CN103558593B - 一种基于强散射点的舰船特定点的位置获取方法 - Google Patents

一种基于强散射点的舰船特定点的位置获取方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于强散射点的舰船特定点的位置获取方法，包括以下几个步骤：步骤一：获取雷达图像、雷达视角和舰船几何参数，设定坐标系；步骤二：根据SAR图像I获取舰船的方位角；步骤三：根据强散射点获取参考点的图像坐标和对应的实际坐标；步骤四：根据投影关系获取特定点的图像坐标。本发明根据舰船目标的特殊性，利用舰岛的散射特性能够为方位角的计算提供更为有效的信息，使方位角计算更准确；根据强散射点计算出特定点的位置坐标，可为制导提供更加准确的控制信息，比直接以强散射点作为打击的参考信息效果更好。

Description

一种基于强散射点的舰船特定点的位置获取方法
技术领域
本发明涉及雷达技术领域，具体地说，是指一种基于强散射点的舰船特定点的位置获取方法。
背景技术
合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar，SAR）是一种全天候、全天时的高分辨率的微波遥感成像雷达，它具有探测数百千米外的目标、并形成清晰二维图像的能力。弹载SAR能为导弹巡航和末端的数字式景象匹配制导提供实时的SAR图像。在复杂战场环境下，SAR制导技术具有较强的自主性和抗干扰能力，可有效弥补激光制导和可见光制导受环境影响较大的不足。
强散射点是舰船SAR图像的典型特征之一。强散射点通常对应着舰船的某些特殊结构（如直角反射面、棱线、尖顶等）。现有的末制导方法，导引头根据强散射点的方位角及位置信息，直接引导导弹至舰船目标，但是舰船的跑道等弱散射部位更容易被有效攻击，如果直接对准强散射点进行攻击，会削弱打击效果。而如果把强散射点作为参考点，据此计算出某些特殊部位的位置，能够为导弹制导提供更加准确的控制信息，可提高打击精度。
发明内容
本发明是针对导弹直接打击强散射点打击效果差的问题，提出了一种基于强散射点的舰船特定点的位置获取方法。本发明把强散射点作为参考点，利用特定点与参考点之间的相对位置关系，获取出特定点在图像上的位置，为导弹制导提供更加准确的控制信息，从而提高了打击精度。
一种基于强散射点的舰船特定点的位置获取方法，包括以下几个步骤：
步骤一：获取雷达图像、雷达视角和舰船几何参数，设定坐标系；
步骤二：根据雷达图像获取舰船的方位角；
步骤三：根据强散射点获取参考点的图像坐标和对应的实际坐标；
步骤四：根据投影关系获取特定点的图像坐标。
本发明的优点在于：
（1）根据舰船目标的特殊性，利用舰岛的散射特性能够为方位角的计算提供更为有效的信息，使方位角计算更准确；
（2）根据强散射点计算出特定点的位置坐标，可为制导提供更加准确的控制信息，比直接以强散射点作为打击的参考信息效果更好。
（3）本发明方法适用于有强散射点的舰船雷达图像。
附图说明
图1为本发明的方法流程图；
图2为实施例中入射角60°，方位角45°时舰船的SAR成像结果；
图3为实施例中舰船缩比模型图；
图4为实施例中舰船的方位角提取图；
图5为实施例中参考点和特定点选取示意图；
图6为实施例中特定点的成像位置示意图。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
本发明是一种基于强散射点的舰船特定点的位置获取方法，流程如图1所示，包括以下几个步骤：
步骤一：获取雷达图像、雷达视角和舰船几何参数，设定坐标系；
获取舰船目标的SAR图像I，雷达视角θ，舰船几何参数包括舰岛顶部位置坐标A，特定点坐标B。
设定舰船坐标系E1和图像坐标系E2，具体为：
（1）舰船坐标系E1：
坐标原点：舰船质心；
xE1轴：过舰船质心，水平面内指向舰头的方向为x轴正方向；
yE1轴：过舰船质心，水平面内舰岛一侧指向无舰岛一侧为正方向；
zE1轴：过舰船质心，垂直水平面，舰船底部向上为正方向，与x轴、y轴满足右手螺旋准则。
（2）图像坐标系E2：
坐标原点：图像左下角像素；
xE2轴：平行于雷达飞行方向，与速度方向夹角小于90度为正向，即方位向；
yE2轴：平行于雷达中心波束视线方向，由雷达至目标方向为正向，即距离向；
zE2轴：与x轴、y轴满足右手螺旋准则。
步骤二：根据SAR图像I获取舰船的方位角
对SAR图像I进行二值化处理，获取值为1的点的坐标，使用最小二乘法拟合出舰船中心线，根据中心线的斜率倾角获取出舰船的方位角，具体为：
（1）选取-40dB为临界值，对SAR图像I进行二值化处理，获取值为1的点的坐标矩阵M；
（2）使用最小二乘法对矩阵M进行一阶曲线拟合，获得舰船的中心线l，求出l的斜率k，得到
