CN101813790B - 双波段探测器对红外小目标的距离估计方法 - Google Patents

双波段探测器对红外小目标的距离估计方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于光电对抗技术领域，涉及双波段探测器对红外小目标的距离估计方法，其具体步骤分十三步完成，它利用红外小目标在相邻采样时刻的对比度测量值确定目标距离比，并结合目标的空间运动轨迹约束关系估计目标距观测器的距离，不需要复杂的扰动滤波算法，在一定程度上减小了运算量；采用求解一元四次方程的方法估计目标距离，避免了用接近于0的数值做分母，增强了方法的可靠性。通过对同一小目标的两次观测量进行处理，即可获得目标的距离估计值，避免在较长时间内假定目标辐射出射度不变的不合理假设。本发明既能适用于空间机载、也可适用于弹载平台。它可适应红外目标辐射出射度的缓慢变化，并具有计算量小、实时性好的特点方法。

Description

双波段探测器对红外小目标的距离估计方法
技术领域
本发明属于光电对抗技术领域，涉及双波段探测器对红外小目标的距离估计方法。
背景技术
随着光电对抗技术的迅速发展以及它在现代战争中的广泛使用，作战双方对武器系统的隐蔽性要求越来越高。机载或弹载被动红外探测系统，不向外界辐射能量，极大地增强了隐身能力和突防能力，成为目前研究的热点之一。但对红外小目标来说，由于距离信息难以获取，降低了光电对抗系统的性能，限制了其应用和发展，因此，被动测距技术成为机载或弹载被动系统的关键技术之一，而基于目标辐射传输特性的被动测距成为有关研究的主攻方向。
文献“付小宁，刘上乾．基于光电成像的单站被动测距[J]. 光电工程，2007，34(5): 10-14.”提出了一种综合利用目标成像的线度特征、摄像机空间坐标、目标的方位角和俯仰角的距离估计方法，它通过求解一元四次方程来估计目标对摄像机的距离。但是，该方法对扩展目标有效，而对红外小目标不再有效。文献“伍友利，方洋旺，蔡文新，王洪强. 弹载被动系统测距算法[J]. 系统工程与电子技术, 2009, 31(7): 1684～1688”利用复杂的扰动滤波算法实现对目标的距离估计，有较好的仿真结果，但它假定目标在运动过程中向外的能量辐射出射度始终恒定不尽合理。文献“付小宁，赵赓，刘上乾. 基于对比度的双波段被动红外测距[J].激光与红外，2007，37（6）：517- 519”利用不同波段上目标对比度的比值，估计前后两个采样时刻上目标的距离比                                                
Figure 598058DEST_PATH_IMAGE001
，然后结合大气中红外传输模型计算出目标的距离。对红外小目标，非常接近于1，故(
Figure 872231DEST_PATH_IMAGE002
)非常接近于0，遗憾的是该文献在计算目标距离时采用(
Figure 691151DEST_PATH_IMAGE002
)作计算式的分母，使得该方法的有效性受到影响。综上所述，现有方法的不足是计算量大、实时性差或实用性差。
发明内容
本发明的目的是提供一种计算量小、实时性好的双波段探测器的红外小目标的距离估计方法，以适应红外目标辐射出射度的缓慢变化。
本发明的目的是这样实现的，双波段探测器的红外小目标的距离估计方法，其具体步骤包括如下：
（1）通过双波段探测器分别获取红外小目标信号在第一工作波段和第二工作波段的辐照度P 1(n)、P 2(n)，n=1, 2, 3, …为采样时刻序号；
（2）通过光电经纬仪确定目标相对观测平台的方位角α n 、俯仰角β n ； 
（3）利用全球定位系统GPS或北斗星等定位系统获取采样时刻探测器所处的三维空间坐标；
（4）从第n+2≥3采样时刻开始，计算小目标在n+1、n+2两采样时刻目标到探测器的距离比
Figure 470276DEST_PATH_IMAGE003
，公式为
Figure 577909DEST_PATH_IMAGE004
，计算n、n+2两采样时刻目标到探测器的距离比，公式为
Figure 708862DEST_PATH_IMAGE006
，P 1(n)、P 1(n+1)、P 1(n+2)分别为探测器第一工作波段在n、n+1、n+2采样时刻接收到的目标辐照度，P 2(n)、P 2(n+1)、P 2(n+2)分别为探测器第二工作波段在n、n+1、n+2采样时刻接收到的目标辐照度，μ 1 、μ 2为第一、第二工作波段的现场大气衰减系数； 
