光电跟踪系统电视镜头控制技术研究

摘 要

本文描述了当前在光电跟踪系统中普遍使用的几种电视镜头的控制方法，通过对这几种控制方法的分析研究，提出了几种改良的电视镜头控制技术，将能更好适用于当前的光电跟踪系统。

【关键词】变焦方式 自动调光方式 自动聚焦方式 Sobel算子 清晰度评价函数

随着现代军事技术的发展，越来越重视武器系统的反应速度和打击精度，及早地发现、跟踪、捕获和锁定目标，才能有效的保护自己和打击对方。电视镜头作为光电跟踪系统中的前视部分，通过高分辨率的CCD摄取大量的图像信息，为光电系统从复杂的二维景物中提取目标的特征信息，实现目标的快速识别、捕获和远距离连续稳定跟踪，而成为光电武器系统中不可或缺的一部分。电视镜头的具体控制如图1所示。

1 变焦方式的研究

光电跟踪系统中为了提高作用距离，普遍使用连续变焦距镜头。连续变焦距镜头有四组透镜组成，前组（聚焦组）、变倍组、补偿组和后固定组。在整个变焦过程中前组微调，后固定组保持不变，变倍组和补偿组之间按一定的规律做直线运动，来改变整个变焦距镜头的总焦距值。一般有一下几种方法。

1.1 传统的变焦方式

传统的变焦方式一般有精确位移法，手动连续变焦法，自动变焦法等。精确位移法是计算出变焦距镜头各运动镜组的线性或非线性精确位移与焦距值的对应关系，利用步进电机的精确控制来实现视场的变化，同时输出焦距值。手动连续变焦法是利用上位机向电视镜头发送变焦距命令，实现对镜头的开环控制。自动变焦法是根据目标成像大小，自动计算出焦距调节参数，使焦距自动向长焦或短焦方向移动，以使目标成像大小合适，便于对目标的跟踪和观察。

1.2 一种改良的变焦方法

对于光电跟踪系统，提取目标精确的脱靶量信息，实现整个系统的的闭环控制是尤为重要的。而电视镜头准确送出当前视场的焦距值，将是整个计算的核心。由于镜片补偿组的运动是非线性的，越到长焦位置焦距输出误差越大。所以为了保证输出焦距的精度，需从两个方面改良，①变焦速度；②输出焦距。本段提出基于视频场信号的一种变速变焦方式和Matlab仿真整个焦距曲线并二次修正的方法来实现高精度焦距值输出。具体变速变焦流程图如图2和Matlab仿真焦距变化曲线如图3所示。

Matlab仿真焦距变化曲线二次修正，是采用线性度较高的电位器实时反馈凸轮的移动位置。利用测角仪找出部分焦距与阻值的对应关系，再用Matlab仿真出整个焦距与阻值的二次曲线，再从表中选出部分点，再次用测角仪测出当前视场与仿真结果比较，对焦距曲线进行二次修正，一般输出精度较高。

2 自动调光方式的研究

光电跟踪系统中为了提高分辨率，一般都采用高灵敏度的CCD摄像机和F数较小的大口径电视镜头，但当目标和背景发生比较大的变化时，图像特别容易饱和或偏暗，因此有一个好的调光系统是保证光电跟踪系统正常工作的必要条件。连续变焦距镜头的自动调光实际就是改变镜头的通光口径和CCD的曝光时间，改变视频输出的幅值，提高目标与背景的对比度。

2.1 传统的自动调光方式

传统的自动调光方式一般有基于灰度和基于视频电压比较两种。基于灰度一般是不断统计每一场的平均灰度值，并与所设的灰度值进行比较，一旦出现差值超过一定范围则启动电机或电子快门向减少灰度差值的方向运动，实时修正。电压比较法是提取视频图像的峰值并与基准电压进行比较得到控制量，从而控制电机改变通光量和曝光时间。

