視頻信號(hào)注入式光電經(jīng)緯儀跟蹤性能評(píng)估方法

　　摘 要：針對(duì)目前光電經(jīng)緯儀目標(biāo)跟蹤性能評(píng)價(jià)方法的局限性，基于傳統(tǒng)光信號(hào)注入式測(cè)試方法的優(yōu)點(diǎn)，提出了一種改進(jìn)的視頻信號(hào)注入式測(cè)試方法。首先，根據(jù)目標(biāo)在測(cè)試過程中的規(guī)劃運(yùn)動(dòng)軌跡，計(jì)算目標(biāo)與經(jīng)緯儀光軸之間的空間映射關(guān)系，生成相應(yīng)的目標(biāo)圖像和場(chǎng)景圖像，并由目標(biāo)模擬器投射到光電經(jīng)緯儀，從而建立目標(biāo)和場(chǎng)景圖像數(shù)據(jù)庫;其次，根據(jù)每次測(cè)量時(shí)刻目標(biāo)空間位置和目標(biāo)與經(jīng)緯儀光軸之間空間映射關(guān)系，調(diào)用圖像數(shù)據(jù)庫中目標(biāo)圖像和場(chǎng)景圖像，并根據(jù)目標(biāo)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度對(duì)目標(biāo)圖像進(jìn)行模糊處理，再與場(chǎng)景圖像融合注入到經(jīng)緯儀的視頻處理器中，實(shí)現(xiàn)經(jīng)緯儀在無延遲信號(hào)注入條件下的跟蹤性能測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，提出的視頻信號(hào)注入式測(cè)試方法能夠達(dá)到外場(chǎng)評(píng)估的測(cè)量精度，不僅充分利用了傳統(tǒng)光信號(hào)注入式測(cè)試方法的優(yōu)點(diǎn)，還有效解決了目標(biāo)模擬器投射延遲和需隨動(dòng)于經(jīng)緯儀的難題，為光電經(jīng)緯儀的跟蹤性能評(píng)價(jià)提供一種新的有效解決途徑。

