机场塔台高清高速视频跟踪监控系统的设计

姚莉佳

（成都双流国际机场股份有限公司 四川省成都市 610202）

近些年，视频跟踪系统在社会生产、海洋环境、森林、交通、道路、安防等监测领域有着广泛应用，起到了极好的监测效果。高清摄像机的广泛普及将进一步推动视频跟踪系统的高智能化、高清晰度，而这种精度高、分辨率高的成像特点使得视频跟踪系统越来越受到飞机起降、军事侦察等专业部门的广泛重视。基于此。探究机场塔台高清高速视频跟踪监控系统的设计有着重要意义。

1 视频监控系统现状

机场塔台作为调配、组织航空飞行的核心部位，负责航空飞行的指挥、调配、监控、起降决策等多项功能。现阶段，国内的机场塔台在飞机的着陆、起飞、准备阶段，需要时刻关注飞机状态，确保飞机能够正常起降，尤其需要关注飞机起落架在着陆阶段的收回情况，避免出现安全事故。近几年，机场塔台主要通过安排安全值班人员运用望远镜对飞机起降过程中是否正常收放起落架进行观察，并将有关情况通报给机场塔台的指挥人员。该种方式效率不高且耗费一定的人力资源，尤其无法应对夜航、能见度较差的情况，很难充分获取飞机的动态信息。当前，国内大部分地区采取的视频监控系统主要辅助工作人员手动控制云台摄像头，对飞机的保障状态、停放状态进行监视，并没有实现监控飞机起降的自动化，未能自动识别飞机起落架的收放情况，无法精确跟踪飞机实时动态，并没有广泛收集北斗信息、雷达着陆信息等多源情报，更不能帮助机场塔台的指挥人员开展辅助决策工作。

2 架构设计

该系统主要借助北斗定位信息、机场塔台提供的雷达着陆信息，根据图像跟踪算法，实现对视频影像开展高清高速的自动监控活动。视频显控软件与视频图像收集设备共同构成了视频监控的主要架构，技术人员会将红外摄像头、高倍数高分辨率的摄像头安装在塔台顶部，使得塔台的值班人员能够实时收集到控制信号视频信号；借助值班显示屏对飞机的实时起降视频进行监控，该种方式逐步取代了传统的值班安全人员对飞机的起降过程进行望远镜监控的落后办法，在一定程度上降低了工作人员的工作量、工作强度，显著提升飞机起降监控程序的安全性、可靠性。

塔台值班的安全人员能够借助操作控制台对飞机的起降影响进行手动跟踪，手动控制摄像头的观察范围；在飞机夜航时，值班人员可以开启红外视频监控功能，同时启动塔台的着陆雷达自动跟踪飞机的着陆过程，进而提升监控工作的预见性、稳定性、准确性。该系统主要由指向器、接线箱、控制箱、着陆雷达、北斗定位系统、控制摇杆以及由显示器、信息处理、服务器、信息应用终端构建的信息处理平台共同组成，其中控制摇杆、控制箱，接线箱、指向器主要负责对视频影像进行收集，指向器作为该系统的图像信息收集单元涵盖了抗云风台、控制器、红外热成像仪、长焦电动镜头、高清摄像机。接线箱主要负责转换控制信号格式，接入视频信号；控制器负责实现监控系统的目标跟踪、目标选定、视频观看等功能，包括控制箱、摇杆、显示器等组件。

3 软件设计

现阶段，国内的视频跟踪技术以及相关设备已逐渐成熟，其中，视频显控软件已处于世界前列。从设计流程层面进行分析，当前，视频监控软件主要的设计语言为c++，操作界面包含控制区、视频显示区、视频信息收集控制模块、视频流播放模块、编码流解码、编码流接收模块，其具体的工作流程为，启动视频控制软件对系统进行初始化，由摄像头对控制指令进行接收，并通过鼠标控制摄像头的指令信息，由摄像头负责收集视频信息，视频编码流接收模块收集视频信息，判断是否存在图像信息，是、发送解码消息，否、重新回到视频编码流接收模块，进一步判断是否成功发送消息，是、传输到编码流解码模块，否、重新回到图像信息是否的判断模块，继续判断是否解码成功，是、生成帧图像，否、重新回到视频编码流接收模块，即取消发送视频显示消息，判断是否成功发送信息，是、显示视频图像信息，否、重新回到编码流解码模块。

