雷达与光电设备联动跟踪飞机起降的远程视频监控系统
1 概述
飞机起降安全光电跟踪/机场跑道异物识别、飞行区鸟群探测、机场周界安全监控系统是我公司应民航机场的要求自主开发的,具有全天候、速度快、覆盖面广、视距范围大、图像稳定清晰的特点,可大幅提高机场运营的安全性,通过多传感器的探测监控,可为机场提供即时的信息资料,主要包括现场视频,地理位置,范围和事件过程等内容。
飞机起降安全光电跟踪/机场跑道异物识别、飞行区鸟群探测、机场周界安全监控系统是针对机场安全运营而设计的独特的一个高稳定,多传感器的监视观察和数据跟踪系统,它集成了高性能红外热成像仪、摄像系统和半导体激光照明等传感器。该系统的异物探测指向器安装在机场的跑道两端,光电跟踪一体化设备安装在机场观测塔顶,显控台安装在控制室内。在白天通过高性能彩色CCD摄像系统搭配红外热成像系统观察、监视搜索目标;而夜间通过红外热成像系统搜索观察目标,同时采用大功率大发射角的激光照明器照射目标,通过高灵敏度CCD摄像系统对空中目标进行观察监视和搜索,同时也可以对飞机跑道路面有无异物进行24小时观察监视和搜索,一经发现有FOD(FOD有两种解释,其一是外来物(Foreign Object Debris),即可能损伤航空器或系统的某种外来的物质、碎屑或物体;其二是外来物损伤(Foreign Object Damage),即任何由外来物引起的损伤,可以是物理上的损伤也可以是经济上的损失,有可能会降低产品的安全或性能。FOD的种类相当多,如硬物体、软物体、鸟类、雷电等。FOD危害非常严重,实验和经验都表明机场道面上的外来物可以很容易被吸入发动机,导致发动机失效。碎片也会堆积在机械装置中,影响起落架、襟翼等设备的正常运行。典型的FOD包括:飞机和发动机连接件(螺帽、螺钉、垫圈、保险丝等)、机械工具、飞行物品(钉子、私人证件、钢笔、铅笔等)、野生动物、树叶、石头和沙子、道面材料、木块、塑料或聚乙烯材料、纸制品、运行区的冰碴儿,甚至雷电。),可上指派机场工作人员快速处理。
采用了先进的陀螺稳定技术和计算机图像处理及控制技术,能有效地隔离台风,强风力的摇摆,可以对空中目标进、跑道道面、禁区周界安全、全天候(24小时)观察、搜索、监视和自动跟踪飞机的安全起降。
该系统可以根据用户的要求,灵活选配多种规格的百万像素高清光学镜头、高清透雾CCD摄像机、制冷型、非制冷型红外热像仪和红外镜头,采用了计算机自动控制技术、图像信息处理技术、图像稳定技术、自动跟踪等现代高科技,产品具有如下先进的技术特点:
² 全天候24小时对周边目标作全方位跟踪、监视和录像;
² 采用高端图像传感器和处理模块,提高产品性能;
² 采用标准化、模块化设计技术,扩展性好,维修方便;
² 采用“三防”、密封设计技术,利于恶劣环境长期使用;
² 采用先进的图像处理技术、目标跟踪技术,图像稳定清晰;
² 采用了先进的陀螺伺服稳定技术,有效地隔离台风/强风力摇摆;
² 采用彩色、黑白和红外热成像系统,即使在完全漆黑的夜晚,也能发现和识别目标;
² 提供RS485、以太网和多路标准视频接口;
2 主要功能及指标
2.1
产品图片
2.2 主要功能
ZTLC-DGPQX62AN100D产品设备在机场光电跟踪监控系统,在白天和夜晚可以对机场周边一定范围内的空域环境和目标作全方位探测、跟踪、监视和录像,主要功能如下:
2.2.1 多成像系统
具有彩色/黑白和红外热成像系统
