CN109061621B - 一种新型机场跑道外来物光电检测方法和检测系统 - Google Patents

一种新型机场跑道外来物光电检测方法和检测系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种新型机场跑道外来物光电检测方法和检测系统，包括通过雷达获取外来物的位置信息，并将位置信息发送给中控台；中控台向主控单元发送位置信息，主控单元控制光学镜头组旋转，使光学镜头组的视轴转向外来物所在的区域；根据中控台发出的调焦指令，对光学镜头组进行焦距调节；通过光学镜头组拍摄外来物图像，在外来物图像上标记出外来物的范围；将标记后的图像发送到中控台进行存储和显示。本发明以视轴为中心画处外来物可能出现的区域，从而避免全视场遍历寻找，大大提高外来物检测效率；结合窄带滤光成像，较大提高的昼夜图像信噪比。

Description

一种新型机场跑道外来物光电检测方法和检测系统
技术领域
本发明涉及一种新型机场跑道外来物检测系统(FOD)光电检测技术。
背景技术
随着民航业的飞速发展，航空运输的不断扩容，机场作为航空运输的枢纽平台，民航的安全压力越来越大。2000年7月25日法国航空公司协和号飞机的空难悲剧，加速了各国研制FOD探测系统的步伐。机场跑道外来物检测系统由最初的本地模拟监控系统，到数字视频检测系统，并开始逐变为雷达+光电复合检测系统。目前机场跑道外来物检测系统研究方面，主要通过雷达、红外、可见光等技术，实现对目标的发现、定位、识别、记录和处理。典型的FOD目标有金属器件(螺钉、螺帽、垫圈、钉子和保险丝等)、机械工具、飞行物品(私人物品、钢笔、铅笔和纽扣等)、混凝土沥青碎块、橡胶碎片、塑料制品和动植物等。目前，国内机场跑道巡检主要依赖道面巡查人员每天四次步行检查完成，在道面巡查时将关闭跑道，这使得航班通行能力大大降低。随着实时视频监控和图像处理技术的日益成熟，结合现有元器件水平，亟需研究一种新型机场跑道外来物光电检测技术。
发明内容
本发明提供一种新型机场跑道外来物光电检测方法和检测系统，以解决现有技术存在的问题。
本发明采用以下技术方案：
一种新型机场跑道外来物光电检测方法，包括：
S1：通过雷达获取外来物的位置信息，并将位置信息发送给中控台；
S2：中控台向主控单元发送位置信息，主控单元控制光学镜头组旋转，使光学镜头组的视轴转向外来物所在的区域；
S3：根据中控台发出的调焦指令，对光学镜头组进行焦距调节；
S4：通过光学镜头组拍摄外来物图像，在外来物图像上标记出外来物的范围；
S5：将标记后的图像发送到中控台进行存储和显示。
所述S2～S4中，中控台同时向主控单元发送气象信息，主控单元根据内部存储的与气象信息相匹配的图像处理算法对光学镜头组拍摄的图像进行处理后，发送到中控台进行存储。
所述S4中，在外来物图像上标记出外来物的范围的方法为：
设定雷达指向外来物的均方根误差σ；ρ为图像的像素尺寸，f为光学镜头组的焦距，则像元的单位角分辨率为
Figure BDA0001649608020000021
图像中外来物与光学镜头组的视轴中心的角度偏差在x方向上的张角
Figure BDA0001649608020000022
在y方向上的张角
Figure BDA0001649608020000023
其中Qx和Qy分别为3σ在图像中x方向和y方向上映射的大小，L为物距，则目标的像素范围
Figure BDA0001649608020000024
在目标的中心视场外部画包含n个像素的外来物区域。
所述S4中，通过光敏传感器(9)对环境光强度进行检测，当环境光强度低于设定的阈值时，主控单元(8)向激光辅助光源(2)发送信号，打开激光辅助光源(2)对外来物进行补光。
所述S4中，光学镜头组(1)对外来物的拍摄时，通过窄带滤光成像技术进行处理后，再对外来物进行图像拍摄。
设定S4中标记出的外来物像素范围为M×N，则对该区域进行Brenner算法清晰度评价，评价函数为：
Figure BDA0001649608020000025
其中，f(x,y)为R、G、B图像层的位置(x,y)处的图像灰度值，0≤x≤M,0≤y≤N；选F最大值作为锐利度最优评价参数，则：
Figure BDA0001649608020000026