　　關(guān)鍵詞：光電經(jīng)緯儀;跟蹤性能;評(píng)估方法;視頻信號(hào);注入式

　　胡林亭; 李佩軍; 李大偉; 祝民鵬 光子學(xué)報(bào) 2021-12-21

　　0 引言

　　大口徑跟蹤式光電經(jīng)緯儀由于能夠同時(shí)記錄被測(cè)目標(biāo)圖像、方位角以及俯仰角，廣泛應(yīng)用于靶場(chǎng)飛行目標(biāo)軌跡參數(shù)測(cè)量和目標(biāo)姿態(tài)參數(shù)實(shí)況記錄，為武器性能的鑒定、事故分析等提供有效依據(jù)[1-2]。隨著靶場(chǎng)光學(xué)測(cè)量技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)光電經(jīng)緯儀跟蹤性能的評(píng)價(jià)方法逐漸成為了研究熱點(diǎn)，目前常用的方法主要分為實(shí)驗(yàn)室評(píng)估和外場(chǎng)評(píng)估兩種。外場(chǎng)評(píng)估由于費(fèi)用高、跟蹤目標(biāo)種類較少、環(huán)境因素復(fù)雜且不受控制等原因，往往無法全面綜合考核目標(biāo)特性和環(huán)境特征對(duì)光電經(jīng)緯儀跟蹤性能的影響。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室評(píng)估包括光學(xué)動(dòng)態(tài)靶標(biāo)法和等效正弦引導(dǎo)檢測(cè)法[1]，其中光學(xué)動(dòng)態(tài)靶標(biāo)法僅能提供一個(gè)近似正弦的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，無法準(zhǔn)確獲取光電經(jīng)緯儀跟蹤系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，因此只能用于理論分析，無法精確量化與修正跟蹤誤差;而等效正弦檢測(cè)法由于沒有相應(yīng)的光學(xué)目標(biāo)檢測(cè)儀器，主要依賴被檢設(shè)備的計(jì)算機(jī)來完成檢測(cè)任務(wù)。即兩種傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室評(píng)估方法皆不能有效模擬真實(shí)目標(biāo)的光學(xué)特性、運(yùn)動(dòng)軌跡及場(chǎng)景特征，進(jìn)而無法客觀地評(píng)價(jià)光電經(jīng)緯儀的跟蹤性能[3-5]。近年來國內(nèi)外有很多學(xué)者提出了新的光電經(jīng)緯儀跟蹤性能評(píng)價(jià)方法，但這些方法在探測(cè)精度方面仍有待提高。例如，結(jié)合光學(xué)動(dòng)態(tài)靶標(biāo)檢測(cè)法和等效正弦檢測(cè)法，形成了一種新的光電經(jīng)緯儀跟蹤性能評(píng)價(jià)策略[6]，但未對(duì)光學(xué)動(dòng)態(tài)靶標(biāo)法中的目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行誤差分析，仍未解決傳遞函數(shù)精度低的問題;通過將光學(xué)動(dòng)態(tài)目標(biāo)靶標(biāo)視為有限項(xiàng)諧波加權(quán)和組成的諧波源，并將光電經(jīng)緯儀跟蹤目標(biāo)靶標(biāo)的過程等效為一個(gè)理想的穩(wěn)定線性時(shí)不變系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了等效正弦法對(duì)光電經(jīng)緯儀跟蹤性能的評(píng)價(jià)[7]，但實(shí)際跟蹤目標(biāo)靶標(biāo)的過程并不是一個(gè)理想的線性時(shí)不變系統(tǒng)，因而等效過程會(huì)引入一定誤差;光信號(hào)注入式測(cè)試方法[8]由于能夠模擬多種不同目標(biāo)和環(huán)境，且具有高性價(jià)比，得到了廣泛的關(guān)注和應(yīng)用，但由于其中目標(biāo)模擬器的投射延遲和需要隨動(dòng)于經(jīng)緯儀等問題，限制了該方法的高精度應(yīng)用。

　　針對(duì)目前光電經(jīng)緯儀跟蹤性能評(píng)價(jià)方法的不足，本文提出了一種視頻信號(hào)注入式測(cè)試方法，通過采用先拍攝圖像、后跟蹤測(cè)試的方式避免信號(hào)注入延遲，以解決傳統(tǒng)光信號(hào)注入式測(cè)試方法中目標(biāo)模擬器投射延遲引起的目標(biāo)軌跡擾動(dòng)問題和目標(biāo)模擬器需要隨動(dòng)于經(jīng)緯儀而帶來的大尺寸、高動(dòng)態(tài)性能要求問題。

　　1 視頻信號(hào)注入式測(cè)試原理 1.1 傳統(tǒng)光信號(hào)注入式測(cè)試原理及難點(diǎn)

