1概述

隨著科技的進步，人類社會正在從工業時代向信息時代、數字時代過渡。一場以信息化、數字化為核心的世界性軍事變革也正在向縱深發展。隨著我國對外貿易擴大，出入境人員增多，近些年周邊國家恐怖活動比較猖撅，反恐怖斗爭形勢更加嚴峻，防止出入境人員偷運武器、非法交易、走私毒品、恐怖分子潛入潛出己成為邊防部隊的重要任務。為了能快速推進我國邊防“跨越式”發展，提高邊防武裝力量的整體戰斗力，在新形勢下，面對國內外各種影響邊防穩定的不利因素，我國當前要集中力量搞好邊防一線、邊境檢查站的監控系統，邊防線的早期偵察、預警探測、指揮控制信息網絡和信息系統建設，提高邊防部隊用高科技手段管邊控邊的能力，這對于維護好國家的穩定和經濟建設的大好局面具有十分重要的意義。

邊防電子視頻監控系統是邊防數字化、信息化建設的重要一步，邊防電子視頻監控系統構建了祖國邊防線的數字視頻長城，有效的保證全天時、全天候無死角對祖國邊防線的全程監控，邊防電子視頻監控系統可以及早的發現危機祖國安全的因素，為邊防人員處理危機提供寶貴的時間。邊防電子視頻監控系統主要完成對空中及地面遠距離入侵目標進行偵查、預警，對近距離入侵人員、車輛等地面目標進行搜索、跟蹤，地面巡邏機械人對入侵人員進行干預，對非法闖入目標進行警告、眩目、毀傷打擊等措施。從空中到地面構建了一張立體的數字視頻防護網，有效的保護了祖國的安全。

2國內外邊防發展現狀

邊防是國防不可分割的重要組成部分，是國家有效行使主權和維護安全而采取的必要形式，是國防政策、軍事戰略、外交政策和軍隊建設的重要體現。傳統的邊防監控多以人工監控的方式進行，例如軍人站崗，潛伏、監視、巡邏等。

2.1國內邊防發展現狀

    我國邊防監控系統的開發比較晚，目前只在重要方向的部分重點邊防部隊建設了監控設施。官兵只需通過監控設施便可對邊境重點地段實施全天候監控，有效解決了邊防官兵依靠徒步、乘馬、乘車方式巡邏來管邊控邊的問題，在很大程度上提高了邊防官兵的工作效率。如某部建成的監控系統，該系統在重點地段、管控難點地段、觀察死角建起了無人值守瞭望塔，每個塔上均架設有攝像機及云臺、視頻服務器、無線傳輸系統、太陽能供電系統等，系統可實現轄區全天候可視監控。監控中心可以遠程控制各隙望塔上攝像機焦距的調整和云臺的運動，可同時觀察多個監控點的現場實時圖像。為了防止人畜越界和恐怖分子潛入潛出，加強邊境管理，提高邊防部隊的戰斗力，有的邊防部隊目前擬建邊防監控系統。該系統主要由邊情感知系統、防越界報警系統等組成，系統使用嵌入式視頻監控平臺，可實現對幾十個邊防遠端的視頻監控。其邊情感知系統主要由監控設施、雷達、紅外/微光夜視儀、信息網等組成。防越界報警系統主要由光纖探測報警及高壓脈沖報警系統組成。當發生人員非法越境時，人員觸發報警器，報警器可迅速將報警信號通過有線或無線信道傳輸到信息監控中心，然后通過網絡將信號轉發至各級指揮機關。該系統的建成，將較好地解決邊界重點、難點地段的管控問題，為首長及時掌握邊防動態，實施有效指揮提供實時現場信息。但縱觀我國邊防監控系統的現狀，我邊防監控系統配套還不完善，監控設備還不能對邊防實施大范圍、多點位和全天候監控。在對邊境的管理上，很大程度還依賴邊防官兵的執勤、巡邏來進行，各邊防部隊運用科技手段來管邊控邊的方法、手段還不多，創新還不夠。因此，邊防監控設備的開發和應用前景十分廣闊

2.2國外邊防發展現狀

美國為了防止人員偷渡，在其邊境安裝了一定數量的報警器，如光纖報警器、微波報警器、高壓脈沖報警器等，這些報警手段在邊境管控中發揮著重要作用。光纖報警。將光纖及光纖傳感器架設在邊境鐵絲網上，當人員翻越鐵絲網時，光纖傳感器接收到信號，將信號傳至報警控制中心，主控機就能發出報警信號，實現報警。該系統主要的優勢在于，僅利用光纖本身而不需要其它硬件就能達到幾十公里以上的傳輸距離。微波報警。當人員抵邊進入由多臺微波對射探測器形成的微波墻時，微波場受到干擾，主控機就能發出報警信號。高壓脈沖報警。當越界人員觸摸在邊境鐵絲網上的高壓脈沖時，脈沖電流對人員實施電擊，傳輸線將信號傳輸到網絡終端上，主控機就能發出報警信號，實現報警。9.11事件后，美國決定投入巨資加強邊境管理。計劃研制、開發、建設部分監控設施用來監控美墨、美加長約一萬多公里的邊界。裝備當中包括大量技術先進的攝像機和感應器，這些裝備將用以偵測邊境越界的非法邊民。澳大利亞開發的光纖傳感技術，不但可以將光纖作為傳感器，而且還具有精確定位功能。其定位精度可達100米。傳感光纖采用4一6芯單膜高性能光纖，其引導光纖采用同樣的單膜光纖。當外界干擾影響到光纖時，光信號的部分特性就會改變，通過配置專門的感測儀表就能監測使光的特性(如衰減、相位、波長、極化、模場分布和傳播時間)發生變化的干擾。

3系統功能

邊防電子視頻監控系統是未來國防安全體系的重要一部分，在未來的國家安全方面將發揮越來越重要的作用。邊防電子視頻監控系統在邊防安全方面主要有以下幾方面的作用。

1）偵查預警功能：對遠距離空中、地面目標的早期偵查、預警；

2）邊防線安防監控功能：全天時、全天候無死角對地面入侵人員、車輛等目標進行監控；

3）邊防線越境報警功能：非法入侵目標強行越過邊防線報警功能；

4）邊境檢查站、哨所及崗哨的安全防護功能：負責邊境檢查、哨所及崗哨周邊的安全監控工作，對異常目標進行定位跟蹤；

5）證據采集功能：對非法入侵或從事非法活動的行為可以采集高清視頻證據，并能實時存儲；

6）自動巡邏功能：可以在固定線路或指定區域進行自動巡邏，或在后臺操縱下完成極特殊區域巡邏；

7）危機險情處理功能：對邊防戰士有重大傷害或有可能引起正面沖突的事件可以通過巡邏機械人解決，避免人員傷亡及避免正面沖突；

8）主動攻擊功能：巡邏機械人配備聲光告警設備、炫目武器、毀傷性武器等對入侵目標進行有效恫嚇，不聽警告著通過炫目器使其喪失攻擊能力，對持有非法武器且強行入侵目標可通過毀傷性武器對目標進行有效打擊；

