基于环形光电探测器的多目标探测与跟踪研究

　　1 引 言

　　具有360°视场的光电探测系统在机器视觉、虚拟现实、精确制导等领域具有广泛的应用前景[1-2]。在相关领域的研究中，Cao、Hall、 Hong 采用球形光学系统获得了半球形的探测视场[3-5]。由于所有图像信息均集中在圆形的图像内，导致其分辨率较低;Jarvis、Byrne、Yagi 通过在 CCD 摄像机上放置锥形反射镜获得了全景成像能力[6-7]。但是，由于锥形反射镜将带来图像失真，从而增大了后续图像处理的负担;Sarachick、 Ishiguro 采用旋转式的摄像机获得了全景的室内环境图像[8-9]，Thierry、Ryad[2]等人提出了一种基于双旋转摄像机的全景立体成像传感器。由于立体 视觉系统采用了机械旋转装置，其系统结构相对复杂，效率较低。

　　针对以上问题，本文提出了一种具有360°视场的环形探测器设计，研究了基于目标信号脉宽判据和目标信号水平尺度比率判据的多目标识别与跟踪算 法，旨在实现 360°视场内运动目标的快速识别与跟踪。本文第2 部分提出了基于线阵 CCD 的环形探测器设计;第 3 部分讨论了基于环形线阵CCD 探测器的探测模型，给出了基于该探测器的运动目标角位置、角速度的获取方法及多目标探测模型;第4 部分阐述了基于环形线阵 CCD 探测器的多目标探测与跟踪硬件平台的设计。通过功能实验，验证了所提出的基于环形线阵CCD 探测器的多目标探测与跟踪方法的有效性。

　　2 基于线阵CCD 的环形探测器

　　相对于面阵CCD，线阵CCD 具有较高的水平分辨率，数据处理量相对较少，帧频较高等优点，因而特别适用于一维动态目标的快速测量。为了实现多个运动目标的快速探测与跟踪，采用线阵CCD 作为环形探测器的光电探测器。

　　环形探测器由6 个光电探测单元构成，环形探测器的结构如图1 所示。每一光电探测单元由光学镜头、线阵CCD 构成，其视场为60°。通过6 个光电探测单元的拼接，形成环形的环形探测机构，其探测视场被扩展为360°。在以上设计中，每一光电探测单元的光学系统的光轴垂直于所对应的线阵 CCD，且与 CCD 的中心像素相交。6 个光电探测单元的光轴均通过中心点，且任意两光轴之间的夹角为60°。在机械设计与安装精度能够得到保证的前提下，可避免探测盲区的出现。为了实现快速目 标探测与跟踪，每个光电探测单元均具有独立的驱动及预处理电路。6 路线阵CCD 数据形成一帧完整的全视场探测信号，经算法处理确定目标的角位置、角速度等信息。

　　3 环形探测器的探测模型

　　首先讨论环形探测器处于静态条件下的探测情况。设第k 个线阵CCD 在t 时刻的输出信号为Ik(x，t)。将6 个线阵CCD 输出的信号按次序进行拼接，则可获得某一时刻的空间连续(全视场)的探测信号IA(x，t)：