1概述

随着科技的进步，人类社会正在从工业时代向信息时代、数字时代过渡。一场以信息化、数字化为核心的世界性军事变革也正在向纵深发展。随着我国对外贸易扩大，出入境人员增多，近些年周边国家恐怖活动比较猖撅，反恐怖斗争形势更加严峻，防止出入境人员偷运武器、非法交易、走私毒品、恐怖分子潜入潜出己成为边防部队的重要任务。为了能快速推进我国边防“跨越式”发展，提高边防武装力量的整体战斗力，在新形势下，面对国内外各种影响边防稳定的不利因素，我国当前要集中力量搞好边防一线、边境检查站的监控系统，边防线的早期侦察、预警探测、指挥控制信息网络和信息系统建设，提高边防部队用高科技手段管边控边的能力，这对于维护好国家的稳定和经济建设的大好局面具有十分重要的意义。

边防电子视频监控系统是边防数字化、信息化建设的重要一步，边防电子视频监控系统构建了祖国边防线的数字视频长城，有效的保证全天时、全天候无死角对祖国边防线的全程监控，边防电子视频监控系统可以及早的发现危机祖国安全的因素，为边防人员处理危机提供宝贵的时间。边防电子视频监控系统主要完成对空中及地面远距离入侵目标进行侦查、预警，对近距离入侵人员、车辆等地面目标进行搜索、跟踪，地面巡逻机械人对入侵人员进行干预，对非法闯入目标进行警告、眩目、毁伤打击等措施。从空中到地面构建了一张立体的数字视频防护网，有效的保护了祖国的安全。

2国内外边防发展现状

边防是国防不可分割的重要组成部分，是国家有效行使主权和维护安全而采取的必要形式，是国防政策、军事战略、外交政策和军队建设的重要体现。传统的边防监控多以人工监控的方式进行，例如军人站岗，潜伏、监视、巡逻等。

2.1国内边防发展现状

    我国边防监控系统的开发比较晚，目前只在重要方向的部分重点边防部队建设了监控设施。官兵只需通过监控设施便可对边境重点地段实施全天候监控，有效解决了边防官兵依靠徒步、乘马、乘车方式巡逻来管边控边的问题，在很大程度上提高了边防官兵的工作效率。如某部建成的监控系统，该系统在重点地段、管控难点地段、观察死角建起了无人值守瞭望塔，每个塔上均架设有摄像机及云台、视频服务器、无线传输系统、太阳能供电系统等，系统可实现辖区全天候可视监控。监控中心可以远程控制各隙望塔上摄像机焦距的调整和云台的运动，可同时观察多个监控点的现场实时图像。为了防止人畜越界和恐怖分子潜入潜出，加强边境管理，提高边防部队的战斗力，有的边防部队目前拟建边防监控系统。该系统主要由边情感知系统、防越界报警系统等组成，系统使用嵌入式视频监控平台，可实现对几十个边防远端的视频监控。其边情感知系统主要由监控设施、雷达、红外/微光夜视仪、信息网等组成。防越界报警系统主要由光纤探测报警及高压脉冲报警系统组成。当发生人员非法越境时，人员触发报警器，报警器可迅速将报警信号通过有线或无线信道传输到信息监控中心，然后通过网络将信号转发至各级指挥机关。该系统的建成，将较好地解决边界重点、难点地段的管控问题，为首长及时掌握边防动态，实施有效指挥提供实时现场信息。但纵观我国边防监控系统的现状，我边防监控系统配套还不完善，监控设备还不能对边防实施大范围、多点位和全天候监控。在对边境的管理上，很大程度还依赖边防官兵的执勤、巡逻来进行，各边防部队运用科技手段来管边控边的方法、手段还不多，创新还不够。因此，边防监控设备的开发和应用前景十分广阔

2.2国外边防发展现状

美国为了防止人员偷渡，在其边境安装了一定数量的报警器，如光纤报警器、微波报警器、高压脉冲报警器等，这些报警手段在边境管控中发挥着重要作用。光纤报警。将光纤及光纤传感器架设在边境铁丝网上，当人员翻越铁丝网时，光纤传感器接收到信号，将信号传至报警控制中心，主控机就能发出报警信号，实现报警。该系统主要的优势在于，仅利用光纤本身而不需要其它硬件就能达到几十公里以上的传输距离。微波报警。当人员抵边进入由多台微波对射探测器形成的微波墙时，微波场受到干扰，主控机就能发出报警信号。高压脉冲报警。当越界人员触摸在边境铁丝网上的高压脉冲时，脉冲电流对人员实施电击，传输线将信号传输到网络终端上，主控机就能发出报警信号，实现报警。9.11事件后，美国决定投入巨资加强边境管理。计划研制、开发、建设部分监控设施用来监控美墨、美加长约一万多公里的边界。装备当中包括大量技术先进的摄像机和感应器，这些装备将用以侦测边境越界的非法边民。澳大利亚开发的光纤传感技术，不但可以将光纤作为传感器，而且还具有精确定位功能。其定位精度可达100米。传感光纤采用4一6芯单膜高性能光纤，其引导光纤采用同样的单膜光纤。当外界干扰影响到光纤时，光信号的部分特性就会改变，通过配置专门的感测仪表就能监测使光的特性(如衰减、相位、波长、极化、模场分布和传播时间)发生变化的干扰。

3系统功能

边防电子视频监控系统是未来国防安全体系的重要一部分，在未来的国家安全方面将发挥越来越重要的作用。边防电子视频监控系统在边防安全方面主要有以下几方面的作用。

1）侦查预警功能：对远距离空中、地面目标的早期侦查、预警；

2）边防线安防监控功能：全天时、全天候无死角对地面入侵人员、车辆等目标进行监控；

3）边防线越境报警功能：非法入侵目标强行越过边防线报警功能；

4）边境检查站、哨所及岗哨的安全防护功能：负责边境检查、哨所及岗哨周边的安全监控工作，对异常目标进行定位跟踪；

5）证据采集功能：对非法入侵或从事非法活动的行为可以采集高清视频证据，并能实时存储；

6）自动巡逻功能：可以在固定线路或指定区域进行自动巡逻，或在后台操纵下完成极特殊区域巡逻；

7）危机险情处理功能：对边防战士有重大伤害或有可能引起正面冲突的事件可以通过巡逻机械人解决，避免人员伤亡及避免正面冲突；

8）主动攻击功能：巡逻机械人配备声光告警设备、炫目武器、毁伤性武器等对入侵目标进行有效恫吓，不听警告着通过炫目器使其丧失攻击能力，对持有非法武器且强行入侵目标可通过毁伤性武器对目标进行有效打击；