（5）对i= n、n+1、n+2等不同的采样时刻，根据步骤(2)中得到的方位角α i 和俯仰角β i ，利用公式
Figure 859220DEST_PATH_IMAGE007
，计算i采样时刻目标的方向余弦(
Figure 188571DEST_PATH_IMAGE008
，
Figure 184208DEST_PATH_IMAGE009
，
Figure 968932DEST_PATH_IMAGE010
)，其中
Figure 290192DEST_PATH_IMAGE008
、
Figure 841259DEST_PATH_IMAGE009
、分别为i采样时刻探测器在空间坐标系中的光心到目标形心的单位矢量的x、y、z三个坐标分量，(，
Figure 780768DEST_PATH_IMAGE012
，
Figure 149957DEST_PATH_IMAGE013
)、(
Figure 752976DEST_PATH_IMAGE014
，
Figure 255502DEST_PATH_IMAGE015
，
Figure 980881DEST_PATH_IMAGE016
)和(，
Figure 978498DEST_PATH_IMAGE018
，
Figure 538792DEST_PATH_IMAGE019
)分别为n、 n+1、 n+2采样时刻目标的方向余弦；
（6）根据步骤（4）中获得的探测器空间坐标的距离比
Figure 169494DEST_PATH_IMAGE005
和
Figure 448028DEST_PATH_IMAGE020
，（5）中获得的方向余弦(
Figure 392850DEST_PATH_IMAGE011
，
Figure 872898DEST_PATH_IMAGE012
，
Figure 612184DEST_PATH_IMAGE013
)、(
Figure 112435DEST_PATH_IMAGE014
，
Figure 860948DEST_PATH_IMAGE015
，
Figure 130256DEST_PATH_IMAGE016
)和(
Figure 368339DEST_PATH_IMAGE017
，
Figure 355887DEST_PATH_IMAGE021
，)，依据公式：
Figure 108870DEST_PATH_IMAGE022
；计算二次项系数
Figure 455537DEST_PATH_IMAGE023
；
（7）根据步骤（3）中获得的探测器空间坐标（x n ，y n ，z n ）、（x n+1，y n+1，z n+1）和（x n+2，y n+2，z n+2），（5）中得到的目标方向余弦(
Figure 664802DEST_PATH_IMAGE011
，
Figure 817435DEST_PATH_IMAGE012
，
Figure 126581DEST_PATH_IMAGE013
)、(
Figure 706467DEST_PATH_IMAGE014
，
Figure 668606DEST_PATH_IMAGE015
，
Figure 359351DEST_PATH_IMAGE016
)和(
Figure 457757DEST_PATH_IMAGE017
，
Figure 146227DEST_PATH_IMAGE021
，
Figure 333013DEST_PATH_IMAGE019
)，结合（4）中获得的探测器空间坐标的距离比和
Figure 45940DEST_PATH_IMAGE020
，依据公式：
Figure 905312DEST_PATH_IMAGE024
Figure 576465DEST_PATH_IMAGE025
Figure 546695DEST_PATH_IMAGE026
，计算一次项系数
Figure 684940DEST_PATH_IMAGE027
；
（8）根据步骤（3）中获得的探测器空间坐标（x n ，y n ，z n ）、（x n+1，y n+1，z n+1）和（x n+2，y n+2，z n+2），依据公式：
Figure 715212DEST_PATH_IMAGE028
，计算常数项
Figure 873661DEST_PATH_IMAGE029
；
（9）根据步骤（4）中获得的探测器空间坐标的距离比和，（5）中获得的方向余弦(
Figure 104157DEST_PATH_IMAGE011
，
Figure 484323DEST_PATH_IMAGE012
，
Figure 115463DEST_PATH_IMAGE013
