1 概述

飛機起降安全光電跟蹤/機場跑道異物識別、飛行區鳥群探測、機場周界安全監控系統是我公司應民航機場的要求自主開發的，具有全天候、速度快、覆蓋面廣、視距范圍大、圖像穩定清晰的特點，可大幅提高機場運營的安全性，通過多傳感器的探測監控，可為機場提供即時的信息資料，主要包括現場視頻，地理位置，范圍和事件過程等內容。

飛機起降安全光電跟蹤/機場跑道異物識別、飛行區鳥群探測、機場周界安全監控系統NN-600HK是針對機場安全運營而設計的獨特的一個高穩定，多傳感器的監視觀察和數據跟蹤系統，它集成了高性能紅外熱成像儀、攝像系統和半導體激光照明等傳感器。該系統的異物探測指向器安裝在機場的跑道兩端，光電跟蹤一體化設備安裝在機場觀測塔頂，顯控臺安裝在控制室內。在白天通過高性能彩色CCD攝像系統搭配紅外熱成像系統觀察、監視搜索目標；而夜間通過紅外熱成像系統搜索觀察目標，同時采用大功率大發射角的激光照明器照射目標，通過高靈敏度CCD攝像系統對空中目標進行觀察監視和搜索，同時也可以對飛機跑道路面有無異物進行24小時觀察監視和搜索，一經發現有FOD(FOD有兩種解釋，其一是外來物（Foreign Object Debris），即可能損傷航空器或系統的某種外來的物質、碎屑或物體；其二是外來物損傷(Foreign Object Damage)，即任何由外來物引起的損傷，可以是物理上的損傷也可以是經濟上的損失，有可能會降低產品的安全或性能。FOD的種類相當多，如硬物體、軟物體、鳥類、雷電等。FOD危害非常嚴重，實驗和經驗都表明機場道面上的外來物可以很容易被吸入發動機，導致發動機失效。碎片也會堆積在機械裝置中，影響起落架、襟翼等設備的正常運行。典型的FOD包括：飛機和發動機連接件（螺帽、螺釘、墊圈、保險絲等）、機械工具、飛行物品（釘子、私人證件、鋼筆、鉛筆等）、野生動物、樹葉、石頭和沙子、道面材料、木塊、塑料或聚乙烯材料、紙制品、運行區的冰碴兒，甚至雷電。)，可上指派機場工作人員快速處理。

NN-600HK采用了先進的陀螺穩定技術和計算機圖像處理及控制技術，能有效地隔離臺風,強風力的搖擺，可以對空中目標進、跑道道面、禁區周界安全、全天候（24小時）觀察、搜索、監視和自動跟蹤飛機的安全起降。

該系統可以根據用戶的要求，靈活選配多種規格的百萬像素高清光學鏡頭、高清透霧CCD攝像機、制冷型、非制冷型紅外熱像儀和紅外鏡頭，NN-600HK采用了計算機自動控制技術、圖像信息處理技術、圖像穩定技術、自動跟蹤等現代高科技，產品具有如下先進的技術特點：

2 全天候24小時對周邊目標作全方位跟蹤、監視和錄像；

2 采用高端圖像傳感器和處理模塊，提高產品性能；

2 采用標準化、模塊化設計技術，擴展性好，維修方便；

2 采用“三防”、密封設計技術，利于惡劣環境長期使用；

2 采用先進的圖像處理技術、目標跟蹤技術，圖像穩定清晰；

2 采用了先進的陀螺伺服穩定技術，有效地隔離臺風/強風力搖擺；

2 采用彩色、黑白和紅外熱成像系統，即使在完全漆黑的夜晚，也能發現和識別目標；

2 提供RS485、以太網和多路標準視頻接口；

2 主要功能及指標

2.1 
產品圖片

2.2 主要功能

NN-600HK機場光電跟蹤監控系統，在白天和夜晚可以對機場周邊一定范圍內的空域環境和目標作全方位探測、跟蹤、監視和錄像，主要功能如下：

2.2.1 多成像系統

具有彩色/黑白和紅外熱成像系統

晝夜完成對機場周邊一定空域范圍內的空中飛機和空中飛行目標作全方位搜索、觀察、監視和錄像.同時也對飛機跑道上的障礙物全方位搜索、觀察、監視和識別。在白天采用高性能彩色/黑白電視攝像系統進行觀察、監視和搜索目標，在晚上通過紅外熱像儀探測目標，同時進行錄像。