9）自主防卫功能：系统配备激光武器可对低空巡航导弹进行有效拦截，并能摧毁对地面车辆和坦克等大型目标；

10）目标定位功能：系统具备卫星定位、运动定位、距离测定等功能，可以对入侵目标进行定位，为后台控制人员提供准确的目标信息，为后续有效控制、打击目标节省宝贵时间；

11）边卡、哨所安防监控功能：主要边卡、哨所具备出入口管理系统、门禁管理系统、车牌识别系统、人脸识别系统辅助安检人员进行检查，对非法人员、车辆及行为进行报警；

12）国家安全早期预警功能：系统对已对边境周边对侵略或威胁国家安全的行为早期预警；

13）非法贸易活动监控功能：对边境从事非法贸易及其他活动团体进行有效监控；

4系统组成及工作原理

4.1系统组成

边防电子视频监控系统主要由浮空预警平台、光电探测系统、视觉巡逻机械人、激光武器系统、边卡、哨所安防监控系统几部分组成。边防电子视频监系统组成图如图1所示。

图1系统方案图

浮空预警平台可是实现较大面积的监控，布置在距离边防线一定距离的地区，实现对边防线及远距离无死角的监控。浮空预警平台可以实现远距离空中及地面目标的侦查，并为地面系统提供准确的预警信息。

边海防智能分析视频监控系统均布在边防沿线，实现边防线无死角监控，边海防智能分析视频监控系统采用像方扫描和积分稳像原理进行设计，实现了监控系统保证较高空间分析率的情况下快速扫描，同时大大降低了系统重量。

视觉巡逻机械人布置在边防沿线，视觉机械人可适应较复杂山地路况，并能实现多种光谱的目标探测，环境适应性极强，系统配备声光告警设备、激光炫目器、毁伤性武器，视觉巡逻机械人具备恫吓、打击、毁伤功能。

激光武器布置在主要的观察哨所及交通要道，实现对闯入目标的软损伤或直接摧毁目标。

边卡、哨所安防监控系统由安防监控摄像头、出入口管理系统、门禁管理系统、车牌识别系统、人脸识别系统几部分组成，可以协助安检人员对人员、货物及车辆进行检查，对非法人员、车辆及异常行为进行报警。

4.2工作原理

边防电子视频监控系统控制浮空预警平台、边海防智能分析视频监控系统、边卡、哨所安防监控系统，时时采集前端不同波段视频图像，对视频图像进行分析，对入侵、越境、闯关目标进行报警，并给视觉巡逻机器人及激光武器系统发出指令，对危险目标进行有效拦截。系统原理图如图2所示。

图2系统原理图

5总体方案设计

根据系统总体指标及功能要求，****主要由视觉巡逻机械人、边防视频监控系统、浮空预警平台、激光武器系统几部分组成。根据系统要求分部分方案设计如下。

5.1视觉巡逻机械人方案设计

视觉巡逻机械人能够实现对固定区域及线路的巡逻，视觉系统可以时时提供前端监控图像，后台控制人员根据时时图像操控机械人进行巡逻，视觉系统有可见光及红外两部分组成，可实现全天候的工作。视觉巡逻机械人可以完成对可以人员的发现、识别及跟踪，同时系统配备激光炫目等攻击武器完成对非法入侵人员的非致命打击，同时协助防卫人员完成对极特殊和极危险区域的搜索。

5.1.1视觉巡逻机械人功能

视觉巡逻机械人在系统中发挥着至关重要的作用，视觉巡逻机械人可以替代执勤人员完成高强度、高危险的巡逻任务，并能对巡逻区域内危险目标进行自动报警、跟踪等功能。视觉巡逻机械人具体功能如下所示。

1）自主巡逻功能：在操作人员控制下完成对固定区域自主巡逻。

2）稳像功能：在特殊地形及颠簸情况下可以完成对目标的搜索跟踪，能够有效的消除武器系统在打击目标过程中带来的震动。

3）激光眩目功能：可以对一公里外人员进行激光眩目，对目标进行有效打击。

4）防卫功能：可以对攻击目标进行有效自卫，同时对危险目标进行有效打击。

5）声光告警功能：系统在发现、识别、确认危险目标后通过声光告警，对危险目标

5）测距功能：可以对探测到危险目标进行精确测距。

6）定位功能：可以根据自身的位置信息及角度反馈系统信息，精确定位入侵目标位置信息。

7）自动识别目标功能：可对监控范围内危险目标进行自动识别，排除疑似干扰目标。

8）自动跟踪瞄准功能：在监控范围内发现目标后可对目标进行自动跟踪，并且同时完成武器系统对危险目标的瞄准。

9）通讯功能：可以完成对前端视觉图像及位置信息进行时时回传，同时将后台控制信号传输到前端。

10）录像存储功能：可以完成对危险目标及特殊条件下视频图像的采集。

11）供电：系统可以实现24小时内无供电自主巡航。

12）特殊地形适应功能：可以在平地、山地陡坡、涉水路面等路面进行巡逻。

13）全天时全天候工作功能：可以完成全天时及特殊天气下自主巡航。

14）自主导航及避障功能：自主导航且能躲避行进过程中遇到的障碍物。

15）具备360°（水平）无死角视频监控能力及可疑目标自动识别能力；

5.1.2视觉巡逻机械人系统组成及工作原理

5.1.2.1视觉巡逻机械人系统组成

视觉巡逻机械人可以独立完成对监控区域的巡逻，并可以探测、识别疑似目标，并对目标进行跟踪。视觉巡逻机械人由运动控制系统、视觉传感系统、防卫系统、通讯传输系统几部分组成。视觉巡逻机械人系统图如图3所示。

运动控制系统由运载机械人和二位运动稳像平台两部分组成，运动控制系统的作用是快速机动的完成对目标的搜索、跟踪。

视觉传感系统由可见光图像采集系统和、外图像采集系统和红外照明补光系统组成。视觉传感系统可以全天候、全天时工作，为后台提供清晰的可见光和红外图像，并为防卫系统提供精确的目标特征信息及位置信息。

防卫系统由激光炫目系统及常规武器系统，配合视觉传感系统可以完成对入侵目标恫吓及精确打击。

通讯传输系统主要作用是将前端图像信息传输到后台，并将控制信号时时传输到前端。

5.1.2.2视觉巡逻机械人工作原理

视觉巡逻机械人可以对特殊地形区域进行大范围机动搜索。视觉巡逻机械人在控制系统的配合下完成对目标区域360°无死角视觉图像的采集工作，通讯传输系统将前端图像信息传输到后台，后台操作人员根据视觉图像及其他综合信息，通过通讯传输系统将控制信息传输到前端，控制视觉巡逻机械人对特定区域进行巡逻，视觉巡逻机械人搜索过程中可以对入侵目标进行识别、跟踪，配合后台操作人员*终完成目标的锁定及打击。

5.1.3关键部件实施及技术分析

5.1.3.1视觉传感系统

视觉传感系统是机器人巡逻机获取外部环境信息的*主要部分，机器人巡逻机要实现正常的巡逻、识别、寻迹等工作，其视觉系统就必须具有较高的探测性能。由此可见，视觉系统是机器人巡逻机研究中的关键技术之一。视觉传感系统为机器人巡逻提供全天候、360°全景的监控/巡查功能，且满足瞄准精度要求；

