CN106643666B - 基于同平台多个传感器的运动目标探测方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于同平台多传感器的运动目标探测方法和系统。单片面阵传感器上相互独立的n个图像传感器组成传感器组，布局为沿卫星飞行方向在同一直线上等间距设置n个传感器。该方法包括多个传感器分别采集图像数据；对每个传感器所采集的图像数据进行星上预处理；从接收到的预处理后的数据获取图像，对来自不同传感器的图像进行运算处理从而识别运动目标。该系统包括依次相连的传感器组、图像数据预处理装置和无线发送装置，与无线发送装置无线连接的无线接收装置、以及与无线接收装置相连的运动目标识别装置。该方法运算效率高，便于下一步在星上实现，可确保运动目标探测的性能和精度。可满足减灾救灾等应急响应对运动目标探测技术的需求。

Description

基于同平台多个传感器的运动目标探测方法和系统

技术领域

本发明涉及一种空间对地观测应用领域，尤其涉及一种运动目标探测方法和系统。

背景技术

运动目标探测是遥感和图像处理领域的重要前沿技术。随着卫星遥感技术的发展，利用卫星遥感技术对高速运动的物体进行探测也有了长足的进步，在国民经济建设各个领域发挥着越来越重要的作用。

在减灾救灾等应急反应中，运动目标探测技术也同样大有用武之地。例如利用运动目标探测可以快速发现废墟中移动的人体，为抢险救灾赢得宝贵的黄金时间；可以判定群体目标的运动和分布，在道路不通时迅速掌握受灾群众的动向；可以对路上的车辆和速度进行测算，对雨雪灾害中道路的拥堵情况进行有效判定；可以在茫茫大海中快速实现船舶目标探测，为海上搜救提供重要支撑；可以对海盗动向实现判定和预警，为海外护航提供信息保障。

运动目标速度探测主要依靠SAR/GMTI图像，但该技术复杂，实现难度大，我国的技术和经验以及技术积累都比较欠缺，也因此尚未发射搭载了SAR/GMTI传感器的卫星。利用同平台多传感器图像进行运动目标探测，一是解决急需，可以满足减灾救灾等应急响应对运动目标探测技术的迫切需求；二是实用性强，该方法运算效率高，便于下一步在星上实现，可以确保运动目标探测的性能和精度。

利用同平台多传感器图像进行运动目标探测，由于传感器通道间成像时间间隔短，运动目标在图像中位移为亚像元级，探测误差大，因此需要通过技术途径解决。

CCD传感器(Charged Coupled Device)是一种电荷耦合器件，使用一种高感光度的半导体材料制成，能储存由光产生的信号电荷，通过对它施加特定时序的脉冲，使存储的信号电荷在CCD内作定向传输而实现自扫描。传统CCD传感器包括线阵型CCD、面阵型CCD以及TDI-CCD三种，由许多微小半导体硅光敏固体元件呈线状或面状以极高密度排列在一起。线阵CCD将其上面形成的光学图像转换成为时序电信号输出，获取二维图像信号时，必须与成像区域做相对推扫运动；面阵CCD是二维图像传感器，它可以直接将二维图像转变为视频信号输出，适用于对成像区域凝视成像；TDI-CCD结构类似于面阵CCD，采用推扫方式成像，它逐级依次对地面同一目标曝光进行电荷累加，通过延时积分解决图像能量不足的问题。

由于线阵型图像传感器拍摄场景在曝光阶段一直在移动，因此移动速度严重限制了线阵型图像传感器像素的曝光时间。尤其是在照度低或者扫描速度很快的情况下，图像传感器的感应信号十分微弱，系统的信噪比(Signal to Noise Rate，SNR)降低，会影响拍摄的图像质量，为了解决这个问题，TDI技术被广泛应用于线阵型图像传感器中。TDI型图像传感器能够对移动物体中同一目标进行重复曝光，然后将多次曝光结果进行累加。这种方法等效延长了光信号的积分时间，即相当于延长单个像素的曝光时间，因此可以获得比较好的信噪比与灵敏度。