当选取F最大值所表示的最清晰图像后，采用小波变换进行图像复原。
所述雷达获取的外来物的位置信息包括外来物的方位角和高低角。
一种的新型机场跑道外来物光电检测方法的系统，
包括中控台和与中控台通信连接的至少一个光电球机，所述光电球机设置在机场跑道的外部；
所述光电球机包括：
中控单元；
对光电球机进行固定的云台；
转动设置在云台上的壳体，所述壳体上设置有后端具有摄像机的光学镜头组；
中控台向主控单元发送外来物的位置信息后，控制壳体在云台上旋转，将光学镜头组的视轴转向外来物所在的区域后，对外来物进行拍摄。
所述壳体上还安装有激光辅助光源和光敏传感器。
所述光电球机之间、光电球机与中控台之间通过SDI转光纤模块进行通信。
本发明的有益效果：本发明综合雷达指向误差，以视轴为中心画处外来物可能出现的区域，从而避免全视场遍历寻找，大大提高外来物检测效率；结合窄带滤光成像，较大提高的昼夜图像信噪比(SNR)；将气象信息融入到图像算法中，在不增加工程实现难度和成本的情况下大大提高了算法的环境适应能力。
附图说明
图1为本发明和雷达探测系统一起构成复合式FOD检测系统框图。
图2为本发明的物理组成及其信号流框图。
图3为本发明涉及的球机机械结构图。
图4为本发明的球机结构图二。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明和雷达探测系统一起构成“复合式”机场跑道FOD检测系统。由FOD雷达探测系统对目标区域进行探测，获得目标物的位置信息，并将目标物的位置信息发至FOD探测系统中控台，FOD探测系统综控台对信息进行处理后，将目指信息发送给FOD光电探测系统，光电系统伺服云台获得目指信息后，将安装在云台上的光电子系统视轴指向目标区域；通过改变焦距，在中等大气湍流强度下有效识别出最远距离500m处不大于2cm大小的物体，并具有夜视能力(可结合辅助照明)；通过人为对目标特征进行危险判定，告知清障车辆或相关地勤人员直接赶赴指定位置进行清除，系统具有24h工作的能力，可长期在野外工作，能够有效识别外来物性质，并向中控台提供目标方位/俯仰角等引导信息，也可用于对机场大范围监控。具有高速启停和自动巡航等功能，并能实时反馈方位、俯仰角度，焦距、聚焦数值。
如图2所示，本发明硬件平台主要包括光电球机和中控台，球机作为前端探测设备，完成对指定位置目标的图像采集，主控单元主要作为后台处理设备完成图像数据处理和与中控台进行数据交互，中控台为远端的处理中心，为常规设置。光电球机设置多个，布设在机场跑道的外部；光电球机包括云台1，云台1上具有电源接口和信号接口，云台1上设置通过电机带动旋转的壳体5，壳体5的一侧面上设置有光学镜头组1、激光辅助光源2、光敏传感器9，光学镜头组1和激光辅助光源2位于一条与地面垂直的线上，光学镜头组后部具有用于拍摄的摄像机4。通过光学镜头组1和摄像机4完成对100～500m内目标进行成像和探测，考虑系统对3000m跑道的组网需要，通过SDI转光纤模块7进行信号远距离传输，采用主控单元8完成球机的远程控制，通过光敏传感器9对环境光进行检测，实现相机曝光时间动态调节，较大提高系统的环境适应性。考虑夜间照度过低的情况，通过激光辅助光源2完成对目标的补光。
本发明提供的新型机场跑道外来物光电检测方法，包括：
S1：通过FOD系统的雷达获取外来物的位置信息，即目指信号，并将位置信息发送给中控台；雷达获取的外来物的位置信息包括外来物的方位角和高低角；
S2：中控台向光电球机的主控单元8发送位置信息，主控单元8通过电机控制壳体5旋转，使光学镜头组1的视轴转向外来物所在的目标区域；
S3：根据中控台发出的调焦指令，对光学镜头组1进行焦距调节；调焦方式采用变焦后自动聚焦方式，聚焦算法采用基于100×100pixel范围的“爬山法”遍历寻优；
S4：通过光学镜头组1拍摄外来物图像，在外来物图像上标记出外来物的范围；该步骤中，通过光敏传感器9对环境光强度进行检测，当环境光强度低于设定的阈值时，主控单元8向激光辅助光源2发送信号，打开激光辅助光源2对外来物进行补光。光学镜头组对外来物的拍摄时，当图像存在模糊时，通过窄带滤光成像技术进行处理后，再对外来物进行图像拍摄。窄带滤波片半高宽应小于10nm，中心波长808nm。
S5：将标记后的图像发送到中控台进行存储和显示。