视觉传感系统包括可见光成像系统、红外成像系统以及近红外照明系统。

可见光成像系统属于主动照明系统。系统是通过对目标反射光成像，其成像图像符合人眼观察，图像含有丰富的细节信息；但其成像易受天气的影响，在烟雾和低照度情况下会丢失许多场景信息，不能全天候工作，尤其是对于目标与背景颜色差异较小的情况下，容易丢失目标。

红外成像系统属于主动成像系统。系统是对物体自身发出的红外热辐射成像，因而能够主动地获取场景中的目标信息，并且不受外部伪装的影响、能够很好地显示隐藏的热目标，成像条件受恶劣天气的影响较小；但是，受红外成像原理的限制，获取的红外图像对比度较低，对目标细节的反映能力相对不高。

通常可见光探测器响应波段可达近红外，在可见光系统设计时将其工作波段拓展到近红外，通过配备近红外照明系统，可使可见光成像系统在低照度的夜幕及夜间工作。

因此，将可见光成像系统、红外成像系统以及近红外照明系统同时应用在机器人巡逻机上，可以相互弥补可见光与红外在探测识别中的不足，充分发挥可见光与红外的优势，使成像系统对目标的识别满足全天候工作的需求，提高系统的探测侦察能力。

图4、图5为红外系统对不同目标的成像情况；图6、图7为可见光系统对不同目标的成像情况。

图4 红外成像图（楼宇）

图5 红外成像图（车辆&人物）

图6 可见光成像图（楼宇）

图7可见光成像图（车辆&人物）

a. 光学系统参数分析

光学成像系统的视场决定机器人巡逻机的监控范围与巡逻效率，而成像系统的视场取决于系统对目标成像的分辨率与成像器件的性能参数。根据图像处理中对目标识别能力的要求，目标成像满足5×5个像素时，系统成功捕获目标的概率可达90%。对于1000m距离下探测身高为1.7m的人体目标时，要求系统角分辨率小于1.7mrad。为了使机器人能够更好的满足探测且识别目标的功能，应适当增加目标成像到探测器上的像元数，但目标成像像元数的增加又会降低光学成像系统的视场角。因此，对于不同类型的探测器，目标成像的像元数与视场会有所区别。

红外成像系统中成像器件的分辨率较低，目前使用的长波非制冷红外探测器的分辨率*高为640×512，像元尺寸15μm。对1000m距离下1.7m目标成像分辨率为10×10时，可计算得到红外成像系统的焦距约为124mm，视场为4.43°×3.55°（水平×垂直）。图8为红外成像系统外形图。

图8 红外成像系统

可见光成像系统中可选探测器类型较多（如CCD、CMOS），且各CCD的分辨率较高、像元尺寸小，根据对目标细节的分辨能力的需求可适当增加要识别目标的成像像元数。可见光成系统中采用像素为1400×1024的CCD，像素尺寸为7.4μm。对1000m距离下1.7m目标成像分辨率为10×10时，系统焦距为43.53时，视场为13.57°×9.94°（水平×垂直）。系统*终采用25mm-300mm联系变焦镜头，完全可以实现大视场目标搜索，小视场目标的识别功能。图9为可见光成像系统外形图， 

图9 可见光成像系统

由以上分析计算结果可得，单套成像系统的视场角无法满足机器人巡逻机360°监控的工作条件，因此系统需要二维运动结构完成对半径1km范围内的搜索，水平360°转动可以完成全方位的搜索，俯仰运动可以实现1km半径内所有搜索区域的覆盖，因此可以通过360°二维云台可以实现对目标区域的搜索，实现视觉机器人的全景监控。

b. 光学系统精度分析

当机器人巡逻机需要对识别目标进行攻击时，要求其攻击行为准确、有效红红外成像系统的焦距为124mm时，系统角分辨率为0.12mrad。同样，当可见光成像系统的焦距为300mm时，系统角分辨率为0.024mrad。因此，利用红外成像系统、可见光成像系统对目标进行瞄准，能够使攻击行为准确、有效，实现真正意义上的攻击。

c. 光学积分稳像技术分析

凝视型长波非制冷红外探测器积分时间较长，约10ms左右，其在探测成像过程中，由于外界或自身的各种干扰，导致探测器在曝光时间内，目标像在焦平面上存在相对运动，导致所获取的图像的不清晰（拖尾、模糊等），严重影响图像信息的有效利用，进而影响对目标的跟踪识别。为了得到高分辨的图像，在成像系统设计时采用积分稳像技术，以补偿或消除像移对成像的影响。

积分稳像技术是在光路中设置运动元件，根据外部运动信息控制该元件的相对运动，确保在积分时间内，探测器对目标稳定成像。我所采用帧内反扫阶跃式成像技术实现积分稳像，介绍如下：

帧内反扫阶跃式成像技术的作用是在探测器积分时间内保持光轴指向稳定，达到消除由于载体姿态变化、系统搜索运动引起的图像模糊的目的，提高红外图像的信噪比和分辨能力。

阶跃式成像技术通过陀螺仪获得载体姿态变化、通过控制系统内部通讯获得系统搜索运动过程中光轴指向变化，在探测器积分时间内，由光机扫描装置反向补偿，保证系统光轴指向稳定；在两个积分时间内，光机扫描装置快速复位，准备在下一个积分时间内继续保证光轴指向稳定。该技术能够使系统获得在光轴指向高速运动过程中清晰成像的功能。

图10 扫描镜组示意图

    图11所示为阶跃式成像方法的光轴指向和光机扫描装置控制曲线示意。在探测器积分时间内，光机扫描装置随载体姿态运动，消除光轴抖动，此时探测器工作，获取单幅图像；在探测器非积分时间内，光机扫描装置回复零位，准备下一个积分时间内的运动。

图11 阶跃式成像方法的摆镜摆角位移控制曲线示意图

    图中红色线段为光轴扫描情况，绿色线段为光机扫描装置运动情况，黄色线为实际光轴运动情况。

5.1.3.2运动控制系统

    运动控制系统由履带式移动机械人和稳像平台控制系统组成，履带式移动机器人具有较强越野机动性和非结构环境通过性能。履带式移动机器人被广泛的应用于废墟搜救、煤矿搜救、战场作战等非结构环境和星球探测、极地探测等极限环境。履带式移动机器人比较轮式移动机器人有以下几个特点：

(1)撑面积大、接地比压小、滚动阻尼小、通过性比较好。

(2)越野机动性能好，爬坡越沟等性能均优于轮式结构。

(3)履带支撑面上有履齿不打滑，牵引附着性能好。

(4)结构较复杂，重量大，运动惯性大，转向不如轮式灵活。

无人巡检机器人要求适应野外水泥及柏油地面、土路、卵石、草地、雪地、泥地、沙漠、沙石地等全路况，所以需要机器人具有更强的多地形自适应越野能力、生存能力、环境感知及相应的运动规划能力等；另外巡检机器人需要*大爬坡45°，涉水深度200mm，越障高度300mm。综合轮式和履带式机器人的优缺点，并结合对巡检机器人的使用要求，所以设计的无人巡检机器人使用双履带式。其外形如图1所示，不同地形适应图如图12、13、14、15所示。这种结构即有履带式机器人的优点，同时转向灵活。前进、后退运动方便。

