻處理器，理論上可以實現無延遲的信號注入，如圖 4 所示。圖 4 中圖像生成過程代替圖像拍攝過程，意味著圖像生成之前需儲備好在不同空間位置、不同視角下的目標圖像以及場景圖像，才能夠根據目標實際位置和光電經緯儀跟蹤軸指向之間的空間映射關系，計算并生成經緯儀本應拍攝到的目標場景圖像。而所儲備的目標圖像和場景圖像需通過拍攝獲取，這就需要分離圖像拍攝過程和圖像處理過程。即利用經緯儀的攝像系統先拍攝與跟蹤過程相匹配的所有目標場景圖像存儲到數據庫中，再調用數據庫中數據生成經緯儀跟蹤軸指向的目標場景圖像，直接注入到經緯儀的視頻處理器，進而讓經緯儀進行目標跟蹤。這樣一來可以解決光信號注入式信號延遲難題，二來可以解決目標模擬器需要隨動于經緯儀的難題。

　　1.2.2 實施步驟

　　本文方法的實施主要分為建立數據庫和測試兩個步驟。

　　1)建立數據庫

　　根據光信號注入式測試方法的原理可知，整個測試過程可控，即經緯儀攝像系統每次拍攝目標的時刻 t 是確定量，而目標在測試過程中按規劃的軌跡運動，因此可計算出每個拍攝時刻 t 所對應的目標空間位置(x(t)，y(t)，z(t))和相應場景圖像。而由于目標的運動以及經緯儀的跟蹤誤差，不同時刻經緯儀對目標的視角不斷發生變化。為了提高目標場景圖像生成效率，分別拍攝并建立場景圖像數據庫和目標圖像數據庫，然后在實施測試過程中根據每個拍攝時刻目標位置和經緯儀跟蹤軸指向，從兩個數據庫中分別提取相應的目標圖像和場景圖像，并將二者融合生成目標場景圖像注入到經緯儀的視頻處理器中。圖像數據庫建立過程為：

　　① 根據規劃的目標運動軌跡，計算生成經緯儀每個拍攝時刻對應的場景 K(t)，并用目標模擬器投射出來，同時利用經緯儀攝像系統拍攝并拼接成一個連續的場景圖像數據;

　　② 根據規劃的目標運動軌跡，計算無跟蹤誤差條件下目標空間位置和經緯儀跟蹤軸之間空間映射關系，生成每個拍攝時刻無跟蹤誤差的目標圖像 V(t)，并用目標模擬器投射出來，同時利用經緯儀攝像系統拍攝并拼接成一個連續的目標圖像數據。

　　圖像數據庫建立過程中，目標模擬器的光軸與經緯儀跟蹤系統光軸應重合，但拍攝過程中經緯儀無需轉動，目標模擬器也無需隨動于經緯儀。另外，由于測試過程中用無跟蹤誤差的目標圖像代替有跟蹤誤差的目標圖像，實際拍攝到的目標在經緯儀坐標系下的像尺寸有所誤差，若 t 時刻經緯儀跟蹤方位角誤差和俯仰角誤差分別為 A′(t)和 E′(t)，則相應的目標像尺寸相對誤差可表示為 {Δx′= 1- cos A′( t ) Δy′= 1- cos E′( t ) (1)若跟蹤視場為 1°、方位和俯仰最大跟蹤誤差為 10′、成像器件像元數為 1 280×2 024、目標像元數為 100×100，則方位向和俯仰向目標像元數的變化僅約為 10-3 ，因此可忽略。

　　2)測試

　　圖 5 是提出的視頻信號注入式測試過程工作原理示意圖。對比圖 5 與圖 1 可以發現，改進的視頻信號注入式測試方法與傳統光信號注入式測試方法的主要區別在于目標場景圖像的獲取。改進的視頻信號注入式測試方法中，斷開經緯儀攝像系統與視頻處理器之間的連接線，并將經緯儀的視頻處理器直接連接到測試系統。基于圖 4 所示的經緯儀各模塊工作時序，對于每一幀目標圖像數據的生成，根據相應時刻目標空間位置以及目標空間位置與經緯儀跟蹤軸指向之間的映射關系，從圖像數據庫中調用相應目標圖像和場景圖像，若數據庫匯總沒有完全匹配的圖像，則利用相鄰網路控制點的圖像通過仿射變換等處理生成對應視角下的圖像，并根據經緯儀與目標的相對速度對圖像進行運動模糊效應處理后，將目標圖像和場景圖像融合形成當前時刻注入到經緯儀圖像采集卡的目標場景圖像。生成的每一幀目標場景圖像作為視頻數據流中一幀數據，基于經緯儀的幀同步信號注入到經緯儀的視頻處理器。