（3）在图像坐标系E2中，根据SAR图像I最亮点的坐标C′＝(x1′,y1′)和中心线l的位置关系对进行修正，取中心线l上的坐标(x1′,y1′′)，将带入式（1），得到舰船方位角
步骤三：根据强散射点获取参考点的图像坐标C′和对应的实际坐标C；
在图像坐标系E2中，选取SAR图像I中最亮点作为参考点，根据SAR图像I获得参考点的图像坐标C′＝(x1′,y1′)，最亮点对应的实际位置为舰岛顶部的位置，在舰船坐标系E1中，取得舰船顶部的位置坐标，也即参考点的实际坐标C＝(x1,y1,z1)。
步骤四：根据投影关系获取特定点的图像坐标B′。
根据参考点和特定点的实际坐标获得参考点和特定点的相对位置，通过舰船坐标系和图像坐标之间的投影关系，获取特定点在图像上的位置，具体为：
（1）根据参考点的实际坐标C＝(x1,y1,z1)，特定点的实际坐标B＝(x,y,z)，得到参考点与特定点相对位置坐标D＝(x,y,z)＝(x-x1,y-y1,z-z1)；
（2）将相对位置坐标D、雷达视角θ、方位角代入式（2）右边，得出特定点的相对图像坐标为B′＝(x′,y′,z′)。
（3）由式（3）获取特定点的真实图像坐标。
B′＝(x1′+x′,y1′+y′)    （3）
根据图像坐标B′可以在图像上显示特定点B的位置。
实施例：
针对某舰船的缩比模型的仿真SAR图像进行特定点的位置计算。
舰船长30m，宽6.5m，舰岛长6.5m,宽1.5m，高2m。为了获取本方法的误差，在特定点处放置一小金属圆柱体作为定标点，其在SAR图像上显示为一个强散射点。模型如图3所示。
应用本发明的评估方法具体为：
步骤一：获取雷达图像、雷达视角和舰船几何参数，设定坐标系；
具体为：
ⅰ：输入舰船目标的SAR图像I，如图2所示；
ⅱ：输入雷达视角θ＝60°；
ⅲ：设定舰船坐标系E1和图像坐标系E2：
坐标原点：舰船质心；
xE1轴：过舰船质心，水平面内指向舰头的方向为x轴正方向；
yE1轴：过舰船质心，水平面内舰岛一侧指向无舰岛一侧为正方向；
zE1轴：过舰船质心，垂直水平面，舰船底部向上为正方向，与x轴、y轴满足右手螺旋准则。
图像坐标系E2：
坐标原点：图像左下角像素；
xE2轴：平行于雷达飞行方向，与速度方向夹角小于90度为正向，即方位向；
yE2轴：平行于雷达中心波束视线方向，由雷达至目标方向为正向，即距离向；
zE2轴：与x轴、y轴满足右手螺旋准则。
ⅳ:输入舰船几何参数，获取舰岛顶部坐标A＝(-1.45,-3.2,3.0)，特定点坐标B＝(7.2,-1.06,0.4)。
步骤二：根据SAR图像I获取舰船的方位角
对SAR图像图像I进行二值化处理，获取值为1的点的坐标，使用最小二乘法拟合出舰船中心线，根据中心线的斜率倾角获取舰船的方位角，具体为：
（1）选取-40dB为临界值，对图像I进行二值化处理，获取值为1的点的坐标矩阵M，如图4黑色区域所示；
（2）使用最小二乘法对矩阵M进行一阶曲线拟合，获得舰船的中心线l，如图4直线所示，求出l的斜率k＝0.9087，得出
（3）图像最强点的坐标C′＝(23.25,27.28)，中心线l的对应的坐标(23.25,24.56)，根据式（4）可得修正后方位角为
步骤三：根据强散射点获取参考点的图像坐标C′和对应的实际坐标C；
选取SAR图像I中最亮点作为参考点，根据SAR图像I获得参考点的图像坐标C′＝(23.25,27.28)，参考点对应的实际坐标C＝A＝(-1.45,-3.2,3.0)。
步骤四：根据投影关系获取特定点的图像坐标B′。
根据参考点和特定点的实际坐标获得参考点和特定点的相对位置，通过舰船坐标系和图像坐标系之间的投影关系，获取特定点在图像上的位置，具体为：
（1）根据参考点的实际坐标C＝(-1.45,-3.2,3.0)，特定点的实际坐标B＝(7.2,-1.06,0.4)，得到相对位置坐标D＝(x,y,z)＝(8.65,2.14,-2.6)，如图5所示；
（2）将坐标D、雷达视角θ、方位角代入式（5）右边，得出特定点的相对图像坐标为B′＝(-4.4，-5.4，-6.1)。
（3）由下式（6）获取特定点的真实图像坐标。
B′＝(23.25-4.4,27.28-5.4)＝(18.85，21.88)    （6）
定标圆柱体的图像坐标为(19.07，21.35)，根据坐标在图像上显示出来，如图6所示。计算误差为(19.07-18.85,21.35-21.88)＝(0.22,-0.53)。
本发明是针对如何导弹直接打击强散射点打击效果差的问题，根据舰船目标SAR成像的特殊性,通过图像先获取舰船的方位角信息，再根据强散射点计算出参考点的坐标，通过参考点和特定点的相对位置关系，计算出特定点在图像上的位置，为导弹制导提供更为准确的控制信息，从而提高打击精度。

