CN104113733A - 一种低慢小目标电视搜索探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低慢小目标电视搜索探测方法，该方法采用曝光传感器测量探测光学搜索相机下一帧视场光亮度，从而调整光学搜索相机曝光系数，控制相机的曝光时间来实现背景亮度较大反差条件下的光学调整。通过控制图像传感器中的电荷匹配转台的运动速度进行转移和反卷积式补偿的方式，消除拍摄的图像拖尾。通过设置全景模式或自定义区域模式的方式，实现对自身覆盖的所有范围或重点防范区域进行搜索和目标跟踪。最终实现白天环境下的低慢小目标识别、锁定和跟踪。本方法有效地解决了电视搜索探测装置拍摄的图像会出现拖尾、无法及时进行光学调整导致图像模糊和区域重点探测的问题。

Description

一种低慢小目标电视搜索探测方法

技术领域

本发明涉及一种目标搜索探测方法，特别是一种低慢小目标电视搜索探测方法。

背景技术

低慢小目标是指具有低空、超低空飞行的小型航空器或空飘物，具有飞行高度低、飞行速度慢、目标特征小等特点。由于超低空背景复杂且目标对比度差等原因，低慢小目标不容易被侦测发现。现阶段为了适应白天环境下的目标识别、锁定和跟踪，电视搜索探测装置一般由光学搜索相机、激光测距机、二维转台和图像处理模块组成。现有的电视搜索探测方法存在一些不足，当转动速度较快时，电视搜索探测装置拍摄的图像会出现拖尾现象；当遇到背景亮度反差较大时，电视搜索探测装置无法及时进行光学调整导致图像模糊；当需要重点关注某段区域时，电视搜索探测装置不能针对性的进行区域重点探测。

发明内容

本发明目的在于提供一种低慢小目标电视搜索探测方法，解决电视搜索探测装置拍摄的图像会出现拖尾、电视搜索探测装置无法及时进行光学调整导致图像模糊和不能进行区域重点探测的问题。

一种低慢小目标电视搜索探测方法，其具体步骤为：

第一步  搭建电视搜索探测装置

电视搜索探测装置，包括：光学搜索相机、激光测距机、二维转台、图像处理模块、光学跟踪相机、曝光传感器和系统控制器。

光学搜索相机、激光测距机、光学跟踪相机安装在二维转台上，以光学跟踪相机的光轴为基准，光学搜索相机与光学跟踪相机的光轴不平行度小于30″，激光测距机与光学跟踪相机的光轴不平行度小于30″。

光学搜索相机的数据接口与系统控制器的数据接口导线连接，激光测距机的数据接口与系统控制器的数据接口导线连接，二维转台的数据接口与系统控制器的数据接口导线连接，二维转台的控制接口与系统控制器的控制接口导线连接，光学跟踪相机的数据接口与系统控制器的数据接口导线连接，图像处理模块的数据接口与系统控制器的数据接口导线连接。

曝光传感器与光学搜索相机及光学跟踪相机安装在同一平面内，曝光传感器的光轴与光学搜索相机光轴在安装平面方向上成一个固定角度，曝光传感器探测的光亮度为光学搜索相机和光学跟踪相机下一帧视场的光亮度。曝光传感器的数据接口分别与光学搜索相机和光学跟踪相机的数据接口通过导线相连。

第二步 伪目标库设定

电视搜索探测装置内设置常见伪目标特征库，包括远处的汽车、行人、树林、塔吊和建筑物。伪目标特征库在电视搜索探测装置使用时，根据系统控制器进行操作，自动增添成经常出现、且需要被人为剔除的伪目标，完成伪目标特征库的自动升级。

第三步  电视搜索探测装置加电自检

电视搜索探测装置的光学搜索相机、激光测距机、二维转台、图像处理模块、光学跟踪相机、曝光传感器及系统控制器分别加电，各设备加电后自检并将自检结果通过数据接口发送给系统控制器。系统控制器将自检结果发送给外部用户。