9）自主防衛功能：系統配備激光武器可對低空巡航導彈進行有效攔截，并能摧毀對地面車輛和坦克等大型目標；

10）目標定位功能：系統具備衛星定位、運動定位、距離測定等功能，可以對入侵目標進行定位，為后臺控制人員提供準確的目標信息，為后續有效控制、打擊目標節省寶貴時間；

11）邊卡、哨所安防監控功能：主要邊卡、哨所具備出入口管理系統、門禁管理系統、車牌識別系統、人臉識別系統輔助安檢人員進行檢查，對非法人員、車輛及行為進行報警；

12）國家安全早期預警功能：系統對已對邊境周邊對侵略或威脅國家安全的行為早期預警；

13）非法貿易活動監控功能：對邊境從事非法貿易及其他活動團體進行有效監控；

4系統組成及工作原理

4.1系統組成

邊防電子視頻監控系統主要由浮空預警平臺、光電探測系統、視覺巡邏機械人、激光武器系統、邊卡、哨所安防監控系統幾部分組成。邊防電子視頻監系統組成圖如圖1所示。

圖1系統方案圖

浮空預警平臺可是實現較大面積的監控，布置在距離邊防線一定距離的地區，實現對邊防線及遠距離無死角的監控。浮空預警平臺可以實現遠距離空中及地面目標的偵查，并為地面系統提供準確的預警信息。

邊海防智能分析視頻監控系統均布在邊防沿線，實現邊防線無死角監控，邊海防智能分析視頻監控系統采用像方掃描和積分穩像原理進行設計，實現了監控系統保證較高空間分析率的情況下快速掃描，同時大大降低了系統重量。

視覺巡邏機械人布置在邊防沿線，視覺機械人可適應較復雜山地路況，并能實現多種光譜的目標探測，環境適應性極強，系統配備聲光告警設備、激光炫目器、毀傷性武器，視覺巡邏機械人具備恫嚇、打擊、毀傷功能。

激光武器布置在主要的觀察哨所及交通要道，實現對闖入目標的軟損傷或直接摧毀目標。

邊卡、哨所安防監控系統由安防監控攝像頭、出入口管理系統、門禁管理系統、車牌識別系統、人臉識別系統幾部分組成，可以協助安檢人員對人員、貨物及車輛進行檢查，對非法人員、車輛及異常行為進行報警。

4.2工作原理

邊防電子視頻監控系統控制浮空預警平臺、邊海防智能分析視頻監控系統、邊卡、哨所安防監控系統，時時采集前端不同波段視頻圖像，對視頻圖像進行分析，對入侵、越境、闖關目標進行報警，并給視覺巡邏機器人及激光武器系統發出指令，對危險目標進行有效攔截。系統原理圖如圖2所示。

圖2系統原理圖

5總體方案設計

根據系統總體指標及功能要求，****主要由視覺巡邏機械人、邊防視頻監控系統、浮空預警平臺、激光武器系統幾部分組成。根據系統要求分部分方案設計如下。

5.1視覺巡邏機械人方案設計

視覺巡邏機械人能夠實現對固定區域及線路的巡邏，視覺系統可以時時提供前端監控圖像，后臺控制人員根據時時圖像操控機械人進行巡邏，視覺系統有可見光及紅外兩部分組成，可實現全天候的工作。視覺巡邏機械人可以完成對可以人員的發現、識別及跟蹤，同時系統配備激光炫目等攻擊武器完成對非法入侵人員的非致命打擊，同時協助防衛人員完成對極特殊和極危險區域的搜索。

5.1.1視覺巡邏機械人功能

視覺巡邏機械人在系統中發揮著至關重要的作用，視覺巡邏機械人可以替代執勤人員完成高強度、高危險的巡邏任務，并能對巡邏區域內危險目標進行自動報警、跟蹤等功能。視覺巡邏機械人具體功能如下所示。

1）自主巡邏功能：在操作人員控制下完成對固定區域自主巡邏。

2）穩像功能：在特殊地形及顛簸情況下可以完成對目標的搜索跟蹤，能夠有效的消除武器系統在打擊目標過程中帶來的震動。

3）激光眩目功能：可以對一公里外人員進行激光眩目，對目標進行有效打擊。

4）防衛功能：可以對攻擊目標進行有效自衛，同時對危險目標進行有效打擊。

5）聲光告警功能：系統在發現、識別、確認危險目標后通過聲光告警，對危險目標

5）測距功能：可以對探測到危險目標進行精確測距。

6）定位功能：可以根據自身的位置信息及角度反饋系統信息，精確定位入侵目標位置信息。

7）自動識別目標功能：可對監控范圍內危險目標進行自動識別，排除疑似干擾目標。

8）自動跟蹤瞄準功能：在監控范圍內發現目標后可對目標進行自動跟蹤，并且同時完成武器系統對危險目標的瞄準。

9）通訊功能：可以完成對前端視覺圖像及位置信息進行時時回傳，同時將后臺控制信號傳輸到前端。

10）錄像存儲功能：可以完成對危險目標及特殊條件下視頻圖像的采集。

11）供電：系統可以實現24小時內無供電自主巡航。

12）特殊地形適應功能：可以在平地、山地陡坡、涉水路面等路面進行巡邏。

13）全天時全天候工作功能：可以完成全天時及特殊天氣下自主巡航。

14）自主導航及避障功能：自主導航且能躲避行進過程中遇到的障礙物。

15）具備360°（水平）無死角視頻監控能力及可疑目標自動識別能力；

5.1.2視覺巡邏機械人系統組成及工作原理

5.1.2.1視覺巡邏機械人系統組成

視覺巡邏機械人可以獨立完成對監控區域的巡邏，并可以探測、識別疑似目標，并對目標進行跟蹤。視覺巡邏機械人由運動控制系統、視覺傳感系統、防衛系統、通訊傳輸系統幾部分組成。視覺巡邏機械人系統圖如圖3所示。

運動控制系統由運載機械人和二位運動穩像平臺兩部分組成，運動控制系統的作用是快速機動的完成對目標的搜索、跟蹤。

視覺傳感系統由可見光圖像采集系統和、外圖像采集系統和紅外照明補光系統組成。視覺傳感系統可以全天候、全天時工作，為后臺提供清晰的可見光和紅外圖像，并為防衛系統提供精確的目標特征信息及位置信息。

防衛系統由激光炫目系統及常規武器系統，配合視覺傳感系統可以完成對入侵目標恫嚇及精確打擊。

通訊傳輸系統主要作用是將前端圖像信息傳輸到后臺，并將控制信號時時傳輸到前端。

5.1.2.2視覺巡邏機械人工作原理

視覺巡邏機械人可以對特殊地形區域進行大范圍機動搜索。視覺巡邏機械人在控制系統的配合下完成對目標區域360°無死角視覺圖像的采集工作，通訊傳輸系統將前端圖像信息傳輸到后臺，后臺操作人員根據視覺圖像及其他綜合信息，通過通訊傳輸系統將控制信息傳輸到前端，控制視覺巡邏機械人對特定區域進行巡邏，視覺巡邏機械人搜索過程中可以對入侵目標進行識別、跟蹤，配合后臺操作人員*終完成目標的鎖定及打擊。

5.1.3關鍵部件實施及技術分析

5.1.3.1視覺傳感系統

視覺傳感系統是機器人巡邏機獲取外部環境信息的*主要部分，機器人巡邏機要實現正常的巡邏、識別、尋跡等工作，其視覺系統就必須具有較高的探測性能。由此可見，視覺系統是機器人巡邏機研究中的關鍵技術之一。視覺傳感系統為機器人巡邏提供全天候、360°全景的監控/巡查功能，且滿足瞄準精度要求；

