現(xiàn)代化信息戰(zhàn)爭(zhēng)對(duì)復(fù)雜背景下的目標(biāo)探測(cè)提出了很高的要求。相對(duì)于雷達(dá)、可見光等探測(cè)技術(shù)，紅外成像探測(cè)隱蔽性好、抗電子干擾能力強(qiáng)、目標(biāo)定位精度高，受到越來越多的重視。針對(duì)現(xiàn)代信息戰(zhàn)爭(zhēng)復(fù)雜背景的實(shí)際應(yīng)用需求，緊密結(jié)合工程實(shí)際，本文介紹了一套自研的便攜式紅外自動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)跟蹤系統(tǒng)。該系統(tǒng)結(jié)合當(dāng)前最新的制冷凝視成像紅外傳感器技術(shù)、高速圖像信息處理技術(shù)、精密伺服控制技術(shù)，采用模塊化、小型化、可擴(kuò)充性及低功耗設(shè)計(jì)，構(gòu)建了一套由雙視場(chǎng)中波制冷凝視成像紅外傳感器、高速信息處理系統(tǒng)及精密伺服控制轉(zhuǎn)臺(tái)組成的便攜式紅外自動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)跟蹤系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)復(fù)雜環(huán)境下目標(biāo)的自動(dòng)搜索、捕獲、識(shí)別與伺服閉環(huán)跟蹤，尤其針對(duì)復(fù)雜天地背景下遠(yuǎn)距離、低信噪比、低對(duì)比度弱小目標(biāo)。系統(tǒng)可便攜機(jī)動(dòng)快速展開，通過預(yù)留對(duì)外擴(kuò)展接口，可以方便地將目標(biāo)信息實(shí)時(shí)上報(bào)決策中心或者直接與擴(kuò)展系統(tǒng)連接，系統(tǒng)能夠適應(yīng)于各種載體平臺(tái)。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)與功能

系統(tǒng)由高靈敏度雙視場(chǎng)中波制冷凝視紅外焦平面陣列探測(cè)器、高速實(shí)時(shí)信息處理機(jī)、精密伺服控制系統(tǒng)與主控計(jì)算機(jī)組成，并預(yù)留激光測(cè)距機(jī)接口、慣導(dǎo)陀螺儀接口、GPS接口及對(duì)外擴(kuò)展接口（見圖1）。

通過模塊化、小型化、低功耗設(shè)計(jì)使得系統(tǒng)主體（精密伺服平臺(tái)與紅外熱像儀）重量限制在20 kg以內(nèi)，閉環(huán)跟蹤時(shí)功耗小于125 w，待機(jī)功耗小于50 w。

探測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)跟蹤獲取的目標(biāo)坐標(biāo)信息需驅(qū)動(dòng)精密伺服平臺(tái)持續(xù)指向跟蹤目標(biāo)，系統(tǒng)整個(gè)工作流程規(guī)劃為

4個(gè)階段：

（1）系統(tǒng)準(zhǔn)備階段：各個(gè)分系統(tǒng)加電，初始化，故障自檢；

（2）搜索檢測(cè)階段：系統(tǒng)可通過外部導(dǎo)引信息或直接在預(yù)定區(qū)域自動(dòng)搜索檢測(cè)目標(biāo)，使目標(biāo)進(jìn)入光學(xué)傳感器的視場(chǎng)并自動(dòng)檢測(cè)鎖定目標(biāo)；操作手可通過操控臺(tái)控制伺服平臺(tái)對(duì)目標(biāo)可能出現(xiàn)的區(qū)域進(jìn)行人工搜索，手動(dòng)鎖定目標(biāo)；

（3）跟蹤、實(shí)時(shí)處理階段：在系統(tǒng)捕獲到目標(biāo)后，自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)開始工作，測(cè)量位置信號(hào)偏差，激光測(cè)距機(jī)對(duì)目標(biāo)測(cè)距，得出位置誤差信息并轉(zhuǎn)換為控制信號(hào)，傳遞到伺服計(jì)算機(jī)。伺服計(jì)算機(jī)通過運(yùn)動(dòng)控制器和一定控制算法驅(qū)動(dòng)伺服轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的跟蹤。整個(gè)過程是一個(gè)閉環(huán)負(fù)反饋控制過程。同時(shí)，將目標(biāo)坐標(biāo)信息實(shí)時(shí)上傳至上級(jí)決策系統(tǒng)。另外，系統(tǒng)在跟蹤階段可對(duì)目標(biāo)的中波紅外輻射特性進(jìn)行錄取。