第四步  电视搜索探测装置背景扫描

在系统正式工作前，在人工判别无目标的前提下，开启电视搜索探测装置，扫描外界环境，光学搜索相机每隔固定时间进行一次曝光。

光学搜索相机在进行曝光的同时，曝光传感器将光能量汇聚到感光元件上，以探测该视场上的光亮度。曝光传感器探测的光亮度为光学搜索相机下一帧视场光亮度，同时曝光传感器将下一帧视场光亮度传送给光学搜索相机。光学搜索相机根据该值设置曝光调整系数，控制相机的曝光时间。

背景扫描开始时，系统处于初始位置，俯仰轴处于水平状态，方位轴在零位上。方位轴以预先设定的速度连续转动，每转过一圈，俯仰轴向上转过一个角度，该角度由光学搜索相机的单视场角决定，并预留一个固定的交叠量，直到俯仰角达到最大俯仰角度。系统继续进行工作，方位轴每转过一圈，俯仰轴向下转动一个角度，直到俯仰轴处于水平状态。

光学搜索相机在背景扫描过程中，以二维转台测角信息为反馈，控制图像传感器中的电荷匹配转台的运动速度进行转移，消除拍摄的图像拖尾。同时光学搜索相机将拍摄的图像发送给图像处理模块，图像处理模块采用反卷积式补偿的方式消除拍摄的图像拖尾。

图像处理模块将处理的包含地面环境的背景图像发送给系统控制器，系统控制器进行存储，作为系统背景信息。

第五步  电视搜索探测装置工作模式设定

电视搜索探测装置包括全景模式或自定义区域模式两种工作模式，两种工作模式通过系统控制器随时进行设置。

全景模式是未指定电视搜索探测装置的重点防范区域的情况下，电视搜索探测装置对自身覆盖的所有范围进行搜索和目标跟踪。

自定义区域模式是制定电视搜索探测装置的重点防范区域的情况下，电视搜索探测装置对重点防范区域进行搜索和目标跟踪。

第六步  电视搜索探测装置扫描外界环境

电视搜索探测装置按照每扫描一周，二维转台轴抬高一个角度的模式，由光学搜索相机扫描外界环境。

光学搜索相机扫描外界环境的同时启动曝光传感器工作。曝光传感器将下一帧视场光亮度传送给光学搜索相机。光学搜索相机根据下一帧视场光亮度设置曝光调整系数，控制相机的曝光时间。

光学搜索相机将扫描的图像发送给图像处理模块，图像处理模块将扫描的图像进行全景拼接，将拼接后的图像发送给系统控制器。

第七步  电视搜索探测装置进行目标自动识别

图像处理模块在进行全景拼接的同时，进行目标识别。

电视搜索探测装置在俯仰0~30°区间，光学搜索相机成像背景多为地面背景，电视搜索探测装置对实时采集的图像与其相匹配的背景图像进行相减，对差值图中的连通域进行提取，设定为可疑目标。系统控制器对各可疑目标进行面积判别、形状判别，将各可疑目标与伪目标特征库中的伪目标进行比较，若能够匹配上，则剔除伪目标。

电视搜索探测装置在俯仰超过30°后，背景为天空且单一，此时，对光学搜索相机采集的图像进行亮度判别和色彩，将灰度或色彩值突出的物体作为可疑目标，并进行面积判别、形状判别，将各可疑目标与伪目标特征库中的伪目标进行比较，若能够匹配上，则剔除伪目标。

经上述步骤后，若仍存在可疑目标，则标识可疑目标，并进行可疑目标突出显示，并将突出显示的图像发送至上位机。

第八步  可疑目标人工识别

在电视搜索探测装置发现可疑目标后，将含可疑目标的图像发送至上位机进行人工判别，此时系统处于俯仰锁定状态，即转台俯仰不变，方位全周扫描，此时，将后续实时图像与初始判别出可疑目标的图像帧作比较，若可疑目标像素坐标位置变动，说明可疑目标处于运动状态，若可疑目标随着时间无像素坐标位置的变动，说明可疑目标处于静止状态。