本发明可根据机场当天的气象信息实现图像算法的动态智能切换，即能够将气象信息(晴天、阴雨天、雾霾天和雪天)融入到图像算法中，在不增加工程实现难度和成本的情况下大大提高了算法的环境适应能力。具体来说，上述的S2～S4中，中控台同时向主控单元8发送气象信息，主控单元8根据内部存储的与气象信息(晴、阴、雨和雾等)相匹配的图像处理算法对光学镜头组1拍摄的每帧图像进行处理后，发送到中控台进行存储。而不同气象下的图像处理算法为现有技术，本发明仅仅拿来使用。
在系统工作模式下，当收到中控台发出的开机指令或自检指令时，光电球机进行自检，并向中控台报告自检结果；当收到中控台发出的FOD目标指示(方位角和高低角)和气象信息之后，球机根据收到的目标指示信息自动控制探测单元以最大速度向目标位置运动，到位后根据气象信息自动调用最优的图像处理算法以每秒25帧的处理速度对每帧图像进行处理。处理后以给定的坐标为圆心，整个FOD雷达系统的误差为半径画个椭圆，为操作人员缩小观察范围；当收到中控台发出的云台控制指令时，系统自动按照收到的命令对云台进行控制；当收到中控台发出的调焦信号时，系统自动按照收到的命令对焦距进行控制；当收到中控台发出的抓图信号时，系统自动对当前帧进行抓图，抓图完成后自动保存到指定目录并将该图片发送给中控台；当检测到系统故障时，每200ms向系统发送故障信号；正常工作时，每200ms向系统发送当前的位置信息。
同时，本发明能够综合雷达指向均方根误差σ，以视轴为中心画出外来物可能出现的感兴趣ROI区域。
具体来说，FOD系统中控台根据目指信号，自动控制云台或者壳体调转，使得光电探测系统的光学镜头组1视轴指向外来物所在的目标区域，综合焦距f和转台、雷达等的误差信息，快速确定目标所在图像的大致位置范围。
ρ为像素尺寸，f为焦距，则像元的单位角分辨率为
Figure BDA0001649608020000051
图像中误差在x方向上的张角
Figure BDA0001649608020000052
在y方向上的张角
Figure BDA0001649608020000053
(其中Qx和Qy分别为3σ在图像中x和y方向上映射的大小，L为物距)，则目标的像素范围
Figure BDA0001649608020000054
Figure BDA0001649608020000061
可知焦距和目标大小成正比，焦距越大，则目标区域范围越大，焦距越小，则目标区域范围越小。同时结合不需计算的已知转台、雷达等的误差信息，可快速确定目标的大致位置范围。确定目标在图像中的大致位置范围后，围绕其中心视场附近画区域，Void DrawDomain(Mat img,int nPixel，k)，将目标区域画到图像img上，图像包含n个像素，冗余系数k＝1.2(该值为工程经验值)。
本发明针对中弱湍流和复杂场景影响，采用基于外来物ROI区域的Brenner算法进行图像聚焦和图像复原。
由于跑道两侧摄像机架设一般较低，在对远距离目标成像画面中，远景和近景、视轴中心和轴外视场可能会同时出现在画面上，如果直接采用基于全幅图像遍历的聚焦算法已无法满足实际对特定区域范围内外来物高精确定位辨识的需要。因此采用基于外来物ROI区域M×N进行Brenner算法清晰度评价，评价函数如下：
Figure BDA0001649608020000062
f(x,y)为在R、G、B图像层(x,y)处的图像灰度值，0≤x≤M,0≤y≤N；选取F最大值作为锐利度最优评价参数。
Figure BDA0001649608020000063
当选取最清晰图像后，采用小波变换进行空间频率局部化分析，通过伸缩平移运算对函数进行多尺度细化，最终达到高频处时间细分，低频处频率细分，能自动适应时频信号分析的要求，可克服窗口大小不随频率变化的缺点，从而完成对图像复原。
小波函数为
Figure BDA0001649608020000064
当对低频信号分析时，小波函数可放大s倍，当分析高频信号时，小波函数缩小为原来的1/s，为了覆盖时域轴，函数可在其上移动u距离。