（4）事后處理階段：對(duì)檢測(cè)跟蹤過程錄像進(jìn)行編輯，快速形成結(jié)果上報(bào)，對(duì)于重要目標(biāo)的紅外輻射圖像數(shù)據(jù)，事后處理包括目標(biāo)的特征提取、目標(biāo)識(shí)別等處理。 系統(tǒng)選用便攜式計(jì)算機(jī)作為主機(jī)，目標(biāo)的紅外圖像、高速實(shí)時(shí)信息處理機(jī)的實(shí)時(shí)檢測(cè)結(jié)果、熱像儀當(dāng)前狀態(tài)、伺服轉(zhuǎn)臺(tái)狀態(tài)及當(dāng)前指向、擴(kuò)展接口設(shè)備信息必須實(shí)時(shí)可靠地上傳給主機(jī)，同時(shí)r）SF‘算法參數(shù)設(shè)置、實(shí)時(shí)處理狀態(tài)控制、熱像儀控制、伺服分系統(tǒng)控制、擴(kuò)展接口控制也必須及時(shí)地傳給高速實(shí)時(shí)信息處理機(jī)。通觀目前的各種接口，兼顧熱插拔、即插即用、速度、實(shí)時(shí)性、成本等特點(diǎn)，系統(tǒng)選用高速USB 2．O接口實(shí)現(xiàn)高速實(shí)時(shí)信息處理機(jī)與主控計(jì)算機(jī)通信。

2 USB 2．0接口設(shè)計(jì)

USB是一個(gè)快速、雙向、同步、動(dòng)態(tài)的串行連接接口，他具有熱插拔、即插即用、數(shù)據(jù)傳輸可靠、擴(kuò)展方便、低成本等優(yōu)點(diǎn)，已成為當(dāng)前計(jì)算機(jī)和各種處理機(jī)系統(tǒng)必備的接口之一。USB 2．O接口的理論傳輸速率高達(dá)480 Mb／s，實(shí)際應(yīng)用中選用批量傳輸最大帶寬可達(dá)53．248 MB／S［1］。本系統(tǒng)實(shí)時(shí)信息處理機(jī)與主控計(jì)算機(jī)之間最主要數(shù)據(jù)量為320×256×1 6×50一65 536 000，即為65．536 Mb/s，加上一些控制參數(shù)最大數(shù)據(jù)傳輸量不超過80 Mb/s，USB 2．O接口完全可以滿足系統(tǒng)對(duì)傳輸速率要求。同時(shí)，采用USB 2．0接口設(shè)計(jì)使得系統(tǒng)的連接簡(jiǎn)單可靠，且USB支持熱插拔，即插即用，系統(tǒng)的拆裝極為靈活，是本系統(tǒng)接口的理想選擇。

在本系統(tǒng)中，USB 2．O接口是主控計(jì)算機(jī)與實(shí)時(shí)信息處理機(jī)惟一的通信接口，實(shí)時(shí)信息處理機(jī)通過USB 2．0接口傳輸給主控計(jì)算機(jī)的信息有：目標(biāo)紅外圖像數(shù)據(jù)；目標(biāo)檢測(cè)結(jié)果；熱像儀當(dāng)前狀態(tài)；伺服轉(zhuǎn)臺(tái)狀態(tài)及當(dāng)前指向；擴(kuò)展接口設(shè)備信息。

主控計(jì)算機(jī)給實(shí)時(shí)信息處理機(jī)的信息有：DSIP算法參數(shù)設(shè)置；實(shí)時(shí)處理狀態(tài)控制；熱像儀控制；伺服分系統(tǒng)控制；擴(kuò)展接口控制。