　　光電經(jīng)緯儀目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)在目標(biāo)軌跡范圍內(nèi)等間隔的離散時(shí)間點(diǎn)上進(jìn)行目標(biāo)跟蹤測(cè)量，即根據(jù)每一次測(cè)量得到的跟蹤誤差，匹配跟蹤模型，并設(shè)置跟蹤系統(tǒng)的最佳轉(zhuǎn)動(dòng)速度，之后在下一個(gè)離散時(shí)間點(diǎn)再次測(cè)量對(duì)目標(biāo)的跟蹤誤差，一直循環(huán)到停止目標(biāo)跟蹤[8-10]。傳統(tǒng)光信號(hào)注入式測(cè)試方法是在每次經(jīng)緯儀測(cè)量目標(biāo)時(shí)刻(拍攝目標(biāo)圖像時(shí)刻)，按照目標(biāo)在跟蹤視場(chǎng)中的位置，利用目標(biāo)模擬器將目標(biāo)和場(chǎng)景投射到經(jīng)緯儀的攝像系統(tǒng)，以模擬實(shí)際跟蹤運(yùn)動(dòng)目標(biāo)時(shí)的景象，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)光電經(jīng)緯儀的性能測(cè)試[11]。即對(duì)于經(jīng)緯儀某一測(cè)量時(shí)刻 t，由于已知目標(biāo) M 的大地坐標(biāo)(x(t)， y(t)，z(t))、經(jīng)緯儀光軸方位角 A(t)和俯仰角 E(t)，可利用坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換公式[12]和經(jīng)緯儀跟蹤角誤差計(jì)算公式[13]求出注入目標(biāo)在攝像視場(chǎng)中的位置(x′(t)，y′(t)，z′(t))和目標(biāo)角脫靶量，進(jìn)而計(jì)算出 t 時(shí)刻所拍攝的目標(biāo)姿態(tài);并由 A(t)和 E(t)獲取測(cè)量時(shí)刻對(duì)應(yīng)場(chǎng)景，將目標(biāo)與對(duì)應(yīng)場(chǎng)景融合為一幀目標(biāo)場(chǎng)景圖，再利用目標(biāo)模擬器投射到經(jīng)緯儀攝像系統(tǒng)，進(jìn)而完成一幀圖像的注入[13-14]。圖 1 是一種典型光信號(hào)注入式測(cè)試系統(tǒng)工作原理示意圖。

　　光信號(hào)注入式測(cè)試方法能夠模擬多種不同目標(biāo)和不同環(huán)境參數(shù)，且費(fèi)用低，但為了使經(jīng)緯儀獲取的注入圖像與實(shí)際跟蹤運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的圖像一致，目標(biāo)模擬器投射過程往往要求目標(biāo)位置精度高，且投射速度快[9]。從圖 1 可以看出，光信號(hào)注入式測(cè)試方法中光電經(jīng)緯儀通過測(cè)量目標(biāo)模擬器所投射的圖像進(jìn)行目標(biāo)跟蹤。然而目標(biāo)模擬器在投射圖像時(shí)都有一定的延遲，一般為幾十毫秒，需要跟蹤系統(tǒng)預(yù)測(cè)經(jīng)緯儀攝像時(shí)刻的跟蹤軸指向，使目標(biāo)模擬器提前投射目標(biāo)場(chǎng)景，進(jìn)而使投射和拍攝同步。目標(biāo)場(chǎng)景的注入?yún)⒄拯c(diǎn)是經(jīng)緯儀跟蹤軸，經(jīng)緯儀跟蹤軸指向的預(yù)測(cè)誤差會(huì)使投射目標(biāo)位置偏離理論軌跡，進(jìn)而導(dǎo)致經(jīng)緯儀拍攝的目標(biāo)軌跡圍繞規(guī)劃的目標(biāo)軌跡做擾動(dòng)，如圖 2 所示。而目標(biāo)軌跡的擾動(dòng)直接影響經(jīng)緯儀的跟蹤性能，極限情況下甚至?xí)鸶櫹到y(tǒng)的發(fā)散，丟失目標(biāo)，進(jìn)而嚴(yán)重影響對(duì)經(jīng)緯儀跟蹤性能的檢測(cè)精度。因此目標(biāo)模擬器的投射延遲所引起的目標(biāo)軌跡偏離是光信號(hào)注入式測(cè)試方法的一個(gè)難點(diǎn)。

　　測(cè)試光電經(jīng)緯儀跟蹤性能的過程中，經(jīng)緯儀攝像系統(tǒng)采集目標(biāo)模擬器投射的圖像后，由經(jīng)緯儀視頻處理器計(jì)算目標(biāo)跟蹤誤差，并調(diào)整跟蹤軸的方位角和俯仰角，在下一個(gè)離散時(shí)間點(diǎn)對(duì)應(yīng)位置再次拍攝目標(biāo)模擬器投射的圖像。即經(jīng)緯儀跟蹤目標(biāo)的過程是動(dòng)態(tài)過程，在整個(gè)跟蹤過程中目標(biāo)模擬器需要隨動(dòng)于經(jīng)緯儀的攝像系統(tǒng)，進(jìn)而使目標(biāo)模擬器光軸與經(jīng)緯儀攝像系統(tǒng)光軸同軸[15-16]。這不僅導(dǎo)致整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)體積非常龐大，而且由于光軸偏移誤差會(huì)引起目標(biāo)像坐標(biāo)的偏移，同樣也會(huì)造成目標(biāo)軌跡擾動(dòng)現(xiàn)象。因此，構(gòu)建大尺寸、高動(dòng)態(tài)調(diào)整的目標(biāo)模擬器是光信號(hào)注入式測(cè)試方法的另一難點(diǎn)。

