CN102331250B - 无需大气消光系数的红外小目标距离估计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种无需大气消光系数的红外小目标距离估计方法，属于光电探测技术领域，主要解决现有小目标距离估计准确度和实用性差的问题。其实现步骤是：先利用红外传感器测量目标的辐照度E[n]；利用光电经纬仪获得目标的方位角α_n和俯仰角β_n；利用定位系统获得探测器的空间坐标(x_n-1，y_n-1，z_n-1)；根据方位角α_n、俯仰角β_n确定目标的方向余弦l_n；再利用n-1和n相邻两次采样时刻上的目标辐照度E[n-1]和E[n]计算目标距离比ρ；然后对目标的距离进行估计。本发明对距离的估计无需大气消光系数，无需要求目标的先验知识和其他限制条件，适用于单波段红外传感器对红外小目标的距离估计。

Description

无需大气消光系数的红外小目标距离估计方法

技术领域

本发明属于光电探测技术领域，涉及对成像面积小于20像素的目标，即红外小目标的距离估计，可用于对小目标的被动红外距离探测。

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，由于不向外界辐射能量，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。但对成像面积小于20像素的红外小目标来说，由于距离信息难以获取，降低了光电对抗系统的性能，限制了光电对抗的应用和发展。因此，被动探测技术成为机载或弹载被动探测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。当前有代表性的研究成果主要有以下三篇文献：

文献1，《基于红外辐射特性的单波段红外图像被动测距》(杨德贵，肖顺平.红外与激光工程，2009，38(6)：946-950+1013)。这篇文献给出了一个单波段被动测距公式，可以在预知大气消光系数的情况下对目标距离进行估计。实际上，大气消光系数很难准确预知，因此实际应用中该方法的准确度不够好；

文献2，《基于红外搜索系统的被动测距技术研究》(徐志弘，郑猛.舰船电子工程，2005，25(2)：127-130)。这篇文献提出了一种对目标距离的估计方法，该方法通过对接收到的目标辐射功率及其变化的处理，结合对目标速度的估计值，估计出目标的距离。该方法尽管避免了对大气消光系数的先验知识，但受到需要对目标速度进行估计的影响，其最终对距离的估计误差较大，高达30％。此外该方法也不适用于目标在角度上做较大机动的情况，因此其实用性差；

文献3，《弹载被动系统测距算法》(伍友利，方洋旺，蔡文新，王洪强.系统工程与电子技术，2009，31(7)：1684-1688)。这篇文献提出利用复杂的扰动滤波算法实现对目标的距离估计。这种方法虽说有较好的仿真结果，但其实现需要假定目标在运动过程中向外的能量辐射出射度始终保持恒定，而在实际应用中这种假定是不合理的。因此这种方法也难以实用化。

综上所述，现有方法的不足首先是需要先验知识，如文献1中的大气消光系数和文献2中的目标速度；其次是需要对目标进行条件限制，如文献3中假设目标辐射出射度始终保持恒定，因此在实际应用中现有方法受到的限制条件多，估计准确度和实用性差。

发明内容

本发明的目的在于针对上述已有技术的问题，提出一种无需大气消光系数的红外小目标距离估计方法，以在无需要求目标的先验知识和其他限制条件下，提高估计结果的准确度和实用性。

实现本发明的目的的技术思路是：通过探测器的单波段红外传感器接收红外小目标的辐照度，并设置专门的空间坐标系来获取探测器的空间坐标，通过探测目标相对探测器的方位角和俯仰角估计出目标到探测器的距离。其步骤包括如下：

(1)设定由单波段红外传感器、光电经纬仪和定位系统构成的探测器的观测坐标系x-y-z，其x-y平面为探测器平台所在平面，其x坐标轴的负向为探测器的运动方向在x-y平面的投影方向，z坐标轴的正向为x-y平面向上的垂线方向，y坐标轴的方向按照右手坐标系规则设置；

(2)设采样时刻序号n＝1，2，3，……，利用单波段红外传感器获取红外小目标在n-1采样时刻上的辐照度E[n-1]和n采样时刻上的辐照度E[n]；

(3)利用与单波段红外传感器平行联动安装的光电经纬仪，获取目标的方向信息，该方向信息包括目标在n-1采样时刻上的方位角α_n-1、俯仰角β_n-1和n采样时刻上的方位角α_n、俯仰角β_n；

(4)利用GPS全球定位系统或北斗星定位系统，根据步骤(1)中设置的探测器观测坐标系，分别获取探测器在n-1采样时刻上的三维空间坐标(x_n-1，y_n-1，z_n-1)和n采样时刻上的坐标(x_n，y_n，z_n)；

(5)根据步骤(2)中获得的目标辐照度E[n-1]和E[n]，从第n≥2采样时刻开始，计算目标在n-1和n相邻两次采样时刻上到探测器的距离之比ρ：

如果E[n]≤E[n-1]，则 $\mathrm{\ρ}=0.6316(k+k^2+\frac{3}{2}{k}^3+\frac{13}{6}{k}^4-\frac{101}{24}{k}^6),$ 其中k为中间变量， $k=\sqrt{E\left[n\right]/E[n-1]};$