履带式机械人技术优势：

(1) 双履带式巡检机器人底盘其履带为橡胶履带或胶皮履带，能满足全路况要求，车体轻，行驶灵活，履带寿命长（橡胶履带5年以上；胶皮履带10年以上），耗电量少，无噪音，行驶平稳，转向灵活，能无级调速。

(2) 电池组及整个电气系统使用温度可达零下40℃以下。电池可快速充电，可大电流放电，可支持大电流放电设备。

(3) 电机采用轮毂式变频电机，占用空间小，峰值功率是额定功率的三倍。

(4) 巡检机器人底盘采用四轮驱动，能原地360°转向。

(5) 所使用的变频电机使用效率能达到95%～98%，无热损耗，长时间使用电机不热，寿命长，是普通电机的3倍（大约15年）。

(6) 可编程控制系统，可与CAN总线及其他总线均可对接，系统能自动检测，故障报错并可控。

(7) 整个巡检机器人系统暂采用单向阻尼稳定，实验室有能力实现双向阻尼稳定，这样可以使载物平台工作更加稳定，即使机器人在运动过程中对目标也可以实现精确瞄准。

5.1.3.4防卫、告警技术分析

防卫、告警系统主要由武器攻击设备、声光告警设备组成。当视觉传感系统对入侵目标进行报警后，系统锁定跟踪目标。告警系统通过声光告警的方式对入侵人员进行警告、恫吓，驱离入侵人员。对有危险的危险目标且不听劝阻的人员进行激光眩目，采用人眼*为敏感的532nm绿激光对入侵人员进行炫目打击，激光炫目器不仅在低亮环境下照亮数英里之外的物体，还能实现警示远距离之内的潜在目标和控制大片人群的目的。照射眼睛时能使眼睛短暂性失明、并感到眩晕，从而快速制敌而不伤害人身生命。激光眩目器具有携带方便、隐蔽，快速制敌而不伤害人体生命等优点。上述制止方式均无效的情况下，系统通过搭载的远程杀伤性武器系统对入侵目标进行打击，*终使入侵目标放弃入侵。同时防卫系统可以有效的保障自身设备免受破坏分子的攻击。

系统搭载的远距离武器系统射程在500m以内，能够对1000m外目标进行警告、恫吓。

告警系统配备的音响及喊话设备功率足够大，覆盖距离在1000m以上，保证在一定环境干扰状态下，1000m外入侵目标可以接收到告警信息。

激光眩目系统可以对在500m内目标进行眩目，眩目光斑300mm以上，系统能够对1000m左右目标进行光电指示，且能对入侵目标进行有效干扰。激光眩目器如图16所示。

5.1.3.5目标定位技术分析

系统定位由视觉机械人经纬度信息、海拔高度信息、测距系统测试距离信息、搜索结构的角度信息进行分析计算，同时匹配地图信息。对入侵目标进行精确的定位，同时输出入侵目标的经纬度信息，并能在地图上标记入侵目标信息，将标记入侵目标地图信息回传给控制中心，控制中心可以根据回传信息对入侵行为采取有效的制止措施。

5.1.3.6自动识别技术分析

视觉传感系统采集监控区域内的目标信息，通过预先设定的目标行为判断规则，对发现目标进行有效识别，对入侵的动物通过目标特性及行为特性进行判断，对干扰目标进行排除。识别系统抗对自然干扰能力很强，可以对植物晃动、风干扰、太阳干扰进行有效排除。有效的降低系统的误报率。大大减轻了后台监控系统的人员劳动强度。

5.1.3.7跟踪瞄准技术分析

识别系统确定入侵危险目标后，进行自动跟踪，识别系统根据入侵目标的运动特性进行定位，同时对目标的运动行为进行预判，给搜索稳像平台位置信息，从而对入侵目标进行精确跟踪。

视觉传感系统将目标锁定后，通过目标几何特征信息，给武器系统提供精确的瞄准信息。视觉传感系统为变焦系统，可以为瞄准系统提供精度较高的图像信息，能够保证在1000m外，光学定位偏差小于100mm。配合稳像系统、结构位置定位系统、环境干扰控制系统、武器火控系统完成对一定距离目标的精确打击。

5.1.3.8通讯技术分析

视觉机械人主要依靠无线系统对后台控制信号、前端视频信号进行传输，前端主要有红外及可见光视频信息进行传输，数据采集处理系统对视频图像进行编解码，同时对数字信号进行压缩，*终信息可以控制在几兆。后台控制信息输出量很小，在几百K 左右。系统采用无线传输设备带宽在几十兆以上，能够保证前端视频信号及后台控制信号的有效传输，无线数据传输系统的传输距离在10km以上，可以通过中继实现长距离传输。

5.1.3.9稳像技术分析

自稳定云台的作用是在控制系统的作用下，完成监视系统的姿态调整，包括系统的航向、俯仰角度的调整，以完成对目标的跟踪。自稳定云台根据内嵌陀螺稳定伺服系统给出的信号，由电机带动负载进行反方向补偿运动，从而使得云台内光学成像装置的指向保持不变，基本不受机械人自身摆动及振动影响，达到图像稳定的目的。

该云台基于军工技术设计生产，采用高强度铝合金材料，整机进行三防设计，球型转台，具有高精度定位、抗强风、抗海水腐蚀性能，可在恶劣环境下工作。加装陀螺稳定系统，有效隔离船舰摇摆。内置电子防抖模块，确保在巨浪、强风环境中，在发动机高功率输出、船体抖动加大时，也能保持成像系统稳定平稳工作。

图17设备示意图

表1技术指标

5.1.3.9激光测距技术分析

激光测距机能够为机器人巡逻机提供高精度、高速率的目标距离信息。激光测距系统兼顾测距精度要求和速度要求，且不受照明影响，使机器人巡逻机能够对探测的目标距离进行测试，便于在机库中的定位目标。同时，激光测距也可作为精确瞄准系统的辅助功能，通过测距信息，反馈给机器人巡逻机（或后台控制系统），作为打击瞄准的辅助依据。

图18 激光测距仪

激光激光测距仪的主要性能参数如下：

表2激光测距技术参数表

5.2边防视频监控系统设计

    边海防智能分析视频监控系统可以对监控区域实现全天候、全天时监控，监控系统光学设备在高速运动下采集监控区域内图像，采集到视频图像通过无线传输系统发送到监控中心，智能分析系统对采集图像进行智能分析报警。边海防智能分析视频监控系统具有监控距离远、监控视场大、扫描速度快、智能识别率高、误报率低、漏报率低、结构尺寸小、重量轻等优点。系统可以对监控区域内人员、车辆等入侵目标进行探测、识别、跟踪，智能分析系统对干扰目标和入侵目标进行行为识别、判断，确认为入侵目标后进行智能报警，并将目标锁定进行跟踪。