　　1.2 改進(jìn)的視頻信號(hào)注入式測(cè)試原理及實(shí)施 1.2.1 基本思想

　　為了有效克服光信號(hào)注入式測(cè)試方法的兩大難點(diǎn)，本文提出了一種改進(jìn)的視頻信號(hào)注入式測(cè)試方法，消除光信號(hào)注入延遲問題的同時(shí)，避免目標(biāo)模擬器的高動(dòng)態(tài)性能要求。圖 3 是某型經(jīng)緯儀跟蹤系統(tǒng)中 CCD 相機(jī)、圖像處理和伺服系統(tǒng)的工作時(shí)序圖，可以看出，CCD 相機(jī)的圖像拍攝和圖像獲取處理之間有規(guī)律時(shí)間間隔的固定時(shí)序。因此，只要在 CCD 相機(jī)的每一幀圖像曝光時(shí)間范圍內(nèi)能夠生成當(dāng)前幀對(duì)應(yīng)的模擬目標(biāo)場(chǎng)景圖像，就可消除光信號(hào)注入延遲。

　　由于 CCD 相機(jī)根據(jù)目標(biāo)場(chǎng)景的光強(qiáng)和對(duì)比度自動(dòng)控制積分時(shí)間，不同幀圖像積分時(shí)間往往有所差異。同時(shí)，考慮到光電經(jīng)緯儀跟蹤誤差處理和跟蹤系統(tǒng)控制所需的時(shí)間，通常以拍攝一幀圖像的中間時(shí)間點(diǎn)作為拍攝目標(biāo)時(shí)刻，如圖 3 中第 N 幀拍攝時(shí)刻為 TN，在 TN時(shí)刻之前 20 ms 時(shí)間內(nèi)主要進(jìn)行跟蹤誤差計(jì)算、設(shè)置轉(zhuǎn)動(dòng)速度、轉(zhuǎn)動(dòng)跟蹤軸等，從 TN時(shí)刻到該幀圖像輸出為止的 20 ms 時(shí)間內(nèi)拍攝目標(biāo)。而傳統(tǒng)光信號(hào)注入式測(cè)試方法中幾十毫秒的目標(biāo)模擬器投射延遲導(dǎo)致曝光時(shí)間截止所拍攝的圖像并不是期望的當(dāng)前位置下的目標(biāo)圖像。因此，以 TN為第 N 幀圖像注入的時(shí)間基準(zhǔn)點(diǎn)，只要在 TN時(shí)刻之后 20 ms 時(shí)間內(nèi)完成第 N 幀目標(biāo)場(chǎng)景圖像的生成，以替代拍攝獲取第 N 幀圖像信息的過程，并輸出到經(jīng)緯儀的視頻處理器，理論上可以實(shí)現(xiàn)無延遲的信號(hào)注入，如圖 4 所示。圖 4 中圖像生成過程代替圖像拍攝過程，意味著圖像生成之前需儲(chǔ)備好在不同空間位置、不同視角下的目標(biāo)圖像以及場(chǎng)景圖像，才能夠根據(jù)目標(biāo)實(shí)際位置和光電經(jīng)緯儀跟蹤軸指向之間的空間映射關(guān)系，計(jì)算并生成經(jīng)緯儀本應(yīng)拍攝到的目標(biāo)場(chǎng)景圖像。而所儲(chǔ)備的目標(biāo)圖像和場(chǎng)景圖像需通過拍攝獲取，這就需要分離圖像拍攝過程和圖像處理過程。即利用經(jīng)緯儀的攝像系統(tǒng)先拍攝與跟蹤過程相匹配的所有目標(biāo)場(chǎng)景圖像存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫中，再調(diào)用數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)生成經(jīng)緯儀跟蹤軸指向的目標(biāo)場(chǎng)景圖像，直接注入到經(jīng)緯儀的視頻處理器，進(jìn)而讓經(jīng)緯儀進(jìn)行目標(biāo)跟蹤。這樣一來可以解決光信號(hào)注入式信號(hào)延遲難題，二來可以解決目標(biāo)模擬器需要隨動(dòng)于經(jīng)緯儀的難題。

