基于USB 2．0的便攜式紅外目標跟蹤系統設計與實(shí)現

　　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(jiàn)光等探測技術(shù)，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(lái)越多的重視。針對現代信息戰爭復雜背景的實(shí)際應用需求，緊密結合工程實(shí)際，本文介紹了一套自研的便攜式紅外自動(dòng)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(shù)、高速圖像信息處理技術(shù)、精密伺服控制技術(shù)，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(chǎng)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(dòng)目標檢測跟蹤系統，能夠實(shí)現對復雜環(huán)境下目標的自動(dòng)搜索、捕獲、識別與伺服閉環(huán)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(dòng)快速展開(kāi)，通過(guò)預留對外擴展接口，可以方便地將目標信息實(shí)時(shí)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。

l 系統總體結構與功能

　　系統由高靈敏度雙視場(chǎng)中波制冷凝視紅外焦平面陣列探測器、高速實(shí)時(shí)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(jiàn)圖1)。

　　通過(guò)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?xún)?，閉環(huán)跟蹤時(shí)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(dòng)精密伺服平臺持續指向跟蹤目標，系統整個(gè)工作流程規劃為

　　4個(gè)階段：

　　(1)系統準備階段：各個(gè)分系統加電，初始化，故障自檢；

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

　　(3)跟蹤、實(shí)時(shí)處理階段：在系統捕獲到目標后，自動(dòng)跟蹤系統開(kāi)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(guò)運動(dòng)控制器和一定控制算法驅動(dòng)伺服轉臺運動(dòng)從而實(shí)現對目標的跟蹤。整個(gè)過(guò)程是一個(gè)閉環(huán)負反饋控制過(guò)程。同時(shí)，將目標坐標信息實(shí)時(shí)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(jìn)行錄取。

　　(4)事后處理階段：對檢測跟蹤過(guò)程錄像進(jìn)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(shí)時(shí)信息處理機的實(shí)時(shí)檢測結果、熱像儀當前狀態(tài)、伺服轉臺狀態(tài)及當前指向、擴展接口設備信息必須實(shí)時(shí)可靠地上傳給主機，同時(shí)r)SF'算法參數設置、實(shí)時(shí)處理狀態(tài)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(shí)地傳給高速實(shí)時(shí)信息處理機。通觀(guān)目前的各種接口，兼顧熱插拔、即插即用、速度、實(shí)時(shí)性、成本等特點(diǎn)，系統選用高速USB 2．O接口實(shí)現高速實(shí)時(shí)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(gè)快速、雙向、同步、動(dòng)態(tài)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(yōu)點(diǎn)，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(shí)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(shí)時(shí)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(guò)80 Mb/s，USB 2．O接口完全可以滿(mǎn)足系統對傳輸速率要求。同時(shí)，采用USB 2．0接口設計使得系統的連接簡(jiǎn)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(shí)時(shí)信息處理機惟一的通信接口，實(shí)時(shí)信息處理機通過(guò)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(tài)；伺服轉臺狀態(tài)及當前指向；擴展接口設備信息。

　　主控計算機給實(shí)時(shí)信息處理機的信息有：DSIP算法參數設置；實(shí)時(shí)處理狀態(tài)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(gè)USB系統中只允許有一個(gè)，而且必須要有一個(gè)USB主機控制整個(gè)系統的數據傳輸工作。所有的數據傳輸都是由USB主機端發(fā)起，USB主機根據各個(gè)設備的屬性周期性地訪(fǎng)問(wèn)各個(gè)設備，USB設備則被動(dòng)地響應USB主機的訪(fǎng)問(wèn)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(shí)時(shí)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(dòng)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(fā)器、USB接口引擎、工作在48 MHz的增強型8051內核并帶有2個(gè)通用異步收發(fā)器(uART)以及可編程接口控制邏輯。從端點(diǎn)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(wú)縫連接［2］。。