5.2.1边防视频监控系统系统组成、工作原理及总体布局

5.2.1.1边防视频监控系统系统组成

边海防智能分析视频监控系统由前端视频监视设备、传输设备、后端监控中心三部分构成。系统结构示意图如图19所示：

图19 系统结构示意图

1、前端视频监视设备

前端视频监视设备主要由光学成像组件、运动控制组件、智能分析组件几部分组成。前端视频监控设备安装在被监视区域，对监控区域进行视频监控，对监控区域内入侵目标进行智能报警。将采集到视频信号发送到监控中心。

光学成像组件采用像方扫描、积分稳像、无热化等多项技术，光学系统可实现超远距离、大监控区域的快速扫描。

智能分析组件采用，并具有网络、报警、语音对讲等功能。

运动控制组件由运动机构、摆镜机构、稳像机构几部分组成，运动控制组件可实现巡航扫描和预置搜索等功能。

2、传输设备

传输设备主要功能为实现前端和后台视频信号及控制信号的传输。本系统使用的传输设备主要有无线（无线网桥）、有线（光纤或网线）、3G网络三种方式。

3、后端监控中心

后端监控中心主要用于显示视频数据和远程控制。显示设备可根据需要选用单台液晶显示器或大型液晶显示器阵列。

5.2.1.2边防视频监控系统工作原理

系统前端的监控设备架设于被监控区的高点，并安装在云台上。系统工作时，前端的光学成像组件快速采集监控区域内视频图像，智能分析组件对监控视频进行实时分析，对入侵目标进行智能报警。传输设备将采集到视频信号传输到后台，进行实时显示，传输设备同时将后台控制指令传输到前端，对前端设备进行控制。系统工作原理如图20所示：

图20 系统工作原理图

5.2.1.3边防视频监控系统总体布局

    中朝边境线位于北纬40°-43°之间，属于温带大陆性气候，夏季温热、冬季寒冷，年降水量少，通过modtran软件对雨、雪、雾、霾、沙尘、晴天等多种条件长波红外透过率进行计算，结合光学系统参数，当探测距离为300m时，系统全年探测概率为100%，探测距离为1.3km时只有大雨和强降雪等极端恶劣天气受影响，系统全年探测概率在91%以上。探测距离为1.3km时，系统全年探测概率在79%以上。通过上述计算系统总体方案设计为监控点位间隔2.0km公里。

5.2.2边防视频监控系统系统功能

1）快速扫描、跟踪

    由于系统采用像方扫描及积分稳像技术，系统可以实现高速全监控区域搜索。系统可以在5秒内完成半径2公里边防监控区域的搜索，常规系统需要2-5分钟，此项技术的应用有效的解决了系统扫描过程中由于扫描速度慢带来的监控死角问题。解决了快速运动过程中积分时间内目标的拖尾问题，大大提高了目标与背景的信噪比，大大提高了目标被探测的几率。同时像方扫描技术的应用大大减少了系统结构尺寸及重量，为监控系统小型化、轻量化、便携化发展提供了必要的保障。

2）超远距离探测

由于光学系统采用像方扫描技术，实现了光学系统大口径、大视场、高分辨率的技术要求，利用此项技术的长波红外系统*远可实现4公里外人员的探测，并能实现智能报警。

3）目标识别与跟踪

本系统可在复杂天气环境中（雨雪、大雾、大风天气等）全时精确地对出入口、重要区域及划定的警戒区实施监控。当发生异常情况时，系统会实时发出报警信息，跟踪目标运行轨迹并自动录像。

目标识别与跟踪效果对比图见图21、22：

图21 无入侵目标

图22发现入侵目标

4）实时监控

系统能够对监控区域进行实时视频监控，在监控中心的显示终端上能够显示前端实时场景。

5）视频录像

系统操作人员可以按照需求制定录像通道的帧率、编码质量、录像空间大小、录像触发方式，系统能够自动管理磁盘空间，执行录像任务。

6）自动巡航

智能编码器可以控制云台进行360°旋转，对监控区域进行多角度自动巡航监测。还可以设置多个预置位，对主要监控点进行重点监测。

7）防盗功能

系统配备了红外一体机，可对靠近和攀爬监控设备安装架的偷盗者进行监测，防止系统本身受到破坏。一旦发现有非法偷盗者，可立刻发出语音报警。

5.2.3边防视频监控系统主要指标

系统主要指标如表3所示。

5.3浮空预警平台设计

浮空预警平台即以滞空气球或平流层飞艇为载体，将雷达、红外搜索系统等传感器升空到几百米，甚至几千米进行探测，而接收系统、人员等则在地面，通过电缆与空中的设备相连。浮空预警平台一般由轻型复合材料制成，具备良好的红外和雷达隐身作用，既可用于战区内重点保卫目标的前沿防空，又可执行、反恐、空中巡逻、通信联络、环境监测等多种任务。由于其实现的技术难度大大小于预警机和卫星探测系统,因此,受到大多数国家的青睐。目前伊朗、沙特、韩国等都已经将球载雷达系统、红外搜索系统并入了自己的防空探测网，而美国陆军用浮空器携带雷达探测来袭导弹的研究项目现已正式并入陆军的导弹防御计划。

针对浮空气球的应用特点，项目组经过分析论证，本方案主要由光电跟踪搜索系统、稳定平台、伺服控制系统、信号处理系统、数据传输系统5部分组成。系统采用像方扫描图像拼接技术、积分稳像技术、图像识别跟踪技术、具有分辨率高、搜索速度快、平台稳定精度高、体积小、重量轻等特点。

5.3.1浮空预警平台主要技术指标

    浮空预警平台主要技术指标如表1所示。

表4主要技术指标

5.3.2浮空预警平台系统组成及工作原理

5.3.2.1浮空预警平台系统组成

如图23所示，低空侦察搜索由光电跟踪搜索系统、自适应运动控制稳像系统、机器视觉图像处理系统、数据传输系统、远程控制中心、等5部分组成。

图23低空侦察搜索系统工作流程图

5.3.2.2浮空预警平台系统工作原理

光电跟踪系统包括红外和可见光两个光学通道、其保证两光轴平行，安装在稳定平台上，伺服系统控制光电跟踪系统对目标进行观察搜索，光电跟踪系统将光信号转化为电信号，传输给信号处理系统进行图像采集，伺服系统输出方位、角度信息传输给信号处理系统。信号处理系统通过图像处理，对目标进行识别跟踪、通过数据传输系统发送给终端控制系统进行总体控制。

