CN105527656A - 塔架式机场跑道异物定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种塔架式机场跑道异物定位方法，其使用塔架式机场跑道异物检测系统进行异物定位，其中塔架式机场跑道异物检测系统包括光学探测模块以及服务器端；该方法包括步骤：光学探测模块对异物进行拍摄，以获取异物图像；服务器端根据异物图像，获取异物在所述摄像机靶面的物理坐标；服务器端根据异物的靶面物理坐标以及转台的参数，获取异物相对转台的球极坐标；服务器端将异物相对转台的球极坐标转换为异物相对转台的笛卡尔坐标；服务器端将异物相对转台的笛卡尔坐标转换为异物的地心坐标；以及服务器端将异物的地心坐标转为异物的经纬度坐标。本发明的塔架式机场跑道异物定位方法根据转台的位置生成异物的经纬度坐标，提高了机场跑道异物定位的准确性。

Description

塔架式机场跑道异物定位方法

技术领域

本发明涉及光学定位技术领域，特别是涉及一种塔架式机场跑道异物定位方法。

背景技术

机场跑道异物是影响机场飞行安全和导致航班延误的重要因素。近年来，针对这一问题，民航业界提出了能够自动检测跑道状态，及时发现并定位跑道异物的自动化机场跑道异物检测系统，以期能够替代人工巡检，提高工作效率和可靠性。

塔架式机场跑道异物检测系统是上述自动化机场跑道异物检测系统中的一种。该系统采用分布式布局，由若干光学探测传感器、服务器端和客户端等共同组成。其中，光学探测传感器部署于跑道一侧，传感器距跑道中线距离较远，按照国内相关规范要求，一般情况距离大于150米，在实际安装过程中，为保证光学传感器的有效检测高度和航空安全，传感器位置距跑道中线200米外甚至更远。

光学探测传感器包括塔架、转台、摄像机和镜头。其中，转台安装在塔架上，在转台内部放置有摄像机和镜头。转台可以上下左右转动，当转台运动到某一位置时，在服务器端的控制下，转台会将成像画面(图片)以及转台的方位角(俯仰和水平角)回传到服务器端。服务器端对上述数据进行处理，如发现在机场跑道上存在异物，则服务器端可以报警并给出异物的精确位置。随后工作人员可以携带具有异物的GPS位置坐标的便携式客户端去清除异物。这样即完成的机场跑道的异物清除操作。

上述操作的正常进行均取决于服务器端对异物的精确位置的计算，但是现有的异物定位方法需要对异物的坐标进行转换，如将异物在画面上的像素坐标转换为异物的GPS坐标，如在转换过程中转台的位置或方位角发生改变，可能会降低异物的定位准确性。

为了提高异物的定位准确性，申请号为201310446863.7的一种机场跑道异物检测快速定位方法披露了一种对异物报警位置信息与报警次数进行统计的异物定位方法，可有效的提高异物位置信息的准确性。但是其中并未对转台的位置坐标偏差进行补偿。

同时申请号为201210031837.3的机场道面异物监测系统通过对小尺寸异物的识别提高了异物位置信息的准确性，但是同样没有对转台的位置坐标偏差进行补偿。

故，有必要提供一种塔架式机场跑道异物定位方法，以解决现有技术所存在的问题。

发明内容

本发明实施例提供一种定位准确性较高的塔架式机场跑道异物定位方法；解决了现有的机场跑道异物定位方法的定位准确性较低的技术问题。

为解决上述问题，本发明提供的技术方案如下：

本发明实施例提供一种塔架式机场跑道异物定位方法，其使用塔架式机场跑道异物检测系统进行异物定位，其中所述塔架式机场跑道异物检测系统包括：

光学探测模块，用于获取异物图像；其包括转台、摄像机以及镜头；以及

服务器端，用于根据所述异物图像对异物进行定位操作；其中所述塔架式机场跑道异物定位方法包括：

所述光学探测模块对异物进行拍摄，以获取异物图像；

所述服务器端根据所述异物图像，获取所述异物在所述摄像机靶面的物理坐标；

所述服务器端根据所述异物的靶面物理坐标以及所述转台的参数，获取所述异物相对所述转台的球极坐标；

所述服务器端将所述异物相对所述转台的球极坐标转换为所述异物相对所述转台的笛卡尔坐标；

所述服务器端将所述异物相对所述转台的笛卡尔坐标转换为所述异物的地心坐标；以及

所述服务器端将所述异物的地心坐标转为所述异物的经纬度坐标。

在本发明所述的塔架式机场跑道异物定位方法中，所述转台内置光学探测模块对异物进行拍摄，以获取异物图像的步骤之前还包括：获取所述转台对应的机场跑道区域的位置参数以及高程参数。

在本发明所述的塔架式机场跑道异物定位方法中，所述服务器端根据所述异物的靶面物理坐标以及所述转台的参数，获取所述异物相对所述转台的球极坐标的步骤包括：通过以下公式获取所述异物相对所述转台的球极坐标：

