注入式红外捕获跟踪仿真关键技术研究

党东妮，高 卫，孙奕帆

（北京跟踪与通信技术研究所，北京100094）

注入式红外捕获跟踪仿真关键技术研究

党东妮，高 卫，孙奕帆

（北京跟踪与通信技术研究所，北京100094）

阐述了注入式红外捕获跟踪仿真系统的组成及工作流程；分析了制约仿真体系构建的关键技术，针对目标在图像中位置的仿真精度要求，提出了直接采集红外捕获跟踪设备编码盘角度信息来进行目标位置仿真计算的方法；针对红外图像生成实时性要求，提出了预先生成目标、背景图像数据，在仿真进程中将之实时合成的方法，并通过实验验证了所提方法的有效性；最后提出了仿真体系构建的建议。

红外捕获跟踪设备；注入式仿真；实时合成

1 引 言

红外捕获跟踪设备是电子对抗特别是光电对抗装备的重要组成部分，一般由红外成像分系统、信号处理器及伺服分系统组成，主要用于自动捕获、跟踪目标并引导干扰源动态瞄准目标，同时对目标进行识别、分类。红外捕获跟踪设备的性能指标检验一般采用外场方法，但外场方法存在目标对象模拟不完全、多目标难以构建、电磁环境难以模拟等诸多问题。相比外场方法，采用仿真手段构建红外捕获跟踪设备检验所需的环境，具有容易实现、信号环境可控、可多次重复、效费比高等突出优点。

红外捕获跟踪仿真包括场景辐射式仿真、数字图像注入式仿真、数学仿真等多种方法，各种方法应用场合不同。其中，前两种方法均引入红外捕获跟踪设备实体参与仿真，属于半实物仿真，相比之下，数字图像注入式仿真绕过了红外场景转换环节，仿真系统建设费用低，同时可以实现红外捕获跟踪设备多种关键性能指标的检验，尤其适用于与图像信息处理与目标检测、跟踪能力息息相关的性能指标的考核与评估，在有限条件下是一种现实有效的红外仿真方法［1－5］。

2 注入式红外捕获跟踪仿真系统组成及工作流程分析

外引导数据模拟、红外捕获跟踪设备光轴指向信息采集、图像中目标位置仿真、仿真数据采集及评估等。模型数据库用于提供图像生成所需的目标／背景模型及红外素材。数字图像生成分系统采用高性能图形工作站，利用图像生成软件生成仿真所需的红外场景图像。数字图像注入设备用于将生成的红外数字图像注入到红外捕获跟踪设备信息处理器。

图1 注入式红外捕获跟踪仿真系统组成框图

2.1 组成

注入式红外捕获跟踪仿真系统主要由仿真控制计算机、数字图像生成分系统、模型数据库、数字图像注入设备等部分组成。组成框图如图1所示。其中，仿真控制计算机主要用于完成仿真剧情设计及推演、

2.2 工作流程

仿真试验开始前，仿真控制计算机根据当次仿真需求进行剧情想定和参数配置，生成剧情想定和参数配置信息；仿真试验开始后，仿真控制计算机判断目标是否在视场内，如不在，则通过发送外引导数据，将目标引导到红外捕获跟踪设备视场内，同时实时采集红外捕获跟踪设备编码盘的输出信息，结合目标的运动轨迹，实时仿真目标在设备视场中的空间位置［6］，并下发给数字图像生成分系统；数字图像生成分系统根据仿真剧情想定和参数设置，调用模型数据库模型，利用仿真控制计算机下发的目标位置信息，仿真生成所需的红外场景图像；经数字图像注入设备进行格式转换后，按照红外捕获跟踪设备通讯协议、工作帧周期、图像数据流格式以及时序要求，注入到红外捕获跟踪设备信息处理器；信息处理器处理出目标相对红外捕获跟踪设备光轴的偏差送给伺服系统，驱动光轴指向目标，模拟红外捕获跟踪设备动态跟踪目标工作过程；仿真控制计算机对仿真试验数据进行分析、比对，评估红外捕获跟踪设备的性能［7］。

3 关键技术研究

由上述仿真系统的工作流程可以看出，影响仿真可行性的关键因素是仿真时序精度，即在仿真工作过程中红外捕获跟踪设备光轴指向数据的采集、图像中目标位置的仿真、红外数字图像的生成及注入带来的时间延迟与红外捕获跟踪设备实际工作过程中相应耗时的误差。由于目前计算机硬件的采集速率可达到兆赫兹，所以光轴指向信息的采集时间可以忽略，而仿真图像注入时间消耗与设备将所成图像传送给信息处理器的时间消耗相当，因此注入式红外捕获跟踪仿真的关键技术有两个方面：图像中目标位置的仿真精度及仿真场景的实时合成速度如何满足仿真需求。控制仿真系统延时，精确仿真目标在图像中的位置及提高图像生成的实时性是保证仿真系统构建逼真度的主要途径。下面主要针对这两个关键技术进行分析，提出相应的解决方法。