昼夜完成对机场周边一定空域范围内的空中飞机和空中飞行目标作全方位搜索、观察、监视和录像.同时也对飞机跑道上的障碍物全方位搜索、观察、监视和识别。在白天采用高性能彩色/黑白电视摄像系统进行观察、监视和搜索目标,在晚上通过红外热像仪探测目标,同时进行录像。
2.2.2 陀螺稳定功能
具有良好的视轴稳定功能
ZTLC-DGPQX62AN100D光电转台设备采用陀螺稳定系统能够有效地隔离因台风,强风的横摇、纵摇,从而保持光电摄像系统的稳定,得到清晰、稳定的图像,而且保证目标图像始终在电视屏幕上而不丢失。
2.2.3 智能捕获目标
具有手动搜索、捕获和自动跟踪目标的功能
该系统操作十分方便。用手动操纵杆可以在不同的转速下(0—40°/s)对空中目标进行搜索、观察和监视,对需要长期监视的目标可转入自动跟踪录相状态。
具有雷达引导跟踪功能
2.2.4 自动跟踪功能
具有目标自动跟踪功能
采用先进的图像处理和识别技术、目标自动跟踪技术(只限光电跟踪系统),使要求跟踪的目标保持在电视视场中心。
2.2.5 光学调整功能
具有电动变倍、调焦等光学参数调整功能
2.2.6 多接口兼容
可接收雷达、GPS、电罗经的数据,为取证提供目标地理位置
在被取证的实时图像中可将事件发生的位置(经度、纬度)和时间日期(年.月.日.时.分)自动叠录在一起,提供了完整的证据三要素(事件实况、发生时间和地理位置)从而提高证据的真实性和全面性。实现这个功能的条件是需将本机场的雷达、GPS、电罗经的有关信息通过标准接口提供给监视取证系统,由SU-300实现目标位置的解算,采用数字化技术,提供RS485、以太网和多路标准视频接口。
2.2.7 高抗风抗冲击能力
具有良好的抗载体振动和抗冲击能力
设备本身内置陀螺稳定系统,外形采用球形抗风设计,各部件连接紧密设计合理,抗冲击能力做到最好。
2.2.8 图像实时记录
具有实时记录图像功能
同屏显示目标的地理位置和时间日期 将多个彩色、黑白电视摄像系统和红外热成像系统收集的图像信息,经数字化处理、压缩后存贮在嵌入式硬盘录像机和主控计算机硬盘里,存储容量大,保存时间长,还可以根据用户需要,加大硬盘以扩展存储周期,或增加其他外存设备,如光盘刻录机等,定期将图像信息进行刻录以永久保存存档。存储后的图像信息,可以随时在安装了图像处理软件的计算机上重放,取证图像上叠加有目标的地理位置、时间等信息,加强了机场等违规取证力度。
3.1 系统组成
主要由安装于室外的指向器和安装于室内的显控设备两大部分组成,它们之间采用光纤/电缆连接。
室外指向器由高性能彩色/黑白电视摄像传感器、制冷红外热成像传感器、转台、陀螺伺服稳定系统等部分组成。
l 彩色/黑白电视可透雾型摄像传感器:由二可变1000mm焦距高清镜头和高性能彩色/黑白高清CCD摄像机组成。
l 制冷型红外热成像传感器:由红外两档变焦镜头和制冷红外热像仪组成。
l 转台:由方位座、俯仰包及支撑结构组成。
l 陀螺伺服稳定系统:由直流力矩电机、直流测速电机、陀螺、旋转变压器等组成。
舱内显控设备包括:低压电源、主控机箱、伺服驱动器、硬盘录像机、操控键盘、轨迹球、液晶显示器等组成。
3.2 工作方式和原理
3.2.1 工作方式
(1) 单杆手动搜索方式
由操作人员手动操纵单杆,控制系统接收到操作员的操纵信息后,驱动指向器扫描搜索目标。
(2) 自动扇扫搜索方式
由操作人员设定一定的方位观察范围,自动对空搜索跟踪目标。
(3) 手动跟踪目标方式