　　2 實驗驗證與分析

　　為了驗證本文提出的視頻信號注入式測試方法的可行性和有效性，先后對某型經緯儀進行了外場性能評估和視頻信號注入式性能測試，并對比分析了兩種方法下的目標跟蹤角誤差。

　　2.1 經緯儀外場性能評估實驗

　　針對某型經緯儀搭建了外場實驗平臺，通過人工引導、自動捕獲方式用經緯儀對某飛行目標進行捕獲和跟蹤，進而評價該經緯儀的目標跟蹤性能。為了驗證本文方法的普適性，進行了兩次目標跟蹤，分別對應目標軌跡 1 和目標軌跡 2，測試結果如圖 6 所示。圖 6 顯示了整個測試過程中經緯儀光軸和目標的方位角和俯仰角，其中 A1M(t)和 A2M(t)分別表示軌跡 1 和軌跡 2 中目標相對經緯儀零位狀態的方位角，A(1 t)和 A(2 t)分別表示軌跡 1 和軌跡 2 中經緯儀光軸的方位角，E1M(t)和 E2M(t)分別表示軌跡 1 和軌跡 2 中目標相對經緯儀零位狀態的俯仰角，E(1 t)和 E(2 t)分別表示軌跡 1 和軌跡 2 中經緯儀光軸的俯仰角。可以看出，對于目標軌跡 1 和 2，目標與經緯儀光軸的起始方位角均相差約 0.3°、起始俯仰角均相差約 0.4°，這主要來自于人工引導誤差，而之后經緯儀的跟蹤角誤差迅速降低，從起始位置起大約 1 s 后便可跟蹤到目標的方位角與俯仰角，方位角跟蹤誤差小于 0.05°、俯仰角跟蹤誤差小于 0.1°，且超過 1 s 后跟蹤角誤差越來越小，趨近于 0°，并一直保持較高的跟蹤精度。實驗結果表明，在實際外場實驗中此型號光電經緯儀跟蹤性能較好。

　　2.2 視頻信號注入式性能測試實驗

　　進行外場性能評估后，利用提出的視頻信號注入式測試方法對同一經緯儀進行了目標跟蹤性能測試。首先，通過采用最小二乘法，對 2.1 節中經緯儀實測目標數據進行了擬合，并將擬合結果作為目標的理論軌跡;其次，提取經緯儀在外場評估中每個拍攝時刻的目標和場景圖像，并根據擬合的目標理論軌跡進行適當的仿射變化，作為視頻信號注入式測試中目標軌跡相應位置的拍攝圖像，進而建立了目標場景圖像數據庫;然后，通過控制延遲時間注入視頻信號，使經緯儀進行目標跟蹤。圖 7 是本文視頻信號注入式測試和 2.1 節外場評估的跟蹤角誤差對比，其中 error1 對應目標軌跡 1，error2 對應目標軌跡 2。實驗結果表明，本文方法和外場評估的跟蹤誤差基本一致，其中起始捕獲誤差變化的原因是起始時刻目標出現在經緯儀視場的位置不同，即注入真實場景視頻后，經緯儀仍然保持較高的跟蹤性能，本文提出的視頻信號測試方法可行，可以有效評估光電經緯儀的跟蹤性能。

　　同時，測試了經緯儀在兩組不同延遲下的目標跟蹤性能。基于 2.1 節中擬合得到的目標理論軌跡數據，按照視頻信號注入測試原理，向經緯儀視頻處理器中注入了延遲分別為 40 ms 和 80 ms 的視頻信號，以模擬傳統光信號注入式測試方法中信號的延遲注入，測試結果如圖 8 所示，其中，error1 對應目標軌跡 1，error2 對應目標軌跡 2。圖 8(a)顯示了經緯儀的方位角跟蹤誤差，可以看出本文視頻信號注入式測試結果跟蹤角誤差收斂速度最快，且延遲時間越長，方位角跟蹤誤差收斂速度越慢，需要更長的時間來實現高精度跟蹤目標;圖 8(b)顯示了經緯儀的俯仰向注入誤差(僅對于有延遲信號注入)，該數據是在實驗結束后根據經緯儀真實跟蹤位置數據分析得到的結果，可以看出延遲時間越長，注入誤差越大。這是因為有延遲的信號注入已對目標軌跡產生了擾動，導致測試得到的跟蹤誤差相對實際跟蹤誤差更嚴重。有信號延遲時經緯儀跟蹤誤差模型可以表示為 Es' = Es + k ( t，m ) (2)式中，E′s為有延遲信號經緯儀跟蹤誤差，Es為經緯儀實際跟蹤誤差，k(t，m)為關聯系數，是信號注入延遲時間 t 和目標運動特性 m 的函數，該系數在光信號注入測試中一般難以準確估算，因此直接影響經緯儀性能測試的準確性。該實驗結果進一步驗證了本文視頻信號注入式測試方法的有效性。

　　3 結論

　　本文基于傳統光信號注入式測試原理，利用光電經緯儀圖像拍攝和圖像采集處理之間的時序差，采用先拍攝后調用的分步實施方案，提出了視頻信號注入測試方法，有效避免信號注入延遲。分別采用外場評估實驗和本文提出的視頻信號注入式測試方法，對某型號光電經緯儀進行性能測試結果表明，兩種情況下經緯儀方位角跟蹤誤差和俯仰角跟蹤誤差對于不同目標運動軌跡均高度一致，且注入有延遲的視頻信號時，跟蹤角誤差明顯增大。即提出的視頻信號注入式測試方法在實驗室條件下能夠有效評估經緯儀的目標跟蹤性能，其測試精度不亞于外場評估，同時該方法不僅適用于經緯儀電視跟蹤性能的檢驗，也適用于經緯儀紅外跟蹤性能的檢驗，對于同類跟蹤系統的測試，具有良好的通用性。視頻信號注入式測試系統在具體測試系統構建中還會涉及更多影響測試精度的技術環節。因此，下一步的工作主要研究視頻圖像融合、數據庫圖像的高效調用與擬合等技術問題，以進一步提高測試精度。