$\mathrm{\θ}={\mathrm{\β}}_0-\frac{(\frac{H}{2}-Ty*\mathrm{\γ}1)}{H};$

其中H为所述摄像机靶面的高度，γ1所述摄像机的纵向视场角，Ty为所述靶面物理坐标中的纵坐标，β₀为所述摄像机的垂直俯仰角，θ为所述异物图像中的异物相对所述转台的球极坐标中的Z轴的角度；

其中α₀为所述摄像机的水平俯仰角，L为所述摄像机靶面的宽度，Tx为所述靶面物理坐标中的横坐标，γ2为所述摄像机的横向视场角，为所述异物图像中的异物在所述球极坐标系中的X-Y平面的投影，与所述球极坐标系中的X轴的角度；

$\mathrm{\ρ}=\frac{H_0}{\sin \mathrm{\θ}};$

其中ρ为所述异物图像中的异物在所述球极坐标系中的斜距，H₀为所述摄像机相对于检测区域的高度，θ为所述异物的综合俯仰角。

在本发明所述的塔架式机场跑道异物定位方法中，所述服务器端将所述异物相对所述转台的球极坐标转换为所述异物相对所述转台的笛卡尔坐标的步骤包括：通过以下公式将所述异物相对所述转台的球极坐标转换为所述异物相对所述转台的笛卡尔坐标；

z_F＝ρcosθ；

其中x_F为所述异物相对所述转台的笛卡尔坐标的X轴坐标，y_F为所述异物相对所述转台的笛卡尔坐标的Y轴坐标，z_F为所述异物相对所述转台的迪笛卡尔坐标的Z轴坐标。

在本发明所述的塔架式机场跑道异物定位方法中，所述服务器端将所述异物相对所述转台的笛卡尔坐标转换为所述异物的地心坐标的步骤包括：通过以下公式将所述异物相对所述转台的笛卡尔坐标转换为所述异物的地心坐标：

$\left[\begin{array}{c}{X}_F\\ Y_F\\ Z_F\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}-{\mathrm{sin\λ}}_r& -{\mathrm{sin\φ}}_r{\mathrm{cos\λ}}_r& {\mathrm{cos\φ}}_r{\mathrm{cos\λ}}_r\\ {\mathrm{cos\λ}}_r& -{\mathrm{sin\φ}}_r{\mathrm{sin\λ}}_r& {\mathrm{cos\φ}}_r{\mathrm{sin\λ}}_r\\ 0& {\mathrm{cos\φ}}_r& {\mathrm{sin\φ}}_r\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{x}_F\\ y_F\\ z_F\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{X}_r\\ Y_r\\ Z_r\end{array}\right];$

其中X_r，Y_r，Z_r为所述转台地心坐标，λ_r，φ_r分别为所述转台的经度和纬度坐标，X_F，Y_F，Z_F为异物所对应的地心坐标。

在本发明所述的塔架式机场跑道异物定位方法中，通过以下公式获取所述转台地心坐标：

X_r＝(Ν(φ_r)+h_r)cosφ_rcosλ_r

Y_r＝(Ν(φ_r)+h_r)cosφ_rsinλ_r

Z_r＝(Ν(φ_r)(1-e²)+h_r)sinφ_r

$N\left({\mathrm{\φ}}_r\right)=\frac{a}{\sqrt{1-e^2{\sin }^2{\mathrm{\φ}}_r}}$

其中N(φ_r)为转台纬度φ_r所对应的主要垂直曲率，为由GPS测量得到的所述转台的海拔高度，e为地球第一离心率，ɑ为地球半长轴。

在本发明所述的塔架式机场跑道异物定位方法中，所述服务器端将所述异物的地心坐标转为所述异物的经纬度坐标的步骤包括：

$h_F=U(1-\frac{b^2}{aV})$

${\mathrm{\φ}}_F=arctan\[\frac{Z_F+e^{\′2}{Z}_0}{r}\]$

λ_F＝arctan2[Y_F,X_F]

其中U为异物地心坐标系下的Z轴坐标Z_F的水平向高程修正参数，V为异物地心坐标系下的Z轴坐标Z_F的纵向高程修正参数，a为WGS84椭球模型中地球的半长轴，b为WGS84椭球模型中地球半短轴；Z₀为对异物地心坐标系中Z轴坐标Z_F的修正参数；Z_F为异物地心坐标系下的Z轴坐标，X_F是异物的地心坐标系下X轴坐标，Y_F是异物地心坐标系下的Y轴坐标；r是WGS84椭球赤道平面半径；e′为WGS84椭球模型中第二离心率；h_F为异物海拔高度，λ_F，φ_F分别为异物的经度和纬度坐标。

在本发明所述的塔架式机场跑道异物定位方法中，所述光学探测模块对异物进行拍摄，以获取异物图像的步骤之前还包括：

通过以下公式对所述摄像机的纵向视场角γ1以及所述摄像机的横向视场角γ2进行标定；

$\mathrm{\γ}2=2*atan\left(\frac{D}{W}\right);$

$\mathrm{\γ}1=\frac{H^{\′}}{L^{\′}}*\mathrm{\γ}2$

其中D为标定物与所述摄像机的物距，W为通过测量获取的视场水平宽度，H'为所述摄像机成像画面的像素高度，L′为所述摄像机成像画面的像素宽度。

在本发明所述的塔架式机场跑道异物定位方法中，所述服务器端将所述异物相对所述转台的球极坐标转换为所述异物相对所述转台的笛卡尔坐标的步骤之前还包括：

根据所述摄像机测量的参照物相对所述转台的球极坐标以及通过GPS测量并经计算得到的所述参照物相对所述转台的笛卡尔坐标，计算所述转台的球极坐标系和所述转台的笛卡尔坐标系的偏差；以及