視覺傳感系統包括可見光成像系統、紅外成像系統以及近紅外照明系統。

可見光成像系統屬于主動照明系統。系統是通過對目標反射光成像，其成像圖像符合人眼觀察，圖像含有豐富的細節信息；但其成像易受天氣的影響，在煙霧和低照度情況下會丟失許多場景信息，不能全天候工作，尤其是對于目標與背景顏色差異較小的情況下，容易丟失目標。

紅外成像系統屬于主動成像系統。系統是對物體自身發出的紅外熱輻射成像，因而能夠主動地獲取場景中的目標信息，并且不受外部偽裝的影響、能夠很好地顯示隱藏的熱目標，成像條件受惡劣天氣的影響較??；但是，受紅外成像原理的限制，獲取的紅外圖像對比度較低，對目標細節的反映能力相對不高。

通?？梢姽馓綔y器響應波段可達近紅外，在可見光系統設計時將其工作波段拓展到近紅外，通過配備近紅外照明系統，可使可見光成像系統在低照度的夜幕及夜間工作。

因此，將可見光成像系統、紅外成像系統以及近紅外照明系統同時應用在機器人巡邏機上，可以相互彌補可見光與紅外在探測識別中的不足，充分發揮可見光與紅外的優勢，使成像系統對目標的識別滿足全天候工作的需求，提高系統的探測偵察能力。

圖4、圖5為紅外系統對不同目標的成像情況；圖6、圖7為可見光系統對不同目標的成像情況。

圖4 紅外成像圖（樓宇）

圖5 紅外成像圖（車輛&人物）

圖6 可見光成像圖（樓宇）

圖7可見光成像圖（車輛&人物）

a. 光學系統參數分析

光學成像系統的視場決定機器人巡邏機的監控范圍與巡邏效率，而成像系統的視場取決于系統對目標成像的分辨率與成像器件的性能參數。根據圖像處理中對目標識別能力的要求，目標成像滿足5×5個像素時，系統成功捕獲目標的概率可達90%。對于1000m距離下探測身高為1.7m的人體目標時，要求系統角分辨率小于1.7mrad。為了使機器人能夠更好的滿足探測且識別目標的功能，應適當增加目標成像到探測器上的像元數，但目標成像像元數的增加又會降低光學成像系統的視場角。因此，對于不同類型的探測器，目標成像的像元數與視場會有所區別。

紅外成像系統中成像器件的分辨率較低，目前使用的長波非制冷紅外探測器的分辨率*高為640×512，像元尺寸15μm。對1000m距離下1.7m目標成像分辨率為10×10時，可計算得到紅外成像系統的焦距約為124mm，視場為4.43°×3.55°（水平×垂直）。圖8為紅外成像系統外形圖。

圖8 紅外成像系統

可見光成像系統中可選探測器類型較多（如CCD、CMOS），且各CCD的分辨率較高、像元尺寸小，根據對目標細節的分辨能力的需求可適當增加要識別目標的成像像元數?？梢姽獬上到y中采用像素為1400×1024的CCD，像素尺寸為7.4μm。對1000m距離下1.7m目標成像分辨率為10×10時，系統焦距為43.53時，視場為13.57°×9.94°（水平×垂直）。系統*終采用25mm-300mm聯系變焦鏡頭，完全可以實現大視場目標搜索，小視場目標的識別功能。圖9為可見光成像系統外形圖， 

圖9 可見光成像系統

由以上分析計算結果可得，單套成像系統的視場角無法滿足機器人巡邏機360°監控的工作條件，因此系統需要二維運動結構完成對半徑1km范圍內的搜索，水平360°轉動可以完成全方位的搜索，俯仰運動可以實現1km半徑內所有搜索區域的覆蓋，因此可以通過360°二維云臺可以實現對目標區域的搜索，實現視覺機器人的全景監控。

b. 光學系統精度分析

當機器人巡邏機需要對識別目標進行攻擊時，要求其攻擊行為準確、有效紅紅外成像系統的焦距為124mm時，系統角分辨率為0.12mrad。同樣，當可見光成像系統的焦距為300mm時，系統角分辨率為0.024mrad。因此，利用紅外成像系統、可見光成像系統對目標進行瞄準，能夠使攻擊行為準確、有效，實現真正意義上的攻擊。

c. 光學積分穩像技術分析

凝視型長波非制冷紅外探測器積分時間較長，約10ms左右，其在探測成像過程中，由于外界或自身的各種干擾，導致探測器在曝光時間內，目標像在焦平面上存在相對運動，導致所獲取的圖像的不清晰（拖尾、模糊等），嚴重影響圖像信息的有效利用，進而影響對目標的跟蹤識別。為了得到高分辨的圖像，在成像系統設計時采用積分穩像技術，以補償或消除像移對成像的影響。

積分穩像技術是在光路中設置運動元件，根據外部運動信息控制該元件的相對運動，確保在積分時間內，探測器對目標穩定成像。我所采用幀內反掃階躍式成像技術實現積分穩像，介紹如下：

幀內反掃階躍式成像技術的作用是在探測器積分時間內保持光軸指向穩定，達到消除由于載體姿態變化、系統搜索運動引起的圖像模糊的目的，提高紅外圖像的信噪比和分辨能力。

階躍式成像技術通過陀螺儀獲得載體姿態變化、通過控制系統內部通訊獲得系統搜索運動過程中光軸指向變化，在探測器積分時間內，由光機掃描裝置反向補償，保證系統光軸指向穩定；在兩個積分時間內，光機掃描裝置快速復位，準備在下一個積分時間內繼續保證光軸指向穩定。該技術能夠使系統獲得在光軸指向高速運動過程中清晰成像的功能。

圖10 掃描鏡組示意圖

    圖11所示為階躍式成像方法的光軸指向和光機掃描裝置控制曲線示意。在探測器積分時間內，光機掃描裝置隨載體姿態運動，消除光軸抖動，此時探測器工作，獲取單幅圖像；在探測器非積分時間內，光機掃描裝置回復零位，準備下一個積分時間內的運動。

圖11 階躍式成像方法的擺鏡擺角位移控制曲線示意圖

    圖中紅色線段為光軸掃描情況，綠色線段為光機掃描裝置運動情況，黃色線為實際光軸運動情況。

5.1.3.2運動控制系統

    運動控制系統由履帶式移動機械人和穩像平臺控制系統組成，履帶式移動機器人具有較強越野機動性和非結構環境通過性能。履帶式移動機器人被廣泛的應用于廢墟搜救、煤礦搜救、戰場作戰等非結構環境和星球探測、極地探測等極限環境。履帶式移動機器人比較輪式移動機器人有以下幾個特點：

(1)撐面積大、接地比壓小、滾動阻尼小、通過性比較好。

(2)越野機動性能好，爬坡越溝等性能均優于輪式結構。

(3)履帶支撐面上有履齒不打滑，牽引附著性能好。

(4)結構較復雜，重量大，運動慣性大，轉向不如輪式靈活。

無人巡檢機器人要求適應野外水泥及柏油地面、土路、卵石、草地、雪地、泥地、沙漠、沙石地等全路況，所以需要機器人具有更強的多地形自適應越野能力、生存能力、環境感知及相應的運動規劃能力等；另外巡檢機器人需要*大爬坡45°，涉水深度200mm，越障高度300mm。綜合輪式和履帶式機器人的優缺點，并結合對巡檢機器人的使用要求，所以設計的無人巡檢機器人使用雙履帶式。其外形如圖1所示，不同地形適應圖如圖12、13、14、15所示。這種結構即有履帶式機器人的優點，同時轉向靈活。前進、后退運動方便。

