CN114173034A - 一种船载激光远程夜视*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种船载激光远程夜视***，船载激光远程夜视***安装在舰船的顶甲板上，在白天通过彩色CCD电视摄像***，在夜间通过红外热成像***发现、跟踪目标，用激光选通成像识别和确认目标。对海洋环境、海洋资源和海空目标等进行监视、跟踪和记录，达到维护海洋权益，保护海洋环境和资源的目的，并可作为海洋执法监察、调查取证的依据。该***根据用户的要求，灵活选配多种规格的光学镜头、CCD摄像机、制冷型红外热像仪和激光器。本发明提高了海警部队对海洋环境、海洋资源和海空目标等进行夜间监视、雾天、雨天监视的能力，更加有效的达到维护海洋权益，保护海洋环境和资源的目的，具有全天候、覆盖面广、视距范围大、图像稳定清晰的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种船载激光远程夜视***，涉及计算机自动控制技术、图像信 息处理技术、图像稳定技术、自动跟踪技术和GIS技术等相关领域。
背景技术
海警是我国海洋维权与执法的重要力量，担负着维护海洋环境、海洋资源和 海洋权益的重任。近年来我国海警部队的装备数量和质量都有很大提高，对海上 侦察探测的能力也有大幅度提高。光电探测设备是舰载信息化装备的重要组成之 一，已广泛应用在民用和军用舰船海上侦察领域。
目前海警舰载光电跟踪设备主要采用可见光、微光、红外成像等成像探测技 术和激光测距等非成像探测技术手段，其中成像探测具有作用距离远、探测视场 大、目标识别概率高等优点，与激光测距机结合使用可既获得目标图像又可获得 目标距离信息，提高对目标的跟踪定位精度，因此成像与测距结合的***成为发 展的主流。其中可见光成像主要用于白天目标监视，具有成像清晰、分辨率高、 距离远的优点，但容易受到海雾、雨雪等天气的影响，不能在夜间成像；红外设 备白天和晚上都可以成像，且作用距离较远，但存在图像失真较大、分辨率较低、 取证效果不佳、依赖目标与背景温度对比特性等问题；微光成像主要用于夜间监 视，虽然可以在低照度水平下成像，但是仍需要有一定的天光背景照度才能成像， 存在曝光时间长、图像拖尾严重、作用距离近、不具备雨雪雾天气条件成像能力等问题。现有的三种主要光电成像手段通过红外、可见复合应用可基本解决白天 成像问题，但均不能较好解决夜间远距离成像监视与成像取证的问题，亟需一种 可以解决在夜间或恶劣天气条件下的远程高清成像与测距跟踪一体化的舰载光 电监视装备。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种船载激光远程夜视***。船载激光 远程夜视***安装在舰船的顶甲板上，在白天通过彩色CCD电视摄像***，在 夜间通过红外热成像***发现、跟踪目标，用激光选通成像识别和确认目标。可 对海洋环境、海洋资源和海空目标等进行监视、跟踪和记录，达到维护海洋权益， 保护海洋环境和资源的目的，并可作为海洋执法监察、调查取证的依据。该*** 可以根据用户的要求，灵活选配多种规格的光学镜头、CCD摄像机、制冷型红 外热像仪和激光器。
***主要由安装于船舱外的成像设备和安装于船舱内的显控设备两大部分 组成，它们之间采用船用电缆连接。舱外成像设备由数字高清彩色电视摄像传感 器、制冷红外热成像传感器、激光器、增强型ICCD、转台、陀螺伺服稳定*** 等部分组成。舱内显控设备包括主控机箱、电源及驱动机箱、硬盘录像机、操控 键盘、轨迹球、液晶显示器等。根据用户需求，舱内设备可以散件方式提供，由 船舶设计单位统一布置，嵌入式安装在控制台内，也可以作为显控台整体提供。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明提高了海警部队对海洋环境、海洋资源和海空目标等进行夜间监视、 雾天、雨天监视的能力，更加有效的达到维护海洋权益，保护海洋环境和资源的 目的。另外，结合彩色CCD摄像机和制冷型红外热像仪，具有全天候、覆盖面 广、视距范围大、图像稳定清晰的优点。
附图说明