如果E[n]＞E[n-1]，则 $\mathrm{\ρ}=1/\left[0.6316(q+q^2+\frac{3}{2}{q}^3+\frac{13}{6}{q}^4-\frac{101}{24}{q}^6)\right],$ 其中q为中间变量， $q=\sqrt{E[n-1]/E\left[n\right]};$

(6)根据步骤(3)中得到的方位角α_n-1、α_n和俯仰角β_n-1、β_n，分别计算目标在n-1采样时刻上的方向余弦l_n-1和n采样时刻上的方向余弦l_n：

(7)根据步骤(4)中得到的探测器在n-1采样时刻上的空间坐标(x_n-1，y_n-1，z_n-1)和n采样时刻上的空间坐标(x_n，y_n，z_n)、步骤(5)中得到的目标距离比ρ和步骤(6)中得到的目标在n-1采样时刻上的方向余弦l_n-1和n采样时刻上的方向余弦l_n，估计目标在n采样时刻上的距离r_n：

$r_n=\left|\frac{x_n-x_{n-1}}{{\mathrm{\ρl}}_{n-1}-l_n}\right|;$

(8)采样时刻n结束，进入n+1采样时刻，重复以上步骤，继续获取目标和探测器的相关信息并实施对目标距离的估计。

本发明具有如下优点：

1)本发明由于通过单波段探测器获取红外小目标在相邻采样时刻上的辐照度测量值确定目标距离比，因而可适用于大气消光系数不是很大的情形，提高了距离估计的准确度和实用性；

2)本发明由于对目标距离的估计是在专门设置的探测器观测坐标系内进行的，从而使目标距离的估计方法得到了简化，进一步提高距离估计的实用性；

3)本发明的目标距离估计方程由于只与目标距离比、目标在相邻采样时刻上的方向余弦和探测器在相邻采样时刻上的空间坐标等观测量有关，因而无需大气消光系数或目标速度等先验知识；

4)本发明由于通过对目标和探测器在相邻两次采样时刻上的观测量进行处理，来获得目标距离的估计值，其相邻采样时刻间隔很短，因而避免了假定目标辐射出射度在较长时间内保持不变的不合理限制。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为本发明的仿真结果图。

具体实施方式

参照图1，本发明的实现步骤如下：

步骤1，设定探测器观测坐标系。

1.1)将单波段红外传感器与光电经纬仪镜筒固定在一起，使它们的光轴同向平行，将GPS或北斗星定位系统固定在光电经纬仪底座上，构成探测器；将该探测器固定在移动平台上与中央控制计算机相连接，用于处理和存储所得到的相关参数，并实现目标距离的估计和信息输出；

1.2)设定探测器观测坐标系x-y-z，其中x-y平面为探测器平台所在平面，x坐标轴的负向为探测器的运动方向在x-y平面的投影方向，z坐标轴的正向为x-y平面向上的垂线方向，y坐标轴的方向按照右手坐标系规则设置。

步骤2，将探测器采样频率设为每秒25次，设采样时刻序号n＝1，2，3，……，获取相关参数。

2.1)利用单波段红外传感器获取红外小目标在n-1采样时刻上的辐照度E[n-1]和n采样时刻上的辐照度E[n]；

2.2)利用光电经纬仪，获取目标的方向信息，该方向信息包括目标在n-1采样时刻上的方位角α_n-1、俯仰角β_n-1和n采样时刻上的方位角α_n、俯仰角β_n；

2.3)利用GPS全球定位系统或北斗星定位系统，根据步骤1.2)中设置的探测器观测坐标系，分别获取探测器在n-1采样时刻上的三维空间坐标(x_n-1、y_n-1，z_n-1)和n采样时刻上的坐标(x_n，y_n，z_n)。

步骤3，判断探测器采样时刻序号n是否大于等于2，如果n≥2，则返回步骤1.2)，否则进入步骤4。

步骤4，根据步骤2.1)中获得的目标辐照度E[n-1]和E[n]，计算目标在n-1和n相邻两次采样时刻上到探测器的距离之比ρ。

对于E[n]≤E[n-1]，则 $\mathrm{\ρ}=0.6316(k+k^2+\frac{3}{2}{k}^3+\frac{13}{6}{k}^4-\frac{101}{24}{k}^6),$ 其中k为中间变量， $k=\sqrt{E\left[n\right]/E[n-1]};$

对于E[n]＞E[n-1]，则 $\mathrm{\ρ}=1/\left[0.6316(q+q^2+\frac{3}{2}{q}^3+\frac{13}{6}{q}^4-\frac{101}{24}{q}^6)\right],$ 其中q为中间变量， $q=\sqrt{E[n-1]/E\left[n\right]}.$