　　1.2.2 實(shí)施步驟

　　本文方法的實(shí)施主要分為建立數(shù)據(jù)庫和測(cè)試兩個(gè)步驟。

　　1)建立數(shù)據(jù)庫

　　根據(jù)光信號(hào)注入式測(cè)試方法的原理可知，整個(gè)測(cè)試過程可控，即經(jīng)緯儀攝像系統(tǒng)每次拍攝目標(biāo)的時(shí)刻 t 是確定量，而目標(biāo)在測(cè)試過程中按規(guī)劃的軌跡運(yùn)動(dòng)，因此可計(jì)算出每個(gè)拍攝時(shí)刻 t 所對(duì)應(yīng)的目標(biāo)空間位置(x(t)，y(t)，z(t))和相應(yīng)場(chǎng)景圖像。而由于目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)以及經(jīng)緯儀的跟蹤誤差，不同時(shí)刻經(jīng)緯儀對(duì)目標(biāo)的視角不斷發(fā)生變化。為了提高目標(biāo)場(chǎng)景圖像生成效率，分別拍攝并建立場(chǎng)景圖像數(shù)據(jù)庫和目標(biāo)圖像數(shù)據(jù)庫，然后在實(shí)施測(cè)試過程中根據(jù)每個(gè)拍攝時(shí)刻目標(biāo)位置和經(jīng)緯儀跟蹤軸指向，從兩個(gè)數(shù)據(jù)庫中分別提取相應(yīng)的目標(biāo)圖像和場(chǎng)景圖像，并將二者融合生成目標(biāo)場(chǎng)景圖像注入到經(jīng)緯儀的視頻處理器中。圖像數(shù)據(jù)庫建立過程為：

　?、?根據(jù)規(guī)劃的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡，計(jì)算生成經(jīng)緯儀每個(gè)拍攝時(shí)刻對(duì)應(yīng)的場(chǎng)景 K(t)，并用目標(biāo)模擬器投射出來，同時(shí)利用經(jīng)緯儀攝像系統(tǒng)拍攝并拼接成一個(gè)連續(xù)的場(chǎng)景圖像數(shù)據(jù);

　?、?根據(jù)規(guī)劃的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡，計(jì)算無跟蹤誤差條件下目標(biāo)空間位置和經(jīng)緯儀跟蹤軸之間空間映射關(guān)系，生成每個(gè)拍攝時(shí)刻無跟蹤誤差的目標(biāo)圖像 V(t)，并用目標(biāo)模擬器投射出來，同時(shí)利用經(jīng)緯儀攝像系統(tǒng)拍攝并拼接成一個(gè)連續(xù)的目標(biāo)圖像數(shù)據(jù)。