履帶式機械人技術優勢：

(1) 雙履帶式巡檢機器人底盤其履帶為橡膠履帶或膠皮履帶，能滿足全路況要求，車體輕，行駛靈活，履帶壽命長（橡膠履帶5年以上；膠皮履帶10年以上），耗電量少，無噪音，行駛平穩，轉向靈活，能無級調速。

(2) 電池組及整個電氣系統使用溫度可達零下40℃以下。電池可快速充電，可大電流放電，可支持大電流放電設備。

(3) 電機采用輪轂式變頻電機，占用空間小，峰值功率是額定功率的三倍。

(4) 巡檢機器人底盤采用四輪驅動，能原地360°轉向。

(5) 所使用的變頻電機使用效率能達到95%～98%，無熱損耗，長時間使用電機不熱，壽命長，是普通電機的3倍（大約15年）。

(6) 可編程控制系統，可與CAN總線及其他總線均可對接，系統能自動檢測，故障報錯并可控。

(7) 整個巡檢機器人系統暫采用單向阻尼穩定，實驗室有能力實現雙向阻尼穩定，這樣可以使載物平臺工作更加穩定，即使機器人在運動過程中對目標也可以實現精確瞄準。

5.1.3.4防衛、告警技術分析

防衛、告警系統主要由武器攻擊設備、聲光告警設備組成。當視覺傳感系統對入侵目標進行報警后，系統鎖定跟蹤目標。告警系統通過聲光告警的方式對入侵人員進行警告、恫嚇，驅離入侵人員。對有危險的危險目標且不聽勸阻的人員進行激光眩目，采用人眼*為敏感的532nm綠激光對入侵人員進行炫目打擊，激光炫目器不僅在低亮環境下照亮數英里之外的物體，還能實現警示遠距離之內的潛在目標和控制大片人群的目的。照射眼睛時能使眼睛短暫性失明、并感到眩暈，從而快速制敵而不傷害人身生命。激光眩目器具有攜帶方便、隱蔽，快速制敵而不傷害人體生命等優點。上述制止方式均無效的情況下，系統通過搭載的遠程殺傷性武器系統對入侵目標進行打擊，*終使入侵目標放棄入侵。同時防衛系統可以有效的保障自身設備免受破壞分子的攻擊。

系統搭載的遠距離武器系統射程在500m以內，能夠對1000m外目標進行警告、恫嚇。

告警系統配備的音響及喊話設備功率足夠大，覆蓋距離在1000m以上，保證在一定環境干擾狀態下，1000m外入侵目標可以接收到告警信息。

激光眩目系統可以對在500m內目標進行眩目，眩目光斑300mm以上，系統能夠對1000m左右目標進行光電指示，且能對入侵目標進行有效干擾。激光眩目器如圖16所示。

5.1.3.5目標定位技術分析

系統定位由視覺機械人經緯度信息、海拔高度信息、測距系統測試距離信息、搜索結構的角度信息進行分析計算，同時匹配地圖信息。對入侵目標進行精確的定位，同時輸出入侵目標的經緯度信息，并能在地圖上標記入侵目標信息，將標記入侵目標地圖信息回傳給控制中心，控制中心可以根據回傳信息對入侵行為采取有效的制止措施。

5.1.3.6自動識別技術分析

視覺傳感系統采集監控區域內的目標信息，通過預先設定的目標行為判斷規則，對發現目標進行有效識別，對入侵的動物通過目標特性及行為特性進行判斷，對干擾目標進行排除。識別系統抗對自然干擾能力很強，可以對植物晃動、風干擾、太陽干擾進行有效排除。有效的降低系統的誤報率。大大減輕了后臺監控系統的人員勞動強度。

5.1.3.7跟蹤瞄準技術分析

識別系統確定入侵危險目標后，進行自動跟蹤，識別系統根據入侵目標的運動特性進行定位，同時對目標的運動行為進行預判，給搜索穩像平臺位置信息，從而對入侵目標進行精確跟蹤。

視覺傳感系統將目標鎖定后，通過目標幾何特征信息，給武器系統提供精確的瞄準信息。視覺傳感系統為變焦系統，可以為瞄準系統提供精度較高的圖像信息，能夠保證在1000m外，光學定位偏差小于100mm。配合穩像系統、結構位置定位系統、環境干擾控制系統、武器火控系統完成對一定距離目標的精確打擊。

5.1.3.8通訊技術分析

視覺機械人主要依靠無線系統對后臺控制信號、前端視頻信號進行傳輸，前端主要有紅外及可見光視頻信息進行傳輸，數據采集處理系統對視頻圖像進行編解碼，同時對數字信號進行壓縮，*終信息可以控制在幾兆。后臺控制信息輸出量很小，在幾百K 左右。系統采用無線傳輸設備帶寬在幾十兆以上，能夠保證前端視頻信號及后臺控制信號的有效傳輸，無線數據傳輸系統的傳輸距離在10km以上，可以通過中繼實現長距離傳輸。

5.1.3.9穩像技術分析

自穩定云臺的作用是在控制系統的作用下，完成監視系統的姿態調整，包括系統的航向、俯仰角度的調整，以完成對目標的跟蹤。自穩定云臺根據內嵌陀螺穩定伺服系統給出的信號，由電機帶動負載進行反方向補償運動，從而使得云臺內光學成像裝置的指向保持不變，基本不受機械人自身擺動及振動影響，達到圖像穩定的目的。

該云臺基于軍工技術設計生產，采用高強度鋁合金材料，整機進行三防設計，球型轉臺，具有高精度定位、抗強風、抗海水腐蝕性能，可在惡劣環境下工作。加裝陀螺穩定系統，有效隔離船艦搖擺。內置電子防抖模塊，確保在巨浪、強風環境中，在發動機高功率輸出、船體抖動加大時，也能保持成像系統穩定平穩工作。

圖17設備示意圖

表1技術指標

5.1.3.9激光測距技術分析

激光測距機能夠為機器人巡邏機提供高精度、高速率的目標距離信息。激光測距系統兼顧測距精度要求和速度要求，且不受照明影響，使機器人巡邏機能夠對探測的目標距離進行測試，便于在機庫中的定位目標。同時，激光測距也可作為精確瞄準系統的輔助功能，通過測距信息，反饋給機器人巡邏機（或后臺控制系統），作為打擊瞄準的輔助依據。

圖18 激光測距儀

激光激光測距儀的主要性能參數如下：

表2激光測距技術參數表

5.2邊防視頻監控系統設計

    邊海防智能分析視頻監控系統可以對監控區域實現全天候、全天時監控，監控系統光學設備在高速運動下采集監控區域內圖像，采集到視頻圖像通過無線傳輸系統發送到監控中心，智能分析系統對采集圖像進行智能分析報警。邊海防智能分析視頻監控系統具有監控距離遠、監控視場大、掃描速度快、智能識別率高、誤報率低、漏報率低、結構尺寸小、重量輕等優點。系統可以對監控區域內人員、車輛等入侵目標進行探測、識別、跟蹤，智能分析系統對干擾目標和入侵目標進行行為識別、判斷，確認為入侵目標后進行智能報警，并將目標鎖定進行跟蹤。

