現代化信息戰爭對復雜背景下的目標探測提出了很高的要求。相對于雷達、可見光等探測技術，紅外成像探測隱蔽性好、抗電子干擾能力強、目標定位精度高，受到越來越多的重視。針對現代信息戰爭復雜背景的實際應用需求，緊密結合工程實際，本文介紹了一套自研的便攜式紅外自動目標檢測跟蹤系統。該系統結合當前最新的制冷凝視成像紅外傳感器技術、高速圖像信息處理技術、精密伺服控制技術，采用模塊化、小型化、可擴充性及低功耗設計，構建了一套由雙視場中波制冷凝視成像紅外傳感器、高速信息處理系統及精密伺服控制轉臺組成的便攜式紅外自動目標檢測跟蹤系統，能夠實現對復雜環境下目標的自動搜索、捕獲、識別與伺服閉環跟蹤，尤其針對復雜天地背景下遠距離、低信噪比、低對比度弱小目標。系統可便攜機動快速展開，通過預留對外擴展接口，可以方便地將目標信息實時上報決策中心或者直接與擴展系統連接，系統能夠適應于各種載體平臺。

1 系統總體結構與功能

系統由高靈敏度雙視場中波制冷凝視紅外焦平面陣列探測器、高速實時信息處理機、精密伺服控制系統與主控計算機組成，并預留激光測距機接口、慣導陀螺儀接口、GPS接口及對外擴展接口（見圖1）。

通過模塊化、小型化、低功耗設計使得系統主體（精密伺服平臺與紅外熱像儀）重量限制在20 kg以內，閉環跟蹤時功耗小于125 w，待機功耗小于50 w。

探測系統檢測跟蹤獲取的目標坐標信息需驅動精密伺服平臺持續指向跟蹤目標，系統整個工作流程規劃為

4個階段：

（1）系統準備階段：各個分系統加電，初始化，故障自檢；

（2）搜索檢測階段：系統可通過外部導引信息或直接在預定區域自動搜索檢測目標，使目標進入光學傳感器的視場并自動檢測鎖定目標；操作手可通過操控臺控制伺服平臺對目標可能出現的區域進行人工搜索，手動鎖定目標；

（3）跟蹤、實時處理階段：在系統捕獲到目標后，自動跟蹤系統開始工作，測量位置信號偏差，激光測距機對目標測距，得出位置誤差信息并轉換為控制信號，傳遞到伺服計算機。伺服計算機通過運動控制器和一定控制算法驅動伺服轉臺運動從而實現對目標的跟蹤。整個過程是一個閉環負反饋控制過程。同時，將目標坐標信息實時上傳至上級決策系統。另外，系統在跟蹤階段可對目標的中波紅外輻射特性進行錄取。

（4）事后處理階段：對檢測跟蹤過程錄像進行編輯，快速形成結果上報，對于重要目標的紅外輻射圖像數據，事后處理包括目標的特征提取、目標識別等處理。 系統選用便攜式計算機作為主機，目標的紅外圖像、高速實時信息處理機的實時檢測結果、熱像儀當前狀態、伺服轉臺狀態及當前指向、擴展接口設備信息必須實時可靠地上傳給主機，同時r）SF‘算法參數設置、實時處理狀態控制、熱像儀控制、伺服分系統控制、擴展接口控制也必須及時地傳給高速實時信息處理機。通觀目前的各種接口，兼顧熱插拔、即插即用、速度、實時性、成本等特點，系統選用高速USB 2．O接口實現高速實時信息處理機與主控計算機通信。

2 USB 2．0接口設計

USB是一個快速、雙向、同步、動態的串行連接接口，他具有熱插拔、即插即用、數據傳輸可靠、擴展方便、低成本等優點，已成為當前計算機和各種處理機系統必備的接口之一。USB 2．O接口的理論傳輸速率高達480 Mb／s，實際應用中選用批量傳輸最大帶寬可達53．248 MB／S［1］。本系統實時信息處理機與主控計算機之間最主要數據量為320×256×1 6×50一65 536 000，即為65．536 Mb/s，加上一些控制參數最大數據傳輸量不超過80 Mb/s，USB 2．O接口完全可以滿足系統對傳輸速率要求。同時，采用USB 2．0接口設計使得系統的連接簡單可靠，且USB支持熱插拔，即插即用，系統的拆裝極為靈活，是本系統接口的理想選擇。