操作人员根据目标的状态判断目标是否为可疑目标，若不是可疑目标则转入电视搜索探测装置扫描外界环境，若是可疑目标则转入可疑目标跟踪。

第九步  可疑目标跟踪

系统控制器将视场由光学搜索相机切换到光学跟踪相机。

光学跟踪相机扫描外界环境的同时启动曝光传感器工作。曝光传感器将下一帧视场光亮度传送给光学跟踪相机。光学跟踪相机根据下一帧视场光亮度设置曝光调整系数，控制光学跟踪相机的曝光时间。

光学跟踪相机将拍摄的图像，发送给图像处理模块，图像处理模块根据可疑目标像素坐标位置及坐标位置变动，对目标位置进行预判断，计算出二维转台指向轴相对目标预置位的脱靶量，并将脱靶量输出给系统控制器，系统控制器控制二维转台指向目标。

第十步  可疑目标距离测量

系统控制器不断接收图像处理模块发送过来的图像，当目标的位置距离跟踪视场4个像素以内时，系统控制器提示目标跟踪到位。

在目标跟踪到位后，通过系统控制器向激光测距机发送测距指令。激光测距机以固定的频率连续对可疑目标进行距离测量。

第十一步  建立目标航迹

在自动跟踪过程中，系统控制器通过对目标的方位、俯仰、距离的获取及目标运动方向的计算，推算出目标的航迹，为目标的捕获提供基础。

若目标自动跟踪过程中，发现目标并非为可疑目标，通过系统控制器解除目标的跟踪，则转入电视搜索探测装置扫描外界环境。

至此完成了低慢小目标电视搜索探测。

本方法有效地解决电视搜索探测装置拍摄的图像会出现拖尾、电视搜索探测装置无法及时进行光学调整导致图像模糊和区域重点探测的问题。

具体实施方式

一种低慢小目标电视搜索探测方法，其具体步骤为：

第一步  搭建电视搜索探测装置

电视搜索探测装置，包括：光学搜索相机、激光测距机、二维转台、图像处理模块、光学跟踪相机、曝光传感器和系统控制器。

光学搜索相机、激光测距机、光学跟踪相机安装在二维转台上，以光学跟踪相机的光轴为基准，光学搜索相机与光学跟踪相机的光轴不平行度不大于30″，激光测距机与光学跟踪相机的光轴不平行度不大于30″。

光学搜索相机的数据接口与系统控制器的数据接口导线连接，激光测距机的数据接口与系统控制器的数据接口导线连接，二维转台的数据接口与系统控制器的数据接口导线连接，二维转台的控制接口与系统控制器的控制接口导线连接，光学跟踪相机的数据接口与系统控制器的数据接口导线连接，图像处理模块的数据接口与系统控制器的数据接口导线连接。

曝光传感器与光学搜索相机及光学跟踪相机安装在同一平面内，曝光传感器的光轴与光学搜索相机光轴在安装平面方向上成一个固定角度，则曝光传感器探测的光亮度为光学搜索相机和光学跟踪相机下一帧视场的光亮度。曝光传感器的数据接口分别与光学搜索相机和光学跟踪相机的数据接口通过导线相连。

第二步 伪目标库设定

电视搜索探测装置内设置常见伪目标特征库，包括远处的汽车、行人、树林、塔吊和建筑物。伪目标特征库在电视搜索探测装置使用时，根据系统控制器进行操作，自动增添成经常出现、且需要被人为剔除的伪目标，完成伪目标特征库的自动升级。

第三步  电视搜索探测装置加电自检

电视搜索探测装置的光学搜索相机、激光测距机、二维转台、图像处理模块、光学跟踪相机、曝光传感器及系统控制器分别加电，各设备加电后自检并将自检结果通过数据接口发送给系统控制器。系统控制器将自检结果发送给外部用户。

第四步  电视搜索探测装置背景扫描

在系统正式工作前，在人工判别无目标的前提下，开启电视搜索探测装置，扫描外界环境，光学搜索相机每隔固定时间进行一次曝光。

光学搜索相机在进行曝光的同时，曝光传感器将光能量汇聚到感光元件上，以探测该视场上的光亮度。曝光传感器探测的光亮度为光学搜索相机下一帧视场光亮度，同时曝光传感器将下一帧视场光亮度传送给光学搜索相机。光学搜索相机根据该值设置曝光调整系数，控制相机的曝光时间。