5.2.1邊防視頻監控系統系統組成、工作原理及總體布局

5.2.1.1邊防視頻監控系統系統組成

邊海防智能分析視頻監控系統由前端視頻監視設備、傳輸設備、后端監控中心三部分構成。系統結構示意圖如圖19所示：

圖19 系統結構示意圖

1、前端視頻監視設備

前端視頻監視設備主要由光學成像組件、運動控制組件、智能分析組件幾部分組成。前端視頻監控設備安裝在被監視區域，對監控區域進行視頻監控，對監控區域內入侵目標進行智能報警。將采集到視頻信號發送到監控中心。

光學成像組件采用像方掃描、積分穩像、無熱化等多項技術，光學系統可實現超遠距離、大監控區域的快速掃描。

智能分析組件采用，并具有網絡、報警、語音對講等功能。

運動控制組件由運動機構、擺鏡機構、穩像機構幾部分組成，運動控制組件可實現巡航掃描和預置搜索等功能。

2、傳輸設備

傳輸設備主要功能為實現前端和后臺視頻信號及控制信號的傳輸。本系統使用的傳輸設備主要有無線（無線網橋）、有線（光纖或網線）、3G網絡三種方式。

3、后端監控中心

后端監控中心主要用于顯示視頻數據和遠程控制。顯示設備可根據需要選用單臺液晶顯示器或大型液晶顯示器陣列。

5.2.1.2邊防視頻監控系統工作原理

系統前端的監控設備架設于被監控區的高點，并安裝在云臺上。系統工作時，前端的光學成像組件快速采集監控區域內視頻圖像，智能分析組件對監控視頻進行實時分析，對入侵目標進行智能報警。傳輸設備將采集到視頻信號傳輸到后臺，進行實時顯示，傳輸設備同時將后臺控制指令傳輸到前端，對前端設備進行控制。系統工作原理如圖20所示：

圖20 系統工作原理圖

5.2.1.3邊防視頻監控系統總體布局

    中朝邊境線位于北緯40°-43°之間，屬于溫帶大陸性氣候，夏季溫熱、冬季寒冷，年降水量少，通過modtran軟件對雨、雪、霧、霾、沙塵、晴天等多種條件長波紅外透過率進行計算，結合光學系統參數，當探測距離為300m時，系統全年探測概率為100%，探測距離為1.3km時只有大雨和強降雪等極端惡劣天氣受影響，系統全年探測概率在91%以上。探測距離為1.3km時，系統全年探測概率在79%以上。通過上述計算系統總體方案設計為監控點位間隔2.0km公里。

5.2.2邊防視頻監控系統系統功能

1）快速掃描、跟蹤

    由于系統采用像方掃描及積分穩像技術，系統可以實現高速全監控區域搜索。系統可以在5秒內完成半徑2公里邊防監控區域的搜索，常規系統需要2-5分鐘，此項技術的應用有效的解決了系統掃描過程中由于掃描速度慢帶來的監控死角問題。解決了快速運動過程中積分時間內目標的拖尾問題，大大提高了目標與背景的信噪比，大大提高了目標被探測的幾率。同時像方掃描技術的應用大大減少了系統結構尺寸及重量，為監控系統小型化、輕量化、便攜化發展提供了必要的保障。

2）超遠距離探測

由于光學系統采用像方掃描技術，實現了光學系統大口徑、大視場、高分辨率的技術要求，利用此項技術的長波紅外系統*遠可實現4公里外人員的探測，并能實現智能報警。

3）目標識別與跟蹤

本系統可在復雜天氣環境中（雨雪、大霧、大風天氣等）全時精確地對出入口、重要區域及劃定的警戒區實施監控。當發生異常情況時，系統會實時發出報警信息，跟蹤目標運行軌跡并自動錄像。

目標識別與跟蹤效果對比圖見圖21、22：

圖21 無入侵目標

圖22發現入侵目標

4）實時監控

系統能夠對監控區域進行實時視頻監控，在監控中心的顯示終端上能夠顯示前端實時場景。

5）視頻錄像

系統操作人員可以按照需求制定錄像通道的幀率、編碼質量、錄像空間大小、錄像觸發方式，系統能夠自動管理磁盤空間，執行錄像任務。

6）自動巡航

智能編碼器可以控制云臺進行360°旋轉，對監控區域進行多角度自動巡航監測。還可以設置多個預置位，對主要監控點進行重點監測。

7）防盜功能

系統配備了紅外一體機，可對靠近和攀爬監控設備安裝架的偷盜者進行監測，防止系統本身受到破壞。一旦發現有非法偷盜者，可立刻發出語音報警。

5.2.3邊防視頻監控系統主要指標

系統主要指標如表3所示。

5.3浮空預警平臺設計

浮空預警平臺即以滯空氣球或平流層飛艇為載體，將雷達、紅外搜索系統等傳感器升空到幾百米，甚至幾千米進行探測，而接收系統、人員等則在地面，通過電纜與空中的設備相連。浮空預警平臺一般由輕型復合材料制成，具備良好的紅外和雷達隱身作用，既可用于戰區內重點保衛目標的前沿防空，又可執行、反恐、空中巡邏、通信聯絡、環境監測等多種任務。由于其實現的技術難度大大小于預警機和衛星探測系統,因此,受到大多數國家的青睞。目前伊朗、沙特、韓國等都已經將球載雷達系統、紅外搜索系統并入了自己的防空探測網，而美國陸軍用浮空器攜帶雷達探測來襲導彈的研究項目現已正式并入陸軍的導彈防御計劃。

針對浮空氣球的應用特點，項目組經過分析論證，本方案主要由光電跟蹤搜索系統、穩定平臺、伺服控制系統、信號處理系統、數據傳輸系統5部分組成。系統采用像方掃描圖像拼接技術、積分穩像技術、圖像識別跟蹤技術、具有分辨率高、搜索速度快、平臺穩定精度高、體積小、重量輕等特點。

5.3.1浮空預警平臺主要技術指標

    浮空預警平臺主要技術指標如表1所示。

表4主要技術指標

5.3.2浮空預警平臺系統組成及工作原理

5.3.2.1浮空預警平臺系統組成

如圖23所示，低空偵察搜索由光電跟蹤搜索系統、自適應運動控制穩像系統、機器視覺圖像處理系統、數據傳輸系統、遠程控制中心、等5部分組成。

圖23低空偵察搜索系統工作流程圖

5.3.2.2浮空預警平臺系統工作原理

光電跟蹤系統包括紅外和可見光兩個光學通道、其保證兩光軸平行，安裝在穩定平臺上，伺服系統控制光電跟蹤系統對目標進行觀察搜索，光電跟蹤系統將光信號轉化為電信號，傳輸給信號處理系統進行圖像采集，伺服系統輸出方位、角度信息傳輸給信號處理系統。信號處理系統通過圖像處理，對目標進行識別跟蹤、通過數據傳輸系統發送給終端控制系統進行總體控制。

