CN104236518B

CN104236518B - 一种基于光学成像与模式识别的天线主波束指向探测方法

Info

Publication number: CN104236518B
Application number: CN201310221814.3A
Authority: CN
Inventors: 魏祥泉; 黄建明; 陈凤; 刘玉; 王盈; 曾占魁
Original assignee: Shanghai Aerospace System Engineering Institute
Current assignee: Shanghai Aerospace System Engineering Institute
Priority date: 2013-06-06
Filing date: 2013-06-06
Publication date: 2017-07-14
Anticipated expiration: 2033-06-06
Also published as: CN104236518A

Abstract

本发明公开了一种基于光学成像与模式识别的天线主波束指向探测方法，包括如下步骤：步骤1：大视场可见光相机对目标成像，捕获、识别并跟踪目标；步骤2：大视场可见光相机引导小视场可见光相机对准目标，进行高分辨率成像；步骤3：利用随机椭圆检测的方法确定目标天线区域；步骤4：利用空间圆法向量确定的方法确定目标天线的主波束指向。本发明解决了空间目标天线主波束指向探测问题，通过小视场可见光相机对目标天线进行高分辨率探测，利用模式识别技术检测目标天线区域并确定目标天线主波束指向，从而为导航制导与控制系统提供引导。

Description

一种基于光学成像与模式识别的天线主波束指向探测方法

技术领域

本发明涉及一种天线主波束指向探测方法，尤其是空间非合作目标探测使用的一种基于光学成像与模式识别的天线主波束指向探测方法。

背景技术

对目标飞行器接收天线波束指向的探测，对空间攻防系统具有重要意义，只有对目标飞行器接收天线的波束指向进行探测和定位，才能为导航制导与控制系统提供有效的引导信息，从而对目标实施特定操作。

对空间探测来说，主动探测载荷有微波雷达和激光雷达/成像雷达，被动探测载荷有红外相机和可见光相机。相对主动探测手段来说，被动探测手段具有较强的隐蔽性，具有不易被对方发现的优点。同时，一般来说可见光成像探测载荷的成像分辨率比红外成像探测载荷的分辨率要高，因此，可以获得目标特定部位的详细信息。

空间目标的天线一般为抛物面天线或圆形平板天线，其成像为圆或椭圆特征，可以利用椭圆基元特征提取方法进行天线的检测。检测到目标天线之后，可以利用模式识别技术确定圆的空间姿态，从而获得目标天线主波束的指向。

对于正馈方式天线，空间圆的法向量即对应天线主波束指向，对于偏馈方式天线，只要获知主波束指向与空间圆法向量之间的关系即可获得目标天线主波束的指向。

空间圆成像模型

如图1所示，令世界坐标系O _W -X _W Y _W Z _W的原点位于圆心位置，其轴与空间圆所在平面的法向平行。世界坐标系O _W -X _W Y _W Z _W与相机坐标系O-XYZ的变换关系如下：

(1)

或

(2)

其中，为像平面上点的齐次坐标，为空间点的齐次坐标，，为平面单应矩阵，为相机的内参数矩阵，为空间旋转矩阵，为平移向量，为比例因子。

圆在世界坐标系下的方程可表示为如下的矩阵形式：

(3)

其中，为空间圆的半径。记。于是，空间圆的投影方程为

(4)

记，矩阵M可以通过平面内的椭圆拟合得到。

椭圆特征提取

椭圆特征提取是在边缘检测的基础上进行的。椭圆特征检测的经典方法是Hough变换（HT），但是计算量较大，不宜实时应用。随机椭圆检测算法需要的内存少、计算速度快、鲁棒性强。在进行椭圆检测之前，可以先对图像中的边缘进行动态聚类，对聚类后的边缘再利用基于最小二乘法的改进随机椭圆检测算法进行检测，这样，能够明显减少随机选择的边缘点数落在不同椭圆上的概率，从而提高了检测椭圆的效率。

椭圆的一般方程可写为如下形式：

(5)

式中，A、B、C、D、E为待定参数，上式写成矩阵形式为

(6)

采用最小二乘法进行拟合椭圆，假设为椭圆上的数据点，椭圆拟合即估计椭圆方程中的各个参数。于是，有

(7)

引入如下记号：

则方程组可进一步写成如下的矩阵形式：

利用最小二乘法，可得：

(8)

考虑到空间探测领域现有的天线主波束指向探测方法尚未成熟，有较大的失真性，而且随着被动探测手段技术的快速发展，使基于光学成像与模式识别的天线主波束指向探测方法成为可能，业界需要将光学成像、模式识别技术进行整合研究出一种高效、可靠的天线主波束指向探测方法。目前尚未发现与本发明类似技术的说明或报道。