CMOS图像传感器是一种互补金属氧化物半导体，是一种将光敏元件、放大器、A/D转换器、存储器、数字信号处理器和计算机接口电路集成在一块硅片上的图像传感器。近些年，由于CMOS工艺的飞速发展，TDI型CMOS图像传感器也相应出现，这为TDI技术寻求突破找到了更有效的方案。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提出一种基于设置在单片面阵传感器上的多个相互独立的图像传感器的运动目标探测方法和系统。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种基于同平台多传感器的运动目标探测方法，设置在单片面阵传感器上的相互独立的n个图像传感器组成图像传感器组，图像传感器组的布局为沿卫星飞行方向在同一直线上等间距设置n个图像传感器，这里n为大于1的整数，该方法包括：图像传感器组中各个图像传感器分别采集图像数据；对每个图像传感器所采集的图像数据进行星上预处理，输出预处理后的图像数据；从接收到的预处理后的数据获取图像，对来自不同图像传感器的图像进行运算处理从而识别运动目标。

进一步，该方法还包括步骤：计算运动目标的运动速度。

进一步，计算运动目标的运动速度包括：对于两个图像传感器的情况，第一图像传感器与第二图像传感器的成像时差为t，运动距离为s，则运动目标速度为v＝s/t。

进一步，计算运动目标的运动速度包括：对于三个以上图像传感器的情况，运动目标的速度为这多个图像传感器中通过每两个相邻的图像传感器采集的数据算出运动目标的运动速度，对计算出的所有的运动速度取平均值。

进一步，星上预处理包括对图像传感器上各个像敏单元行进行不同行上的信号相减。

进一步，不同行上的信号相减的处理采用下面这些处理方式中的任一种：各行像敏单元上的信号逐行相减，然后逐行输出相减结果；各行像敏单元上的信号隔行相减，然后隔行输出相减的结果；每m行像敏单元作为一个区域，相邻m行信号累加取均值，然后逐区域相减，最后逐区域输出。

进一步，识别运动目标进一步包括：将多个图像传感器获取的多幅图像相减，梯度大于阈值的区域即为运动目标所在区域，对相减后的图像利用霍夫变换求解任意两点直线，在同一直线上的点，识别为同一目标或一列运动方向相同的目标。

一种基于同平台多传感器的运动目标探测系统，设置在单片面阵传感器上的相互独立的n个图像传感器组成图像传感器组，图像传感器组的布局为沿卫星飞行方向在同一直线上等间距设置n个传感器，这里n为大于1的整数，该系统还包括与图像传感器组依次相连的图像数据预处理装置和无线发送装置，与无线发送装置无线连接的无线接收装置、以及与无线接收装置依次相连的运动目标识别装置，其中，图像传感器组中的各个图像传感器分别用于采集图像数据，图像数据预处理装置用于对每个图像传感器采集到的图像数据进行预处理，无线发送装置用于发送预处理后的图像数据，无线接收装置用于接收来自无线发送装置的信号，运动目标识别装置用于根据无线接收装置接收到的预处理后的数据来获取图像，对来自不同图像传感器的图像进行运算处理从而识别运动目标。

进一步，还包括与运动目标识别装置相连的运动速度运算装置，运动速度运算装置用于对识别出来的运动目标计算运动速度。

进一步，图像数据预处理装置进一步用于对图像传感器上各个像敏单元行进行不同行上的信号相减。

与现有技术相比，本发明技术方案主要的优点如下：

通过单片面阵传感器整体采用一个时钟振荡电路，同平台多传感器能够精确地同步或者具有精确的时差。设在一个单片面阵传感器上的各个图像传感器都位于一个成像平面上而且沿着单片面阵传感器上像敏单元列的方向成一条直线排列，提高了运动目标探测的精确性。本发明的方法运算效率高，传输数据量小，便于下一步在星上实现，可以确保运动目标探测的性能和精度。本发明的方法可以满足减灾救灾等应急响应对运动目标探测技术的迫切需求。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1A是本发明一个实施例所述的同平台双传感器布局示意图；