　　圖像數(shù)據(jù)庫建立過程中，目標(biāo)模擬器的光軸與經(jīng)緯儀跟蹤系統(tǒng)光軸應(yīng)重合，但拍攝過程中經(jīng)緯儀無需轉(zhuǎn)動(dòng)，目標(biāo)模擬器也無需隨動(dòng)于經(jīng)緯儀。另外，由于測(cè)試過程中用無跟蹤誤差的目標(biāo)圖像代替有跟蹤誤差的目標(biāo)圖像，實(shí)際拍攝到的目標(biāo)在經(jīng)緯儀坐標(biāo)系下的像尺寸有所誤差，若 t 時(shí)刻經(jīng)緯儀跟蹤方位角誤差和俯仰角誤差分別為 A′(t)和 E′(t)，則相應(yīng)的目標(biāo)像尺寸相對(duì)誤差可表示為 {Δx′= 1- cos A′( t ) Δy′= 1- cos E′( t ) (1)若跟蹤視場(chǎng)為 1°、方位和俯仰最大跟蹤誤差為 10′、成像器件像元數(shù)為 1 280×2 024、目標(biāo)像元數(shù)為 100×100，則方位向和俯仰向目標(biāo)像元數(shù)的變化僅約為 10-3 ，因此可忽略。

　　2)測(cè)試

　　圖 5 是提出的視頻信號(hào)注入式測(cè)試過程工作原理示意圖。對(duì)比圖 5 與圖 1 可以發(fā)現(xiàn)，改進(jìn)的視頻信號(hào)注入式測(cè)試方法與傳統(tǒng)光信號(hào)注入式測(cè)試方法的主要區(qū)別在于目標(biāo)場(chǎng)景圖像的獲取。改進(jìn)的視頻信號(hào)注入式測(cè)試方法中，斷開經(jīng)緯儀攝像系統(tǒng)與視頻處理器之間的連接線，并將經(jīng)緯儀的視頻處理器直接連接到測(cè)試系統(tǒng)?；趫D 4 所示的經(jīng)緯儀各模塊工作時(shí)序，對(duì)于每一幀目標(biāo)圖像數(shù)據(jù)的生成，根據(jù)相應(yīng)時(shí)刻目標(biāo)空間位置以及目標(biāo)空間位置與經(jīng)緯儀跟蹤軸指向之間的映射關(guān)系，從圖像數(shù)據(jù)庫中調(diào)用相應(yīng)目標(biāo)圖像和場(chǎng)景圖像，若數(shù)據(jù)庫匯總沒有完全匹配的圖像，則利用相鄰網(wǎng)路控制點(diǎn)的圖像通過仿射變換等處理生成對(duì)應(yīng)視角下的圖像，并根據(jù)經(jīng)緯儀與目標(biāo)的相對(duì)速度對(duì)圖像進(jìn)行運(yùn)動(dòng)模糊效應(yīng)處理后，將目標(biāo)圖像和場(chǎng)景圖像融合形成當(dāng)前時(shí)刻注入到經(jīng)緯儀圖像采集卡的目標(biāo)場(chǎng)景圖像。生成的每一幀目標(biāo)場(chǎng)景圖像作為視頻數(shù)據(jù)流中一幀數(shù)據(jù)，基于經(jīng)緯儀的幀同步信號(hào)注入到經(jīng)緯儀的視頻處理器。

　　2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與分析

　　為了驗(yàn)證本文提出的視頻信號(hào)注入式測(cè)試方法的可行性和有效性，先后對(duì)某型經(jīng)緯儀進(jìn)行了外場(chǎng)性能評(píng)估和視頻信號(hào)注入式性能測(cè)試，并對(duì)比分析了兩種方法下的目標(biāo)跟蹤角誤差。

　　2.1 經(jīng)緯儀外場(chǎng)性能評(píng)估實(shí)驗(yàn)