)、(
Figure 163053DEST_PATH_IMAGE014
，
Figure 535129DEST_PATH_IMAGE015
，
Figure 464907DEST_PATH_IMAGE016
)和(
Figure 580631DEST_PATH_IMAGE017
，
Figure 482728DEST_PATH_IMAGE021
，
Figure 28634DEST_PATH_IMAGE019
)，依据公式：
Figure 711289DEST_PATH_IMAGE031
；计算二次项系数
Figure 365124DEST_PATH_IMAGE032
；
（10）根据步骤（3）中获得的探测器空间坐标（x n ，y n ，z n ）、（x n+1，y n+1，z n+1）和（x n+2，y n+2，z n+2），（5）中得到的目标方向余弦(
Figure 387306DEST_PATH_IMAGE011
，
Figure 163501DEST_PATH_IMAGE012
，
Figure 70802DEST_PATH_IMAGE013
)、(
Figure 528328DEST_PATH_IMAGE014
，
Figure 467334DEST_PATH_IMAGE015
，
Figure 352114DEST_PATH_IMAGE016
)和(
Figure 681464DEST_PATH_IMAGE017
，
Figure 4998DEST_PATH_IMAGE021
，
Figure 739123DEST_PATH_IMAGE019
)，结合（4）中获得的探测器空间坐标的距离比和
Figure 611450DEST_PATH_IMAGE020
，依据公式：
Figure 676358DEST_PATH_IMAGE033
Figure 550959DEST_PATH_IMAGE035
Figure 854901DEST_PATH_IMAGE036
，计算一次项系数
Figure 472569DEST_PATH_IMAGE037
；
（11）根据步骤（3）中获得的探测器空间坐标（x n ，y n ，z n ）、（x n+1，y n+1，z n+1）和（x n+2，y n+2，z n+2），依据公式：
Figure 975095DEST_PATH_IMAGE038
，计算常数项
Figure 638157DEST_PATH_IMAGE039
；
（12）根据二次项系数
Figure 163817DEST_PATH_IMAGE023
、一次项系数
Figure 570527DEST_PATH_IMAGE027
和常数项
Figure 927559DEST_PATH_IMAGE029
，构建一元二次距离估计方程：；
（13）判断步骤（12）正实根的情况：若有一个正实根，该正实根即r n+2；若有两个正实根，则取二者的平均值作为r n+2；若无正实根，则求解距离估计备份方程，该距离估计备份方程的正实根或正实根的平均值即为n+2采样时刻的目标距离r n+2；如果两个距离估计方程均无正实根，转入转入步骤（1），继续观测采样。
所述的方位角α n 、俯仰角β n 是利用光轴与双波段探测系统的光轴平行联动安装的光电经纬仪确定目标的方向信息，观测器坐标系取地理坐标系的平移坐标系。
所述的利用全球定位系统GPS或北斗星定位系统获取三维空间坐标包括获取n采样时刻探测器所处的三维空间坐标（x n ，y n ，z n ），n+1、n+2采样时刻探测器的三维空间坐标分别记为（x n+1，y n+1，z n+1）、（x n+2，y n+2，z n+2）。
所述的μ 1、μ 2是可以按现场实际气象情况选定的大气衰减系数，也可通过其他类似双波段探测技术（如双波段对比度关系）获得目标到探测器的距离比。
本发明具有如下优点：
本发明中，利用红外小目标在相邻采样时刻的辐照度测量值确定目标距离比，并结合目标的空间运动轨迹约束关系估计目标距观测器的距离，不需要复杂的扰动滤波算法，在一定程度上减小了运算量；采用求解一元二次方程的方法估计目标距离，避免了用接近于0的数值做分母，增强了方法的可靠性。通过对同一小目标的三次观测量进行处理，即可获得目标的距离估计值，避免在较长时间内假定目标辐射出射度不变的不合理假设。本发明既能适用于空间机载、也可适用于弹载平台。
附图说明
图1 为本发明的工作原理流程图。
具体实施方式
参照图1，本发明的实现步骤如下:
100步，开始；
101步，利用探测器获取目标的相关参数。