5.3.3浮空預警平臺系統分部分設計

5.3.3.1光電系統設計

光電跟蹤系統主要由窗口、紅外光學通道、可見光光學通道、制冷紅外探測器、CCD相機組成。

圖24 光電跟蹤系統組成示意圖

1．窗口  2．紅外光學通道  3．可見光光學通道  4．CCD相機5．制冷探測器6．積分穩像鏡組7．擺鏡

光電跟蹤系統主要由紅外光學通道和可見光光學通道組成，兩個光學通道安裝在穩定平臺上，通過伺服系統帶動實現同步運動，對目標進行搜索，且保證兩光軸平行。

紅外光學通道采用長波紅外制冷光學系統，采取像方間接穩向工作方式進行搜索，卡式望遠光學鏡組將跟蹤視場范圍內場景發出的光束準直后，在像方無窮遠處生成一等大的倒像，擺鏡將對應視在視場范圍內的光束反射至成像光學鏡組，成像光學鏡組將光束匯聚至探測器光敏面上，形成紅外圖像。擺鏡在旋轉機構的帶動下進行方位、俯仰方向轉動，將望遠光學鏡組出射的對應不同視場的光束反射至成像光學鏡組，實現跟蹤及穩像功能。

可見光光學通道的光學系統采用變焦光學系統，目標通過變焦物鏡成像與CCD靶面上，經過光電轉換，生成可視圖像進行觀測，其中大視場用于目標搜索，小視場用于遠距離目標識別，具有集光能力強、搜索范圍大、成像質量優的特點。

5.3.3.2穩像系統設計

為了保證紅外光探測器和可見光攝像機，在運動中，能清晰的采集目標圖像信息。由幾何光學成像原理可知，要想實現紅外光探測器和可見光攝像機，在運動中成像質量*佳。在相機曝光時間內，就必須保持光線相對靜止。所以在紅外光探測器和可見光攝像機運動中，加入一個反向運動的光學設備，使之光線通過反向運動的光學設備來抵消正向運動的速度，實現相對靜止，完成相片的曝光拍攝，為圖像處理單元提供優質的信源。 如圖25所示。

圖25 自適應運動控制穩像系統原理圖

    云臺30度每秒進行勻速旋轉運動，當云臺在時間0開始經過時間t0到達要求30度/S的速度時，開始計時啟動工作（擺鏡加速運動）。云臺經過10MS時，轉過的角度為30度/S*10ms=30*0.01=0.3度，此時擺鏡運動機構已經通過10MS的時間完成加速運動，擺鏡電機旋轉的角度相對于云臺反向運動角度 -0.5*125/S*10MS*10MS=-0.0625度，此時擺鏡電機達到要求速度125度/S，這一時間關鍵點立即觸發相機快門開始進行相機曝光（拍照）,同時并保持勻速運動速度125度/S的時間為10ms，此時擺鏡所轉的角度為125度/S*10MS=-1.25度，經過10MS的勻速運動后，認為相機可能完成一次曝光，隨后開始減速運動，經過5MS的時間，速度為0時，計算出的角度是-0.5*125度/S*5MS*5MS=-0.0015625度，從開始啟動擺鏡時間為0到25MS時共計轉過的角度為：-（0.0625+1.25+0.0015625）=-1.3140625度?；爻痰墓ぷ髁⒓撮_始，正向加速減、速轉過的角度應為擺鏡工作時的角度，整體完成一個周期的工作，此時云臺共轉過的角度為0.3*4=1.2度。也就是說1.2度拍一張相，用時為40MS,云臺旋轉360度時，需要360/30=12秒、拍攝相片數量為12s/40ms=300張相片。

圖26 運動軌跡規劃

5.3.3.3信號處理系統設計

圖像處理是基于DM642的MPEG4嵌入式視頻圖像處理系統,可應用于需要數據壓縮的嵌入式遠程監控領域。DM642的特性,包括處理器結構、視頻口外設、存儲器結構,針對視頻壓縮, MPEG4算法的框架以及算法的各個組成模塊,分析了優化時可以利用到的所有硬件特性,針對具體問題分模塊逐一進行了優化。

基于視覺圖像的目標跟蹤技術是，在目標快速移動、遮擋、目標形變、各類背景噪聲的影響下，實時、準確地實現目標跟蹤是現階段研究的難點,因而基于視覺圖像的目標跟蹤技術具有重要的理論和實際應用價值。視覺圖像和卡爾曼濾波相結合的移動目標跟蹤算法。在實施跟蹤前對目標圖像進行預處理以改善圖像質量,再通過運動目標檢測把目標從背景中提取出來,在此基礎上結合卡爾曼濾波預測估計目標的位置信息,利用目標形心實施跟蹤。視覺圖像和均值偏移相結合的移動目標跟蹤算法。針對均值偏移算法不能跟蹤快速目標的特點,采用均值偏移算法和卡爾曼濾波器相結合的算法,卡爾曼濾波器預測目標在本幀的可能位置,并利用均值偏移算法在該位置鄰域內搜索目標,從而實現對快速運動目標的良好跟蹤,且對受遮擋的目標具有很好的跟蹤能力。同時采用目標跟蹤窗口自適應調整的方法進一步改進均值偏移算法,以提高運動目標跟蹤的適應性和精度。均值偏移算法的基礎上,為了克服均值偏移算法缺乏必要的模型更新的缺點,將均值偏移算法擴展到連續圖像序列形成CamShift算法;采用CamShift算法結合卡爾曼濾波算法實現目標預測,再通過基于改進搜索窗口的搜索策略完成目標搜索,進而實現對移動目標的穩定快速跟蹤。視覺圖像和粒子濾波相結合的移動目標跟蹤算法。采用了目標位移和噪聲方差的自適應更新、目標模板更新的方法對粒子濾波方法加以改進,實現在目標被遮擋或者存在大量噪聲情況的跟蹤。為克服粒子濾波算法的退化現象和復雜的計算難度,將均值漂移嵌入到粒子濾波算法里面實現移動目標跟蹤,實驗結果表明,當目標快速運動、遮擋和背景噪聲干擾時,改進算法都能保證移動目標跟蹤的實時性和魯棒性。

圖像數據匹配算法：現將一目標物的圖像信息存儲到一個數據空間DA1,采用用2維數組的方式，來保存目標信息數據，二維數組是按照一定的排列規律經行的，首先是行數據，從0行的**個數據到0行的*后一個數據，然后是第2行、第N行、*后一行，目標的整體圖像信息就保存DA1二維數組中了。當需要跟蹤圖像目標或數據目標鎖定時，必須將一幀的圖像數據存儲到另外一個二維數組DA2中，存儲的方式與上述一樣。這樣兩個圖像數據都存儲到二維數組中了，然后利用DSP的高速處理進行兩個數組的數學矩陣減法計算，計算出*小的數值就認為是找到了目標物，查找的過程是以像素的方式進行的，從**個像素到*后一個像素。數值是可以調節的，只要適當的調節相似度（矩陣減法數結果）的數值的大小即可。

 圖像輪廓的提取在視覺圖像處理中由為重要，通過對事物的提取，可知它的幾何形狀，人類的眼睛對視覺圖像識別的形狀要快于抽象的文字識別。這是人類的本能，為此產生的視覺輪廓識別，有關于視覺圖像輪廓的識別算法有很多，大約10種左右。常見的 dft ,fft,sorber,拉普拉斯算法，快速拉普拉斯算法，之間存在N*LOG2N的線性比率關系。