2.2.2 陀螺穩定功能

具有良好的視軸穩定功能

NN-600HK采用陀螺穩定系統能夠有效地隔離因臺風,強風的橫搖、縱搖，從而保持光電攝像系統的穩定，得到清晰、穩定的圖像，而且保證目標圖像始終在電視屏幕上而不丟失。

2.2.3 智能捕獲目標

具有手動搜索、捕獲和自動跟蹤目標的功能

該系統操作十分方便。用手動操縱桿可以在不同的轉速下（0—40°/s）對空中目標進行搜索、觀察和監視，對需要長期監視的目標可轉入自動跟蹤錄相狀態。

具有雷達引導跟蹤功能

圖2-3 雷達引導

2.2.4 自動跟蹤功能

具有目標自動跟蹤功能

   采用先進的圖像處理和識別技術、目標自動跟蹤技術（只限光電跟蹤系統），使要求跟蹤的目標保持在電視視場中心。

2.2.5 光學調整功能

具有電動變倍、調焦等光學參數調整功能

2.2.6 多接口兼容

可接收雷達、GPS、電羅經的數據，為取證提供目標地理位置

在被取證的實時圖像中可將事件發生的位置（經度、緯度）和時間日期（年.月.日.時.分）自動疊錄在一起，提供了完整的證據三要素（事件實況、發生時間和地理位置）從而提高證據的真實性和全面性。實現這個功能的條件是需將本機場的雷達、GPS、電羅經的有關信息通過標準接口提供給監視取證系統，由SU-300實現目標位置的解算，采用數字化技術，提供RS485、以太網和多路標準視頻接口。

2.2.7 高抗風抗沖擊能力

具有良好的抗載體振動和抗沖擊能力

設備本身內置陀螺穩定系統，外形采用球形抗風設計，各部件連接緊密設計合理，抗沖擊能力做到最好。

2.2.8 圖像實時記錄

具有實時記錄圖像功能

同屏顯示目標的地理位置和時間日期　　將多個彩色、黑白電視攝像系統和紅外熱成像系統收集的圖像信息，經數字化處理、壓縮后存貯在嵌入式硬盤錄像機和主控計算機硬盤里，存儲容量大，保存時間長，還可以根據用戶需要，加大硬盤以擴展存儲周期，或增加其他外存設備，如光盤刻錄機等，定期將圖像信息進行刻錄以永久保存存檔。存儲后的圖像信息，可以隨時在安裝了圖像處理軟件的計算機上重放，取證圖像上疊加有目標的地理位置、時間等信息，加強了機場等違規取證力度。

2.2.9 高防護性能

指向器密封充氮氣結構，便于惡劣環境長期使用

2.3 技術指標及規格

2.3.1 作用距離

NN-600HK可選配世界上主流的各品牌的長焦鏡頭，彩色/黑白攝像機選配我公司的尼恩高清透霧攝像機，紅外熱像儀選配國際知名品牌FLIR公司旗下的商用制冷型或非制冷型紅外熱像儀，其作用距離如下：

白天：在能見度≥20Km條件下，發現24m×6m目標的距離為60Km，識別該目標的距離為20Km, 對長×寬為0.5m×0.5m的飛機型號可看清的距離為3Km；跟蹤目標5-8公里.

晚上：在大氣環境良好的條件下，采用制冷紅外熱成像系統發現24m×6m熱目標的距離為15Km，識別該目標的距離為5Km. 

2.3.2 監視范圍

方位：-170o～+170o

俯仰：-20°～+35o（可根據客戶需求，調整角度）

2.3.3 穩定性

縱橫搖≤±12°，周期大于6秒的情況下，視軸穩定精度≤2mrad，縱橫搖≥±12°而≤±25°，周期大于6秒時，系統能正常工作，視頻圖像穩定。

2.3.4 跟蹤性能

方位、俯仰最大角速度40°/s

方位、俯仰最大角加速度80°/s²

平穩跟蹤最小角速度0.1°/s

2.4 硬件配置

2.4.1 顯示器

19英寸TFT液晶顯示器,象素1024×1280、可按機場要求另配。

具體參數

金屬殼體，電腦鍵盤按鍵設計、液晶顯示

自檢功能

三維操縱搖桿，有操縱桿參數誤差校正功能
通訊 RS-485接口有1500W防雷、短路過流保護自動恢復設計
監視器/攝像機控制、云臺/鏡頭/輔助設備控制、攝像機預置位設置/調用控制、DVR 控制、鍵盤的主/副控工作方式

