CN108305290A - 一种动目标的精确测谱方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种动目标的精确测谱方法，包括：(1)确定图谱关联探测系统的成像像面上光谱响应最大的点，将该点设为标定中心；(2)大范围搜索捕获目标，一方面记录搜索过程中测得的背景光谱；另一方面，对目标进行捕获，如果捕获到目标，则确定该目标的图像坐标和目标所占像素多少，直至捕获到目标；(3)根据目标的图像坐标和所述标定中心的距离，利用伺服机构的控制，快速将目标拉至标定中心，以在所述标定中心位置测量所述目标的光谱；(4)根据步骤(2)所得的目标所占像素多少，确定在测谱范围内背景所占比例，并根据背景所占比例在图谱关联探测系统得到的混合谱中减去背景光谱，得到目标光谱。本发明可以获取精确的目标光谱。

Description

一种动目标的精确测谱方法

技术领域

本发明属于目标识别与光谱数据处理的交叉技术领域，更具体地，涉及一种动目标的精确测谱方法。

背景技术

动目标精确测谱方法作为近年来目标识别领域的热门研究方法，一直以来都受到国内外学者和工程技术人员的极大关注，尤其是在有遮挡的动目标跟踪识别、亚像素级别的目标识别、高速飞行器的光谱特性研究等方面，具有重大的意义。

现有的动目标测谱方法，存在以下的一些问题：

(1)有的是只有光谱测量设备，需要人工对准目标进行光谱测量，这种方式能采集到近距离目标的光谱信号，但采集不了远距离目标的光谱信号。

(2)有的是配合伺服系统，运用图像处理领域的目标跟踪方法对目标进行跟踪测谱，但都是对整个视场进行测谱，测谱的数据量很大，而且导致有用的目标信号都叠加在大量无用的背景光谱信号上，无法准确测得目标的光谱。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于解决现有动目标光谱测量设备采集不了远距离目标的光谱信号，以及现有配合伺服系统对目标进行跟踪测谱，对整个视场进行测谱，测谱的数据量很大，而且导致有用的目标信号都叠加在大量无用的背景光谱信号上，无法准确测得目标光谱的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供一种动目标的精确测谱方法，该动目标的精确测谱方法应用于图谱关联探测系统，所述图谱关联探测系统包括成像单元和测谱单元，所述成像单元用于对目标和/或背景成像，所述测谱单元用于获取目标和/或背景光谱，包括以下步骤：

(1)确定图谱关联探测系统的成像像面上光谱响应最大的点，将该点设为标定中心；

(2)大范围搜索捕获目标，一方面记录搜索过程中测得的背景光谱；另一方面，对目标进行捕获，如果捕获到目标，则确定该目标的图像坐标和目标所占像素多少，直至捕获到目标；

(3)根据目标的图像坐标和所述标定中心的距离，利用伺服机构的控制，快速将目标拉至标定中心，以在所述标定中心位置测量所述目标的光谱；

(4)根据步骤(2)所得的目标所占像素多少，确定在测谱范围内背景所占比例，并根据所述背景所占比例在图谱关联探测系统得到的混合谱中减去背景光谱，得到目标光谱。

可选地，该方法还包括：

(5)根据前一帧图像中目标图像的坐标，在当前帧图像的相同坐标周围进行相关滤波，将响应最大点作为当前帧的目标的图像坐标；

确定完当前帧的目标的图像坐标后，参照步骤(3)和步骤(4)获得当前帧下的目标光谱。

可选地，该方法还包括：每隔一定时间，在测谱范围内重新确定所述背景所占比例。

可选地，伺服机构的控制采用PID控制，其中用K来表示伺服机构的控制系数，K越大，则伺服运动的越快，但系统超调也会增加；K越小，系统超调会越小，但伺服运动的速度也会变慢，伺服机构用于让目标稳定的保持在所述标定中心；

所述步骤(3)具体包括：

当目标的图像坐标和标定中心的距离大于预设的距离阈值时，选用较大的K值，使得伺服机构快速运动；

当目标的图像坐标和标定中心的距离小于或等于预设的距离阈值时，则选择较小的K值，以减少伺服机构的超调。

可选地，所述步骤(4)具体包括：

(4.1)已知光阑在图像上所成的测谱范围大小为Area_diap，捕获目标时所计算的目标像素大小为Area_target，可计算得到在测谱范围内，背景所占的比例p_bg为：