图1为本发明的***组成图；
图2为本发明的设备图；
图3为本发明的显控终端软件主界面图；
具体实施方式
下面结合附图和实施对本发明做进一步的说明。本***包括船舱外的成像设 备和船舱内的显控设备两大部分，两部分通过船用电缆连接。
舱外成像设备
舱外成像设备由数字高清彩色电视摄像传感器、制冷红外热成像传感器、激 光器、增强型ICCD、转台、陀螺伺服稳定***等部分组成。
S1：电视摄像传感器由可变长焦镜头和数字高清彩色CCD摄像机组成。
S2：制冷型红外热成像传感器由红外变焦镜头、制冷红外热像仪以及目标跟 踪模块组成。
S3：激光选通***由大功率脉冲半导体激光器和增强型CCD组成。
S4：转台由方位座、俯仰包及支撑结构组成。
S5：陀螺伺服稳定***由直流力矩电机、直流测速电机、陀螺、旋转变压器 等组成。
成像***由被动探测***、激光发射***、基于APD的激光单元探测***、 基于距离选通激光成像***、信号处理与控制***以及跟踪伺服***组成。
其中，被动成像***实现大范围目标搜索与目标粗跟踪；APD激光单元探测 ***用于远距离激光回波的探测；选通激光成像***用于高同步精度的距离选通 激光成像，以保证在获得空间目标距离信息的同时，获得目标的图像信息；激光 发射***由小型脉冲激光器、OAGC控制和发射光学***组成，其可以为激光单 元探测***提供小发散角、用于远距离单元探测的窄激光束，为激光成像***提 供大视场、用于满足激光成像***要求的同步、均匀宽激光束。各***安装在二 维跟踪伺服平台上，统一在高速信号处理与控制***控制下工作。
由于可见或红外被动探测作用距离远，可用于目标的捕获和粗跟踪，粗跟踪 完成后可对架设于转台上的激光探测部分形成引导，此时目标位于激光照明范围 之内，采用激光单元探测实现距离测量，采用激光成像***获取目标的高分辨图 像，实现精跟踪。
激光成像侦查***由信息处理与控制模块控制跟踪转台搭载可见光相机和 激光成像分***，共同实现对目标的捕获、跟踪和三维成像。激光测距机作为选 配部分。
S1：红外引导相机：红外引导相机的作用是采用大视场的红外相机，实现对 目标的捕获跟踪，其工作原理：是在转台电控箱同步下开始曝光，曝光结束后同 时输出图像给转台电控箱，由视频处理单元将脱靶量实时计算出，由主控单元控 制转台对空间目标的跟踪。
其主要技术指标为：
视场：10°×10°；
光谱范围：3-5μm，或者8-12μm；
像元数：320×240或640×480；
像元尺寸：32μm；
帧频：25Hz；
图像灰度等级：10bit；
其主要功能是：根据空间目标的地面预报信息和指令，在制定空域发现待成 像的目标，获取待目标图像，并与目标跟踪处理器、二维跟踪转台配合完成对目 标的稳定跟踪。引导相机的引导过程与其它***数据交换。
S2：二维跟踪转台：由于搭载的载荷较多，整体结构将采用U型构型。根据 实际的各个光学载荷的设计结果进行综合比较，选用质量小、刚度好、动力学性 能更优的构型形式。
整个结构主要分为俯仰部分和方位部分，分别实现一个自由度的转动，从而 保证所搭载的相机可进行大范围的扫描。俯仰和方位部分各自包括运动轴系、测 角传感器、驱动电机和限位机构等。
二维跟踪转台结构部分主要分为转台本体和电控箱两个部分，其中转台本体 搭载三个光学载荷并实现二维转动，分为俯仰部分及方位部分；电控箱用于安放 驱动电路、控制电路、编码器采集电路以及二次电源等。
在研制过程中，需根据初步设计结果进行结构模态分析、***受力分析、动 态响应分析以及动力学建模，再根据分析及仿真结果对设计进行优化，最终确定 结构状态。
S3：激光成像：激光成像模块包括脉冲半导体激光照明装置、高速高增益成 像器件、高精度时序控制、激光图像处理模块构成。
脉冲激光器和成像器件的外同步为TTL电平信号，该外同步信号由信息处理 和控制模块产生。其设置的前提是引导相机探测目标和锁定目标，转台稳定跟踪 目标。当***引导至主动成像探测视场中，由激光回波信号处理得到的目标距离 信息以及目标纵深，结合被动成像解析的目标特征，设置主动成像探测***参数， 开始主动成像探测，同时***进入精跟踪状态，通过解析主动成像探测图像，得 到目标特征参数，将参数反馈给控制***，对***相关参数进行微调，从而实现 ***对目标的高效精确跟踪，完成***粗跟踪和精跟踪的双闭环控制。