2.2 基于波门选通的平均灰度和峰值灰度加权的自动调光方式

采用平均灰度和电压比较法的调光系统适应性较差，再加上大多数CCD摄像机本场曝光隔场响应的特点，很容易造成电机过冲和电子快门超调。但采用波门选通的平均灰度和峰值灰度加权的办法，增加感兴趣区域的权重，降低不感兴趣区域的权重，来获取反馈信号，并同时采用二次函数来计算反馈量，利用PWM驱动电机，将能很好的提高调光的响应速度，减少超调。平均灰度和峰值灰度加权的计算公式为：

Uc=a×UA+（1-a）×UT （1）

式中Uc为加权后的灰度，a为加权系数（0～1），UA为平均灰度，UT为峰值灰度，峰值灰度是指一定区域内像素灰度的最大值。波门选通是指跟踪器送出当前的目标位置信息，光控板根据目标信息位置通过MAX4311类选通芯片选定适当的区域作为灰度统计区域，这样能较好的突出目标和背景的对比度。

3 聚焦方式的研究

在光学系统中，镜头对一定距离的目标成像有一个最佳像面位置，这个位置通常满足物像共轭关系，称为聚焦；偏离了这个位置，将导致系统离焦，造成图像质量下降、成像模糊。光学系统的相对孔径越大、焦距越大，景深就越小，离焦可能就越大。常见的聚焦方法可根据其判别准则来源于物方还是像方，而分为主动法和被动法，主动法是指各种方式的物距检测；被动法则是像质评价。

3.1 传统的自动聚焦方法

主动法是采用红外测距或超声波测距等方法，一般在民用领用较为广泛。被动法一般是基于图像处理，它是通过某种评价图像清晰度的函数进行对图像处理，从获取的图像中提取有关清晰度的评价值，并根据这一特征值控制电机，调整前组镜片，直到这一特征值满足某一预先设定的条件为止。目前应用于自动聚焦系统的算法大致有下面的几种方式：边缘检测法，图像标准差法，基于Sobel梯度算子的熵函数法，拉普拉斯像能函数法，图像梯度差分绝对值法等。而所有的方法都是基于选取一个合适的图像清晰度评价函数。目前在聚焦方式上只有“爬山式”和全程聚焦式，但这两种聚焦方式所需的时间都很长，不适合在光电跟踪系统中应用。

3.2 一种改良的自动聚焦方法

在军用光电跟踪系统中一般都可根据激光测距信息或雷达信息而得到当前物距，因此可利用主动法进行粗调和被动法进行微调将能较好的实现快速自动聚焦。当已知当前物距时，由于目标的运动方向要么远，要么近，则可以通过传统的理想光学系统的成像公式见图4，精确计算出当前镜头的离焦量，通过步进电机来控制前组镜片（聚焦组）的位移量，而当步进电机的控制与距离信息实时相关时，步进电机将向固定方向移动，保持图像一直清晰将，实现粗调。基于Sobel算子和中值滤波的边缘检测法利用阈值化和极大值点方式，细化了边缘和减小了锐化噪声的影响，通过调整阈值大小，使评价函数具有良好的尖锐性，更能适应自动聚焦实时性的要求来实现微调。下面公式2为基于Sobel算子的边缘检测法的清晰度评价函数。

基于Sobel算子的边缘检测法的清晰度评价函数公式：

（2）

式中i为图像的行数，j为图像的列数；m为一行的像素数，n为一列的像素数。

4 结论

本文通过对现有的电视镜头变焦、调光、聚焦控制方法的分析，提出了一种适合于目前光电跟踪系统的电视镜头控制的改良方法，此方法将能很好的提高光电跟踪系统电视的作用距离以及更有利于电视跟踪目标的提取。

参考文献

[1]邹华，张孟伟.基于步进电机实现连续变焦距光学镜头的控制[J].光电工程，2003（2）.

[2]苏宏武，杨晓军等.基于平均和峰值灰度加权的自动调光系统[J].光子学报，2006（1）.

[3]行长印.基于图像信息的自动视频调光调焦[D].长春理工大学，2008（3）.

作者单位

1.中国电子科技集团公司第二十七研究所 河南省郑州市 450047

2.郑州军事代表室 河南省郑州市 450047