3.1 图像中目标位置的仿真精度

3.1.1 图像中目标位置的仿真计算

由于红外捕获跟踪设备视场较小，目标在视场中的位置不能简单依靠目标运动轨迹确定，还需要利用其跟踪特性，因此目标在图像中位置的模拟需要结合红外捕获跟踪设备的光轴指向信息来实现。首先建立红外捕获跟踪设备站点坐标系，其次将目标在地心坐标系下的位置坐标转化为站点坐标系下的坐标，最后根据设备的光轴指向信息计算出目标偏离设备光轴的偏差，即得出目标在图像上的位置。

（1）假定红外捕获跟踪设备工作站点为大地坐标，以工作站点为原点建立虚拟空间直角坐标系o－x′y′z′。

（2）仿真开始前，想定目标运动参数，在仿真进程中，根据想定的目标运动参数和试验进程时间实时计算目标的空间坐标值。

（3）将地心坐标系下的目标位置坐标转换为红外捕获跟踪设备站点坐标系下的极坐标（A′，E′，R′）或直角坐标（x′，y′，z′）。

（4）利用式（1）计算目标相对光轴在方位和俯仰方向的偏差［8］：

式中：ΔA为目标相对红外捕获跟踪设备光轴方位方向脱靶量值；ΔE为目标相对红外捕获跟踪设备光轴俯仰方向脱靶量值；A′为目标在红外捕获跟踪设备站点坐标系下的方位角；E′为目标在红外捕获跟踪设备站点坐标系下的俯仰角；A0′为红外捕获跟踪设备光轴方位指向码盘值；E0′为红外捕获跟踪设备光轴俯仰指向码盘值。

3.1.2 提高目标在图像中位置仿真精度的方法

由上式可见，目标在图像中位置的模拟精度主要与目标空间位置坐标（A′，E′）的计算精度、红外捕获跟踪设备光轴指向信息（A0′，E0′）的采集精度有关。目标空间位置的计算精度一般较高，所带来的误差可以忽略；光轴指向信息的采集精度主要取决于两个方面：一是编码盘的精度，二是数据的采集时刻，目前编码盘的精度较高所带来的误差也可以忽略，因此影响光轴指向信息精度的主要因素为数据的采集时刻。由于目标始终处于运动中，由滞后的光轴数据计算出目标在图像中的位置进而合成数字图像，与红外捕获跟踪设备实际工作相比，从时域上相当于延迟了几帧，因而必将降低仿真时序精度，影响红外捕获跟踪设备的工作稳定性。

红外捕获跟踪设备光轴指向信息一般通过伺服系统以帧频输出给设备的主控计算机，由于传输延迟，主控计算机一般在延迟一到两帧后接收到该信息，如果据此信息计算目标在图像中的位置，与设备真实工作过程相比，至少带来了两帧的延迟误差。而设备伺服系统的速度环采样频率一般为800Hz，即采样周期为1.25ms，仿真系统如果直接利用编码盘数据，则可大大减少延迟带来的计算误差。如图（2）所示，其中，a）为红外捕获跟踪设备编码盘采样频率示意图，T0、T1……为红外捕获跟踪设备成像帧周期；b）为直接采集红外捕获跟踪设备编码盘信息计算目标在图像中的位置；c）为采集红外捕获跟踪设备主控计算机输出的光轴指向信息计算目标在图像中的位置。

图2 利用不同时刻编码盘数据计算目标在图像中位置时序图

由图2可以看出，直接采集编码盘输出数据计算目标在图像中的位置，由于采样频率和计算速度带来的时间延迟很小，目标运动带来的空间位置变化可以忽略，因此以此目标位置信息仿真生成的红外图像，与红外捕获跟踪设备实际获取的图像在时序上比较接近，仿真逼真度较高。当利用设备主控计算机转发的光轴指向信息计算目标的像素位置时，从图c）中可以看出，由于数据传输延迟及目标运动，仿真系统在T2时刻利用T0时刻光轴的指向信息计算目标在图像中的位置，并仿真生成红外图像，此图像相当于红外捕获跟踪设备在T0时刻实际获取的图像，不仅降低了仿真的逼真度，对设备的工作稳定性也会带来影响。