(4.2)当前帧测谱单元所测得的混合谱为S_multi，步骤(2)确定的背景光谱为S_bg，则目标光谱S_target计算公式为：

S_target＝S_multi-p_bg*S_bg。

可选地，所述步骤(5)具体包括：

(5.1)在当前帧图像中，以前一帧的目标图像坐标(X_target，Y_target)为中心，设置一个正方形感兴趣区域ROI，边长为b，该ROI内的灰度值用灰度矩阵F表示；

(5.2)在ROI周围采集N个同等大小的区域ROI_i，ROI_i与ROI大小相等，且重合一部分，其灰度值用灰度矩阵F_i(i＝1,2,3...N)表示；

(5.3)设置一固定卷积模板矩阵T，其大小与ROI_i像素组成的矩阵大小相等，对于每一个ROI_i，分别计算卷积值Val_i：

取最大的Val_i对应的ROI_i的中心(X_i,Y_i)为当前帧的目标图像坐标。

可选地，所述步骤(1)具体包括：

将平行光管发出的光线经过图谱关联探测系统所成的像的中心(X_light,Y_light)与图像中心重合，并记录此时测谱单元测得的光谱数据为S_max；

然后上下左右微调平行光管的位置，每调节一次就记录测谱单元测得的光谱数据，记为S_cur，如果S_cur＞S_max，则更新S_max＝S_cur，并记录下此时的(X_light,Y_light)；

平行光管运动一圈后，产生最大光谱数据的(X_light,Y_light)就是所述标定中心(X_standard,Y_standard)，所述平行光管用于模拟无穷远处发来的光线，以保证到达图谱关联探测系统的光线是互相平行的，以确定所述标定中心。

可选地，所述步骤(2)具体包括：

(2.1)在大范围搜索捕获目标的过程中，一边控制伺服机构按照固定的步进扫描，一边记录下测谱单元在标定中心测得的谱；

(2.2)如果检测到目标，则记录下目标的初始图像坐标(X_target，Y_target)和所占像素的大小Area_target；

(2.3)如果没有检测到目标，则更新背景光谱，直至检测到目标。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

(1)本发明提供了一种动目标的精确测谱方法，克服了现有动目标测谱方案存在的困难，并以多种手段减弱了背景光谱对目标光谱的影响，能达到现有的动目标测谱方案达不到的测谱精度。

(2)从工程运用的角度出发，考虑并解决了系统加工误差、装配误差等对动目标精确测谱的影响；考虑并提出了新型伺服控制方案，优化了动目标跟踪的性能；考虑并提出了一种基于遮挡模型的目标光谱剥离方案，给动目标精确测谱提供了一条新的思路。

附图说明

图1为本发明提供的动目标的精确测谱方法流程图；

图2为本发明提供的图谱关联探测系统的机械结构图；

图3为本发明提供的寻找图谱关联探测系统的标定中心示意图；

图4为本发明提供的相关滤波求解当前帧目标图像坐标示意图；

图5为本发明实施例提供的目标出现在视场中的红外图像；

图6为本发明实施例提供的将动目标跟踪至标定中心测谱的红外图像；

图7为本发明实施例提供的目标与背景的混合曲线；

图8为本发明实施例得到的背景谱曲线；

图9为本发明实施例减去背景谱后得到的目标谱。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提供一种动目标的精确测谱方法。大范围扫描捕获目标后，利用目标跟踪算法，配合本发明提出的伺服控制算法，将目标始终锁定在只占少量像素范围的标定中心进行测谱，再根据目标占测谱区域的面积比例，减去相应比例的背景光谱，从而保证最大限度的获取到真实目标光谱。

具体地，如图1所示，本发明提供一种动目标的精确测谱方法，包括以下步骤：

(1)找到图谱关联探测系统中成像像面上光谱响应最大的点，即标定中心。

(2)大范围搜索捕获目标，一方面记录搜索过程中测得的背景光谱；另一方面，如果捕获到目标，则计算该目标的图像坐标和目标所占像素多少。如果没有捕获到目标，则继续调用步骤(2)，直至捕获到目标，获得目标的图像坐标和目标所占像素多少。