S4：信息处理与控制模块：采用信息处理与控制模块结构设计方案。采用 DSP或计算机进行***控制和信息处理，采用FPGA实现时序控制，两者之间 接口为串口或网口。***根据使用条件，通过上位机设定***工作的初始参数， 该参数通过R232或网口传送至FPGA，使***正常启动和工作；工作过程中系 统的参数仍可通过该方式实时修改或***复位。
S5：成像目标在GIS上定位：成像目标GIS定位主要目的是实现舰载夜视系 统信息和ECDIS***信息的融合；实现成像目标在ECDIS***上地理位置定位。 其中，舰载夜视***信息包括成像目标的选通距离、转台跟踪目标方位；ECDIS ***信息主要是船只信息，包括船只位置、船只方向和船只姿态。其中，θ1为船 只方向(相对于正北)，θ2为转台角度(默认转台0度为船头方向)，θ3为目标方向 (相对于正北)，d为目标距离船的距离。根据θ3和d即可在海图上定位出目标位 置。为实现成像目标GIS定位，该模块将创建目标定位处理类TargetPosCtrl，通 过100ms定时器，触发槽函数slotUpdateTargetInfo()获取船只信息和目标距离、 方向信息，并求得目标的具体经纬度坐标，通过调用绘制函数将目标刷新到海图 上。
舱内显控设备
舱内显控设备由主控机箱、电源及驱动机箱、硬盘录像机、操控键盘、轨迹 球、液晶显示器等组成。
显控终端软件是是整个***的用户操作交互平台，是整个软件的操作接口， 具有友好的交互操作和全面的信息展示功能。该平台采用QT开发工具包来完成 界面的设计与实现。软件界面主窗口，整个软件界面将从功能上划分为海图信息 ***界面部分和舰载监控***界面部分，其中，舰载监控***界面将作为海图信 息***界面的一个子窗口，内嵌在海图信息***平台上，完成舰载夜视***的界 面控制操作。海图信息***界面将完成海图的加载、显示、和相关海图操作，同 时完成对舰载监控***界面的调用，并在海图上完成成像目标定位信息的融合展 示。
Claims (5)
1.一种船载激光远程夜视***，其特征在于：船载激光远程夜视***安装在舰船的顶甲板上，在白天通过彩色CCD电视摄像***，在夜间通过红外热成像***发现、跟踪目标，用激光选通成像识别和确认目标；对海洋环境、海洋资源和海空目标进行监视、跟踪和记录，并作为海洋执法监察、调查取证的依据；该***根据用户的要求，选配多种规格的光学镜头、CCD摄像机、制冷型红外热像仪和激光器；
***由安装于船舱外的成像设备和安装于船舱内的显控设备两大部分组成并采用船用电缆连接；舱外成像设备由数字高清彩色电视摄像传感器、制冷红外热成像传感器、激光器、增强型ICCD、转台、陀螺伺服稳定***组成；舱内显控设备包括主控机箱、电源及驱动机箱、硬盘录像机、操控键盘、轨迹球、液晶显示器；根据用户需求，舱内设备散件方式提供，由船舶设计单位统一布置，嵌入式安装在控制台内。
2.根据权利要求1所述的一种船载激光远程夜视***，其特征在于：舱外成像设备由数字高清彩色电视摄像传感器、制冷红外热成像传感器、激光器、增强型ICCD、转台、陀螺伺服稳定***部分组成；具体实施过程如下，
S1：电视摄像传感器由可变长焦镜头和数字高清彩色CCD摄像机组成；
S2：制冷型红外热成像传感器由红外变焦镜头、制冷红外热像仪以及目标跟踪模块组成；
S3：激光选通***由大功率脉冲半导体激光器和增强型CCD组成；
S4：转台由方位座、俯仰包及支撑结构组成；
S5：陀螺伺服稳定***由直流力矩电机、直流测速电机、陀螺、旋转变压器组成。
3.根据权利要求1所述的一种船载激光远程夜视***，其特征在于：成像***由被动探测***、激光发射***、基于APD的激光单元探测***、基于距离选通激光成像***、信号处理与控制***以及跟踪伺服***组成；