使用所述偏差对所述异物相对所述转台的球极坐标进行补偿。

在本发明所述的塔架式机场跑道异物定位方法中，所述根据所述摄像机测量的参照物相对所述转台的球极坐标以及GPS测量并经计算得到的所述参照物相对所述转台的笛卡尔坐标，计算所述转台的球极坐标系和所述转台的笛卡尔坐标系的偏差的步骤包括：

通过以下公式获取所述转台的球极坐标系以及所述转台的笛卡尔坐标系的偏差；

z1'＝ρ'cosθ'；

Δx＝x1′-x1

Δy＝y1′-y1

Δz＝z1′-z1

其中θ′、ρ′为所述摄像机测量的所述参考物相对所述转台的球极坐标系，x1′、y1′、z1′为所述参考物相对所述转台的未修正笛卡尔坐标，x1、y1、z1为由GPS测量并计算所得的所述参考物相对所述转台的实际笛卡尔坐标；Δx、Δy、Δz为所述转台的球极坐标系和所述转台的笛卡尔坐标系的偏差；

所述使用所述偏差对所述异物相对所述转台的球极坐标进行补偿的步骤包括：通过以下公式获取所述异物相对所述转台的球极坐标的补偿值；

$\mathrm{\Δ}\mathrm{\ρ}=\sqrt{{\mathrm{\Δx}}^2+{\mathrm{\Δy}}^2+{\mathrm{\Δz}}^2}$

$\mathrm{\Δ}\mathrm{\θ}=acos\left(\frac{\mathrm{\Δ}z}{\mathrm{\Δ}\mathrm{\ρ}}\right)$

$\mathrm{\Δ}\mathrm{\φ}=atan\left(\frac{\mathrm{\Δ}y}{\mathrm{\Δ}x}\right);$

其中Δρ、Δθ、Δφ为所述异物相对所述转台的球极坐标的补偿值；以及使用所述异物相对所述转台的球极坐标的补偿值对所述转台的球极坐标进行补偿。

相较于现有技术的塔架式机场跑道异物定位方法，本发明的塔架式机场跑道异物定位方法根据转台的位置生成异物的地心坐标，提高了机场跑道异物定位的准确性；解决了现有的机场跑道异物定位方法的定位准确性较低的技术问题。

附图说明

图1A为本发明的塔架式机场跑道异物定位方法的第一优选实施例的流程图；

图1B为本发明的塔架式机场跑道异物定位方法的第一优选实施例的摄像机的纵向光学成像模型；

图1C为本发明的塔架式机场跑道异物定位方法的第一优选实施例的摄像机的横向光学成像模型；

图1D为本发明的塔架式机场跑道异物定位方法的第一优选实施例的异物相对于所述转台的球极坐标与异物相对于所述转台的笛卡尔坐标系的关系示意图。

图2A为本发明的塔架式机场跑道异物定位方法的第二优选实施例的流程图；

图2B为本发明的塔架式机场跑道异物定位方法的第二优选实施例的摄像机的标定操作示意图；

图3为本发明的塔架式机场跑道异物定位方法的具体实施例的流程示意图。

具体实施方式

请参照图式，其中相同的组件符号代表相同的组件，本发明的原理是以实施在一适当的运算环境中来举例说明。以下的说明是基于所例示的本发明具体实施例，其不应被视为限制本发明未在此详述的其它具体实施例。

本发明提供一种塔架式机场跑道异物定位方法，其通过塔架式机场跑道异物检测系统进行实施，该塔架式机场跑道异物检测系统包括设置在塔架上的光学探测模块以及服务器端。光学探测模块用于获取异物图像，其包括转台、摄像机以及镜头；服务器端用于根据异物图像对异物进行定位操作。

请参照图1A，为本发明的塔架式机场跑道异物定位方法的第一优选实施例的流程图。本优选实施例的塔架式机场跑道异物定位方法包括：

步骤S101，光学探测模块对异物进行拍摄，以获取异物图像；

步骤S102，服务器端根据异物图像，获取异物在摄像机的靶面物理坐标；

步骤S103，服务器端根据异物的靶面物理坐标以及转台的参数，获取异物相对转台的球极坐标；

步骤S104，服务器端将异物相对转台的球极坐标转换为异物相对转台的笛卡尔坐标；

步骤S105，服务器端将异物相对转台的笛卡尔坐标转换为异物的地心坐标。

步骤S106，服务器端将异物的地心坐标转为异物的经纬度坐标。

下面详细说明本优选实施例的塔架式机场跑道异物定位方法的各步骤的具体流程。

在步骤S101中，光学探测模块的摄像机对机场跑道异物进行拍摄，以获取异物图像；随后转到步骤S102。

在步骤S102中，服务区端根据步骤S101获取的异物图像，获取异物在异物图像中的像素位置Px，Py，然后再根据异物的像素位置和摄像机的靶面参数，按照如下公式获取异物在摄像机的靶面物理坐标Tx以及Ty。