(3)根据目标的图像坐标，利用伺服机构的控制，快速将目标拉至标定中心。

(4)根据步骤(2)所得的目标所占像素多少，确定在测谱范围内背景所占比例。测谱单元在标定中心测得的光谱根据背景所占比例减去一部分背景光谱，即可得到输出更精确的目标光谱。

(5)根据前一帧图像的目标图像坐标，在当前帧图像的相同坐标周围进行相关滤波，将响应最大点作为当前帧的目标图像坐标；

(6)对于接下来的图像帧，循环执行步骤(3)到步骤(5)，以获得所需的各个图像帧对应的目标光谱。

作为进一步优选的，步骤(1)具体包括：

(1.1)图谱关联探测系统的机械结构如图2所示。入射光经过卡式镜头的聚焦后，汇集到一个分光镜，分光镜会反射中心孔入射光中25％的长波红外能量用于成像，透射中心孔入射光中100％的短、中波红外能量和75％的长波红外能量用于成谱。理论上来说，因为成像单元与测谱单元是共光轴的结构设计，所以成像中心和测谱中心是叠加在一起的。

(1.2)但由于存在加工误差和装调误差的存在，导致成像中心和测谱中心可能不在同一个点上。因此我们需要利用平行光管来标定系统真实的测谱中心。平行光管的作用是模拟无穷远处发来的光线，它能保证到达我们系统的光线是互相平行的。

需要说明的是，以下可将测谱中心称为标定中心。

(1.3)首先调节平行光管的位置，将平行光管发出的光线经过图谱关联探测系统所成的像的中心(X_light,Y_light)与图像中心重合，并记录此时测谱单元测得的光谱数据为S_max。然后上下左右微调平行光管的位置，每调节一次就记录测谱单元测得的光谱数据，记为S_cur，如果S_cur＞S_max，则更新S_max＝S_cur，并记录下此时的(X_light,Y_light)。平行光管运动一圈后，产生最大光谱数据的(X_light,Y_light)就是我们要找的标定中心(X_standard,Y_standard)。

作为进一步优选的，所述步骤(2)具体包括：

(2.1)在大范围搜索捕获目标的过程中，一边控制伺服按照固定的步进扫描，一边记录下测谱单元在标定中心测得的谱S。

(2.2)如果检测到目标，则记录下目标的初始图像坐标(X_target，Y_target)和所占像素的大小Area_target；

(2.3)如果没有检测到目标，则更新背景光谱S_bg＝S，直至检测到目标。

作为进一步优选的，所述步骤(3)具体包括：

(3.1)伺服机构的控制采用PID控制，其中用K来表示伺服机构的控制系数，K越大，则伺服运动的越快，但系统超调也会增加；K越小，系统超调会越小，但伺服运动的速度也会变慢。

(3.2)根据目标的图像坐标(X_target，Y_target)与标定中心(X_standard,Y_standard)的距离，动态调节K值控制伺服机构。

(3.3)如果其中为目标图像坐标与标定中心的距离，D_threshold为我们设定的距离阈值，则选用较大的K值，使得伺服机构快速运动。

(3.4)如果则选择较小的K值，以减少伺服机构的超调。

作为进一步优选的，所述步骤(4)具体包括：

(4.1)已知光阑在图像上所成的测谱范围大小为Area_diap，捕获目标时所计算的目标像素大小为Area_target，可计算得到在测谱范围内，背景所占的比例p_bg为：

(4.2)当前帧测谱单元所测得的混合谱为S_multi，根据遮挡模型，我们给出更精确的目标光谱计算公式：

S_target＝S_multi-p_bg*S_bg

作为进一步优选的，所述步骤(5)具体包括：

(5.1)如图4所示，以前一帧的目标图像坐标(X_target，Y_target)为中心，设置一个正方形感兴趣区域ROI，边长为b，该ROI内的灰度值用灰度矩阵F表示。