5.3.3浮空预警平台系统分部分设计

5.3.3.1光电系统设计

光电跟踪系统主要由窗口、红外光学通道、可见光光学通道、制冷红外探测器、CCD相机组成。

图24 光电跟踪系统组成示意图

1．窗口  2．红外光学通道  3．可见光光学通道  4．CCD相机5．制冷探测器6．积分稳像镜组7．摆镜

光电跟踪系统主要由红外光学通道和可见光光学通道组成，两个光学通道安装在稳定平台上，通过伺服系统带动实现同步运动，对目标进行搜索，且保证两光轴平行。

红外光学通道采用长波红外制冷光学系统，采取像方间接稳向工作方式进行搜索，卡式望远光学镜组将跟踪视场范围内场景发出的光束准直后，在像方无穷远处生成一等大的倒像，摆镜将对应视在视场范围内的光束反射至成像光学镜组，成像光学镜组将光束汇聚至探测器光敏面上，形成红外图像。摆镜在旋转机构的带动下进行方位、俯仰方向转动，将望远光学镜组出射的对应不同视场的光束反射至成像光学镜组，实现跟踪及稳像功能。

可见光光学通道的光学系统采用变焦光学系统，目标通过变焦物镜成像与CCD靶面上，经过光电转换，生成可视图像进行观测，其中大视场用于目标搜索，小视场用于远距离目标识别，具有集光能力强、搜索范围大、成像质量优的特点。

5.3.3.2稳像系统设计

为了保证红外光探测器和可见光摄像机，在运动中，能清晰的采集目标图像信息。由几何光学成像原理可知，要想实现红外光探测器和可见光摄像机，在运动中成像质量*佳。在相机曝光时间内，就必须保持光线相对静止。所以在红外光探测器和可见光摄像机运动中，加入一个反向运动的光学设备，使之光线通过反向运动的光学设备来抵消正向运动的速度，实现相对静止，完成相片的曝光拍摄，为图像处理单元提供优质的信源。 如图25所示。

图25 自适应运动控制稳像系统原理图

    云台30度每秒进行匀速旋转运动，当云台在时间0开始经过时间t0到达要求30度/S的速度时，开始计时启动工作（摆镜加速运动）。云台经过10MS时，转过的角度为30度/S*10ms=30*0.01=0.3度，此时摆镜运动机构已经通过10MS的时间完成加速运动，摆镜电机旋转的角度相对于云台反向运动角度 -0.5*125/S*10MS*10MS=-0.0625度，此时摆镜电机达到要求速度125度/S，这一时间关键点立即触发相机快门开始进行相机曝光（拍照）,同时并保持匀速运动速度125度/S的时间为10ms，此时摆镜所转的角度为125度/S*10MS=-1.25度，经过10MS的匀速运动后，认为相机可能完成一次曝光，随后开始减速运动，经过5MS的时间，速度为0时，计算出的角度是-0.5*125度/S*5MS*5MS=-0.0015625度，从开始启动摆镜时间为0到25MS时共计转过的角度为：-（0.0625+1.25+0.0015625）=-1.3140625度。回程的工作立即开始，正向加速减、速转过的角度应为摆镜工作时的角度，整体完成一个周期的工作，此时云台共转过的角度为0.3*4=1.2度。也就是说1.2度拍一张相，用时为40MS,云台旋转360度时，需要360/30=12秒、拍摄相片数量为12s/40ms=300张相片。

图26 运动轨迹规划

5.3.3.3信号处理系统设计

图像处理是基于DM642的MPEG4嵌入式视频图像处理系统,可应用于需要数据压缩的嵌入式远程监控领域。DM642的特性,包括处理器结构、视频口外设、存储器结构,针对视频压缩, MPEG4算法的框架以及算法的各个组成模块,分析了优化时可以利用到的所有硬件特性,针对具体问题分模块逐一进行了优化。

基于视觉图像的目标跟踪技术是，在目标快速移动、遮挡、目标形变、各类背景噪声的影响下，实时、准确地实现目标跟踪是现阶段研究的难点,因而基于视觉图像的目标跟踪技术具有重要的理论和实际应用价值。视觉图像和卡尔曼滤波相结合的移动目标跟踪算法。在实施跟踪前对目标图像进行预处理以改善图像质量,再通过运动目标检测把目标从背景中提取出来,在此基础上结合卡尔曼滤波预测估计目标的位置信息,利用目标形心实施跟踪。视觉图像和均值偏移相结合的移动目标跟踪算法。针对均值偏移算法不能跟踪快速目标的特点,采用均值偏移算法和卡尔曼滤波器相结合的算法,卡尔曼滤波器预测目标在本帧的可能位置,并利用均值偏移算法在该位置邻域内搜索目标,从而实现对快速运动目标的良好跟踪,且对受遮挡的目标具有很好的跟踪能力。同时采用目标跟踪窗口自适应调整的方法进一步改进均值偏移算法,以提高运动目标跟踪的适应性和精度。均值偏移算法的基础上,为了克服均值偏移算法缺乏必要的模型更新的缺点,将均值偏移算法扩展到连续图像序列形成CamShift算法;采用CamShift算法结合卡尔曼滤波算法实现目标预测,再通过基于改进搜索窗口的搜索策略完成目标搜索,进而实现对移动目标的稳定快速跟踪。视觉图像和粒子滤波相结合的移动目标跟踪算法。采用了目标位移和噪声方差的自适应更新、目标模板更新的方法对粒子滤波方法加以改进,实现在目标被遮挡或者存在大量噪声情况的跟踪。为克服粒子滤波算法的退化现象和复杂的计算难度,将均值漂移嵌入到粒子滤波算法里面实现移动目标跟踪,实验结果表明,当目标快速运动、遮挡和背景噪声干扰时,改进算法都能保证移动目标跟踪的实时性和鲁棒性。

图像数据匹配算法：现将一目标物的图像信息存储到一个数据空间DA1,采用用2维数组的方式，来保存目标信息数据，二维数组是按照一定的排列规律经行的，首先是行数据，从0行的**个数据到0行的*后一个数据，然后是第2行、第N行、*后一行，目标的整体图像信息就保存DA1二维数组中了。当需要跟踪图像目标或数据目标锁定时，必须将一帧的图像数据存储到另外一个二维数组DA2中，存储的方式与上述一样。这样两个图像数据都存储到二维数组中了，然后利用DSP的高速处理进行两个数组的数学矩阵减法计算，计算出*小的数值就认为是找到了目标物，查找的过程是以像素的方式进行的，从**个像素到*后一个像素。数值是可以调节的，只要适当的调节相似度（矩阵减法数结果）的数值的大小即可。

 图像轮廓的提取在视觉图像处理中由为重要，通过对事物的提取，可知它的几何形状，人类的眼睛对视觉图像识别的形状要快于抽象的文字识别。这是人类的本能，为此产生的视觉轮廓识别，有关于视觉图像轮廓的识别算法有很多，大约10种左右。常见的 dft ,fft,sorber,拉普拉斯算法，快速拉普拉斯算法，之间存在N*LOG2N的线性比率关系。