其中Tx为所述异物在靶面物理坐标中的横坐标，Ty为所述异物在所述摄像机靶面物理坐标中的纵坐标，Px为所述异物在所述摄像机图像坐标系的中横坐标，Py为所述异物在摄像机图像坐标系中的纵坐标。L为所述摄像机靶面的横向物理尺寸，L′为所述摄像机图像画面的像素宽度。H为所述摄像机靶面的纵向物理尺寸，H′为所述摄像机图像画面的纵向像素高度。随后转到步骤S103。

在步骤S103中，服务器端根据异物的靶面物理坐标以及所述摄像机的参数，获取异物相对所述转台的球极坐标；由于转台和摄像机相对固定，因此这里也可以是异物相对摄像机的球极坐标。

具体可通过以下公式获取异物相对转台的球极坐标：

$\mathrm{\θ}={\mathrm{\β}}_0-\frac{(\frac{H}{2}-Ty*\mathrm{\γ}1)}{H};$

其中H为所述摄像机靶面的高度，γ1为所述摄像机的纵向视场角，Ty为所述靶面物理坐标中的纵坐标，β₀为所述摄像机的垂直俯仰角，θ为所述异物图像中的异物相对所述转台的球极坐标中的Z轴的角度；

其中L为所述摄像机靶面的宽度，Tx为所述靶面物理坐标中的横坐标，α₀为所述摄像机的水平俯仰角，γ2为所述摄像机的横向视场角，为所述异物图像中的异物在所述球极坐标系中的X-Y平面的投影，与所述球极坐标系中的X轴的角度；

$\mathrm{\ρ}=\frac{H_0}{\sin \mathrm{\θ}};$

其中θ为所述异物图像中的异物相对所述转台的球极坐标中的Z轴的角度，H₀为塔架与检测区域之间的相对高程；ρ为所述异物图像中的异物在所述球极坐标系中与转台的距离。

具体如图1B、图1C和图1D所示，图1B为本发明的塔架式机场跑道异物定位方法的第一优选实施例的摄像机的纵向光学成像模型，图1C为本发明的塔架式机场跑道异物定位方法的第一优选实施例的摄像机的横向光学成像模型。其中o点设置有转台，摄像机设置在转台上，A为异物，A′为靶面的异物图像，CD为物平面，C′D′为成像平面。图1D为异物在以转台为坐标原点的球极坐标与以转台为坐标原点的笛卡尔坐标系的关系示意图，x_F,y_F,z_F分别为异物相对所述转台的笛卡尔坐标；随后转到步骤S104。

在步骤S104中，服务器端将步骤S103获取的异物相对转台的球极坐标转换为异物相对转台的笛卡尔坐标；

具体可通过以下公式获取异物相对转台的笛卡尔坐标；

z_F＝ρcosθ；

其中x_F为所述异物相对所述转台的笛卡尔坐标的X轴坐标，y_F为所述异物相对所述转台的笛卡尔坐标的Y轴坐标，z_F为所述异物相对所述转台的迪笛卡尔坐标的Z轴坐标；随后转到步骤S105。

在步骤S105中，服务器端将步骤S104获取的异物相对转台的笛卡尔坐标转换为异物的地心坐标。

具体可通过以下公式获取异物的地心坐标；

$\left[\begin{array}{c}{X}_F\\ Y_F\\ Z_F\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}-{\mathrm{sin\λ}}_r& -{\mathrm{sin\φ}}_r{\mathrm{cos\λ}}_r& {\mathrm{cos\φ}}_r{\mathrm{cos\λ}}_r\\ {\mathrm{cos\λ}}_r& -{\mathrm{sin\φ}}_r{\mathrm{sin\λ}}_r& {\mathrm{cos\φ}}_r{\mathrm{sin\λ}}_r\\ 0& {\mathrm{cos\φ}}_r& {\mathrm{sin\φ}}_r\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{x}_F\\ y_F\\ z_F\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{X}_r\\ Y_r\\ Z_r\end{array}\right];$

其中X_r，Y_r，Z_r为转台地心坐标，λ_r，φ_r分别为转台的经度和纬度坐标，X_F，Y_F，Z_F为异物所对应的地心坐标。

转台地心坐标可通过预先测量转台GPS位置，然后利用下面公式计算得到；

X_r＝(Ν(φ_r)+h_r)cosφ_rcosλ_r

Y_r＝(Ν(φ_r)+h_r)cosφ_rsinλ_r

Z_r＝(Ν(φ_r)(1-e²)+h_r)sinφ_r；

$N\left({\mathrm{\φ}}_r\right)=\frac{a}{\sqrt{1-e^2{\sin }^2{\mathrm{\φ}}_r}}$

其中N(φ_r)为转台纬度φ_r所对应的主要垂直曲率，h_r为由GPS测量得到的所述转台的海拔高度，e为地球第一离心率，ɑ为地球半长轴；随后转到步骤S106。

在步骤S106中，服务器端将步骤S105获取的异物的地心坐标转换为异物的经纬度坐标，具体可通过以下公式获取异物的经纬度坐标的步骤如下：

$h_F=U(1-\frac{b^2}{aV})$

${\mathrm{\φ}}_F=arctan\[\frac{Z_F+e^{\′2}{Z}_0}{r}\]$

λ_F＝arctan2[Y_F,X_F]