核心算法思想：一幅圖像被看做成二維數組，每一個位置，都可以在數組中的二維位置一一對應，這樣在圖像的左上角，設定為A1（0,0）右下角AN(M,N)，一幅圖像的每個像素的位置，在數組中的位置是唯一的。也可知此圖像的像素數，即多少行，多少列。通過對循環逐一比較每一個像素點的數值，與設定的邊界像素值相減，此相減的差值，再與設定的*大值比較，如果滿足條件，認為是邊界，在用不同的方式，只區別與原圖像的顯示方式，便可以區分原圖像，還是圖像輪廓的邊緣。如圖27所示。

圖27 圖像灰度值對應的輪廓邊緣示意圖

從圖6.1可知，當進行行掃描時，**行的像素值180，如果設定的邊界像素值為200，那么**行的像素值是 -20 、-20、-20、-20、-20 ，第二行的像素值為 -20、80、80、80、-20 ，第三行的像素值為-20、80、80、80-20，*后一行的數值為-20、-20、80、-20、-20，，再進行下一步的數據處理，小于零的像素值為0，大于零的像素值為1，相鄰為1的像素值，就是要找的圖像信息。此種方式的數據處理稱之為二值化數據處理，如圖28所示。

圖28 圖像閥值對應的輪廓邊緣示意圖

接下來是輪廓處理函數，一個輪廓*小單元函數是三行三列，共計9個元素。如圖4.6所示，每次從圖像的開始端逐一比較，首先是比較中心的像素點，且規定為0點（0,0），相當于坐標軸的零點，Y軸（0,1）與（0，-1），X軸（-1,0）與（1，0），先進行比較的是中心點（0,0）與X軸上的（-1,0）點，相等為真，不等為假，并且保存此數值。接下來是中心點與X軸的（1，0）比較。相等是真，不等是假。然后是坐標點（-1，-1）,處理的方式相同。順序的處理坐標點（0,1）、（1，1）、（-1,0）、（-1，-1）、（0，-1）、（1,1），這個中心點的坐標被賦予變量，即圖像幀的每一個像素點。通過循環下去，直到整幅圖像的*后的一個像素點。這樣一個輪廓處理函數就實現了。

圖29 圖像閥值對應的圖像提取示意圖

5.3.3.4數據傳輸系統設計

根據本系統的特點，數據傳輸載體是采用利用純度極高的玻璃拉制成極細的光導纖維作為傳輸媒介，通過光電變換，用光來傳輸信息的通信系統。光纖通信系統的組成：光發信機、光收信機、光纖或光纜。

（1）光發信機：光發信機是實現電/光轉換的光端機。它由光源、驅動器和調制器組成。其功能是將來自于電端機的電信號對光源發出的光波進行調制，成為已調光波，然后再將已調的光信號耦合到光纖或光纜去傳輸。電端機就是常規的電子通信設備。

（2）光收信機：光收信機是實現光/電轉換的光端機。它由光檢測器和光放大器組成。其功能是將光纖或光纜傳輸來的光信號，經光檢測器轉變為電信號，然后，再將這微弱的電信號經放大電路放大到足夠的電平，送到接收端的電端汲去。

（3）光纖或光纜：光纖或光纜構成光的傳輸通路。其功能是將發信端發出的已調光信號，經過光纖或光纜的遠距離傳輸后，耦合到收信端的光檢測器上去，完成傳送信息任務。

（4）中繼器：中繼器由光檢測器、光源和判決再生電路組成。它的作用有兩個：一個是補償光信號在光纖中傳輸時受到的衰減；另一個是對波形失真的脈沖近行政性。

（5）光纖連接器、耦合器等無源器件：由于光纖或光纜的長度受光纖拉制工藝和光纜施工條件的限制，且光纖的拉制長度也是有限度的（如1Km)。

光纖通信系統采用直接檢波系統。直接檢波系統就是在發送端直接把信號調制到光波上，而在接收端用光電檢波管直接把被調治的光波檢波為原信號的系統。電端機就是一般電信號設備，例如載波機或圖象發送與接受設備等。光端機則是把電信號轉變為光信號（發送光端機），或把光信號轉變為電信號（接收光端機）的設備。發送光端機的作用是將發送的電信號進行處理，加在半導體激光器上，使電信號調制光波，然后將此已調制光波送入光導纖維。已調制光波經光導纖維傳送至接收光端機的半導體光電管上檢波。檢波后得到的電信號經過適當處理再送接受電端機，然后按一般電信號處理。這就是整個光纖通信的過程。這個過程和一般無線電通信過程是十分相似的。當然光線通信的空間傳輸手段是光導纖維，這與一般無線電通信在空間傳輸電波的情況是不同的。

直接檢波系統的基本優點是構成簡單，就當前光波技術水平來講現實可行。同時由于光波頻率極高，在這樣系統上傳送上萬路電話，幾十路電視并不困難，完全可以滿足目前通信的需要。因此直接檢波系統是光纖通信當前較多采用的形式。

圖30 光纖通信系統的組成

本系統的光源為銦鎵砷磷半導體激光器，單模光纖工作波長為1.55um，稱為長波系統。傳輸速率在2.4~2.5Gb/S，中繼距離可達100Km左右。1.30um和1.55um合用，即單模光纖具有二個工作波長窗口，因此傳輸速率可達到10Gb/S,傳輸距離為100－200Km左右。此代通信系統又稱相干光纖通信系統，它是利用激光的相干性，將無線通信中采用的“外差”或“容差”接收和先進的調幅鍵控制，相移鍵控制，頻移鍵控制等應用到光纖通信系統中，光弧子通信系統，它是利用光纖的非線性進行超大容量，超常距離的通信方式。光弧子（Soli ton），又稱光弧粒子，它是一種特殊的波，在經過長距離傳輸后，仍保持波形不失真，而且，即使兩側光弧子波相互碰撞后，依然保持各自原來的形狀不變?；∽拥母拍?，首先在流體力學中提到，光弧子是一種非常窄，并具有很強地光脈沖。光弧子的存在是光纖速度色和自位調制平衡的結果，它的產生是由于在單模光纖中，當光的強度增加到一定程度時，將出現非線性效應。光弧子脈沖很窄，達0.2ps，因此，可實現大容量長距離的通信。

5.3.3.5控制指揮中心設計

遠程控制指揮中心分別由遠程監視系統、遠程控制系統組成，遠程控制指揮中心負責總監視與總調度與總控制工作。硬件組成：遠程控制指揮中心總服務器、總電視墻、遠程監視系統服務器、遠程控制系統服務器、通訊服務器。軟件系統：是基于UNIX為操作系統平臺，網絡化、智能化整體安防系統軟件平臺。主要完成，網絡整體工作的智能戰略規劃與監督。接收和處理發回的圖像，進行處理和識別，發現可疑目標，自主識別，發出警報，通知操控人員識別，接收命令。

主要通過高性能計算機對傳輸回來的信息與系統中的數據進行比對，對可疑目標進行識別與比對，通過接受可疑目標發出信息進行判別，確定可疑目標，發出報警信息，接受操控人員的信息。

前端設備具有一定的自主識別能力，對人的運動，四肢的運動具有一定的識別能力，根據人的運動判斷人的友好與否，識別人身上自動識別信號。n米內人的運動狀態可分析其靜止，走動，跑動，自動鎖定運動的目標。

