基于USB 2．0的便攜式紅外目標跟蹤系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

　　現(xiàn)代化信息戰(zhàn)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(xiàn)代信息戰(zhàn)爭復雜背景的實際應用需求，緊密結(jié)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(tǒng)。該系統(tǒng)結(jié)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(tǒng)及精密伺服控制轉(zhuǎn)臺組成的便攜式紅外自動目標檢測跟蹤系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對復雜環(huán)境下目標的自動搜索、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(tǒng)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(tǒng)連接，系統(tǒng)能夠適應于各種載體平臺。

l 系統(tǒng)總體結(jié)構與功能

　　系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)主體(精密伺服平臺與紅外熱像儀)重量限制在20 kg以內(nèi)，閉環(huán)跟蹤時功耗小于125 w，待機功耗小于50 w。

　　探測系統(tǒng)檢測跟蹤獲取的目標坐標信息需驅(qū)動精密伺服平臺持續(xù)指向跟蹤目標，系統(tǒng)整個工作流程規(guī)劃為

　　4個階段：

　　(1)系統(tǒng)準備階段：各個分系統(tǒng)加電，初始化，故障自檢；

　　(2)搜索檢測階段：系統(tǒng)可通過外部導引信息或直接在預定區(qū)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(xiàn)的區(qū)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(tǒng)捕獲到目標后，自動跟蹤系統(tǒng)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(zhuǎn)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(qū)動伺服轉(zhuǎn)臺運動從而實現(xiàn)對目標的跟蹤。整個過程是一個閉環(huán)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(tǒng)。另外，系統(tǒng)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(jié)果上報，對于重要目標的紅外輻射圖像數(shù)據(jù)，事后處理包括目標的特征提取、目標識別等處理。 系統(tǒng)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(jié)果、熱像儀當前狀態(tài)、伺服轉(zhuǎn)臺狀態(tài)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(shù)設置、實時處理狀態(tài)控制、熱像儀控制、伺服分系統(tǒng)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(tǒng)選用高速USB 2．O接口實現(xiàn)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(tài)的串行連接接口，他具有熱插拔、即插即用、數(shù)據(jù)傳輸可靠、擴展方便、低成本等優(yōu)點，已成為當前計算機和各種處理機系統(tǒng)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(tǒng)實時信息處理機與主控計算機之間最主要數(shù)據(jù)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(shù)最大數(shù)據(jù)傳輸量不超過80 Mb/s，USB 2．O接口完全可以滿足系統(tǒng)對傳輸速率要求。同時，采用USB 2．0接口設計使得系統(tǒng)的連接簡單可靠，且USB支持熱插拔，即插即用，系統(tǒng)的拆裝極為靈活，是本系統(tǒng)接口的理想選擇。

　　在本系統(tǒng)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(shù)據(jù)；目標檢測結(jié)果；熱像儀當前狀態(tài)；伺服轉(zhuǎn)臺狀態(tài)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(shù)設置；實時處理狀態(tài)控制；熱像儀控制；伺服分系統(tǒng)控制；擴展接口控制。

　　由于USB是主從式工作模式，整個USB系統(tǒng)中只允許有一個，而且必須要有一個USB主機控制整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸工作。所有的數(shù)據(jù)傳輸都是由USB主機端發(fā)起，USB主機根據(jù)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(tǒng)中，USB主機是由便攜式計算機內(nèi)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(qū)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(tǒng)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(nèi)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(nèi)核并帶有2個通用異步收發(fā)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［2］。。