背景扫描开始时，系统处于初始位置，俯仰轴处于水平状态，方位轴在零位上。方位轴以预先设定的速度连续转动，每转过一圈，俯仰轴向上转过一个角度，该角度由光学搜索相机的单视场角决定，并预留一个固定的交叠量，直到俯仰角达到最大俯仰角度。系统继续进行工作，方位轴每转过一圈，俯仰轴向下转动一个角度，直到俯仰轴处于水平状态。

光学搜索相机在背景扫描过程中，以二维转台测角信息为反馈，控制图像传感器中的电荷匹配转台的运动速度进行转移，消除拍摄的图像拖尾。同时光学搜索相机将拍摄的图像发送给图像处理模块，图像处理模块采用反卷积式补偿的方式消除拍摄的图像拖尾。

图像处理模块将处理的包含地面环境的背景图像发送给系统控制器，系统控制器进行存储，作为系统背景信息。

第五步  电视搜索探测装置工作模式设定

电视搜索探测装置包括全景模式或自定义区域模式两种工作模式，两种工作模式通过系统控制器随时进行设置。

全景模式是未指定电视搜索探测装置的重点防范区域的情况下，电视搜索探测装置对自身覆盖的所有范围进行搜索和目标跟踪。

自定义区域模式是制定电视搜索探测装置的重点防范区域的情况下，电视搜索探测装置对重点防范区域进行搜索和目标跟踪。

第六步  电视搜索探测装置扫描外界环境

电视搜索探测装置按照每扫描一周，二维转台轴抬高一个角度的模式，由光学搜索相机扫描外界环境。

光学搜索相机扫描外界环境的同时启动曝光传感器工作。曝光传感器将下一帧视场光亮度传送给光学搜索相机。光学搜索相机根据下一帧视场光亮度设置曝光调整系数，控制相机的曝光时间。

光学搜索相机将扫描的图像发送给图像处理模块，图像处理模块将扫描的图像进行全景拼接，将拼接后的图像发送给系统控制器。

第七步  电视搜索探测装置进行目标自动识别

图像处理模块在进行全景拼接的同时，进行目标识别。

电视搜索探测装置在俯仰0~30°区间，光学搜索相机成像背景多为地面背景，电视搜索探测装置对实时采集的图像与其相匹配的背景图像进行相减，对差值图中的连通域进行提取，设定为可疑目标。系统控制器对各可疑目标进行面积判别、形状判别，将各可疑目标与伪目标特征库中的伪目标进行比较，若能够匹配上，则剔除伪目标。

电视搜索探测装置在俯仰超过30°后，背景为天空且单一，此时，对光学搜索相机采集的图像进行亮度判别和色彩，将灰度或色彩值突出的物体作为可疑目标，并进行面积判别、形状判别，将各可疑目标与伪目标特征库中的伪目标进行比较，若能够匹配上，则剔除伪目标。

经上述步骤后，若仍存在可疑目标，则标识可疑目标，并进行可疑目标突出显示，并将突出显示的图像发送至上位机。

第八步  可疑目标人工识别

在电视搜索探测装置发现可疑目标后，将含可疑目标的图像发送至上位机进行人工判别，此时系统处于俯仰锁定状态，即转台俯仰不变，方位全周扫描，此时，将后续实时图像与初始判别出可疑目标的图像帧作比较，若可疑目标像素坐标位置变动，说明可疑目标处于运动状态。

操作人员根据目标的状态判断目标是否为可疑目标，若可疑目标则转入可疑目标跟踪。

第九步  可疑目标跟踪

系统控制器将视场由光学搜索相机切换到光学跟踪相机。

光学跟踪相机扫描外界环境的同时启动曝光传感器工作。曝光传感器将下一帧视场光亮度传送给光学跟踪相机。光学跟踪相机根据下一帧视场光亮度设置曝光调整系数，控制光学跟踪相机的曝光时间。

光学跟踪相机将拍摄的图像，发送给图像处理模块，图像处理模块根据可疑目标像素坐标位置及坐标位置变动，对目标位置进行预判断，计算出二维转台指向轴相对目标预置位的脱靶量，并将脱靶量输出给系统控制器，系统控制器控制二维转台指向目标。