由于USB是主從式工作模式，整個(gè)USB系統(tǒng)中只允許有一個(gè)，而且必須要有一個(gè)USB主機(jī)控制整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸工作。所有的數(shù)據(jù)傳輸都是由USB主機(jī)端發(fā)起，USB主機(jī)根據(jù)各個(gè)設(shè)備的屬性周期性地訪問各個(gè)設(shè)備，USB設(shè)備則被動(dòng)地響應(yīng)USB主機(jī)的訪問請(qǐng)求。在本系統(tǒng)中，USB主機(jī)是由便攜式計(jì)算機(jī)內(nèi)嵌的USB控制器擔(dān)當(dāng)，高速實(shí)時(shí)信息處理機(jī)則是USB設(shè)備。

USB程序設(shè)計(jì)基本上包含LJSB主機(jī)端的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)和USB設(shè)備本身的固件程序設(shè)計(jì)。

2．1 USB固件程序設(shè)計(jì)

固件程序是指運(yùn)行在USB微控制器上的程序，本系統(tǒng)采用的USB微控制器為Cypress公司FX2LP系列中的CY7C68013A，他提供了對(duì)USB 2．0的完整解決方案。其內(nèi)部集成了USB 2．O收發(fā)器、USB接口引擎、工作在48 MHz的增強(qiáng)型8051內(nèi)核并帶有2個(gè)通用異步收發(fā)器（uART）以及可編程接口控制邏輯。從端點(diǎn)F1FO可提供與眾多通用接口如：ATA，UTOPIA，EPP，PCMCIA，DSP以及通用處理器的無縫連接。

USB微控制器是實(shí)現(xiàn)USB通信的核心，同時(shí)也是系統(tǒng)的內(nèi)部通信中心。USB微控制器不僅要負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)信息處理機(jī)與主機(jī)USB通信，同時(shí)還要負(fù)責(zé)與伺服轉(zhuǎn)臺(tái)、熱像儀、預(yù)留擴(kuò)展接口等的通信。為了實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定閉環(huán)跟蹤，實(shí)時(shí)信息處理機(jī)處理結(jié)果中包含的目標(biāo)脫靶量必須以50 f/s的速率實(shí)時(shí)地傳送給伺服轉(zhuǎn)臺(tái)，此傳輸不能受主控計(jì)算機(jī)與實(shí)時(shí)信息處理機(jī)USB通信的影響。由于windows操作系統(tǒng)本身多進(jìn)程與USB傳輸?shù)闹鲝氖?a target="_blank">工作原理，主控計(jì)算機(jī)之間的USB傳輸常被其他進(jìn)程打斷，導(dǎo)致USB傳輸速率下降，無法保證當(dāng)前圖像與目標(biāo)信息以50 f／s的恒定速率實(shí)時(shí)傳輸給主控計(jì)算機(jī)顯示。本系統(tǒng)中USB微控制器利用內(nèi)部集成的強(qiáng)型805l內(nèi)核通過對(duì)其可編程接口控制邏輯的合理設(shè)計(jì)和芯片內(nèi)部F1FO的有效運(yùn)用，根據(jù)本系統(tǒng)各種數(shù)據(jù)傳輸對(duì)時(shí)間、速率和可靠性的不同要求靈活運(yùn)用控制傳輸、中斷傳輸和批量傳輸，保證上述各種通信過程互不影響，有效地保證伺服轉(zhuǎn)臺(tái)的閉環(huán)跟蹤性能。其固件程序流程圖如圖2所示。

2．2 USB驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

USB總線的驅(qū)動(dòng)程序是運(yùn)行在便攜式計(jì)算機(jī)上并實(shí)現(xiàn)對(duì)其內(nèi)嵌的LISB控制器進(jìn)行控制，USB總線的驅(qū)動(dòng)程序由USB主機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)，USB協(xié)議棧（包括總線管理、設(shè)備管理、多主機(jī)控制器管理等工作），USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序（實(shí)現(xiàn)對(duì)特定類設(shè)備的配置管理、數(shù)據(jù)傳輸管理）3部分組成。Microsoft提供的一組驅(qū)動(dòng)程序占據(jù)了系統(tǒng)軟件的底部。這些驅(qū)動(dòng)程序包括主控制器驅(qū)動(dòng)程序（OPENHCI．SYS或者UHCD．SYS）、HUB驅(qū)動(dòng)程序（USBHUB．SYS）和一個(gè)類驅(qū)動(dòng)程序（USBD．SYS），由控制器驅(qū)動(dòng)程序使用。把USBD下面的所有驅(qū)動(dòng)程序看成一個(gè)整體，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序主要與這個(gè)整體進(jìn)行交互，占據(jù)系統(tǒng)軟件的頂部，管理著硬件連接和管道通信。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的工作就是把客戶軟件的請(qǐng)求翻譯成USBD能執(zhí)行的事務(wù)。