视频显控软件的编码流接收模块，借助IP 网络协议、TCP 网络协议能够实现客户端实时对视频收集设备的运转状态、数据信息进行监控，并及时发送通知消息，进一步对视频编码流视频收集设备采集到的视频信息进行循环获取。视频显控软件的编码流解码模块对视频信息头进行接收、解码、获取，在完成信息头的提取匹配作业后，对每一帧视频信息的编码数据开展解码作业，进而获得能够支持播放的帧图像。依照现阶段全世界范围内主流的视频编码标准，在设计跟踪监控系统时，应优先考虑GIF、JPEG、MPEG 等编码解压方式。视频显控软件的收集控制模块借助可视化界面对鼠标进行拖动，进而控制指向器；通过控制器按钮转动摄像头云台，对飞机的起降状态进行实时监控；通过支持框对关注目标进行选定；借助鼠标滚轮调节可视化界面上的图像范围，缩放视场大小，调节摄像头的监控面积。视频显控软件的图像显示模块主要是安装视频播放插件，确保监控软件能够自动适应区域大小，更好地显示图像视频。

4 高清高速视频跟踪功能

4.1 校准时间

监控跟踪系统为全面获取飞机着陆阶段的数据信息，涵盖了光电跟踪探测可视化数据信息、北斗定位信息、雷达着陆数据，监控视频跟踪系统会统一对机场的数据情报员进行引接，得到飞机着陆阶段的具体状态信息，借助信息融合算法实时引导飞机起降，获取飞机起降阶段的姿态数据、速度数据、实时位置等数据。由于雷达着陆数据系统与北斗定位数据系统有着不同的数据传输率以及采样标准，这使得两者很难在数据测量时间上同步；基于此，在将多方数据信息进行融合前，需要确保雷达系统与北斗定位系统的测量数据时间同步，对准两个系统的时间。着陆系统有着较高的数据刷新率且传输延迟极小，能够实现实时的数据信息传送，相比之下，北斗数据系统有着较长的数据更新周期，通常情况下，每次的数据更新会花费几秒、十几秒甚至几十秒，拥有较大的传输延迟[1]。为实现监控视频跟踪系统的实时性，需要以雷达着陆系统的数据周期为模板，校准北斗数据系统的数据周期；而北斗系统获取的数据信息会包含位置获取时间，具体标准为北斗卫星时，若经过一段延迟，北斗数据到达融合中心的时间会早于雷达数据信息的到达时间；因此，技术人员可以使用外推内插法校准北斗数据系统与雷达着陆数据系统的到达时间，具体措施为，在雷达数据信息到达后将其位置获取时间同步到北斗数据信息的位置获取时间，并更新相关数据，进而使得两者同步。

4.2 校准空间

由于监控视频跟踪系统借助不同类型的观测坐标系获取信息数据情报源，基于此，在对各情报数据进行整合前，需要首先统一观测坐标系，即校准空间。北斗情报数据系统的观测坐标体系为大地坐标系，监控跟踪系统的融合处理器也需要依照大地坐标系输出数据信息；因此，在收集监控跟踪视频系统时，需要转换雷达着陆系统的仰角、方位角的极坐标数据，并对坐标转换误差进行针对性补偿。在完成空间时间的校准工作后，使用集中式结构设置信息融合处理器，将主要信息源设置为着陆引导雷达与北斗信息，确保融合中心能够直接收到两方面信息源的测量数据，并统一融合处理航迹跟踪，上述结构能够充分利用各情报信源的优势信息，降低系统的信息损失，进而输出最佳的航迹数据，得出最精准的x 速度、y 速度、z 速度、高度、经度、纬度等数据信息[2]。信息数据融合处理的具体步骤为：北斗两侧信息涵盖的经度、纬度、高度、x 速度、y 速度、z 速度，雷达着陆两侧信息涵盖的方位角、仰角的相关数据会进入到融合处理中心进行时间校准、空间校准，经过卡尔曼滤波处理，进而估计融合滤波状态值，输出航迹数据。