第十步  可疑目标距离测量

系统控制器不断接收图像处理模块发送过来的图像，当目标的位置距离跟踪视场4个像素以内时，系统控制器提示目标跟踪到位。

在目标跟踪到位后，通过系统控制器向激光测距机发送测距指令。激光测距机以固定的频率连续对可疑目标进行距离测量。

第十一步  建立目标航迹

在自动跟踪过程中，系统控制器通过对目标的方位、俯仰、距离的获取及目标运动方向的计算，推算出目标的航迹，为目标的捕获提供基础。

至此完成了低慢小目标电视搜索探测。

Claims (1)

1.一种低慢小目标电视搜索探测方法，其特征在于具体步骤为：

第一步  搭建电视搜索探测装置

电视搜索探测装置，包括：光学搜索相机、激光测距机、二维转台、图像处理模块、光学跟踪相机、曝光传感器和系统控制器；

光学搜索相机、激光测距机、光学跟踪相机安装在二维转台上，以光学跟踪相机的光轴为基准，光学搜索相机与光学跟踪相机的光轴不平行度小于30″，激光测距机与光学跟踪相机的光轴不平行度小于30″；

光学搜索相机的数据接口与系统控制器的数据接口导线连接，激光测距机的数据接口与系统控制器的数据接口导线连接，二维转台的数据接口与系统控制器的数据接口导线连接，二维转台的控制接口与系统控制器的控制接口导线连接，光学跟踪相机的数据接口与系统控制器的数据接口导线连接，图像处理模块的数据接口与系统控制器的数据接口导线连接；

曝光传感器与光学搜索相机及光学跟踪相机安装在同一平面内，曝光传感器的光轴与光学搜索相机光轴在安装平面方向上成一个固定角度，曝光传感器探测的光亮度为光学搜索相机和光学跟踪相机下一帧视场的光亮度；曝光传感器的数据接口分别与光学搜索相机和光学跟踪相机的数据接口通过导线相连；

第二步 伪目标库设定

电视搜索探测装置内设置常见伪目标特征库，包括远处的汽车、行人、树林、塔吊和建筑物；伪目标特征库在电视搜索探测装置使用时，根据系统控制器进行操作，自动增添成经常出现、且需要被人为剔除的伪目标，完成伪目标特征库的自动升级；

第三步  电视搜索探测装置加电自检

电视搜索探测装置的光学搜索相机、激光测距机、二维转台、图像处理模块、光学跟踪相机、曝光传感器及系统控制器分别加电，各设备加电后自检并将自检结果通过数据接口发送给系统控制器；系统控制器将自检结果发送给外部用户；

第四步  电视搜索探测装置背景扫描

在系统正式工作前，在人工判别无目标的前提下，开启电视搜索探测装置，扫描外界环境，光学搜索相机每隔固定时间进行一次曝光；

光学搜索相机在进行曝光的同时，曝光传感器将光能量汇聚到感光元件上，以探测该视场上的光亮度；曝光传感器探测的光亮度为光学搜索相机下一帧视场光亮度，同时曝光传感器将下一帧视场光亮度传送给光学搜索相机；光学搜索相机根据该值设置曝光调整系数，控制相机的曝光时间；

背景扫描开始时，系统处于初始位置，俯仰轴处于水平状态，方位轴在零位上；方位轴以预先设定的速度连续转动，每转过一圈，俯仰轴向上转过一个角度，该角度由光学搜索相机的单视场角决定，并预留一个固定的交叠量，直到俯仰角达到最大俯仰角度；系统继续进行工作，方位轴每转过一圈，俯仰轴向下转动一个角度，直到俯仰轴处于水平状态；

光学搜索相机在背景扫描过程中，以二维转台测角信息为反馈，控制图像传感器中的电荷匹配转台的运动速度进行转移，消除拍摄的图像拖尾；同时光学搜索相机将拍摄的图像发送给图像处理模块，图像处理模块采用反卷积式补偿的方式消除拍摄的图像拖尾；