對有威脅的目標，發送相關的圖片給中央處理器并給出預警，中央處理器對照片進行二次識別，判斷，中央控制系統會根據數據庫中的背景資料，氣候特征，近期的背景變化等資料對預警給出自動識別，發出警報給值班控制人員，控制人員給出指令給中控系統，

圖31 紅外圖像觀測樣圖

視覺圖像處理系統負責視覺圖像信息的處理工作，主要包括可疑目標物的識別，與可疑目標物的鎖定?？梢赡繕宋锇▎文繕伺c多目標，目標物的位置與狀態。視覺圖像處理系統的硬件組成包括：嵌入式圖像處理設備、嵌入式控制系統。

嵌入式圖像設備是由多片高速數字DSP圖像處理芯片，組成的多核并行處理器。

并行處理器的體系架構保障了圖像處理的實時性，為圖像處理復雜的軟件算法運行奠定了良好的基礎。軟件資源匯集了大量的圖形與圖像算法。

圖32遠程指揮系統的數據交互原理圖

5.3.3.5.1遠程監視系統

遠程監視系統是由N個遠程監視系統組成，每個監視系統負責相關的本區的設備實時工作狀態，及工作場景，并將信息傳送給指揮中心。

遠程監視系統硬件組成：集群監視系統數據服務器、N個單機監視器、監視通訊設備等。

軟件系統：智能化監視軟件系統，主要功能：提供給本目標，所管轄區域的信息（地理信息、其他信息）、 數據智能存儲與分析、實時通訊等等。

5.3.3.5.2遠程控制系統

遠程控制系統也是由N個遠程控制系統組成，每個遠程控制單機系統只負責所屬的設備各種運動動作，單一個體工作狀態信息傳送反饋給遠程控制系統。

遠程控制系統硬件組成：控制系統數據服務器、N個單機控制器、通訊控制設備等。

軟件系統：科學化、智能化控制軟件系統，主要功能：遠程操縱提本目標各設備作各種動作，實時與總控中心通訊，傳遞詳細實時信息。

6技術優勢及關鍵技術

6.1掃描速度快

由于光學系統采用像方掃描技術，光學系統可以滿足高空間分辨率的狀態下，實現大視場的搜索，系統采用光學積分穩像技術，可以消除系統在高速搜索狀態下引起的拖尾及模糊問題。相比與傳統光學成像系統具有空間分辨率高、搜索視場大、光學系統口徑大、掃描快等優勢。采用積分穩像技術系統360°掃描時間為幾秒鐘，相比傳統搜索系統的幾分鐘時效性有了質的飛越。

6.2探測距離遠

由于光學系統采用像方掃描技術，光學系統在保證大口徑、大視場的基礎上，系統空間分辨率高。根據目標的探測距離公式，光學系統孔徑及空間分辨率的增高，對作用距離的增加影響非常大。相比與傳統光學系統光學探測距離能夠提高15%-30%。

6.3智能識別及報警功能

市場現有邊防視頻監控系統只有30%左右的產品具備智能識別報警功能，具備智能識別功能的產品中70%以上集中在可見光視頻通道。由于可見光視頻分辨率高，有利于軟件的識別分析。紅外系統具備部分識別分析功能，其中大部分分析集中在前端圖像處理，此項處理技術對前端探測器采集數字信號進行分析，對一且高熱信號進行報警，系統誤報率極高。研究所研制光學系統基于后臺軟件的分析處理，分析系統通過對目標特性、目標運動特性、目標行為特性、干擾目標特性等多種規則進行目標識別。排除干擾目標。此項技術大大提高了系統的誤報率，一般應用過程中系統誤報率可以控制在5%以內。

6.4自動鎖定及跟蹤功能

視覺巡邏機械人具備目標識別功能，確認入侵目標后系統會自動鎖定目標。分析系統通過對入侵目標的運動特性進行判斷，對目標進行跟蹤。穩像平臺保證系統在跟蹤運動過程中目標穩定成像。圖像分析系統為防衛、告警系統提供精確的定位信息及目標鎖定、打擊圖像。

6.5自動巡航功能

    巡邏機械人可以實現在特殊地形條件下，實現全天時、全天候自動巡航、無供電及補給下續航時間超過24小時。系統可以適應涉水路面、砂石陡坡山路、覆雪路面等多種特殊地形。

6.6像方掃描技術

傳統物方掃描技術與像方掃描技術如圖所示。

圖33 物方掃描示意圖

圖34 像方掃描原理示意圖（轉動掃描）

由圖33可知，物方掃描光學系統光機結構主要由小視場大口徑的紅外相機及其伺服機構組成，其工作原理是采用直接掃描物體的方式，紅外相機在伺服系統的控制作用下，即以紅外相機長度作為回轉半徑，將目標輻射的信息經過大氣傳輸后被探測器所接收，完成遠距離不同方位角度目標的搜索與跟蹤。

圖34 為像方掃描原理示意圖，由大視場大孔徑成像鏡組、小視場成像鏡組及其伺服機構組成。大視場大孔徑的成像鏡組拾取遠距離的目標信息，并按照一定的成像倍率，清晰成像在一次像面上，小視場成像鏡組在伺服機構的控制下直接掃描一次成像面，*終將目標信息匯聚到探測器上，完成遠距離弱目標的搜索與跟蹤。

為了進一步優化結構和空間布局，實現快速搜索和穩像，新型像方掃描機構形式如圖35所示。

圖35 新型基于像方掃描原理的光機結構（平動掃描）

由圖3可知，新型像方掃描光機結構主要由大視場望遠鏡組、擺鏡及其控制系統、小視場成像鏡組、幀內消旋機構及探測器組件組成，相對于轉動掃描方式，平動掃描形式具有體積小，掃描速度更快及穩像功能，結構簡單更有利于系統共形設計。

相比常規鏡頭像方掃描設計可實現大視場、大口徑、高空間分辨率、超遠距離探測、窗口共形化設計、結構小型化設計。

6.7積分穩像技術

該技術的作用是在探測器積分時間內保持光軸指向穩定，達到消除由于載體姿態變化、系統搜索運動引起的圖像模糊的目的，提高紅外圖像的信噪比，增大系統的搜索距離。

對于連續掃描成像光學系統，探測器任意積分時間內，目標和背景圖像的光線與探測器像面之間都有相對運動速度，這將造成探測器像面上圖像的光強在積分時間內分布面積變大，對比度降低，目標和背景的信噪比嚴重下降，影響掃描成像時的目標識別率。

階躍式成像技術是當光機掃描裝置到達給定位置時，在探測器積分時間內，保證光機系統光軸穩定，在該穩定狀態下進行成像；而在兩個給定位置之間，通過掃描裝置帶動，實現快速、精確光軸定位。此方法即保證了不同視場角下圖像的準確拼接，又能保證光機系統的清晰成像。

圖36所示為階躍式成像方法的擺鏡擺角位移控制曲線示意。在探測器積分時間內，擺鏡的法線角不隨電機轉動而變化，此時探測器工作，獲取單幅紅外圖像，獲取全部視場角的圖像后，通過圖像處理軟件進行拼接。

圖36階躍式成像方法的擺鏡擺角位移控制曲線示意圖

利用該技術以在不犧牲探測器幀頻的情況下，可實現小面陣紅外探測器的高分辨率成像。