1.1 将双波段红外探测器与光电经纬仪镜筒固定，使得它们的光轴同向平行，将GPS系统固定在光电经纬仪底座上，将光电经纬仪通过底座螺栓固定在移动平台上，中央控制计算机与光电经纬仪、GPS系统和双波段红外探测器相连接构成探测系统，用于存储和处理所得到的信息，并实现目标距离估计算法；
1.2 通过探测器分别获取n采样时刻红外小目标的第一波段辐照度P 1(n)、第二波段辐照度P 2(n)，n+1采样时刻的目标的辐照度对应为P 1(n+1)、P 2(n+1)，n+2采样时刻的目标的辐照度对应为P 1(n+2)、P 2(n+2)；
1.3 通过GPS获取n采样时刻探测器所处的三维空间坐标序列（x n ，y n ，z n ），n+1、n+2采样时刻探测器的三维空间坐标记为（x n+1，y n+1，z n+1）、（x n+2，y n+2，z n+2）；
1.4 利用光轴与双波段探测器的光轴平行联动安装的光电经纬仪，确定目标的方向信息，包括每一个采样时刻目标的方位角α n 、俯仰角β n ；n+1采样时刻的小目标的方位角、俯仰角则记为α n+1、β n+1；n+2采样时刻的小目标的方位角、俯仰角则记为α n+2、β n+2。
102步，判断n≥3是否成立。
如果否，返回1.2继续跟踪采样，如果是，则进入下一步。
103步，计算目标的方向余弦。
对i= n、n+1、n+2等不同的采样时刻，根据101步1.4中得到的方位角α i 、俯仰角β i ，依公式
Figure 722230DEST_PATH_IMAGE042
，计算各个采样时刻目标的方向余弦(
Figure 199348DEST_PATH_IMAGE011
，
Figure 204213DEST_PATH_IMAGE012
，
Figure 704465DEST_PATH_IMAGE013
)、(
Figure 518224DEST_PATH_IMAGE014
，
Figure 787532DEST_PATH_IMAGE015
，)和(，
Figure 299788DEST_PATH_IMAGE021
，
Figure 689181DEST_PATH_IMAGE019
)。
104步，计算小目标的距离比。
定义小目标n+1、n+2两次采样时刻目标到探测器的距离比
Figure 835516DEST_PATH_IMAGE043
，估值公式为
Figure 310359DEST_PATH_IMAGE044
；定义n、n+2两采样时刻目标到探测器的距离比
Figure 462992DEST_PATH_IMAGE045
，估值公式为
Figure 706891DEST_PATH_IMAGE046
，P 1(n)、P 1(n+1)、P 1(n+2)分别为n、n+1、n+2采样时刻在探测器第一工作波段接收到的目标辐照度，P 2(n)、P 2(n+1)、P 2(n+2)分别为n、n+1、n+2采样时刻在探测器第二工作波段接收到的目标辐照度，μ 1 、μ 2为第一、第二工作波段现场的大气衰减系数。
105步，计算二次项系数值A2、A1。
根据步骤104中获得的探测器空间坐标的距离比
Figure 224460DEST_PATH_IMAGE005
和，步骤103中获得的方向余弦(
Figure 602976DEST_PATH_IMAGE011
，，
Figure 717749DEST_PATH_IMAGE013
)、(，
Figure 333724DEST_PATH_IMAGE015
，
Figure 614532DEST_PATH_IMAGE016
)和(
Figure 476834DEST_PATH_IMAGE017
，
Figure 147986DEST_PATH_IMAGE021
，
Figure 118217DEST_PATH_IMAGE019
)，依据公式：
Figure 253532DEST_PATH_IMAGE022
，计算二次项系数
Figure 283805DEST_PATH_IMAGE023
；依据公式：
Figure 504570DEST_PATH_IMAGE047
Figure 271243DEST_PATH_IMAGE049
，计算二次项系数
Figure 472417DEST_PATH_IMAGE050
。
106步，计算一次项系数值B2、B1。
根据步骤1.3中获得的探测器空间坐标（x n ，y n ，z n ）、（x n+1，y n+1，z n+1）和（x n+2，y n+2，z n+2），步骤103中得到的目标方向余弦(
Figure 180479DEST_PATH_IMAGE011