內置多款控制協議，有對云臺變速調控、多個預置點巡航、報警聯動設置等功能、具有對報警器布/撤防設置、狀態查詢顯示功能

報警設備報警時鍵盤能發出蜂鳴進行警示和報警區域顯示

具有8組管理員操作登陸和鍵盤鎖定功能

有浪涌保護措施及抗雷擊干擾設計

2.5 物理特性

艙外指向器：高度≤1.3m（不包括增高砝蘭的高度）

回轉半徑≤0.35m

重量 110kg

室內顯控設備：按用戶要求具體情況設計，重量約為80kg

2.5.1 環境條件

l 室外指向器可工作在-40°C～+65°C環境溫度下，室內設備可工作在-20°C～+45°C環境下；

l 室外設備具有適應安裝使用的能力和防潮、防鹽霧、防霉菌的能力；

l 具有抗電磁干擾能力。

2.5.2 可靠性、維修性

連續工作時間≥24h

平均故障修復時間MTTR≤1h

系統平均故障間隔時間(MTBF)≥800小時

2.5.3 接口

標準PAL視頻信號輸出： 可見光視頻2路，紅外2路，標準BNC接口，S端口而且根據需要可擴展，具有RS485/RS422、以太網等接口，便于和雷達、GPS和電羅經通信。

2.5.4 供電

 AC 220±20%V,10A

3 產品技術說明

3.1 系統組成

NN-600HK主要由安裝于室外的指向器和安裝于室內的顯控設備兩大部分組成，它們之間采用光纖/電纜連接。

室外指向器由高性能彩色/黑白電視攝像傳感器、制冷紅外熱成像傳感器、轉臺、陀螺伺服穩定系統等部分組成。

l 彩色/黑白電視可透霧型攝像傳感器：由二可變1000mm焦距高清鏡頭和高性能彩色/黑白高清CCD攝像機組成。

l 制冷型紅外熱成像傳感器：由紅外兩檔變焦鏡頭和制冷紅外熱像儀組成。

l 轉臺：由方位座、俯仰包及支撐結構組成。

l 陀螺伺服穩定系統：由直流力矩電機、直流測速電機、陀螺、旋轉變壓器等組成。

艙內顯控設備包括：低壓電源、主控機箱、伺服驅動器、硬盤錄像機、操控鍵盤、軌跡球、液晶顯示器等組成。

3.2 工作方式和原理

3.2.1 工作方式

（1） 單桿手動搜索方式

由操作人員手動操縱單桿，控制系統接收到操作員的操縱信息后，驅動指向器掃描搜索目標。

（2） 自動扇掃搜索方式

由操作人員設定一定的方位觀察范圍，自動對空搜索跟蹤目標。

（3） 手動跟蹤目標方式

操作人員在屏幕上發現感興趣的目標后，手動操縱單桿，控制系統接收操作人員的操縱信息，驅動指向器，使目標始終成像在光學系統視場中心部分。

（4） 自動跟蹤目標方式

操作人員在屏幕上發現感興趣的目標后，手動捕獲目標，系統自動鎖定目標進入自動跟蹤狀態。在目標運動過程中，不需進一步的操作干預，控制系統驅動精密軸系使目標始終成像在光學系統視場中心。

(5) 雷達指引方式

操作人員將系統設定為雷達導引工作狀態后，可實時接收雷達發出的目標引導信息，光電系統根據雷達的目標指示信息進行自動搜索，鎖定和跟蹤指定目標，使目標始終成像在光學系統視場中心部位。

（6） 圖像顯示與記錄

光學傳感器產生的視頻信號傳輸到電氣控制機箱中進行視頻分配。一組視頻信號進入工業控制計算機的視頻采集卡，經圖像處理后顯示在液晶顯示器上。系統操控軟件的界面上具備兩個畫面窗口，可選擇雙窗口顯示不同的視頻圖像（可見光視頻圖像和紅外視頻圖像）。顯示在窗口中的圖像可以用壓縮圖片的方式保存在工業控制計算機的硬盤中，便于事后瀏覽或轉儲。