Claims (3)

1.一种基于强散射点的舰船特定点的位置获取方法，包括以下几个步骤：
步骤一：获取雷达图像、雷达视角和舰船几何参数，设定坐标系；
获取舰船目标的SAR图像I，雷达视角θ，舰船几何参数包括舰岛顶部位置坐标A，特定点坐标B；
设定舰船坐标系E1和图像坐标系E2，具体为：
(1)舰船坐标系E1：
坐标原点：舰船质心；
xE1轴：过舰船质心，水平面内指向舰头的方向为x轴正方向；
yE1轴：过舰船质心，水平面内舰岛一侧指向无舰岛一侧为正方向；
zE1轴：过舰船质心，垂直水平面，舰船底部向上为正方向，与x轴、y轴满足右手螺旋准则；
(2)图像坐标系E2：
坐标原点：图像左下角像素；
xE2轴：平行于雷达飞行方向，与速度方向夹角小于90度为正向，即方位向；
yE2轴：平行于雷达中心波束视线方向，由雷达至目标方向为正向，即距离向；
zE2轴：与x轴、y轴满足右手螺旋准则；
步骤二：根据SAR图像I获取舰船的方位角
对SAR图像I进行二值化处理，获取值为1的点的坐标，使用最小二乘法拟合出舰船中心线，根据中心线的斜率倾角获取出舰船的方位角
步骤三：根据强散射点获取参考点的图像坐标C'和对应的实际坐标C；
在图像坐标系E2中，选取SAR图像I中最亮点作为参考点，根据SAR图像I获得参考点的图像坐标C'＝(x1',y1')，最亮点对应的实际位置为舰岛顶部的位置，在舰船坐标系E1中，取得舰船顶部的位置坐标，也即参考点的实际坐标C＝(x1,y1,z1)；
步骤四：根据投影关系获取特定点的图像坐标B'；
根据参考点和特定点的实际坐标获得参考点和特定点的相对位置，通过舰船坐标系和图像坐标系之间的投影关系，获取特定点在图像上的位置。
2.根据权利要求1所述的一种基于强散射点的舰船特定点的位置获取方法，所述的步骤二具体为：
(1)选取-40dB为临界值，对SAR图像I进行二值化处理，获取值为1的点的坐标矩阵M；
(2)使用最小二乘法对矩阵M进行一阶曲线拟合，获得舰船的中心线l，求出l的斜率k，得到
(3)在图像坐标系E2中，根据SAR图像I最亮点的坐标C'＝(x1',y1')和中心线l的位置关系对进行修正，取中心线l上的坐标(x1',y1”)，将代入式(1)，得到舰船方位角
3.根据权利要求1所述的一种基于强散射点的舰船特定点的位置获取方法，所述的步骤四具体为：
(1)根据参考点的实际坐标C＝(x1,y1,z1)，特定点的实际坐标B＝(x2,y2,z2)，得到参考点与特定点相对位置坐标D＝(x,y,z)＝(x2-x1,y2-y1,z2-z1)；
(2)将相对位置坐标D、雷达视角θ、方位角代入式(2)右边，得出特定点的相对图像坐标为B'＝(x',y',z')；
(3)由下式(3)获取特定点的真实图像坐标；
B”＝(x1'+x',y1'+y')       (3)
根据图像坐标B”获取在图像上显示特定点B的位置。
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