在本系統中，USB 2．O接口是主控計算機與實時信息處理機惟一的通信接口，實時信息處理機通過USB 2．0接口傳輸給主控計算機的信息有：目標紅外圖像數據；目標檢測結果；熱像儀當前狀態；伺服轉臺狀態及當前指向；擴展接口設備信息。

主控計算機給實時信息處理機的信息有：DSIP算法參數設置；實時處理狀態控制；熱像儀控制；伺服分系統控制；擴展接口控制。

由于USB是主從式工作模式，整個USB系統中只允許有一個，而且必須要有一個USB主機控制整個系統的數據傳輸工作。所有的數據傳輸都是由USB主機端發起，USB主機根據各個設備的屬性周期性地訪問各個設備，USB設備則被動地響應USB主機的訪問請求。在本系統中，USB主機是由便攜式計算機內嵌的USB控制器擔當，高速實時信息處理機則是USB設備。

USB程序設計基本上包含LJSB主機端的設備驅動程序設計和USB設備本身的固件程序設計。

2．1 USB固件程序設計

固件程序是指運行在USB微控制器上的程序，本系統采用的USB微控制器為Cypress公司FX2LP系列中的CY7C68013A，他提供了對USB 2．0的完整解決方案。其內部集成了USB 2．O收發器、USB接口引擎、工作在48 MHz的增強型8051內核并帶有2個通用異步收發器（uART）以及可編程接口控制邏輯。從端點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微控制器是實現USB通信的核心，同時也是系統的內部通信中心。USB微控制器不僅要負責實時信息處理機與主機USB通信，同時還要負責與伺服轉臺、熱像儀、預留擴展接口等的通信。為了實現穩定閉環跟蹤，實時信息處理機處理結果中包含的目標脫靶量必須以50 f/s的速率實時地傳送給伺服轉臺，此傳輸不能受主控計算機與實時信息處理機USB通信的影響。由于windows操作系統本身多進程與USB傳輸的主從式工作原理，主控計算機之間的USB傳輸常被其他進程打斷，導致USB傳輸速率下降，無法保證當前圖像與目標信息以50 f／s的恒定速率實時傳輸給主控計算機顯示。本系統中USB微控制器利用內部集成的強型805l內核通過對其可編程接口控制邏輯的合理設計和芯片內部F1FO的有效運用，根據本系統各種數據傳輸對時間、速率和可靠性的不同要求靈活運用控制傳輸、中斷傳輸和批量傳輸，保證上述各種通信過程互不影響，有效地保證伺服轉臺的閉環跟蹤性能。其固件程序流程圖如圖2所示。

2．2 USB驅動程序設計

USB總線的驅動程序是運行在便攜式計算機上并實現對其內嵌的LISB控制器進行控制，USB總線的驅動程序由USB主機控制器驅動，USB協議棧（包括總線管理、設備管理、多主機控制器管理等工作），USB設備驅動程序（實現對特定類設備的配置管理、數據傳輸管理）3部分組成。Microsoft提供的一組驅動程序占據了系統軟件的底部。這些驅動程序包括主控制器驅動程序（OPENHCI．SYS或者UHCD．SYS）、HUB驅動程序（USBHUB．SYS）和一個類驅動程序（USBD．SYS），由控制器驅動程序使用。把USBD下面的所有驅動程序看成一個整體，本系統設計的設備驅動程序主要與這個整體進行交互，占據系統軟件的頂部，管理著硬件連接和管道通信。設備驅動程序的工作就是把客戶軟件的請求翻譯成USBD能執行的事務。

本系統的驅動程序的功能就是在固件程序的配合下完成USB控制、數據傳輸、電源管理和固件加載。具體而言，設備功能驅動程序需要完成的工作分別為：初始化；創建和刪除設備；處理win32打開和關閉文件句柄的請求；處理控制傳輸的請求；處理中斷傳輸的請求；處理批量傳輸的請求；固件加載；處理一個可熱插拔設備被添加或刪除的情況；處理電源管理的請求。