核心算法思想：一幅图像被看做成二维数组，每一个位置，都可以在数组中的二维位置一一对应，这样在图像的左上角，设定为A1（0,0）右下角AN(M,N)，一幅图像的每个像素的位置，在数组中的位置是唯一的。也可知此图像的像素数，即多少行，多少列。通过对循环逐一比较每一个像素点的数值，与设定的边界像素值相减，此相减的差值，再与设定的*大值比较，如果满足条件，认为是边界，在用不同的方式，只区别与原图像的显示方式，便可以区分原图像，还是图像轮廓的边缘。如图27所示。

图27 图像灰度值对应的轮廓边缘示意图

从图6.1可知，当进行行扫描时，**行的像素值180，如果设定的边界像素值为200，那么**行的像素值是 -20 、-20、-20、-20、-20 ，第二行的像素值为 -20、80、80、80、-20 ，第三行的像素值为-20、80、80、80-20，*后一行的数值为-20、-20、80、-20、-20，，再进行下一步的数据处理，小于零的像素值为0，大于零的像素值为1，相邻为1的像素值，就是要找的图像信息。此种方式的数据处理称之为二值化数据处理，如图28所示。

图28 图像阀值对应的轮廓边缘示意图

接下来是轮廓处理函数，一个轮廓*小单元函数是三行三列，共计9个元素。如图4.6所示，每次从图像的开始端逐一比较，首先是比较中心的像素点，且规定为0点（0,0），相当于坐标轴的零点，Y轴（0,1）与（0，-1），X轴（-1,0）与（1，0），先进行比较的是中心点（0,0）与X轴上的（-1,0）点，相等为真，不等为假，并且保存此数值。接下来是中心点与X轴的（1，0）比较。相等是真，不等是假。然后是坐标点（-1，-1）,处理的方式相同。顺序的处理坐标点（0,1）、（1，1）、（-1,0）、（-1，-1）、（0，-1）、（1,1），这个中心点的坐标被赋予变量，即图像帧的每一个像素点。通过循环下去，直到整幅图像的*后的一个像素点。这样一个轮廓处理函数就实现了。

图29 图像阀值对应的图像提取示意图

5.3.3.4数据传输系统设计

根据本系统的特点，数据传输载体是采用利用纯度极高的玻璃拉制成极细的光导纤维作为传输媒介，通过光电变换，用光来传输信息的通信系统。光纤通信系统的组成：光发信机、光收信机、光纤或光缆。

（1）光发信机：光发信机是实现电/光转换的光端机。它由光源、驱动器和调制器组成。其功能是将来自于电端机的电信号对光源发出的光波进行调制，成为已调光波，然后再将已调的光信号耦合到光纤或光缆去传输。电端机就是常规的电子通信设备。

（2）光收信机：光收信机是实现光/电转换的光端机。它由光检测器和光放大器组成。其功能是将光纤或光缆传输来的光信号，经光检测器转变为电信号，然后，再将这微弱的电信号经放大电路放大到足够的电平，送到接收端的电端汲去。

（3）光纤或光缆：光纤或光缆构成光的传输通路。其功能是将发信端发出的已调光信号，经过光纤或光缆的远距离传输后，耦合到收信端的光检测器上去，完成传送信息任务。

（4）中继器：中继器由光检测器、光源和判决再生电路组成。它的作用有两个：一个是补偿光信号在光纤中传输时受到的衰减；另一个是对波形失真的脉冲近行政性。

（5）光纤连接器、耦合器等无源器件：由于光纤或光缆的长度受光纤拉制工艺和光缆施工条件的限制，且光纤的拉制长度也是有限度的（如1Km)。

光纤通信系统采用直接检波系统。直接检波系统就是在发送端直接把信号调制到光波上，而在接收端用光电检波管直接把被调治的光波检波为原信号的系统。电端机就是一般电信号设备，例如载波机或图象发送与接受设备等。光端机则是把电信号转变为光信号（发送光端机），或把光信号转变为电信号（接收光端机）的设备。发送光端机的作用是将发送的电信号进行处理，加在半导体激光器上，使电信号调制光波，然后将此已调制光波送入光导纤维。已调制光波经光导纤维传送至接收光端机的半导体光电管上检波。检波后得到的电信号经过适当处理再送接受电端机，然后按一般电信号处理。这就是整个光纤通信的过程。这个过程和一般无线电通信过程是十分相似的。当然光线通信的空间传输手段是光导纤维，这与一般无线电通信在空间传输电波的情况是不同的。

直接检波系统的基本优点是构成简单，就当前光波技术水平来讲现实可行。同时由于光波频率极高，在这样系统上传送上万路电话，几十路电视并不困难，完全可以满足目前通信的需要。因此直接检波系统是光纤通信当前较多采用的形式。

图30 光纤通信系统的组成

本系统的光源为铟镓砷磷半导体激光器，单模光纤工作波长为1.55um，称为长波系统。传输速率在2.4~2.5Gb/S，中继距离可达100Km左右。1.30um和1.55um合用，即单模光纤具有二个工作波长窗口，因此传输速率可达到10Gb/S,传输距离为100－200Km左右。此代通信系统又称相干光纤通信系统，它是利用激光的相干性，将无线通信中采用的“外差”或“容差”接收和先进的调幅键控制，相移键控制，频移键控制等应用到光纤通信系统中，光弧子通信系统，它是利用光纤的非线性进行超大容量，超常距离的通信方式。光弧子（Soli ton），又称光弧粒子，它是一种特殊的波，在经过长距离传输后，仍保持波形不失真，而且，即使两侧光弧子波相互碰撞后，依然保持各自原来的形状不变。弧子的概念，首先在流体力学中提到，光弧子是一种非常窄，并具有很强地光脉冲。光弧子的存在是光纤速度色和自位调制平衡的结果，它的产生是由于在单模光纤中，当光的强度增加到一定程度时，将出现非线性效应。光弧子脉冲很窄，达0.2ps，因此，可实现大容量长距离的通信。

5.3.3.5控制指挥中心设计

远程控制指挥中心分别由远程监视系统、远程控制系统组成，远程控制指挥中心负责总监视与总调度与总控制工作。硬件组成：远程控制指挥中心总服务器、总电视墙、远程监视系统服务器、远程控制系统服务器、通讯服务器。软件系统：是基于UNIX为操作系统平台，网络化、智能化整体安防系统软件平台。主要完成，网络整体工作的智能战略规划与监督。接收和处理发回的图像，进行处理和识别，发现可疑目标，自主识别，发出警报，通知操控人员识别，接收命令。

主要通过高性能计算机对传输回来的信息与系统中的数据进行比对，对可疑目标进行识别与比对，通过接受可疑目标发出信息进行判别，确定可疑目标，发出报警信息，接受操控人员的信息。

前端设备具有一定的自主识别能力，对人的运动，四肢的运动具有一定的识别能力，根据人的运动判断人的友好与否，识别人身上自动识别信号。n米内人的运动状态可分析其静止，走动，跑动，自动锁定运动的目标。