，，
Figure 540102DEST_PATH_IMAGE013
)、(
Figure 915107DEST_PATH_IMAGE014
，
Figure 110465DEST_PATH_IMAGE015
，
Figure 226188DEST_PATH_IMAGE016
)和(
Figure 128285DEST_PATH_IMAGE017
，
Figure 671262DEST_PATH_IMAGE021
，
Figure 353916DEST_PATH_IMAGE019
)，结合步骤104中获得的探测器空间坐标的距离比
Figure 22400DEST_PATH_IMAGE005
和，依据公式：
Figure 662832DEST_PATH_IMAGE025
Figure 120358DEST_PATH_IMAGE026
，计算一次项系数
Figure 997047DEST_PATH_IMAGE027
；依据公式：
Figure 947073DEST_PATH_IMAGE051
Figure 276423DEST_PATH_IMAGE036
，计算一次项系数
Figure 599957DEST_PATH_IMAGE052
。
107步，计算常数项C 2、C1。
根据步骤1.3中获得的探测器空间坐标（x n ，y n ，z n ）、（x n+1，y n+1，z n+1）和（x n+2，y n+2，z n+2），依据公式：
Figure 331153DEST_PATH_IMAGE028
，计算常数项
Figure 449150DEST_PATH_IMAGE029
；依据公式：
Figure 265796DEST_PATH_IMAGE038
，计算常数项
Figure 130372DEST_PATH_IMAGE053
。
108步，构建一元二次距离估计方程。
[0026] 根据步骤105、106、107得到的A2、B2和C2，构建一元二次距离估计方程为: 
Figure 716074DEST_PATH_IMAGE040
；同时，根据步骤105、106、107得到的A1、B1和C1，构建一元二次距离估计备份方程
Figure 208235DEST_PATH_IMAGE041
。
109步，求解n+2采样时刻的目标距离r n+2。
判断步骤108中距离估计方程
Figure 512178DEST_PATH_IMAGE054
正实根的情况：若有一个正实根，该正实根即r n+2；若有两个正实根，则取二者的平均值作为r n+2；若无正实根，则求解距离估计备份方程
Figure 911935DEST_PATH_IMAGE041
，该距离估计备份方程的正实根或正实根的平均值即为n+2采样时刻的目标距离r n+2；如果两个距离估计方程均无正实根，转入转入步骤101，继续观测采样。
110步，判断目标距离估计是否需要结束。
111步，如果不需要目标距离估计过程继续下去，则终止对目标的跟踪和距离估计，否则，转入步骤101，开始对下一个时刻的目标距离进行估计。
本发明中，红外小目标（专业术语）是指在红外成像系统上所获得的图像面积小于20像素点的目标，取决于目标本身尺寸、目标距离成像系统的距离和成像系统的参数。

Claims (3)

1.双波段探测器对红外小目标的距离估计方法，其具体步骤包括如下：
1）通过双波段探测器分别获取红外小目标信号在第一工作波段和第二工作波段的辐照度P1(n)、P2(n)，n=1,2,3,…为采样时刻序号；
2）通过光电经纬仪确定目标相对观测平台的方位角αn、俯仰角βn；
3）利用全球定位系统GPS或北斗星定位系统获取采样时刻探测器所处的三维空间坐标；
4）从第n+2≥3采样时刻开始，计算小目标在n+1、n+2两采样时刻目标到探测器的距离比ρ(n+1)(n+2)，公式为
Figure FDA00001793762200011
计算n、n+2两采样时刻目标到探测器的距离比ρn(n+2)，公式为 P1(n)、P1(n+1)、P1(n+2)分别为探测器第一工作波段在n、n+1、n+2采样时刻接收到的目标辐照度，P2(n)、P2(n+1)、P2(n+2)分别为探测器第二工作波段在n、n+1、n+2采样时刻接收到的目标辐照度，μ1、μ2为第一、第二工作波段的现场大气衰减系数；
5）对i=n、n+1、n+2相邻采样时刻，根据步骤2）中得到的方位角αi和俯仰角βi，利用公式 
Figure FDA00001793762200013