图像处理模块将处理的包含地面环境的背景图像发送给系统控制器，系统控制器进行存储，作为系统背景信息；

第五步  电视搜索探测装置工作模式设定

电视搜索探测装置包括全景模式或自定义区域模式两种工作模式，两种工作模式通过系统控制器随时进行设置；

全景模式是未指定电视搜索探测装置的重点防范区域的情况下，电视搜索探测装置对自身覆盖的所有范围进行搜索和目标跟踪；

自定义区域模式是制定电视搜索探测装置的重点防范区域的情况下，电视搜索探测装置对重点防范区域进行搜索和目标跟踪；

第六步  电视搜索探测装置扫描外界环境

电视搜索探测装置按照每扫描一周，二维转台轴抬高一个角度的模式，由光学搜索相机扫描外界环境；

光学搜索相机扫描外界环境的同时启动曝光传感器工作；曝光传感器将下一帧视场光亮度传送给光学搜索相机；光学搜索相机根据下一帧视场光亮度设置曝光调整系数，控制相机的曝光时间；

光学搜索相机将扫描的图像发送给图像处理模块，图像处理模块将扫描的图像进行全景拼接，将拼接后的图像发送给系统控制器；

第七步  电视搜索探测装置进行目标自动识别

图像处理模块在进行全景拼接的同时，进行目标识别；

电视搜索探测装置在俯仰0~30°区间，光学搜索相机成像背景为地面背景，电视搜索探测装置对实时采集的图像与其相匹配的背景图像进行相减，对差值图中的连通域进行提取，设定为可疑目标；系统控制器对各可疑目标进行面积判别、形状判别，将各可疑目标与伪目标特征库中的伪目标进行比较，若能够匹配上，则剔除伪目标；

电视搜索探测装置在俯仰超过30°后，背景为天空且单一，此时，对光学搜索相机采集的图像进行亮度判别和色彩，将灰度或色彩值突出的物体作为可疑目标，并进行面积判别、形状判别，将各可疑目标与伪目标特征库中的伪目标进行比较，若能够匹配上，则剔除伪目标；

经上述步骤后，若仍存在可疑目标，则标识可疑目标，并进行可疑目标突出显示，并将突出显示的图像发送至上位机；

第八步  可疑目标人工识别

在电视搜索探测装置发现可疑目标后，将含可疑目标的图像发送至上位机进行人工判别，此时系统处于俯仰锁定状态，即转台俯仰不变，方位全周扫描，此时，将后续实时图像与初始判别出可疑目标的图像帧作比较，若可疑目标像素坐标位置变动，说明可疑目标处于运动状态，若可疑目标随着时间无像素坐标位置的变动，说明可疑目标处于静止状态；

操作人员根据目标的状态判断目标是否为可疑目标，若不是可疑目标则转入电视搜索探测装置扫描外界环境，若是可疑目标则转入可疑目标跟踪；

第九步  可疑目标跟踪

系统控制器将视场由光学搜索相机切换到光学跟踪相机；

光学跟踪相机扫描外界环境的同时启动曝光传感器工作；曝光传感器将下一帧视场光亮度传送给光学跟踪相机；光学跟踪相机根据下一帧视场光亮度设置曝光调整系数，控制光学跟踪相机的曝光时间；

光学跟踪相机将拍摄的图像，发送给图像处理模块，图像处理模块根据可疑目标像素坐标位置及坐标位置变动，对目标位置进行预判断，计算出二维转台指向轴相对目标预置位的脱靶量，并将脱靶量输出给系统控制器，系统控制器控制二维转台指向目标；

第十步  可疑目标距离测量

系统控制器不断接收图像处理模块发送过来的图像，当目标的位置距离跟踪视场4个像素以内时，系统控制器提示目标跟踪到位；

在目标跟踪到位后，通过系统控制器向激光测距机发送测距指令；激光测距机以固定的频率连续对可疑目标进行距离测量；

第十一步  建立目标航迹

在自动跟踪过程中，系统控制器通过对目标的方位、俯仰、距离的获取及目标运动方向的计算，推算出目标的航迹，为目标的捕获提供基础；

若目标自动跟踪过程中，发现目标并非为可疑目标，通过系统控制器解除目标的跟踪，则转入电视搜索探测装置扫描外界环境；

至此完成了低慢小目标电视搜索探测。