本系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)程序的功能就是在固件程序的配合下完成USB控制、數(shù)據(jù)傳輸、電源管理和固件加載。具體而言，設(shè)備功能驅(qū)動(dòng)程序需要完成的工作分別為：初始化；創(chuàng)建和刪除設(shè)備；處理win32打開和關(guān)閉文件句柄的請(qǐng)求；處理控制傳輸?shù)恼?qǐng)求；處理中斷傳輸?shù)恼?qǐng)求；處理批量傳輸?shù)恼?qǐng)求；固件加載；處理一個(gè)可熱插拔設(shè)備被添加或刪除的情況；處理電源管理的請(qǐng)求。

3 實(shí)時(shí)信息處理機(jī)硬件設(shè)計(jì)

實(shí)時(shí)信息處理機(jī)是紅外自動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)跟蹤系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，他實(shí)現(xiàn)對(duì)紅外熱像儀數(shù)據(jù)的獲取，對(duì)圖像中的目標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，并將目標(biāo)信息如脫靶量等傳遞給伺服控制系統(tǒng)及外部擴(kuò)展接口。同時(shí)，該分系統(tǒng)還負(fù)責(zé)熱像儀、伺服控制分系統(tǒng)、主控計(jì)算機(jī)及擴(kuò)展接口之間的通信。 熱像儀圖像大小為320×256，幀頻為50幀／s，通過對(duì)目標(biāo)檢測(cè)跟蹤算法的分析可知：其數(shù)據(jù)量大且圖像處理算法運(yùn)算量大，而系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性的要求高。以上這些特點(diǎn)對(duì)硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)提出了很高的要求。國內(nèi)一些同行在實(shí)時(shí)圖像處理機(jī)的設(shè)計(jì)中采用了DSP陣列結(jié)構(gòu)，用多塊

DSP協(xié)同工作來提高處理

機(jī)的實(shí)時(shí)處理能力。由于本文設(shè)計(jì)的便攜式紅外目標(biāo)自動(dòng)檢測(cè)與跟蹤系統(tǒng)實(shí)時(shí)信息處理機(jī)的體積和功耗受到嚴(yán)格限制，在對(duì)各方面因素進(jìn)行綜合考慮的基礎(chǔ)上，結(jié)合處理算法的動(dòng)態(tài)可變和可重構(gòu)特點(diǎn)，根據(jù)目標(biāo)信息處理的基本流程設(shè)計(jì)了基于單片DSP+FPGA的實(shí)時(shí)信息處理機(jī)硬件平臺(tái)，發(fā)揮DSP和FPGA各自的優(yōu)勢(shì)，合理劃分處理任務(wù)，使得效率和靈活性得到充分提高。其結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示：

其結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示：

來自熱像儀的14位差分?jǐn)?shù)字圖像經(jīng)過電平轉(zhuǎn)化，通過FPGA進(jìn)行自適應(yīng)偏置校正和增益校正拉伸處理后，緩存入FIFO中。當(dāng)FIFO存滿一幀圖像時(shí)中斷DSP，DSP將圖像數(shù)據(jù)讀入內(nèi)部RAM空間進(jìn)行處理。處理完成后，DSP將處理結(jié)果以及圖像數(shù)據(jù)通過USB總線傳送至主控計(jì)算機(jī)分系統(tǒng)。同時(shí)，通過擴(kuò)展串口與伺服控制分系統(tǒng)、擴(kuò)展上報(bào)接口、激光測(cè)距機(jī)及慣導(dǎo)陀螺儀接口等外部接口通信。