(5.2)在ROI周围采集N个同等大小的ROI_i，ROI_i与ROI大小相等，且重合一部分，其灰度值用灰度矩阵F_i(i＝1,2,3...N)表示。

(5.3)设置一固定卷积模板矩阵T，其大小与ROI_i像素组成的矩阵大小相等。对于每一个ROI_i，分别计算卷积值Val_i：

取最大的Val_i对应的ROI_i的中心(X_i,Y_i)为当前帧的目标图像坐标。

在一个更具体的实施例中，本发明方法包括以下步骤：

(1)如图2所示，成像单元、测谱单元采用共光路的结构设计，光线经过卡式镜头的聚焦后，汇集到一个半透半反的分光镜，分光镜中心区域反射25％的能量拿去成像，透过75％的能量拿去成谱。

(2)如图3所示，成像单元所成的像大小为640*512，则图像中心坐标为(320,256)。首先调节平行光管的位置，将平行光管所成的像的中心与图像中心重合，并记录此时测谱单元测得的光谱数据在波长5um处的光谱能量为1.3e-3W/Sr。然后上下左右微调平行光管的位置，每调节一次就记录测谱单元测得的光谱数据。平行光管运动一圈后，在波长5um处产生的最大光谱能量为1.7e-3W/Sr，此时对应的平行光管的中心坐标为(310,260)，这就是我们要找的标定中心。

(3)在大范围搜索捕获目标的过程中，设置伺服的步进为200个像素，当扫描到目标时，计算得到目标的图像坐标为(70,100)，所占的像素大小为一个D＝6的圆，所以扫描过程中保存的背景谱为S_bg。

(4)伺服的PID控制策略，设置的是：当目标图像坐标与标定中心的距离大于200个像素时，采用K＝11的控制策略；当目标图像坐标与标定中心的距离小于200个像素时，采用K＝9的控制策略。

(5)已知光阑在图像上所成的测谱范围大小为30*30，捕获目标时所计算的目标像素大小为可计算得到在测谱范围内，背景所占的比例为：

(6)测谱单元测得的混合谱为S_multi，根据遮挡模型，我们给出更精确的目标谱S_target计算公式：

S_target＝S_multi-96.86％*S_bg

(7)如图4所示，以前一帧的目标图像坐标为中心，设置一个正方形感兴趣区域ROI，边长为24，该ROI内的灰度值用灰度矩阵F表示。

(8)在ROI周围采集128个同等大小的ROI_i，ROI_i与ROI大小相等，且重合一部分，其灰度值用灰度矩阵F_i(i＝1,2,3...128)表示。

(9)设置一固定卷积模板矩阵T，其像素大小与ROI_i的像素大小相等。对于每一个ROI_i，分别计算卷积值Val_i：

i＝77时，取得最大的Val值，此时ROI₇₇对应的中心图像坐标为(309,251)，所以更新当前帧的目标图像坐标为(309,251)。

(10)重复执行步骤(4)到步骤(9)，直至获得所需的各个图像帧对应的目标光谱。

在一个更具体的实施例中，如图5所示为目标出现在视场中的红外图像，这里的目标为飞机尾焰，其在成像视场，但不在测谱区域。如图6所示，经过检测捕获跟踪目标，将目标拉到标定中心(310,260)进行测谱。如图6中间的白方块区域即为标定中心所在区域，与图5对比，可见通过跟踪目标，已将目标拉至标定中心区域。

图7是测得的目标和部分背景的混合光谱曲线，图8是背景的光谱曲线，图9是根据目标光谱的计算公式计算得出的目标光谱，相比普通方法测得的目标光谱，采用本发明提供的方法获得的目标光谱更加精确。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种动目标的精确测谱方法，所述动目标的精确测谱方法应用于图谱关联探测系统，所述图谱关联探测系统包括成像单元和测谱单元，所述成像单元用于对目标和/或背景成像，所述测谱单元用于获取目标和/或背景光谱，其特征在于，包括以下步骤：

(1)确定图谱关联探测系统的成像像面上光谱响应最大的点，将该点设为标定中心；

(2)大范围搜索捕获目标，一方面记录搜索过程中测得的背景光谱；另一方面，对目标进行捕获，如果捕获到目标，则确定该目标的图像坐标和目标所占像素多少，直至捕获到目标；