而考虑实际大气湍流和环境噪声(太阳光、边灯和指示灯等)的影响，采用窄带滤光成像技术在拍摄后过滤出有用信号光，消光比5000:1，抑制掉大量背景光和干扰光，提高系统信噪比SNR；窄带滤波片半高宽小于10nm，中心波长808nm。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明整体构思前提下，还可以作出若干改变和改进，这些也应该视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种机场跑道外来物光电检测方法，其特征在于，包括：
S1：通过雷达获取外来物的位置信息，并将位置信息发送给中控台；
S2：中控台向主控单元(8)发送位置信息，主控单元(8)控制光学镜头组(1)旋转，使光学镜头组(1)的视轴转向外来物所在的区域；
S3：根据中控台发出的调焦指令，对光学镜头组(1)进行焦距调节；
S4：通过光学镜头组(1)拍摄外来物图像，在外来物图像上标记出外来物的范围；
S5：将标记后的图像发送到中控台进行存储和显示；
所述S4中，在外来物图像上标记出外来物的范围的方法为：
设定雷达指向外来物的均方根误差σ；ρ为图像的像素尺寸，f为光学镜头组(1)的焦距，则像元的单位角分辨率为
Figure FDA0003923604040000011
图像中外来物与光学镜头组(1)的视轴中心的角度偏差在x方向上的张角
Figure FDA0003923604040000012
在y方向上的张角
Figure FDA0003923604040000013
其中Qx和Qy分别为3σ在图像中x方向和y方向上映射的大小，L为物距，则目标的像素范围
Figure FDA0003923604040000014
在目标的中心视场外部画包含n个像素的外来物区域；
设定S4中标记出的外来物像素范围为M×N，则对该区域进行Brenner算法清晰度评价，评价函数为：
Figure FDA0003923604040000015
其中，f(x,y)为R、G、B图像层的位置(x,y)处的图像灰度值，0≤x≤M,0≤y≤N；选F最大值作为锐利度最优评价参数，则：
Figure FDA0003923604040000016
当选取F最大值所表示的最清晰图像后，采用小波变换进行图像复原。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：
所述S2～S4中，中控台同时向主控单元(8)发送气象信息，主控单元(8)根据内部存储的与气象信息相匹配的图像处理算法对光学镜头组(1)拍摄的图像进行处理后，发送到中控台进行存储。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：
所述S4中，通过光敏传感器(9)对环境光强度进行检测，当环境光强度低于设定的阈值时，主控单元(8)向激光辅助光源(2)发送信号，打开激光辅助光源(2)对外来物进行补光。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：
所述S4中，光学镜头组(1)对外来物的拍摄时，通过窄带滤光成像技术进行处理后，再对外来物进行图像拍摄。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：
所述雷达获取的外来物的位置信息包括外来物的方位角和高低角。
6.一种应用权利要求1～5任一项所述的机场跑道外来物光电检测方法的系统，其特征在于：
包括中控台和与中控台通信连接的至少一个光电球机，所述光电球机设置在机场跑道的外部；
所述光电球机包括：
主控单元(8)；
对光电球机进行固定的云台(3)；
转动设置在云台(3)上的壳体(5)，所述壳体(5)上设置有后端具有摄像机(4)的光学镜头组(1)；
中控台向主控单元(8)发送外来物的位置信息后，控制壳体(5)在云台(3)上旋转，将光学镜头组(1)的视轴转向外来物所在的区域后，对外来物进行拍摄。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于：
所述壳体(5)上还安装有激光辅助光源(2)和光敏传感器(9)。
8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于：
所述光电球机之间、光电球机与中控台之间通过SDI转光纤模块进行通信。
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