公式中：U为异物地心坐标系下的Z轴坐标Z_F的水平向高程修正参数，V为异物地心坐标系下的Z轴坐标Z_F的纵向高程修正参数，a为WGS84椭球模型中地球的半长轴，b为WGS84椭球模型中地球半短轴；Z₀为对异物地心坐标系中Z轴坐标Z_F的修正参数；Z_F为异物地心坐标系下的Z轴坐标，X_F是异物的地心坐标系下X轴坐标，Y_F是异物地心坐标系下的Y轴坐标；r是WGS84椭球赤道平面半径；e′为WGS84椭球模型中第二离心率；h_F为异物海拔高度，λ_F，φ_F分别为异物的经度和纬度坐标。

这样即完成了本优选实施例的塔架式机场跑道异物定位方法的机场跑道异物定位过程。机场工作人员可使用步骤S106确定的异物的经纬度坐标去相应的地点清除异物。

本优选实施例的塔架式机场跑道异物定位方法根据转台的位置生成异物的经纬度坐标，提高了机场跑道异物定位的准确性。

请参照图2A，为本发明的塔架式机场跑道异物定位方法的第二优选实施例的流程图。本优选实施例的塔架式机场跑道异物定位方法包括：

步骤S201，对摄像机的纵向视场角γ1以及摄像机的横向视场角γ2进行标定；

步骤S202，对摄像机的垂直俯仰角β₀以及摄像机的水平俯仰角α₀进行测量；

步骤S203，获取与机场跑道区域相对应摄像机靶面的位置参数以及高程参数；

步骤S204，光学探测模块对异物进行拍摄，以获取异物图像；

步骤S205，服务器端根据异物图像，获取异物在摄像机的靶面物理坐标；

步骤S206，服务器端根据异物的靶面物理坐标以及摄像机的参数，获取异物相对转台的球极坐标；

步骤S207，根据参照物相对转台的球极坐标以及参照物相对转台的笛卡尔坐标，计算转台的球极坐标系以及转台的笛卡尔坐标系的偏差；

步骤S208，使用偏差对异物相对转台的球极坐标进行补偿；

步骤S209，服务器端将异物相对转台的球极坐标转换为异物相对转台的笛卡尔坐标；

步骤S210，服务器端将异物相对转台的笛卡尔坐标转换为异物的地心坐标；

步骤S211，服务器端将异物相对转台的地心坐标转换为异物的经纬度坐标。

下面详细说明本优选实施例的塔架式机场跑道异物定位方法的各步骤的具体流程。

在步骤S201中，对摄像机的纵向视场角γ1以及摄像机的横向视场角γ2进行标定；具体可通过以下公式对摄像机的γ1以及摄像机的横向视场角γ2进行标定：

$\mathrm{\γ}2=2*atan\left(\frac{D}{W}\right);$

$\mathrm{\γ}1=\frac{H^{\′}}{L^{\′}}*\mathrm{\γ}2$

其中D为标定物与所述摄像机的物距，W为通过测量获取的视场水平宽度，H'为所述摄像机成像画面的像素高度，L′为所述摄像机成像画面的像素宽度。具体如图2B，为本发明的塔架式机场跑道异物定位方法的第二优选实施例的摄像机的标定操作示意图。随后转到步骤S203。

在步骤S202中，通过测量，获取所述摄像机的俯仰角β₀和水平俯仰角α₀。随后转到步骤S203。

在步骤S203中，通过测量，获取所述检测区域对应摄像机的位置参数和高程参数。

确定塔架式机场跑道异物检测系统的每个光学探测模块的负责区域，以保证所有的机场跑道区域均有相应的光学探测模块进行跑道异物定位；随后转到步骤S204。

步骤S204与塔架式机场跑道异物定位方法的第一优选实施例的步骤S101中的描述相同或相似，具体请参照上述塔架式机场跑道异物定位方法的第一优选实施例的步骤S101中的相关描述。

步骤S205与塔架式机场跑道异物定位方法的第一优选实施例的步骤S102中的描述相同或相似，具体请参照上述塔架式机场跑道异物定位方法的第一优选实施例的步骤S102中的相关描述。

步骤S206与塔架式机场跑道异物定位方法的第一优选实施例的步骤S103中的描述相同或相似，具体请参照上述塔架式机场跑道异物定位方法的第一优选实施例的步骤S103中的相关描述。