另一組分配后的視頻信號則傳輸到硬盤錄像機中進行實時記錄。保存在硬盤錄像機中的圖像可以隨時進行檢索和回放。

3.2.2 工作原理說明

（1） 系統工作原理

NN-600HK系統的原理框圖如下圖所示。

陀螺穩定系統作為一種高精度的瞄準線穩定系統，可以提供對地、對空目標的全景式大范圍探測和跟蹤。其重要功能是隔離載體角運動，使探測器在慣性空間內保持穩定；能夠響應指令信號，在一定角度范圍內對目標進行搜索，在人工識別鎖定后能夠按探測器信號自動跟蹤目標，并給出方位、俯仰信息?？蓪崟r對地面敏感地區進行監視，執行晝夜監視、海岸巡邏等任務。在國防和民用領域具有廣闊的應用前景。

平臺部件包括框架、俯仰/方位電機、大/小視場CCD、激光測距儀、俯仰/方位旋轉變壓器(以下簡稱旋變)。CCD攝像機安裝于相互正交的內、外兩個框架上，由兩個力矩電機控制可以在航向和俯仰兩個自由度的方向上掃描。在內、外框架上分別由速率陀螺感測方位和俯仰運動，其輸出送入穩定系統調節器，再經功率放大后至力矩電機，使框架按照指令旋轉(掃描)或穩定瞄準線。

電子部件包括系統主板、電視跟蹤器、電機驅動及數據采集保持電路。電子部件根據系統的要求對系統的航向、水平、俯仰、橫滾和方位進行修正和補償控制；根據陀螺儀的溫度漂移特性曲線進行溫度補償控制；自動采樣、監測系統信號；實現系統主要參數的常量有選擇地動態顯示。

顯控部件包括控制盒、工控機。主要用于顯示由CCD攝像機攝入的圖像及系統狀態信息，并完成搜索、鎖定、解鎖等操作。

穩定軸相關設計指標如下：方位、俯仰軸角速度大于40°/s,方位、俯仰軸角加速度大于60°/s2。靜態下對不大于3 000gcm的擾動力矩，角度波動不大于30″且穩定后無靜差。

穩定隔離精度技術指標為:搖擺臺在擺幅為3°、頻率為1Hz的正弦擾動下，平臺俯仰通道擺幅應小于2′；搖擺臺在擺幅為2°、頻率為1Hz的正弦擾動下，穩定平臺方位通道擺幅應小于2′。

當平臺受到載體的運動干擾時，如果光軸作用點距離較遠，即使相對慣性空間產生很小的誤差角偏移，也會使遠距離外的跟蹤點脫離視場。因此系統主要針對干擾力矩下平臺角度輸出穩定后無靜差這一要求來進行設計。

在一般的速率反饋方案中，校正環節選用PID校正僅能實現系統角速度無靜差，不能實現角度無靜差。如果要讓系統角度輸出無靜差，則需要在校正環節中含有雙重積分環節，因此設計了在速率陀螺反饋的基礎上采用PII2校正環節的控制方法。由于直流力矩電機電樞電感值通常非常小，忽略其時間常數的影響，模型簡化后的穩定回路控制框圖如圖1所示。

以上結構圖中取電機電樞電阻R=8? ，力矩系數C_m=5000，平臺參數為：,陀螺K_g=27.516，校正環節KG_j(s)=可得系統閉環傳遞函數為：

期望的系統動態特性為：

（1） 調節時間：=0.25s

（2） 系統超調；=20%

（3） 主導極點：必須滿足特征多項式中一對具有復實部的共軛復根為系統的主導極點，應滿足α>5。采用極點配置的方法來確定(比例-積分-二重積分)校正環節的三個系數，可得：

　　kp=7.2，ki=245，ki2=6 500，根據上述參數，施加一個1 000gcm的干擾力矩，在MATLAB中仿真的結果顯示系統調節時間及角度靜差均滿足要求，但系統超調過大。增大系統的開環增益，將系統校正環節中kp、ki、ki2 三個參數均放大三倍，觀察閉環零極點圖，發現系數放大后，共軛復根的復實部并未發生較大變化，而其虛部變小，這可削弱系統動態特性中的正弦振蕩從而減小超調。同時系數放大三倍后復實軸上的極點更加遠離共軛復根，從而使得共軛復根的主導極點的地位更為加強，系統的特性更接近設計期望的特性。同樣1 000gcm擾動力矩下，系統調節時間及角度靜差均滿足要求。方位軸3 000gcm擾動力矩下角度輸出如圖2所示(在60秒時刻施加干擾力矩，縱坐標單位角秒，橫坐標單位秒)。