步骤5，计算目标的方向余弦。

根据步骤2.2)中得到的方位角α_n-1、α_n和俯仰角β_n-1、β_n，分别计算目标在n-1采样时刻上的方向余弦l_n-1＝cosα_n-1 cos_n-1和n采样时刻上的方向余弦l_n＝cosα_ncosβ_n。

步骤6，计算距离估计方程

中的分母A。

根据步骤4中得到的目标距离比ρ和步骤5中得到的目标在n-1采样时刻上的方向余弦l_n-1和n采样时刻上的方向余弦l_n，计算距离估计方程的分母A＝ρl_n-1-l_n。

步骤7，判断A是否等于0，如果A＝0，则返回步骤1.2)，否则进入步骤8。

步骤8，计算目标在n采样时刻上的距离r_n。

根据步骤2.3)中得到的探测器在n-1采样时刻上的空间坐标(x_n-1，y_n-1，z_n-1)和n采样时刻上的空间坐标(x_n，y_n，z_n)，和步骤6中得到的距离估计方程的分母A，计算目标在n采样时刻上的距离

步骤9，判断对目标距离的估计是否需要结束，如果需要结束，则终止对目标的距离估计，否则转入步骤1.2)，继续获取相关参数并对目标进行距离估计。

本发明的效果可通过以下仿真进一步说明：

仿真条件为：探测器在x-y平面内做正弦运动，目标在y-z平面内做抛物线运动，目标方位角和俯仰角的测量误差为1％的白噪声，目标距离比用真实距离比加入5％的白噪声构成。

最终的仿真结果如图2所示，从图2可见，用本发明进行距离估计的相对误差在10％左右，比现有技术的相对误差小，使距离估计的准确度更好。

Claims (2)

1.一种无需大气消光系数的红外小目标距离估计方法，包括如下步骤：

（1）设定由单波段红外传感器、光电经纬仪和定位系统构成的探测器的观测坐标系x-y-z，其x-y平面为探测器平台所在平面，其x坐标轴的负向为探测器的运动方向在x-y平面的投影方向，z坐标轴的正向为x-y平面向上的垂线方向，y坐标轴的方向按照右手坐标系规则设置；

（2）设采样时刻序号n=1,2,3，……，利用单波段红外传感器获取红外小目标在n-1采样时刻上的辐照度E[n-1]和n采样时刻上的辐照度E[n]；

（3）利用与单波段红外传感器平行联动安装的光电经纬仪，获取目标的方向信息，该方向信息包括目标在n-1采样时刻上的方位角α_n-1、俯仰角β_n-1和n采样时刻上的方位角α_n、俯仰角β_n；

（4）利用GPS全球定位系统或北斗星定位系统，根据步骤（1）中设置的探测器观测坐标系，分别获取探测器在n-1采样时刻上的三维空间坐标(x_n-1,y_n-1,z_n-1)和n采样时刻上的坐标(x_n,y_n,z_n)；

（5）根据步骤（2）中获得的目标辐照度E[n-1]和E[n]，从第n≥2采样时刻开始，计算目标在n-1和n相邻两次采样时刻上到探测器的距离之比ρ：

如果E[n]≤E[n-1]，则

其中k为中间变量， $k=\sqrt{E\left[n\right]/E[n-1]};$

如果E[n]＞E[n-1]，则

其中q为中间变量， $q=\sqrt{E[n-1]/E\left[n\right]};$

（6）根据步骤（3）中得到的方位角α_n-1、α_n和俯仰角β_n-1、β_n，分别计算目标在n-1采样时刻上的方向余弦l_n-1和n采样时刻上的方向余弦l_n：

l_n-1＝cosα_n-1cosβ_n-1，

l_n＝cosα_ncosβ_n，

其中α_n-1和β_n-1分别是步骤（3）中得到的目标在n-1采样时刻上的方位角和俯仰角，α_n和β_n分别是步骤（3）中得到的目标在n采样时刻上的方位角和俯仰角；

（7）根据步骤（4）中得到的探测器在n-1采样时刻上的空间坐标(x_n-1,y_n-1,z_n-1)和n采样时刻上的空间坐标(x_n,y_n,z_n)、步骤（5）中得到的目标距离比ρ和步骤（6）中得到的目标在n-1采样时刻上的方向余弦l_n-1和n采样时刻上的方向余弦l_n，估计目标在n采样时刻上的距离r_n：

$r_n=\left|\frac{x_n-x_{n-1}}{{\mathrm{\ρl}}_{n-1}-l_n}\right|;$

（8）采样时刻n结束，进入n+1采样时刻，重复以上步骤，继续获取目标和探测器的相关信息并实施对目标距离的估计。

2.根据权利要求1所述的目标距离估计方法，其中步骤（4）中所述的探测器的空间坐标(x_n-1,y_n-1,z_n-1)和(x_n,y_n,z_n)，是先利用GPS全球定位系统或北斗星定位系统获得探测器的位置信息，再将该位置信息转换到步骤（1）中所设定的探测器观测坐标系中。

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