在步骤S207中，通过以下步骤计算转台的球极坐标系以及转台的笛卡尔坐标系的偏差：

选定一平坦测量区域，控制转台转动到该区域的过程中，保证转台的焦距和视场不变。

控制光学探测模块，使摄像机的靶面的靶心对准参照物，测量参照物相对转台的垂直俯仰角和水平俯仰角θ'。

获取所述参照物相对于转台的球极坐标以及笛卡尔坐标；具体步骤如下：

对于所述参照物，测量参照物和转台的GPS位置，通过GPS位置，可计算得到参照物相对转台的笛卡尔坐标x1，y1，z1，以及参照物与转台之间的斜距ρ'，ρ',θ',即是参照物相对转台的球极坐标。

具体可通过下式获取转台的球极坐标系以及转台的笛卡尔坐标系的偏差；

z1'＝ρ'cosθ'；

Δx＝x1′-x1

Δy＝y1′-y1

Δz＝z1′-z1；

公式中，ρ',θ',为球极坐标系下，所述参照物相对于所述转台的球极坐标系。x1′、y1′、z1′为所述参考物相对所述转台的未修正笛卡尔坐标，x1、y1、z1为所述参考物相对所述转台的实际笛卡尔坐标；Δx、Δy、Δz为所述转台的球极坐标系和所述转台的笛卡尔坐标系的偏差；随后转到步骤S208。

在步骤S208中，服务器端使用偏差对异物相对转台的球极坐标进行补偿；具体可通过下式获取异物相对转台的球极坐标的补偿值：

$\mathrm{\Δ}\mathrm{\ρ}=\sqrt{{\mathrm{\Δx}}^2+{\mathrm{\Δy}}^2+{\mathrm{\Δz}}^2}$

$\mathrm{\Δ}\mathrm{\θ}=acos\left(\frac{\mathrm{\Δ}z}{\mathrm{\ρ}}\right)$

$\mathrm{\Δ}\mathrm{\φ}=atan\left(\frac{\mathrm{\Δ}y}{\mathrm{\Δ}x}\right);$

其中Δρ、Δθ、Δφ为所述异物相对所述转台的球极坐标的补偿值。

随后使用该补偿值对异物相对转台的球极坐标进行补偿；随后转到步骤S209。

步骤S209与塔架式机场跑道异物定位方法的第一优选实施例的步骤S104中的描述相同或相似，具体请参照上述塔架式机场跑道异物定位方法的第一优选实施例的步骤S104中的相关描述。

步骤S210与塔架式机场跑道异物定位方法的第一优选实施例的步骤S105中的描述相同或相似，具体请参照上述塔架式机场跑道异物定位方法的第一优选实施例的步骤S105中的相关描述。

这样即完成了本优选实施例的塔架式机场跑道异物定位方法的机场跑道异物定位过程。机场工作人员可使用步骤S210确定的异物的经纬度坐标去相应的地点清除异物。

本优选实施例的塔架式机场跑道异物定位方法在第一优选实施例的基础上，对摄像机的纵向视场角γ1以及横向视场角γ2进行预先标定，选定参照物，利用GPS测量仪器可获得参照物相对转台的笛卡尔坐标以及参照物与转台之间的距离；通过测量可获得摄像机的俯仰角β₀和水平俯仰角α₀的值；通过计算可得转台坐标与真实坐标之间的偏差，利用该偏差对异物相对转台的球极坐标进行补偿，进一步提高了机场跑道异物定位的准确性。

下面通过一具体实施例说明本发明的塔架式机场跑道异物定位方法的具体工作原理。请参照图3，为本发明的塔架式机场跑道异物定位方法的具体实施例的流程示意图。

首先对摄像机的纵向视场角γ1和横向视场角γ2进行标定、测量摄像机的俯仰角β₀和水平俯仰角α₀以及获取机场跑道区域的位置参数以及距离参数。

同时根据参照物相对转台的球极坐标以及由GPS测量值计算得到的参照物相对转台笛卡尔坐标，获取异物相对转台的球极坐标的补偿值Δρ、Δθ、Δφ。上述参数可以配置文件方式进行存储，或以数据库的方式进行存储。

随后使用上述参数对异物的靶面物理坐标Tx、Ty转换为异物相对转台的球极坐标ρ、θ、具体的转换公式可参见上述的优选实施例中的相关描述。

然后使用异物相对转台的球极坐标的补偿值Δρ、Δθ、对异物相对转台的球极坐标ρ、θ、进行补偿，将因转台的零位以及安装导致的异物坐标系偏差消掉。

最后将补偿后的异物相对转台的球极坐标ρ、θ、转换为异物相对转台的笛卡尔坐标x_F，y_F，z_F。再将异物相对转台的笛卡尔坐标x_F，y_F，z_F。再转换为异物的地心坐标X_F、Y_F、Z_F，然后将异物地心坐标X_F、Y_F、Z_F再转换为异物经纬度坐标λ_F，φ_F，h_F。

这样机场工作人员可使用确定的异物经纬度坐标去相应的地点清除异物。

本发明的塔架式机场跑道异物定位方法在实际环境进行测试，在转台距离地面高度12米左右，转台距离检测区域260米至340米，在检测区域进行了72次检测，72个点的定位精度统计结果如表1所示，定位精度满足行业技术规范要求。