4.3 融合航迹信息

相比于北斗数据信息，雷达着陆数据信息具有更高的精度。在多数情况下，北斗数据信息会出现固定系统偏移或误差，使得其传输的位置信息与真实的痕迹具有一定差距；为抑制噪声干扰，充分使用有价值的信息，应采用卡尔曼滤波法，借助最小二乘加权准则设定误差加权标准，对北斗数据信息、雷达着陆数据信息进行加权，增强准确性较高的传感器的权重因子，并结合预测结果，通过卡尔曼滤波对飞机轨迹状态方程进行更新，提升航技数据信息的精确度[3]。

4.4 自动跟踪引导

机场塔台的传统跟踪方法主要为通过安排安全值班人员运用望远镜对飞机起降过程中是否正常收放起落架进行观察，将相关信息通报给机场塔台的指挥人员。该种方式不具备较高的效率，会耗费大量的人力资源，尤其无法应对夜航、能见度较差的情况，很难获取飞机的有效动态信息。为实现自动跟踪引导功能，需要综合图像跟踪识别算法、北斗数据信息、雷达着陆航迹数据信息，并将北斗信息、雷达信息通过视频收集控制模块快速跟踪、锁定正处于着陆阶段的飞机图像视频。具体的实现流程为，塔台雷达收集着陆飞机的具体方向、距离，通过摄像头对飞机进行自动跟踪引导，生成摄像头对准指令，设定摄像头的对准俯角、仰角、方位，人工对准微调方位、俯仰，控制摄像头进行视频图像收集，系统会依照航迹信息计算出具体的俯仰角、方位角，并由系统控制摄像头指向器对飞机航迹进行捕获、跟踪，引导摄像头指向器始终对准处于着陆阶段的飞机，实现快速自动跟踪功能。由于指向器存在对准误差，塔台工作人员可以借助视频监控软件云台摄像头控制摇杆微调、捕获到的飞机状态，确保着陆阶段的飞机始终处于画面中心[4]。为提升自动监控跟踪的精确性，需要引入图像跟踪以及信息识别算法、解码视频编码流图像，跟踪、标注飞机目标，提升识别跟踪的精确性，进而实现自动监控。

5 系统应用结果

传统的视频监控系统无法自动识别飞机起落架的收放情况，无法精确跟踪飞机实时动态，不能帮助机场塔台的指挥人员开展辅助决策工作。机场塔台引入上述系统能够对着陆雷达信息、北斗定位信息进行综合引接融合处理，自动计算摄像头指向器的俯仰角、方位角，实现视频收集设备对飞机状态的实时捕获、跟踪，引导摄像头指向器快速对准着陆飞机，自动跟踪引导摄像头监控处于着陆阶段的飞机影像；借助视频监控软件，技术人员能够自动调节跟踪算法，实现对飞机的精确跟踪，全天候地观察飞机状态及运行轨迹；在使用期间，该系统能够获得清楚连续的起降图像信息以及收获较为稳定的跟踪效果。

6 结论

综上所述，为更好地解决机场塔台的监控需求，跟踪视频监控系统实现了高清高速，结合图像识别跟踪算法、北斗定位信息、雷达着陆信息，将原有的自动跟踪引导功能进行完善优化，实现了摄像头指向器的自动跟踪、快速锁定，进一步提升了飞机状态的监控质量，推动塔台管控的智能化、自动化，减轻值班安全人员的工作量、工作强度，提升了飞机起降着陆的安全性，增强机场的经济利益、社会效益。