(3)根据目标的图像坐标和所述标定中心的距离，利用伺服机构的控制，快速将目标拉至标定中心，以在所述标定中心位置测量所述目标的光谱；

(4)根据步骤(2)所得的目标所占像素多少，确定在测谱范围内背景所占比例，并根据所述背景所占比例在图谱关联探测系统得到的混合谱中减去背景光谱，得到目标光谱。

2.根据权利要求1所述的动目标的精确测谱方法，其特征在于，所述方法还包括：

(5)根据前一帧图像中目标图像的坐标，在当前帧图像的相同坐标周围进行相关滤波，将响应最大点作为当前帧的目标的图像坐标；

确定完当前帧的目标的图像坐标后，参照步骤(3)和步骤(4)获得当前帧下的目标光谱。

3.根据权利要求2所述的动目标的精确测谱方法，其特征在于，所述方法还包括：每隔一定时间，在测谱范围内重新确定所述背景所占比例。

4.根据权利要求3所述的动目标的精确测谱方法，其特征在于，伺服机构的控制采用PID控制，其中用K来表示伺服机构的控制系数，K越大，则伺服运动的越快，但系统超调也会增加；K越小，系统超调会越小，但伺服运动的速度也会变慢，伺服机构用于让目标稳定的保持在所述标定中心；

所述步骤(3)具体包括：

当目标的图像坐标和标定中心的距离大于预设的距离阈值时，选用较大的K值，使得伺服机构快速运动；

当目标的图像坐标和标定中心的距离小于或等于预设的距离阈值时，则选择较小的K值，以减少伺服机构的超调。

5.根据权利要求1所述的动目标的精确测谱方法，其特征在于，所述步骤(4)具体包括：

(4.1)已知光阑在图像上所成的测谱范围大小为Area_diap，捕获目标时所计算的目标像素大小为Area_target，可计算得到在测谱范围内，背景所占的比例p_bg为：

(4.2)当前帧测谱单元所测得的混合谱为S_multi，步骤(2)确定的背景光谱为S_bg，则目标光谱S_target计算公式为：

S_target＝S_multi-p_bg*S_bg。

6.根据权利要求1所述的动目标的精确测谱方法，其特征在于，所述步骤(5)具体包括：

(5.1)在当前帧图像中，以前一帧的目标图像坐标(X_target，Y_target)为中心，设置一个正方形感兴趣区域ROI，边长为b，该ROI内的灰度值用灰度矩阵F表示；

(5.2)在ROI周围采集N个同等大小的区域ROI_i，ROI_i与ROI大小相等，且重合一部分，其灰度值用灰度矩阵F_i(i＝1,2,3...N)表示；

(5.3)设置一固定卷积模板矩阵T，其大小与ROI_i像素组成的矩阵大小相等，对于每一个ROI_i，分别计算卷积值Val_i：

取最大的Val_i对应的ROI_i的中心(X_i,Y_i)为当前帧的目标图像坐标。

7.根据权利要求1所述的动目标的精确测谱方法，其特征在于，所述步骤(1)具体包括：

将平行光管发出的光线经过图谱关联探测系统所成的像的中心(X_light,Y_light)与图像中心重合，并记录此时测谱单元测得的光谱数据为S_max；

然后上下左右微调平行光管的位置，每调节一次就记录测谱单元测得的光谱数据，记为S_cur，如果S_cur＞S_max，则更新S_max＝S_cur，并记录下此时的(X_light,Y_light)；

平行光管运动一圈后，产生最大光谱数据的(X_light,Y_light)就是所述标定中心(X_standard,Y_standard)，所述平行光管用于模拟无穷远处发来的光线，以确定所述标定中心。

8.根据权利要求1所述的动目标的精确测谱方法，其特征在于，所述步骤(2)具体包括：

(2.1)在大范围搜索捕获目标的过程中，一边控制伺服机构按照固定的步进扫描，一边记录下测谱单元在标定中心测得的谱；

(2.2)如果检测到目标，则记录下目标的初始图像坐标(X_target，Y_target)和所占像素的大小Area_target；

(2.3)如果没有检测到目标，则更新背景光谱，直至检测到目标。