图1B是本发明一个实施例所述的同平台三传感器布局示意图；

图2是本发明一个实施例所述的基于同平台多传感器的运动目标探测方法的流程图；

图3A示出本发明星上数据预处理中一种不同行信号相减方式；

图3B示出本发明星上数据预处理中另一种不同行信号相减方式；

图3C示出本发明星上数据预处理中第三种不同行信号相减方式；

图4是本发明一个实施例所述的基于同平台多传感器的运动目标探测系统的结构示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

本发明基于设置在单片面阵传感器上的相互独立的多个图像传感器，在本文中称为同平台多传感器。单片面阵传感器上一行像敏单元或多行像敏单元构成一个独立的像敏单元阵列，作为一个独立的图像传感器。设在单片面阵传感器上的各个独立的图像传感器共用一个时钟振荡电路，同平台多传感器能够精确地同步或者具有精确的时差。另外，设在一个单片面阵传感器上的各个图像传感器都位于一个成像平面上而且沿着单片面阵传感器上像敏单元列的方向成一条直线排列，这就避免了分散开的多个图像传感器设置到同一成像平面上而且在一条直线上排列时容易出现位置偏差的问题。为了实现运动目标的探测，采用位于一个单片面阵传感器上的多个相互独立的图像传感器分别获取多幅图像，这多个图像传感器组成图像传感器组1。图像传感器组1的布局方式为沿卫星飞行方向在同一直线上等距离设置n个传感器，这里n为大于1的整数。在实施例1中n＝2，沿卫星飞行方向设置两个图像传感器，两个图像传感器处于同一直线上，如图1A中所示的第一图像传感器11和第二图像传感器12。在实施例2中n＝3，沿卫星飞行方向设置三个图像传感器，三个图像传感器等间距分布，且处于同一直线上，如图1B中所示的第一图像传感器11、第二图像传感器12和第三图像传感器13。位于一个单片面阵传感器上的多个图像传感器可以均为线阵传感器，作为替换，也可以均为面阵传感器，当然也可以既有线阵传感器也有面阵传感器。

如图2所示，本发明一个实施例所述的基于同平台多传感器的运动目标探测方法包括如下步骤：

步骤S1，图像传感器组1中各个图像传感器分别采集图像数据。

步骤S2，对每个图像传感器所采集的图像数据进行星上预处理，预处理包括对图像传感器上各个像敏单元行进行不同行上的信号相减，以减少后续输出和处理的数据量，输出预处理后的图像数据。

对图像传感器上各个像敏单元行进行不同行上的信号相减处理为下面各种处理方式中的任一种：

如图3A所示，各行像敏单元上的信号逐行相减，然后逐行输出相减结果。由于多个传感器获取数据量大，卫星数据传输压力大，甚至无法承受，在星上直接相减即可得到可疑运动目标区域，只回传该区域即可，无需回传整幅图像。

如图3B所示，各行像敏单元上的信号隔行相减，然后隔行输出相减的结果。对于高速运动目标，由于运动速度快相邻两行像敏单元上的信号差异太微小，难以检测出可疑的运动目标区域，所以采取隔行相减的方式得到可疑的运动目标区域，隔行相减与逐行相减相比更大程度地减小计算量，适用于高速运动目标检测。可以每隔一行的两行相减，作为替换，也可以每隔两行的两行相减，当然还可以间隔更多行，间隔的行数根据运动目标的运动速度和传感器上总共的像敏单元行数来确定。

如图3C所示，每m行像敏单元作为一个区域，相邻m行信号累加取均值，然后逐区域相减，最后逐区域输出。因为简单相减存在信噪比偏低的问题，会影响检测率，所以可以先累加再相减，提高检测率，降低虚警率。