3 實時信息處理機硬件設計

實時信息處理機是紅外自動目標檢測跟蹤系統的關鍵部分，他實現對紅外熱像儀數據的獲取，對圖像中的目標進行實時檢測，并將目標信息如脫靶量等傳遞給伺服控制系統及外部擴展接口。同時，該分系統還負責熱像儀、伺服控制分系統、主控計算機及擴展接口之間的通信。 熱像儀圖像大小為320×256，幀頻為50幀／s，通過對目標檢測跟蹤算法的分析可知：其數據量大且圖像處理算法運算量大，而系統對實時性的要求高。以上這些特點對硬件平臺的設計提出了很高的要求。國內一些同行在實時圖像處理機的設計中采用了DSP陣列結構，用多塊

DSP協同工作來提高處理

機的實時處理能力。由于本文設計的便攜式紅外目標自動檢測與跟蹤系統實時信息處理機的體積和功耗受到嚴格限制，在對各方面因素進行綜合考慮的基礎上，結合處理算法的動態可變和可重構特點，根據目標信息處理的基本流程設計了基于單片DSP+FPGA的實時信息處理機硬件平臺，發揮DSP和FPGA各自的優勢，合理劃分處理任務，使得效率和靈活性得到充分提高。其結構框圖如圖3所示：

其結構框圖如圖3所示：

來自熱像儀的14位差分數字圖像經過電平轉化，通過FPGA進行自適應偏置校正和增益校正拉伸處理后，緩存入FIFO中。當FIFO存滿一幀圖像時中斷DSP，DSP將圖像數據讀入內部RAM空間進行處理。處理完成后，DSP將處理結果以及圖像數據通過USB總線傳送至主控計算機分系統。同時，通過擴展串口與伺服控制分系統、擴展上報接口、激光測距機及慣導陀螺儀接口等外部接口通信。

根據信息處理數據量及處理速度的要求，分系統中的DSP采用TI公司的TMS320C6416T，他是專門針對圖像處理的一款高速定點處理器，其內部有8個并行的處理單元，體系結構采用超長指令字結構（VL1w），芯片的工作主頻可以達到1 GHz，當片內8個單元同時運行時其最大處理能力可以達到8000 MIPS；FPGA采用Xilinx公司的Virtex一Ⅱ系列，是業界先進的適合數字信號處理應用的FPGA。其強大的可編程功能和內置硬件乘法器為完成一些較復雜的圖像處理操作提供了強大的資源和結構支持，外部大量的I／O管腳使之能夠提供多套數據和地址總線，利用該資源可以完成數據獲取中邊讀邊運算邊存儲的功能，從而大大節省數據訪問的時問。

圖4左側為實時信息處理板實物照片，信息處理板尺寸僅為1lO mm×8l mm，內置于右側熱像儀機殼中。

在實時信息處理機中，DSP軟件需要完成3項任務：從FIFO中導人圖像數據、按照算法流程對圖像進行處理、將處理結果通過L7SB微控制器傳送給伺服控制及主控計算機如圖5所示。此3項任務具有一定的獨立性，需要妥善處理以下2個同步問題：

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間間隔為20 ms。DSP對圖像的處理時間因目標類型以及背景復雜度不同而略有變化。通常在背景非常復雜、虛警干擾過多的情況下，DSP處理一幀圖像的時間會偶爾超過20 ms。這種情況出現的時候，系統的穩定性不應受到影響。

另外，此類問題還存在于DSP處理結果及目標圖像與主控計算機的傳輸中，Windows操作系統的結構和工作方式決定了其實時性較差，在該系統中表現為，主控計算機端軟件通過LISB總線從圖像處理板讀取一幀數據的時間無法確定。經測試，讀取一幀數據的耗時最快可小于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程與USB傳輸進程，使USB傳輸超時不會影響圖像處理幀頻。除了解決2個協同問題之外，還必須采取諸多優化手段保證DSP對圖像的處理速度。只有經過良好優化的DSP代碼才能有效利用DSP具有的各種資源，充分發揮DSP特有的優勢，最大限度地滿足系統實時性的要求。

4 測試結果

本文自研的便攜式紅外自動目標檢測跟蹤系統對部分空中目標進行了外場聯調試驗，試驗結果表明，可以對320×256大小的圖像實現50幀／s的實時檢測，能夠實現對低空目標的自動搜索、捕獲與跟蹤，探測到目標后能夠穩定伺服閉環跟蹤，短暫遮擋目標不丟失，丟失目標后能夠有效地重新捕獲，同時系統易于便攜機動、功耗低，可以有效地應用到預警系統中。