基于USB 2．0的便攜式紅外目標跟蹤系統(tǒng)設計與實現

　　現代化信息戰(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。針對現代信息戰(zhàn)爭復雜背景的實際應用需求，緊密結合工程實際，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)及精密伺服控制轉臺組成的便攜式紅外自動目標檢測跟蹤系統(tǒng)，能夠實現對復雜環(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，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動伺服轉臺運動從而實現對目標的跟蹤。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(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時可靠地上傳給主機，同時r)SF'算法參數設置、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、數據傳輸可靠、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。

　　主控計算機給實時信息處理機的信息有：DSIP算法參數設置；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］。。