　　針對(duì)某型經(jīng)緯儀搭建了外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過人工引導(dǎo)、自動(dòng)捕獲方式用經(jīng)緯儀對(duì)某飛行目標(biāo)進(jìn)行捕獲和跟蹤，進(jìn)而評(píng)價(jià)該經(jīng)緯儀的目標(biāo)跟蹤性能。為了驗(yàn)證本文方法的普適性，進(jìn)行了兩次目標(biāo)跟蹤，分別對(duì)應(yīng)目標(biāo)軌跡 1 和目標(biāo)軌跡 2，測(cè)試結(jié)果如圖 6 所示。圖 6 顯示了整個(gè)測(cè)試過程中經(jīng)緯儀光軸和目標(biāo)的方位角和俯仰角，其中 A1M(t)和 A2M(t)分別表示軌跡 1 和軌跡 2 中目標(biāo)相對(duì)經(jīng)緯儀零位狀態(tài)的方位角，A(1 t)和 A(2 t)分別表示軌跡 1 和軌跡 2 中經(jīng)緯儀光軸的方位角，E1M(t)和 E2M(t)分別表示軌跡 1 和軌跡 2 中目標(biāo)相對(duì)經(jīng)緯儀零位狀態(tài)的俯仰角，E(1 t)和 E(2 t)分別表示軌跡 1 和軌跡 2 中經(jīng)緯儀光軸的俯仰角。可以看出，對(duì)于目標(biāo)軌跡 1 和 2，目標(biāo)與經(jīng)緯儀光軸的起始方位角均相差約 0.3°、起始俯仰角均相差約 0.4°，這主要來自于人工引導(dǎo)誤差，而之后經(jīng)緯儀的跟蹤角誤差迅速降低，從起始位置起大約 1 s 后便可跟蹤到目標(biāo)的方位角與俯仰角，方位角跟蹤誤差小于 0.05°、俯仰角跟蹤誤差小于 0.1°，且超過 1 s 后跟蹤角誤差越來越小，趨近于 0°，并一直保持較高的跟蹤精度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在實(shí)際外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)中此型號(hào)光電經(jīng)緯儀跟蹤性能較好。

　　2.2 視頻信號(hào)注入式性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)

　　進(jìn)行外場(chǎng)性能評(píng)估后，利用提出的視頻信號(hào)注入式測(cè)試方法對(duì)同一經(jīng)緯儀進(jìn)行了目標(biāo)跟蹤性能測(cè)試。首先，通過采用最小二乘法，對(duì) 2.1 節(jié)中經(jīng)緯儀實(shí)測(cè)目標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行了擬合，并將擬合結(jié)果作為目標(biāo)的理論軌跡;其次，提取經(jīng)緯儀在外場(chǎng)評(píng)估中每個(gè)拍攝時(shí)刻的目標(biāo)和場(chǎng)景圖像，并根據(jù)擬合的目標(biāo)理論軌跡進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆律渥兓鳛橐曨l信號(hào)注入式測(cè)試中目標(biāo)軌跡相應(yīng)位置的拍攝圖像，進(jìn)而建立了目標(biāo)場(chǎng)景圖像數(shù)據(jù)庫;然后，通過控制延遲時(shí)間注入視頻信號(hào)，使經(jīng)緯儀進(jìn)行目標(biāo)跟蹤。圖 7 是本文視頻信號(hào)注入式測(cè)試和 2.1 節(jié)外場(chǎng)評(píng)估的跟蹤角誤差對(duì)比，其中 error1 對(duì)應(yīng)目標(biāo)軌跡 1，error2 對(duì)應(yīng)目標(biāo)軌跡 2。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文方法和外場(chǎng)評(píng)估的跟蹤誤差基本一致，其中起始捕獲誤差變化的原因是起始時(shí)刻目標(biāo)出現(xiàn)在經(jīng)緯儀視場(chǎng)的位置不同，即注入真實(shí)場(chǎng)景視頻后，經(jīng)緯儀仍然保持較高的跟蹤性能，本文提出的視頻信號(hào)測(cè)試方法可行，可以有效評(píng)估光電經(jīng)緯儀的跟蹤性能。