步骤S3，从接收到的预处理后的数据获取图像，对来自不同图像传感器的图像进行运算处理从而识别运动目标。

将不同图像传感器获取的图像相减，灰度梯度大于阈值的区域即为运动目标所在区域，这里阈值优选为0.2。因为非运动目标区域相减后灰度接近于0，存在运动目标的区域相减后灰度值较高，灰度梯度也比较大。图像相减后，得到只有运动目标点的一幅图像，在这个图像上利用霍夫变换求解任意两点直线，在同一直线上的点，可以确认为同一目标或一列运动方向相同的目标。

步骤S4，计算运动目标的运动速度。

对于采用两个图像传感器采集运动目标的图像的情况，设第一图像传感器11与第二图像传感器12的成像时差为t，运动距离为s，则运动目标速度为v＝s/t。对于采用三个图像传感器采集运动目标的图像的情况，设第一图像传感器11与第二图像传感器12的成像时差为t1，运动距离为s1；第二图像传感器12与第三图像传感器13的成像时差为t2，运动距离为s2，则运动目标的速度为因此，对于采用三个以上的图像传感器采集运动目标的图像的情况，运动目标的速度为这多个图像传感器中通过每两个相邻的图像传感器采集的数据算出运动目标的运动速度，对计算出的所有的运动速度取平均值。

本发明一个实施例所述的运动目标探测系统包括设置在单片面阵传感器上的相互独立的多个图像传感器，在本文中称为同平台多传感器，这多个图像传感器构成图像传感器组1。图像传感器的布局方式为沿卫星飞行方向在同一直线上等距离设置n个传感器，这里n为大于1的整数。在实施例1中n＝2，沿卫星飞行方向设置两个图像传感器，两个图像传感器处于一条直线上，如图1A中所示的第一图像传感器11和第二图像传感器12。在实施例2中n＝3，沿卫星飞行方向的三个图像传感器，三个图像传感器等距分布，且处于一条直线上，如图1B中所示的第一图像传感器11、第二图像传感器12和第三图像传感器13。如图4所示，该系统还包括与图像传感器组1(包括第一图像传感器11、…、第n图像传感器1n)连接的图像数据预处理装置2、以及与图像数据预处理装置2连接的无线发送装置3，以及与无线发送装置3无线连接的无线接收装置4、与无线接收装置4连接的运动目标识别装置5、与运动目标识别装置5连接的运动速度运算装置6。

其中，图像传感器组1中各个图像传感器分别用于采集图像数据。这里，图像传感器可以是设置在单片面阵传感器上的线阵型CCD传感器、面阵型CCD传感器或TDI型CCD传感器，或者图像传感器可以是设置在单片面阵传感器上的线阵型CMOS传感器、面阵型CMOS传感器或TDI型CMOS传感器。

图像数据预处理装置2用于对每个图像传感器采集到的图像数据进行预处理，对于TDI型图像传感器，图像传感器上各个像敏单元行进行不同行上的信号相减，具体相减处理为下面各种处理方式中的任一种：

如图3A所示，各行像敏单元上的信号逐行相减，然后逐行输出相减结果。由于多个传感器获取数据量大，卫星数据传输压力大，甚至无法承受，在星上直接相减即可得到可疑运动目标区域，只回传该区域即可，无需回传整幅图像。

如图3B所示，各行像敏单元上的信号隔行相减，然后隔行输出相减的结果。对于高速运动目标，由于运动速度快相邻两行像敏单元上的信号差异太微小，难以检测出可疑的运动目标区域，所以采取隔行相减的方式得到可疑的运动目标区域，隔行相减与逐行相减相比更大程度地减小计算量，适用于高速运动目标检测。可以每隔一行的两行相减，作为替换，也可以每隔两行的两行相减，当然还可以间隔更多行，间隔的行数根据运动目标的运动速度和传感器上总共的像敏单元行数来确定。

如图3C所示，每m行像敏单元作为一个区域，相邻m行信号累加取均值，然后逐区域相减，最后逐区域输出。因为简单相减存在信噪比偏低的问题，会影响检测率，所以可以先累加再相减，提高检测率，降低虚警率。