计算i采样时刻目标的方向余弦(li，mi，ni)，其中li、mi、ni分别为i采样时刻探测器在空间坐标系中的光心到目标形心的单位矢量的x、y、z三个坐标分量，(ln，mn，nn)、(ln+1，mn+1，nn+1)和(ln+2，mn+2，nn+2)分别为n、n+1、n+2采样时刻目标的方向余弦；
6）根据步骤4）中获得的探测器空间坐标的距离比ρn(n+2)和ρ(n+1)(n+2)，步骤5）中获得的方向余弦(ln，mn，nn)、(ln+1，mn+1，nn+1)和(ln+2，mn+2，nn+2)，依据公式：A2=(ln+1nn+2-nn+1ln+2)ρ(n+1)(n+2)-(ln+1nn-nn+1ln)ρn(n+2)ρ(n+1)(n+2)-(lnnn+2-nnln+2)ρn(n+2)； 计算二次项系数A2；
7）根据步骤3）中获得的探测器空间坐标（xn，yn，zn）、（xn+1，yn+1，zn+1）和（xn+2，yn+2，zn+2），步骤5）中得到的目标方向余弦(ln，mn，nn)、(ln+1，mn+1，nn+1)和(ln+2，mn+2，nn+2)，结合步骤4）中获得的探测器空间坐标的距离比ρn(n+2)和ρ(n+1)(n+2)，依据公式：B2=(xn+1-xn)nn+2-(xn+1-xn+2)nnρn(n+2)-(xn+2-xn)nn+1ρ(n+1)(n+2)+(zn+2-zn)ln+1ρ(n+1)(n+2)-(zn+2-zn+1)lnρn(n+2)-(zn+1-zn)ln+2，计算一次项系数B2；
8）根据步骤3）中获得的探测器空间坐标（xn，yn，zn）、（xn+1，yn+1，zn+1）和（xn+2，yn+2，zn+2），依据公式：C2=xn+1(zn+2-zn)-xn+2(zn+1-zn)-xn(zn+2-zn+1)，计算常数项C2；
9）根据步骤4）中获得的探测器空间坐标的距离比ρn(n+2)和ρ(n+1)(n+2)，步骤5）中获得的方向余弦(ln，mn，nn)、(ln+1，mn+1，nn+1)和(ln+2，mn+2，nn+2)，依据公式：A1=(ln+1mn+2-mn+1ln+2)ρ(n+1)(n+2)-(ln+1mn-mn+1ln)ρn(n+2)ρ(n+1)(n+2)-(lnmn+2-mnln+2)ρn(n+2)；计算二次项系数A1；
10）根据步骤3）中获得的探测器空间坐标（xn，yn，zn）、（xn+1，yn+1，zn+1）和（xn+2，yn+2，zn+2），步骤5）中得到的目标方向余弦(ln，mn，nn)、(ln+1，mn+1，nn+1)和(ln+2，mn+2，nn+2)，结合步骤4）中获得的探测器空间坐标的距离比ρn(n+2)和ρ(n+1)(n+2)，依据公式：B1=(xn+1-xn)mn+2-(xn+1-xn+2)mnρn(n+2)-(xn+2-xn)mn+1ρ(n+1)(n+2)+(yn+2-yn)ln+1ρ(n+1)(n+2)-(yn+2-yn+1)lnρn(n+2)-(yn+1-yn)ln+2，计算一次项系数B1；
11）根据步骤3）中获得的探测器空间坐标（xn，yn，zn）、（xn+1，yn+1，zn+1）和（xn+2，yn+2，zn+2），依据公式：C1=xn+1(yn+2-yn)-xn+2(yn+1-yn)-xn(yn+2-yn+1)， 计算常数项C1；
12）根据二次项系数A2、一次项系数B2和常数项C2，构建一元二次距离估计方程： 
Figure FDA00001793762200031
13）判断步骤12）正实根的情况：若有一个正实根，该正实根即rn+2；若有两个正实根，则取二者的平均值作为rn+2；若无正实根，则求解距离估计备份方程 
Figure FDA00001793762200032
该距离估计备份方程的正实根或正实根的平均值即为n+2采样时刻的目标距离rn+2；如果两个距离估计方程均无正实根，转入步骤1），继续观测采样。
2.根据权利要求1所述的双波段探测器对红外小目标的距离估计方法，其特征是：所述的方位角αn、俯仰角βn是利用光轴与双波段探测器的光轴平行联动安装的光电经纬仪确定目标的方向信息。
3.根据权利要求1所述的双波段探测器对红外小目标的距离估计方法，其特征是：所述的利用全球定位系统GPS或北斗星定位系统获取三维空间坐标包括获取n采样时刻探测器所处的三维空间坐标（xn，yn，zn）和n+1、n+2采样时刻探测器的三维空间坐标记为（xn+1，yn+1，zn+1）、（xn+2，yn+2，zn+2）。 
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