定位精度(单位：米)	次数	占百分比
			x＜1.0	29	40.28%
1.0＜x＜2.5	31	43.06%
			2.5＜x＜4.0	11	15.28%
4.0＜x＜5.0	1	1.39%
			x＞5.0	0	0

表1

本发明的塔架式机场跑道异物定位方法在获取异物球极坐标的过程中，充分考虑了转台因零位和安装偏差导致的坐标偏差，并对该偏差进行了校准。提高了机场跑道异物定位的准确性；解决了现有的机场跑道异物定位方法的定位准确性较低的技术问题。

本发明实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。上述的各装置或系统，可以执行相应方法实施例中的方法。

综上所述，虽然本发明已以优选实施例揭露如上，但上述优选实施例并非用以限制本发明，本领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与润饰，因此本发明的保护范围以权利要求界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种塔架式机场跑道异物定位方法，其使用塔架式机场跑道异物检测系统进行异物定位，其中所述塔架式机场跑道异物检测系统包括：

光学探测模块，用于获取异物图像；其包括转台、摄像机以及镜头；以及

服务器端，用于根据所述异物图像对异物进行定位操作；其特征在于，所述塔架式机场跑道异物定位方法包括：

所述光学探测模块对异物进行拍摄，以获取异物图像；

所述服务器端根据所述异物图像，获取所述异物在所述摄像机靶面的物理坐标；

所述服务器端根据所述异物的靶面物理坐标以及所述转台的参数，获取所述异物相对所述转台的球极坐标；

所述服务器端将所述异物相对所述转台的球极坐标转换为所述异物相对所述转台的笛卡尔坐标；

所述服务器端将所述异物相对所述转台的笛卡尔坐标转换为所述异物的地心坐标；以及

所述服务器端将所述异物的地心坐标转为所述异物的经纬度坐标。

2.根据权利要求1所述的塔架式机场跑道异物定位方法，其特征在于，所述转台内置光学探测模块对异物进行拍摄，以获取异物图像的步骤之前还包括：获取所述转台对应的机场跑道区域的位置参数以及高程参数。

3.根据权利要求2所述的塔架式机场跑道异物定位方法，其特征在于，所述服务器端根据所述异物的靶面物理坐标以及所述转台的参数，获取所述异物相对所述转台的球极坐标的步骤包括：通过以下公式获取所述异物相对所述转台的球极坐标：

$\mathrm{\θ}={\mathrm{\β}}_0-\frac{(\frac{H}{2}-Ty*\mathrm{\γ}1)}{H};$

其中β₀为所述摄像机的垂直俯仰角，H为所述摄像机靶面的高度，Ty为所述靶面物理坐标中的纵坐标，γ1所述摄像机的纵向视场角，θ为所述异物图像中的异物相对所述转台的球极坐标中的Z轴的角度；

其中α₀为所述摄像机的水平俯仰角，L为所述摄像机靶面的宽度，Tx为所述靶面物理坐标中的横坐标，γ2为所述摄像机的横向视场角，为所述异物图像中的异物在所述球极坐标系中的X-Y平面的投影，与所述球极坐标系中的X轴的角度；

$\mathrm{\ρ}=\frac{H_0}{\sin \mathrm{\θ}};$

其中ρ为所述异物图像中的异物在所述球极坐标系中的斜距；H₀为所述摄像机相对于检测区域的高度，为所述异物的综合俯仰角。

4.根据权利要求3所述的塔架式机场跑道异物定位方法，其特征在于，所述服务器端将所述异物相对所述转台的球极坐标转换为所述异物相对所述转台的笛卡尔坐标的步骤包括：通过以下公式将所述异物相对所述转台的球极坐标转换为所述异物相对所述转台的笛卡尔坐标；

z_F＝ρcosθ；

其中x_F为所述异物相对所述转台的笛卡尔坐标的X轴坐标，y_F为所述异物相对所述转台的笛卡尔坐标的Y轴坐标，z_F为所述异物相对所述转台的迪笛卡尔坐标的Z轴坐标。

5.根据权利要求4所述的塔架式机场跑道异物定位方法，其特征在于，所述服务器端将所述异物相对所述转台的笛卡尔坐标转换为所述异物的地心坐标的步骤包括：通过以下公式将所述异物相对所述转台的笛卡尔坐标转换为所述异物的地心坐标：

$\left[\begin{array}{c}{X}_F\\ Y_F\\ Z_F\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}-{\mathrm{sin\λ}}_r& -{\mathrm{sin\φ}}_r{\mathrm{cos\λ}}_r& {\mathrm{cos\φ}}_r{\mathrm{cos\λ}}_r\\ {\mathrm{cos\λ}}_r& -{\mathrm{sin\φ}}_r{\mathrm{sin\λ}}_r& {\mathrm{cos\φ}}_r{\mathrm{sin\λ}}_r\\ 0& {\mathrm{cos\φ}}_r& {\mathrm{sin\φ}}_r\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{x}_F\\ y_F\\ z_F\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{X}_r\\ Y_r\\ Z_r\end{array}\right];$