被动成像***实现大范围目标搜索与目标粗跟踪；APD激光单元探测***用于远距离激光回波的探测；激光成像***用于高同步精度的距离选通激光成像，以保证在获得空间目标距离信息的同时，获得目标的图像信息；激光发射***由小型脉冲激光器、OAGC控制和发射光学***组成，为激光单元探测***提供小发散角、用于远距离单元探测的窄激光束，为激光成像***提供大视场、用于满足激光成像***要求的同步、均匀宽激光束；各***安装在二维跟踪伺服平台上，统一在高速信号处理与控制***控制下工作；
采用激光单元探测实现距离测量，采用激光成像***获取目标的高分辨图像，实现精跟踪。
4.根据权利要求1所述的一种船载激光远程夜视***，其特征在于：激光成像侦查***由信息处理与控制模块控制跟踪转台搭载可见光相机和激光成像分***，共同实现对目标的捕获、跟踪和三维成像；激光测距机作为选配部分；
S1：红外引导相机：红外引导相机的作用是采用大视场的红外相机，实现对目标的捕获跟踪，其工作原理：是在转台电控箱同步下开始曝光，曝光结束后同时输出图像给转台电控箱，由视频处理单元将脱靶量实时计算出，由主控单元控制转台对空间目标的跟踪；
根据空间目标的地面预报信息和指令，在制定空域发现待成像的目标，获取待目标图像，并与目标跟踪处理器、二维跟踪转台配合完成对目标的稳定跟踪；引导相机的引导过程与其它***数据交换；
S2：二维跟踪转台：采用U型构型；整个结构分为俯仰部分和方位部分，分别实现一个自由度的转动，从而保证所搭载的相机进行大范围的扫描；俯仰和方位部分各自包括运动轴系、测角传感器、驱动电机和限位机构等；
二维跟踪转台结构部分主要分为转台本体和电控箱两个部分，其中转台本体搭载三个光学载荷并实现二维转动，分为俯仰部分及方位部分；电控箱用于安放驱动电路、控制电路、编码器采集电路以及二次电源；
根据初步设计结果进行结构模态分析、***受力分析、动态响应分析以及动力学建模，再根据分析及仿真结果对设计进行优化，最终确定结构状态；
S3：激光成像：激光成像模块包括脉冲半导体激光照明装置、高速高增益成像器件、高精度时序控制、激光图像处理模块构成；
脉冲激光器和成像器件的外同步为TTL电平信号，该外同步信号由信息处理和控制模块产生；其设置的前提是引导相机探测目标和锁定目标，转台稳定跟踪目标；当***引导至主动成像探测视场中，由激光回波信号处理得到的目标距离信息以及目标纵深，结合被动成像解析的目标特征，设置主动成像探测***参数，开始主动成像探测，同时***进入精跟踪状态，通过解析主动成像探测图像，得到目标特征参数，将参数反馈给控制***，对***相关参数进行微调，从而实现***对目标的高效精确跟踪，完成***粗跟踪和精跟踪的双闭环控制；
S4：信息处理与控制模块：采用信息处理与控制模块结构设计方案；采用DSP或计算机进行***控制和信息处理，采用FPGA实现时序控制，两者之间接口为串口或网口；***根据使用条件，通过上位机设定***工作的初始参数，该参数通过R232或网口传送至FPGA，使***正常启动和工作；工作过程中***的参数仍可通过该方式实时修改或***复位；
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5.根据权利要求1所述的一种船载激光远程夜视***，其特征在于：舱内显控设备，舱内显控设备由主控机箱、电源及驱动机箱、硬盘录像机、操控键盘、轨迹球、液晶显示器组成；
显控终端软件是是整个***的用户操作交互平台，是整个软件的操作接口，具有友好的交互操作和全面的信息展示功能；采用QT开发工具包来完成界面的设计与实现；软件界面主窗口，整个软件界面将从功能上划分为海图信息***界面部分和舰载监控***界面部分，舰载监控***界面将作为海图信息***界面的一个子窗口，内嵌在海图信息***平台上，完成舰载夜视***的界面控制操作；海图信息***界面将完成海图的加载、显示和相关海图操作，同时完成对舰载监控***界面的调用，并在海图上完成成像目标定位信息的融合展示。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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