无线发送装置3用于发送预处理后的图像数据。

无线接收装置4用于接收来自无线发送装置的信号。

运动目标识别装置5用于根据无线接收装置4接收到的预处理后的数据来获取图像，对来自不同图像传感器1的图像进行运算处理从而识别运动目标。

运动速度运算装置6用于对识别出来的运动目标计算运动速度。

Claims (7)

1.一种基于同平台多传感器的运动目标探测方法，其特征在于，设置在单片面阵传感器上的相互独立的n个图像传感器组成图像传感器组(1)，所述的n个图像传感器位于一个成像平面上而且沿着所述单片面阵传感器上像敏单元列的方向成一条直线排列，图像传感器组(1)的布局为沿卫星飞行方向在同一直线上等间距设置n个图像传感器，这里n为大于1的整数，该方法包括：

图像传感器组(1)中各个图像传感器分别采集图像数据；

对每个图像传感器所采集的图像数据进行星上预处理，输出预处理后的图像数据，星上预处理包括对图像传感器上各个像敏单元行进行不同行上的信号相减；

从接收到的预处理后的数据获取图像，对来自不同图像传感器的图像进行运算处理从而识别运动目标，识别运动目标进一步包括：将多个图像传感器获取的多幅图像相减，梯度大于阈值的区域即为运动目标所在区域，对相减后的图像利用霍夫变换求解任意两点直线，在同一直线上的点，识别为同一目标或一列运动方向相同的目标。

2.如权利要求1所述的基于同平台多传感器的运动目标探测方法，其特征在于，该方法还包括步骤：

计算运动目标的运动速度。

3.如权利要求2所述的基于同平台多传感器的运动目标探测方法，其特征在于，计算运动目标的运动速度包括：

对于两个图像传感器的情况，第一图像传感器(11)与第二图像传感器(12)的成像时差为t，运动距离为s，则运动目标速度为v＝s/t。

4.如权利要求2所述的基于同平台多传感器的运动目标探测方法，其特征在于，计算运动目标的运动速度包括：

对于三个以上图像传感器的情况，运动目标的速度为这多个图像传感器中通过每两个相邻的图像传感器采集的数据算出运动目标的运动速度，对计算出的所有的运动速度取平均值。

5.如权利要求1所述的基于同平台多传感器的运动目标探测方法，其特征在于，不同行上的信号相减的处理采用下面这些处理方式中的任一种：

各行像敏单元上的信号逐行相减，然后逐行输出相减结果；

各行像敏单元上的信号隔行相减，然后隔行输出相减的结果；

每m行像敏单元作为一个区域，相邻m行信号累加取均值，然后逐区域相减，最后逐区域输出。

6.一种基于同平台多传感器的运动目标探测系统，其特征在于，设置在单片面阵传感器上的相互独立的n个图像传感器组成图像传感器组(1)，所述的n个图像传感器位于一个成像平面上而且沿着所述单片面阵传感器上像敏单元列的方向成一条直线排列，图像传感器组(1)的布局为沿卫星飞行方向在同一直线上等间距设置n个传感器，这里n为大于1的整数，该系统还包括与图像传感器组(1)依次相连的图像数据预处理装置(2)和无线发送装置(3)，与无线发送装置(3)无线连接的无线接收装置(4)、以及与无线接收装置(4)依次相连的运动目标识别装置(5)，其中，

图像传感器组(1)中的各个图像传感器分别用于采集图像数据，图像数据预处理装置(2)用于对每个图像传感器采集到的图像数据进行预处理，无线发送装置(3)用于发送预处理后的图像数据，无线接收装置(4)用于接收来自无线发送装置(3)的信号，运动目标识别装置(5)用于根据无线接收装置(4)接收到的预处理后的数据来获取图像，对来自不同图像传感器的图像进行运算处理从而识别运动目标；

图像数据预处理装置(2)进一步用于对图像传感器上各个像敏单元行进行不同行上的信号相减。

7.如权利要求6所述的基于同平台多传感器的运动目标探测系统，其特征在于，还包括与运动目标识别装置(5)相连的运动速度运算装置(6)，运动速度运算装置(6)用于对识别出来的运动目标计算运动速度。