其中X_r，Y_r，Z_r为所述转台地心坐标，λ_r，φ_r分别为所述转台的经度和纬度坐标，X_F，Y_F，Z_F为异物所对应的地心坐标。

6.根据权利要求5所述的塔架式机场跑道异物定位方法，其特征在于，通过以下公式获取所述转台地心坐标：

X_r＝(Ν(φ_r)+h_r)cosφ_rcosλ_r

Y_r＝(Ν(φ_r)+h_r)cosφ_rsinλ_r

Z_r＝(Ν(φ_r)(1-e²)+h_r)sinφ_r

$N\left({\mathrm{\φ}}_r\right)=\frac{a}{\sqrt{1-e^2{\sin }^2{\mathrm{\φ}}_r}}$

其中N(φ_r)为转台纬度φ_r所对应的垂直曲率，h_r为由GPS测量得到的所述转台的海拔高度，e为地球第一离心率，ɑ为地球半长轴。

7.根据权利要求6所述的塔架式机场跑道异物定位方法，其特征在于，所述服务器端将所述异物的地心坐标转为所述异物的经纬度坐标的步骤包括：

$h_F=U(1-\frac{b^2}{aV})$

${\mathrm{\φ}}_F=\arctan \[\frac{Z_F+e^{\′2}{Z}_0}{r}\]$

λ_F＝arctan2[Y_F,X_F]

其中U为异物地心坐标系下的Z轴坐标Z_F的水平向高程修正参数，V为异物地心坐标系下的Z轴坐标Z_F的纵向高程修正参数，a为WGS84椭球模型中地球的半长轴，b为WGS84椭球模型中地球半短轴；Z₀为对异物地心坐标系中Z轴坐标Z_F的修正参数；Z_F为异物地心坐标系下的Z轴坐标，X_F是异物的地心坐标系下X轴坐标，Y_F是异物地心坐标系下的Y轴坐标；r是WGS84椭球赤道平面半径；e′为WGS84椭球模型中第二离心率；h_F为异物海拔高度，λ_F，φ_F分别为异物的经度和纬度坐标。

8.根据权利要求1所述的塔架式机场跑道异物定位方法，其特征在于，所述光学探测模块对异物进行拍摄，以获取异物图像的步骤之前还包括：通过以下公式对所述摄像机的纵向视场角γ1以及所述摄像机的横向视场角γ2进行标定；

$\begin{array}{c}\mathrm{\γ}2=2*atan\left(\frac{D}{W}\right)\\ \mathrm{\γ}1=\frac{H^{\′}}{L^{\′}}*\mathrm{\γ}2\end{array};$

其中D为标定物与所述摄像机的物距，W为通过测量获取的视场水平宽度，H'为所述摄像机成像画面的像素高度，L′为所述摄像机成像画面的像素宽度。

9.根据权利要求1所述的塔架式机场跑道异物定位方法，其特征在于，所述服务器端将所述异物相对所述转台的球极坐标转换为所述异物相对所述转台的笛卡尔坐标的步骤之前还包括：根据所述摄像机测量的参照物相对所述转台的球极坐标以及通过GPS测量并经计算得到的所述参照物相对所述转台的笛卡尔坐标，计算所述转台的球极坐标系和所述转台的笛卡尔坐标系的偏差；以及使用所述偏差对所述异物相对所述转台的球极坐标进行补偿。

10.根据权利要求9所述的塔架式机场跑道异物定位方法，其特征在于，所述根据所述摄像机测量的参照物相对所述转台的球极坐标以及GPS测量并经计算得到的所述参照物相对所述转台的笛卡尔坐标，计算所述转台的球极坐标系和所述转台的笛卡尔坐标系的偏差的步骤包括：通过以下公式获取所述转台的球极坐标系以及所述转台的笛卡尔坐标系的偏差；

z1'＝ρ'cosθ'；

Δx＝x1′-x1

Δy＝y1′-y1

Δz＝z1′-z1

其中θ′、ρ′为所述摄像机测量的所述参考物相对所述转台的球极坐标系，x1′、y1′、z1′为所述参考物相对所述转台的未修正笛卡尔坐标，x1、y1、z1为由GPS测量并计算所得的所述参考物相对所述转台的实际笛卡尔坐标；Δx、Δy、Δz为所述转台的球极坐标系和所述转台的笛卡尔坐标系的偏差；

所述使用所述偏差对所述异物相对所述转台的球极坐标进行补偿的步骤包括：通过以下公式获取所述异物相对所述转台的球极坐标的补偿值；

$\mathrm{\Δ}\mathrm{\ρ}=\sqrt{{\mathrm{\Δx}}^2+{\mathrm{\Δy}}^2+{\mathrm{\Δz}}^2}$

$\mathrm{\Δ}\mathrm{\θ}=a\cos \left(\frac{\mathrm{\Δ}z}{\mathrm{\Δ}\mathrm{\ρ}}\right)$

$\mathrm{\Δ}\mathrm{\φ}=atan\left(\frac{\mathrm{\Δ}y}{\mathrm{\Δ}x}\right)$

其中Δρ、Δθ、Δφ为所述异物相对所述转台的球极坐标的补偿值；以及使用所述异物相对所述转台的球极坐标的补偿值对所述转台的球极坐标进行补偿。