发明内容

为了完成空间目标天线主波束指向的确定，本发明的目的在于提供一种基于光学成像与模式识别的天线主波束指向探测方法。利用本发明，可以方便地使用可见光被动探测方式利用模式识别的方法确定空间非合作目标天线主波束的指向。

为了达到上述发明目的，本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是提供一种基于光学成像与模式识别的天线主波束指向探测方法，该方法包括如下步骤：

步骤1：利用大视场可见光相机对目标成像，捕获、识别并跟踪目标；

步骤2：大视场可见光相机引导小视场可见光相机对准目标，进行高分辨率成像；

步骤3：利用最小二乘法进行椭圆特征提取，确定目标天线区域；

步骤4：利用空间圆法向量确定的方法确定目标天线的主波束指向。

进一步，所述步骤2中小视场相机对目标进行高分辨率成像、所述步骤4中利用空间圆法向量确定的方法确定目标天线的主波束指向利用可见光被动成像探测方式和模式识别处理方法确定空间目标天线的主波束指向。

进一步，所述步骤4的数学模型描述如下：

其中，为一比例因子；

由上述方程可知，空间圆的投影方程中隐含了空间圆的姿态参数，包括圆心的位置t及空间圆所在平面的法向量r3；给定空间圆的透视投影图像，矩阵M可通过椭圆拟合得到，即确定目标天线的主波束指向。

本发明具有以下技术效果：本发明基于光学成像与模式识别的天线主波束指向探测方法，采用可见光被动探测的方式对目标进行探测，具有一定隐蔽性。采用模式识别处理方法直接从小视场可见光相机的成像信息中提取目标天线区域，并确定目标天线的主波束指向，降低了对空间平台本身的要求。

附图说明

本发明的一种基于光学成像与模式识别的天线主波束指向探测方法由以下的实施例及附图给出。

图1是本发明背景技术的空间圆的透视投影模型；

图2是本发明的基于光学成像与模式识别的天线主波束指向探测方法步骤图。

具体实施方式

综上所述，采用被动探测手段具有隐蔽性强，不易被目标发现的优点，同时，可见光成像探测载荷的成像分辨率比红外成像探测载荷的分辨率高，可以获得目标特定部位的详细信息。因此，本发明的技术方案主要小视场可见光相机对空间目标天线区域进行高分辨率成像，利用模式识别处理方法检测目标天线成像区域，并确定其主波束指向。这就是本发明所公开的一种天线主波束指向探测方法，我们称该方法为基于光学成像与模式识别的天线主波束指向探测方法。

下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。

步骤4的数学模型描述如下：

式(4)可以改写为：

(9)

其中，为一比例因子。

由上述方程可以看出，空间圆的投影方程中隐含了空间圆的姿态参数，包括圆心的位置t及空间圆所在平面的法向量r ₃。

给定空间圆的透视投影图像，矩阵M可通过椭圆拟合得到。因此，空间圆的空间姿态估计问题即给定M，如何从空间圆的投影方程中估计参数t和r ₃。

假设相机已标定，即相机内参数矩阵K已知。下面给出如何由空间圆的一幅投影图像估计对应的三维姿态参数。

将空间圆的投影方程写为如下形式：

(10)

注意到等式左端矩阵秩且等式右端矩阵为实对称矩阵，因此可作如下分解：

(11)

其中，U为正交矩阵。

令，且记

(12)

(13)

于是有

(14)

即

注意到，显然有，。因此，上式可简化为：

(15)

可得方程的解为：

(16)

其中，，。于是有

(17)

从而，空间圆的三维姿态参数可如下计算：

(18)

(19)

由于，且，因此

(20)

注意到，有

(21)

从而

(22)

由上式可确定和。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

Claims

1.一种基于光学成像与模式识别的天线主波束指向探测方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤1：大视场可见光相机对目标成像，捕获、识别并跟踪目标；

步骤4：利用空间圆法向量确定的方法确定目标天线的主波束指向；

所述步骤4的数学模型描述如下：

其中，为一比例因子；H为平面单一矩阵，Q为对角矩阵，K为相机内参数矩阵，r为空间圆半径；

由上述方程可以看出，空间圆的投影方程中隐含了空间圆的姿态参数，包括圆心的位置t及空间圆所在平面的法向量r ₃；给定空间圆的透视投影图像，矩阵M可通过椭圆拟合得到；因此，空间圆的空间姿态估计问题即给定M，如何从空间圆的投影方程中估计参数t和r ₃。