对有威胁的目标，发送相关的图片给中央处理器并给出预警，中央处理器对照片进行二次识别，判断，中央控制系统会根据数据库中的背景资料，气候特征，近期的背景变化等资料对预警给出自动识别，发出警报给值班控制人员，控制人员给出指令给中控系统，

图31 红外图像观测样图

视觉图像处理系统负责视觉图像信息的处理工作，主要包括可疑目标物的识别，与可疑目标物的锁定。可疑目标物包括单目标与多目标，目标物的位置与状态。视觉图像处理系统的硬件组成包括：嵌入式图像处理设备、嵌入式控制系统。

嵌入式图像设备是由多片高速数字DSP图像处理芯片，组成的多核并行处理器。

并行处理器的体系架构保障了图像处理的实时性，为图像处理复杂的软件算法运行奠定了良好的基础。软件资源汇集了大量的图形与图像算法。

图32远程指挥系统的数据交互原理图

5.3.3.5.1远程监视系统

远程监视系统是由N个远程监视系统组成，每个监视系统负责相关的本区的设备实时工作状态，及工作场景，并将信息传送给指挥中心。

远程监视系统硬件组成：集群监视系统数据服务器、N个单机监视器、监视通讯设备等。

软件系统：智能化监视软件系统，主要功能：提供给本目标，所管辖区域的信息（地理信息、其他信息）、 数据智能存储与分析、实时通讯等等。

5.3.3.5.2远程控制系统

远程控制系统也是由N个远程控制系统组成，每个远程控制单机系统只负责所属的设备各种运动动作，单一个体工作状态信息传送反馈给远程控制系统。

远程控制系统硬件组成：控制系统数据服务器、N个单机控制器、通讯控制设备等。

软件系统：科学化、智能化控制软件系统，主要功能：远程操纵提本目标各设备作各种动作，实时与总控中心通讯，传递详细实时信息。

6技术优势及关键技术

6.1扫描速度快

由于光学系统采用像方扫描技术，光学系统可以满足高空间分辨率的状态下，实现大视场的搜索，系统采用光学积分稳像技术，可以消除系统在高速搜索状态下引起的拖尾及模糊问题。相比与传统光学成像系统具有空间分辨率高、搜索视场大、光学系统口径大、扫描快等优势。采用积分稳像技术系统360°扫描时间为几秒钟，相比传统搜索系统的几分钟时效性有了质的飞越。

6.2探测距离远

由于光学系统采用像方扫描技术，光学系统在保证大口径、大视场的基础上，系统空间分辨率高。根据目标的探测距离公式，光学系统孔径及空间分辨率的增高，对作用距离的增加影响非常大。相比与传统光学系统光学探测距离能够提高15%-30%。

6.3智能识别及报警功能

市场现有边防视频监控系统只有30%左右的产品具备智能识别报警功能，具备智能识别功能的产品中70%以上集中在可见光视频通道。由于可见光视频分辨率高，有利于软件的识别分析。红外系统具备部分识别分析功能，其中大部分分析集中在前端图像处理，此项处理技术对前端探测器采集数字信号进行分析，对一且高热信号进行报警，系统误报率极高。研究所研制光学系统基于后台软件的分析处理，分析系统通过对目标特性、目标运动特性、目标行为特性、干扰目标特性等多种规则进行目标识别。排除干扰目标。此项技术大大提高了系统的误报率，一般应用过程中系统误报率可以控制在5%以内。

6.4自动锁定及跟踪功能

视觉巡逻机械人具备目标识别功能，确认入侵目标后系统会自动锁定目标。分析系统通过对入侵目标的运动特性进行判断，对目标进行跟踪。稳像平台保证系统在跟踪运动过程中目标稳定成像。图像分析系统为防卫、告警系统提供精确的定位信息及目标锁定、打击图像。

6.5自动巡航功能

    巡逻机械人可以实现在特殊地形条件下，实现全天时、全天候自动巡航、无供电及补给下续航时间超过24小时。系统可以适应涉水路面、砂石陡坡山路、覆雪路面等多种特殊地形。

6.6像方扫描技术

传统物方扫描技术与像方扫描技术如图所示。

图33 物方扫描示意图

图34 像方扫描原理示意图（转动扫描）

由图33可知，物方扫描光学系统光机结构主要由小视场大口径的红外相机及其伺服机构组成，其工作原理是采用直接扫描物体的方式，红外相机在伺服系统的控制作用下，即以红外相机长度作为回转半径，将目标辐射的信息经过大气传输后被探测器所接收，完成远距离不同方位角度目标的搜索与跟踪。

图34 为像方扫描原理示意图，由大视场大孔径成像镜组、小视场成像镜组及其伺服机构组成。大视场大孔径的成像镜组拾取远距离的目标信息，并按照一定的成像倍率，清晰成像在一次像面上，小视场成像镜组在伺服机构的控制下直接扫描一次成像面，*终将目标信息汇聚到探测器上，完成远距离弱目标的搜索与跟踪。

为了进一步优化结构和空间布局，实现快速搜索和稳像，新型像方扫描机构形式如图35所示。

图35 新型基于像方扫描原理的光机结构（平动扫描）

由图3可知，新型像方扫描光机结构主要由大视场望远镜组、摆镜及其控制系统、小视场成像镜组、帧内消旋机构及探测器组件组成，相对于转动扫描方式，平动扫描形式具有体积小，扫描速度更快及稳像功能，结构简单更有利于系统共形设计。

相比常规镜头像方扫描设计可实现大视场、大口径、高空间分辨率、超远距离探测、窗口共形化设计、结构小型化设计。

6.7积分稳像技术

该技术的作用是在探测器积分时间内保持光轴指向稳定，达到消除由于载体姿态变化、系统搜索运动引起的图像模糊的目的，提高红外图像的信噪比，增大系统的搜索距离。

对于连续扫描成像光学系统，探测器任意积分时间内，目标和背景图像的光线与探测器像面之间都有相对运动速度，这将造成探测器像面上图像的光强在积分时间内分布面积变大，对比度降低，目标和背景的信噪比严重下降，影响扫描成像时的目标识别率。

阶跃式成像技术是当光机扫描装置到达给定位置时，在探测器积分时间内，保证光机系统光轴稳定，在该稳定状态下进行成像；而在两个给定位置之间，通过扫描装置带动，实现快速、精确光轴定位。此方法即保证了不同视场角下图像的准确拼接，又能保证光机系统的清晰成像。

图36所示为阶跃式成像方法的摆镜摆角位移控制曲线示意。在探测器积分时间内，摆镜的法线角不随电机转动而变化，此时探测器工作，获取单幅红外图像，获取全部视场角的图像后，通过图像处理软件进行拼接。

图36阶跃式成像方法的摆镜摆角位移控制曲线示意图

利用该技术以在不牺牲探测器帧频的情况下，可实现小面阵红外探测器的高分辨率成像。