操作人员在屏幕上发现感兴趣的目标后,手动操纵单杆,控制系统接收操作人员的操纵信息,驱动指向器,使目标始终成像在光学系统视场中心部分。
(4) 自动跟踪目标方式
操作人员在屏幕上发现感兴趣的目标后,手动捕获目标,系统自动锁定目标进入自动跟踪状态。在目标运动过程中,不需进一步的操作干预,控制系统驱动精密轴系使目标始终成像在光学系统视场中心。
(5) 雷达指引方式
操作人员将系统设定为雷达导引工作状态后,可实时接收雷达发出的目标引导信息,光电系统根据雷达的目标指示信息进行自动搜索,锁定和跟踪指定目标,使目标始终成像在光学系统视场中心部位。
(6) 图像显示与记录
光学传感器产生的视频信号传输到电气控制机箱中进行视频分配。一组视频信号进入工业控制计算机的视频采集卡,经图像处理后显示在液晶显示器上。系统操控软件的界面上具备两个画面窗口,可选择双窗口显示不同的视频图像(可见光视频图像和红外视频图像)。显示在窗口中的图像可以用压缩图片的方式保存在工业控制计算机的硬盘中,便于事后浏览或转储。
另一组分配后的视频信号则传输到硬盘录像机中进行实时记录。保存在硬盘录像机中的图像可以随时进行检索和回放。
3.2.2 工作原理说明
(1) 系统工作原理
系统的原理框图如下图所示。
陀螺稳定系统作为一种高精度的瞄准线稳定系统,可以提供对地、对空目标的全景式大范围探测和跟踪。其重要功能是隔离载体角运动,使探测器在惯性空间内保持稳定;能够响应指令信号,在一定角度范围内对目标进行搜索,在人工识别锁定后能够按探测器信号自动跟踪目标,并给出方位、俯仰信息。可实时对地面敏感地区进行监视,执行昼夜监视、海岸巡逻等任务。在国防和民用领域具有广阔的应用前景。
平台部件包括框架、俯仰/方位电机、大/小视场CCD、激光测距仪、俯仰/方位旋转变压器(以下简称旋变)。CCD摄像机安装于相互正交的内、外两个框架上,由两个力矩电机控制可以在航向和俯仰两个自由度的方向上扫描。在内、外框架上分别由速率陀螺感测方位和俯仰运动,其输出送入稳定系统调节器,再经功率放大后至力矩电机,使框架按照指令旋转(扫描)或稳定瞄准线。
电子部件包括系统主板、电视跟踪器、电机驱动及数据采集保持电路。电子部件根据系统的要求对系统的航向、水平、俯仰、横滚和方位进行修正和补偿控制;根据陀螺仪的温度漂移特性曲线进行温度补偿控制;自动采样、监测系统信号;实现系统主要参数的常量有选择地动态显示。
显控部件包括控制盒、工控机。主要用于显示由CCD摄像机摄入的图像及系统状态信息,并完成搜索、锁定、解锁等操作。
稳定轴相关设计指标如下:方位、俯仰轴角速度大于40°/s,方位、俯仰轴角加速度大于60°/s2。静态下对不大于3 000gcm的扰动力矩,角度波动不大于30″且稳定后无静差。
稳定隔离精度技术指标为:摇摆台在摆幅为3°、频率为1Hz的正弦扰动下,平台俯仰通道摆幅应小于2′;摇摆台在摆幅为2°、频率为1Hz的正弦扰动下,稳定平台方位通道摆幅应小于2′。
当平台受到载体的运动干扰时,如果光轴作用点距离较远,即使相对惯性空间产生很小的误差角偏移,也会使远距离外的跟踪点脱离视场。因此系统主要针对干扰力矩下平台角度输出稳定后无静差这一要求来进行设计。
在一般的速率反馈方案中,校正环节选用PID校正仅能实现系统角速度无静差,不能实现角度无静差。如果要让系统角度输出无静差,则需要在校正环节中含有双重积分环节,因此设计了在速率陀螺反馈的基础上采用PII2校正环节的控制方法。由于直流力矩电机电枢电感值通常非常小,忽略其时间常数的影响,模型简化后的稳定回路控制框图