根據(jù)信息處理數(shù)據(jù)量及處理速度的要求，分系統(tǒng)中的DSP采用TI公司的TMS320C6416T，他是專門針對(duì)圖像處理的一款高速定點(diǎn)處理器，其內(nèi)部有8個(gè)并行的處理單元，體系結(jié)構(gòu)采用超長(zhǎng)指令字結(jié)構(gòu)（VL1w），芯片的工作主頻可以達(dá)到1 GHz，當(dāng)片內(nèi)8個(gè)單元同時(shí)運(yùn)行時(shí)其最大處理能力可以達(dá)到8000 MIPS；FPGA采用Xilinx公司的Virtex一Ⅱ系列，是業(yè)界先進(jìn)的適合數(shù)字信號(hào)處理應(yīng)用的FPGA。其強(qiáng)大的可編程功能和內(nèi)置硬件乘法器為完成一些較復(fù)雜的圖像處理操作提供了強(qiáng)大的資源和結(jié)構(gòu)支持，外部大量的I／O管腳使之能夠提供多套數(shù)據(jù)和地址總線，利用該資源可以完成數(shù)據(jù)獲取中邊讀邊運(yùn)算邊存儲(chǔ)的功能，從而大大節(jié)省數(shù)據(jù)訪問的時(shí)問。

圖4左側(cè)為實(shí)時(shí)信息處理板實(shí)物照片，信息處理板尺寸僅為1lO mm×8l mm，內(nèi)置于右側(cè)熱像儀機(jī)殼中。

在實(shí)時(shí)信息處理機(jī)中，DSP軟件需要完成3項(xiàng)任務(wù)：從FIFO中導(dǎo)人圖像數(shù)據(jù)、按照算法流程對(duì)圖像進(jìn)行處理、將處理結(jié)果通過L7SB微控制器傳送給伺服控制及主控計(jì)算機(jī)如圖5所示。此3項(xiàng)任務(wù)具有一定的獨(dú)立性，需要妥善處理以下2個(gè)同步問題：

首先，來自熱像儀的圖像幀頻為固定的50幀／s，即相鄰兩幀圖像之間的時(shí)間間隔為20 ms。DSP對(duì)圖像的處理時(shí)間因目標(biāo)類型以及背景復(fù)雜度不同而略有變化。通常在背景非常復(fù)雜、虛警干擾過多的情況下，DSP處理一幀圖像的時(shí)間會(huì)偶爾超過20 ms。這種情況出現(xiàn)的時(shí)候，系統(tǒng)的穩(wěn)定性不應(yīng)受到影響。

另外，此類問題還存在于DSP處理結(jié)果及目標(biāo)圖像與主控計(jì)算機(jī)的傳輸中，Windows操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作方式?jīng)Q定了其實(shí)時(shí)性較差，在該系統(tǒng)中表現(xiàn)為，主控計(jì)算機(jī)端軟件通過LISB總線從圖像處理板讀取一幀數(shù)據(jù)的時(shí)間無法確定。經(jīng)測(cè)試，讀取一幀數(shù)據(jù)的耗時(shí)最快可小于8 ms，最慢可大于200 ms。因此，在DSP軟件中必須采取措施隔離圖像處理進(jìn)程與USB傳輸進(jìn)程，使USB傳輸超時(shí)不會(huì)影響圖像處理幀頻。除了解決2個(gè)協(xié)同問題之外，還必須采取諸多優(yōu)化手段保證DSP對(duì)圖像的處理速度。只有經(jīng)過良好優(yōu)化的DSP代碼才能有效利用DSP具有的各種資源，充分發(fā)揮DSP特有的優(yōu)勢(shì)，最大限度地滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的要求。

4 測(cè)試結(jié)果

本文自研的便攜式紅外自動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)跟蹤系統(tǒng)對(duì)部分空中目標(biāo)進(jìn)行了外場(chǎng)聯(lián)調(diào)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，可以對(duì)320×256大小的圖像實(shí)現(xiàn)50幀／s的實(shí)時(shí)檢測(cè)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)低空目標(biāo)的自動(dòng)搜索、捕獲與跟蹤，探測(cè)到目標(biāo)后能夠穩(wěn)定伺服閉環(huán)跟蹤，短暫遮擋目標(biāo)不丟失，丟失目標(biāo)后能夠有效地重新捕獲，同時(shí)系統(tǒng)易于便攜機(jī)動(dòng)、功耗低，可以有效地應(yīng)用到預(yù)警系統(tǒng)中。