基于USB 2．0的便攜式紅外目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

　　現(xiàn)代化信息戰(zhàn)爭對復(fù)雜背景下的目標(biāo)探測提出了很高的要求。相對于雷達(dá)、可見光等探測技術(shù)，紅外成像探測隱蔽性好、抗電子干擾能力強(qiáng)、目標(biāo)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(fù)雜背景的實(shí)際應(yīng)用需求，緊密結(jié)合工程實(shí)際，本文介紹了一套自研的便攜式紅外自動目標(biāo)檢測跟蹤系統(tǒng)。該系統(tǒng)結(jié)合當(dāng)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(kuò)充性及低功耗設(shè)計，構(gòu)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(biāo)檢測跟蹤系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對復(fù)雜環(huán)境下目標(biāo)的自動搜索、捕獲、識別與伺服閉環(huán)跟蹤，尤其針對復(fù)雜天地背景下遠(yuǎn)距離、低信噪比、低對比度弱小目標(biāo)。系統(tǒng)可便攜機(jī)動快速展開，通過預(yù)留對外擴(kuò)展接口，可以方便地將目標(biāo)信息實(shí)時上報決策中心或者直接與擴(kuò)展系統(tǒng)連接，系統(tǒng)能夠適應(yīng)于各種載體平臺。

l 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)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(shí)時信息處理機(jī)、精密伺服控制系統(tǒng)與主控計算機(jī)組成，并預(yù)留激光測距機(jī)接口、慣導(dǎo)陀螺儀接口、GPS接口及對外擴(kuò)展接口(見圖1)。

　　通過模塊化、小型化、低功耗設(shè)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(jī)功耗小于50 w。

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

　　4個階段：

　　(1)系統(tǒng)準(zhǔn)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(dǎo)引信息或直接在預(yù)定區(qū)域自動搜索檢測目標(biāo)，使目標(biāo)進(jìn)入光學(xué)傳感器的視場并自動檢測鎖定目標(biāo)；操作手可通過操控臺控制伺服平臺對目標(biāo)可能出現(xiàn)的區(qū)域進(jìn)行人工搜索，手動鎖定目標(biāo)；

　　(3)跟蹤、實(shí)時處理階段：在系統(tǒng)捕獲到目標(biāo)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(jī)對目標(biāo)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(jī)。伺服計算機(jī)通過運(yùn)動控制器和一定控制算法驅(qū)動伺服轉(zhuǎn)臺運(yùn)動從而實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的跟蹤。整個過程是一個閉環(huán)負(fù)反饋控制過程。同時，將目標(biāo)坐標(biāo)信息實(shí)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(biāo)的中波紅外輻射特性進(jìn)行錄取。

　　(4)事后處理階段：對檢測跟蹤過程錄像進(jìn)行編輯，快速形成結(jié)果上報，對于重要目標(biāo)的紅外輻射圖像數(shù)據(jù)，事后處理包括目標(biāo)的特征提取、目標(biāo)識別等處理。 系統(tǒng)選用便攜式計算機(jī)作為主機(jī)，目標(biāo)的紅外圖像、高速實(shí)時信息處理機(jī)的實(shí)時檢測結(jié)果、熱像儀當(dāng)前狀態(tài)、伺服轉(zhuǎn)臺狀態(tài)及當(dāng)前指向、擴(kuò)展接口設(shè)備信息必須實(shí)時可靠地上傳給主機(jī)，同時r)SF'算法參數(shù)設(shè)置、實(shí)時處理狀態(tài)控制、熱像儀控制、伺服分系統(tǒng)控制、擴(kuò)展接口控制也必須及時地傳給高速實(shí)時信息處理機(jī)。通觀目前的各種接口，兼顧熱插拔、即插即用、速度、實(shí)時性、成本等特點(diǎn)，系統(tǒng)選用高速USB 2．O接口實(shí)現(xiàn)高速實(shí)時信息處理機(jī)與主控計算機(jī)通信。

2 USB 2．0接口設(shè)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(kuò)展方便、低成本等優(yōu)點(diǎn)，已成為當(dāng)前計算機(jī)和各種處理機(jī)系統(tǒng)必備的接口之一。USB 2．O接口的理論傳輸速率高達(dá)480 Mb／s，實(shí)際應(yīng)用中選用批量傳輸最大帶寬可達(dá)53．248 MB／S［1］。本系統(tǒng)實(shí)時信息處理機(jī)與主控計算機(jī)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(shè)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(jī)與實(shí)時信息處理機(jī)惟一的通信接口，實(shí)時信息處理機(jī)通過USB 2．0接口傳輸給主控計算機(jī)的信息有：目標(biāo)紅外圖像數(shù)據(jù)；目標(biāo)檢測結(jié)果；熱像儀當(dāng)前狀態(tài)；伺服轉(zhuǎn)臺狀態(tài)及當(dāng)前指向；擴(kuò)展接口設(shè)備信息。

　　主控計算機(jī)給實(shí)時信息處理機(jī)的信息有：DSIP算法參數(shù)設(shè)置；實(shí)時處理狀態(tài)控制；熱像儀控制；伺服分系統(tǒng)控制；擴(kuò)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(jī)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(jī)端發(fā)起，USB主機(jī)根據(jù)各個設(shè)備的屬性周期性地訪問各個設(shè)備，USB設(shè)備則被動地響應(yīng)USB主機(jī)的訪問請求。在本系統(tǒng)中，USB主機(jī)是由便攜式計算機(jī)內(nèi)嵌的USB控制器擔(dān)當(dāng)，高速實(shí)時信息處理機(jī)則是USB設(shè)備。

　　USB程序設(shè)計基本上包含LJSB主機(jī)端的設(shè)備驅(qū)動程序設(shè)計和USB設(shè)備本身的固件程序設(shè)計。

　　2．1 USB固件程序設(shè)計

　　固件程序是指運(yùn)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(qiáng)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(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縫連接［2］。。