　　同時(shí)，測(cè)試了經(jīng)緯儀在兩組不同延遲下的目標(biāo)跟蹤性能?；?2.1 節(jié)中擬合得到的目標(biāo)理論軌跡數(shù)據(jù)，按照視頻信號(hào)注入測(cè)試原理，向經(jīng)緯儀視頻處理器中注入了延遲分別為 40 ms 和 80 ms 的視頻信號(hào)，以模擬傳統(tǒng)光信號(hào)注入式測(cè)試方法中信號(hào)的延遲注入，測(cè)試結(jié)果如圖 8 所示，其中，error1 對(duì)應(yīng)目標(biāo)軌跡 1，error2 對(duì)應(yīng)目標(biāo)軌跡 2。圖 8(a)顯示了經(jīng)緯儀的方位角跟蹤誤差，可以看出本文視頻信號(hào)注入式測(cè)試結(jié)果跟蹤角誤差收斂速度最快，且延遲時(shí)間越長(zhǎng)，方位角跟蹤誤差收斂速度越慢，需要更長(zhǎng)的時(shí)間來實(shí)現(xiàn)高精度跟蹤目標(biāo);圖 8(b)顯示了經(jīng)緯儀的俯仰向注入誤差(僅對(duì)于有延遲信號(hào)注入)，該數(shù)據(jù)是在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后根據(jù)經(jīng)緯儀真實(shí)跟蹤位置數(shù)據(jù)分析得到的結(jié)果，可以看出延遲時(shí)間越長(zhǎng)，注入誤差越大。這是因?yàn)橛醒舆t的信號(hào)注入已對(duì)目標(biāo)軌跡產(chǎn)生了擾動(dòng)，導(dǎo)致測(cè)試得到的跟蹤誤差相對(duì)實(shí)際跟蹤誤差更嚴(yán)重。有信號(hào)延遲時(shí)經(jīng)緯儀跟蹤誤差模型可以表示為 Es' = Es + k ( t，m ) (2)式中，E′s為有延遲信號(hào)經(jīng)緯儀跟蹤誤差，Es為經(jīng)緯儀實(shí)際跟蹤誤差，k(t，m)為關(guān)聯(lián)系數(shù)，是信號(hào)注入延遲時(shí)間 t 和目標(biāo)運(yùn)動(dòng)特性 m 的函數(shù)，該系數(shù)在光信號(hào)注入測(cè)試中一般難以準(zhǔn)確估算，因此直接影響經(jīng)緯儀性能測(cè)試的準(zhǔn)確性。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了本文視頻信號(hào)注入式測(cè)試方法的有效性。

　　3 結(jié)論

　　本文基于傳統(tǒng)光信號(hào)注入式測(cè)試原理，利用光電經(jīng)緯儀圖像拍攝和圖像采集處理之間的時(shí)序差，采用先拍攝后調(diào)用的分步實(shí)施方案，提出了視頻信號(hào)注入測(cè)試方法，有效避免信號(hào)注入延遲。分別采用外場(chǎng)評(píng)估實(shí)驗(yàn)和本文提出的視頻信號(hào)注入式測(cè)試方法，對(duì)某型號(hào)光電經(jīng)緯儀進(jìn)行性能測(cè)試結(jié)果表明，兩種情況下經(jīng)緯儀方位角跟蹤誤差和俯仰角跟蹤誤差對(duì)于不同目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡均高度一致，且注入有延遲的視頻信號(hào)時(shí)，跟蹤角誤差明顯增大。即提出的視頻信號(hào)注入式測(cè)試方法在實(shí)驗(yàn)室條件下能夠有效評(píng)估經(jīng)緯儀的目標(biāo)跟蹤性能，其測(cè)試精度不亞于外場(chǎng)評(píng)估，同時(shí)該方法不僅適用于經(jīng)緯儀電視跟蹤性能的檢驗(yàn)，也適用于經(jīng)緯儀紅外跟蹤性能的檢驗(yàn)，對(duì)于同類跟蹤系統(tǒng)的測(cè)試，具有良好的通用性。視頻信號(hào)注入式測(cè)試系統(tǒng)在具體測(cè)試系統(tǒng)構(gòu)建中還會(huì)涉及更多影響測(cè)試精度的技術(shù)環(huán)節(jié)。因此，下一步的工作主要研究視頻圖像融合、數(shù)據(jù)庫圖像的高效調(diào)用與擬合等技術(shù)問題，以進(jìn)一步提高測(cè)試精度。