因此，为了提高目标在图像中位置的仿真精度，提高被检测红外捕获跟踪设备的工作稳定性，仿真系统应在帧成像同步时刻从设备的编码盘读取数据，并在帧成像周期内完成目标位置的计算及图像的合成。

3.2 红外场景的实时合成速度

由于红外捕获跟踪设备帧频较高，且仿真系统需要实时采集设备伺服系统码盘数据（复合轴系统有4个码盘，非复合轴系统2个码盘），如采用实时接收仿真剧情、实时仿真目标红外特性生成图像的方式，必将大大牺牲目标的仿真精度。因此本文提出采用图像实时合成的方法同时满足仿真实时性和精度要求，并对该方法的可行性进行了仿真验证。

3.2.1 红外场景实时合成方法

红外场景实时合成方法：将数字图像仿真的绝大部分工作如目标、背景模型变换、红外辐射特性计算、数字图像三维到二维的投影转换等在仿真准备阶段完成；仿真进程中，根据仿真时序，从目标图像数据中读取时间上最接近的目标帧数据，从图像噪声数据中读取相应的图像噪声帧数据，并根据此时刻设备伺服系统光轴指向信息，从背景图像数据的相应位置读取背景图像数据，将目标帧数据、图像噪声帧数据和背景图像数据实时合成。为减少数据读取时间，可采用内存容量较大的高性能计算机，预先将背景图像数据、目标图像数据和图像噪声数据存储于高速硬盘中。

3.2.2 红外场景实时合成速度测试

为了验证上述方法的有效性，利用内存为2G、双核CPU计算机搭建仿真实验平台，选取飞机图片作为测试对象，对实时合成速度进行测试。由于红外捕获跟踪设备的多目标捕获和处理能力一般要求不小于5个，为了满足检验需求，目标数选取3～5个，为了避免测试结果的随机性，单个测试目标图像设定不小于1500幅，即由1500帧组成。具体测试方法为：

（1）考虑到计算机内存有限，程序采用多缓存技术，首次加载800帧（数目可变），每处理完100帧则将新的帧读入空出的缓存，同时采用多线程技术，在读取下一帧的同时完成已加载帧的替换显示过程。

（2）测试开始后，根据事先规划的目标轨迹文件，按照时间顺序，在对应时刻用目标图像像素替换背景上的对应像素，对于非目标像素则保留背景图像，合成为带有目标的场景图像。

图3为数字图像实时合成速度测试结果示意图。

图3 实时合成速度测试结果示意图

从以上的测试结果可以得到以下结论：目标与背景的实时合成速度与目标数有关，目标数越多，实时合成的速度就越慢，但实时合成速度并不随目标数量线性减小；当目标数量不大于5个时，图像实时合成速度大于100帧／s。经了解，目前地面红外捕获跟踪设备成像帧频一般在50～100帧／s，因此，采用上述方法进行图像的实时合成，可以满足红外捕获跟踪设备注入式仿真检验的需求。

4 结论与建议

根据上述分析和测试结果，我们提出通过直接采集红外捕获跟踪设备伺服系统编码盘角度信息的方法，提高了图像中目标位置的仿真精度；采用预先生成目标、背景、图像噪声文件，在仿真开始后进行图像实时合成的方法，提高了图像的生成速度。因此，我们建议在仿真系统构建中不通过采集红外捕获跟踪设备主控计算机输出的光轴指向信息，而是直接从编码盘读取数据来仿真生成目标在图像中的位置，不采用在仿真进程中实时生成图像的方法，而是采用将目标与背景实时合成的方法。另外，仿真系统的构建还需考虑图像仿真逼真度、仿真系统与红外捕获跟踪设备接口关系等问题。

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Key technologies research for IR capturing and tracking simulation based on digital image injection

DANG Dong-ni，GAOWei，SUN Yi-fan
（Beijing Track and Communication Technology Institute，Beijing 100094，China）

The constitution and working principle of IR capturing and tracking equipmentare described.The key technologies limiting the simulation system are analyzed.Aiming at the simulation accuracy，themethod that simulates the target’s location is put forward by collecting the data from the coders directly.As for the real-time requirement of IR image generation，correspondingmethod that generates the images of targets and background in advance and synthesizes them real-time are proposed.The validity and feasibility of the solutions are validated through simulation.Finally，some advice is given to design the simulation system.

IR capturing and tracking system；injected-simulation； real-time synthesis

TN216

A

10.3969／j.issn.1001-5078.2013.08.015

1001-5078（2013）08-916-04

党东妮（1974－），女，硕士，主要研究方向为光电对抗。

2012-12-30；

2013-01-18