CN110045365B - 一种基于雷达信息的图像目标定位方法 - Google Patents

一种基于雷达信息的图像目标定位方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于雷达信息的图像目标定位方法，包括以下步骤：步骤一、获取目标在大地坐标系下的位置信息；步骤二、计算目标在图像传感器坐标系中的坐标值；步骤三、计算目标在图像坐标系中的坐标值；步骤四、计算目标在像素坐标系中的坐标值。本发明结构简单、设计合理，通过雷达传感器获取目标的位置信息，在处理图像信息时能有效地利用雷达信息和图像传感器的检测信息，将雷达获取的目标于大地坐标系中的位置信息转换至图像像素坐标系中，从而确定目标在图像中的像素点位置，可以提高对图像目标的定位精度，从而对图像目标识别跟踪提供帮助。

Description

一种基于雷达信息的图像目标定位方法
技术领域
本发明属于雷达定位技术领域，具体涉及一种基于雷达信息的图像目标定位方法。
背景技术
在实际目标定位和跟踪时，常用多传感器观测目标，因此在决策分析时需融合多传感器数据。多传感器数据融合可分为同类多传感器和异类多传感器。同类多传感器的数据形式相同，便于融合处理，相关方法和研究也较多，理论也较为成熟。
由于异类多传感器的数据形式各异，一般要对数据进行预处理，通过转换数据形式或提取相关特征，而后进一步融合数据。异类多传感器数据处理时存在一定的难度，多传感器信息融合也多是决策级融合。
雷达传感器的观测数据为目标位置及速度等信息，而图像传感器所获取的是目标角度及图像信息。雷达数据测距精度高，信息量大，在目标探测及跟踪方面发挥重要作用，但是目标识别能力差，而且由于是主动式传感器，很容易暴露携带自己的载体，而且易受电子干扰。图像传感器如红外传感器在目标检测方面远不如雷达灵敏和迅速，基本上不具有测距能力，但是抗干扰能力强、测角精度高、目标识别强，能提供目标的光谱和结构信息，很容易识别目标，同时能够提供目标准确的方位角和高低角信息。另外，图像传感器是一种被动传感器，具有很好的隐蔽性。
因此，将雷达和图像传感器有机融合，各取所长，可以彼此补充提高对目标的探测精度，一直是跟踪领域研究的一个热点，但是由于问题的复杂性和所需知识的广泛性，这一问题尚未得到很好的解决。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于雷达信息的图像目标定位方法，其结构简单、设计合理。通过雷达传感器获取目标的位置信息，将雷达获取的目标于大地坐标系中的位置信息转换至图像像素坐标系中，从而确定目标在图像中的像素点位置，可以提高对图像目标的定位精度，从而对图像目标识别跟踪提供帮助。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于雷达信息的图像目标定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、获取目标在大地坐标系下的位置信息：
步骤101：获取雷达传感器在大地坐标系下的位置信息(Rj,Rw,Rh)；
步骤102：雷达传感器波束扫描目标，获取雷达的回波数据
Figure GDA0004059455240000021
其中，d表示目标与雷达传感器之间的距离，θ表示目标相对于雷达传感器的方位角，
Figure GDA0004059455240000024
表示雷达波束俯仰角；
步骤103：根据雷达传感器在大地坐标系下的位置信息(Rj,Rw,Rh)和雷达传感器的回波数据
Figure GDA0004059455240000025
计算目标在大地坐标系下的位置信息(Tj,Tw,Th)，其中Tj表示目标经度，Tw表示目标纬度，Th表示目标海拔高度；
步骤二、计算目标在图像传感器坐标系中的坐标值：
步骤201：获取图像传感器在大地坐标系下的位置信息(Aj,Aw,Ah)；
步骤202：计算机根据图像传感器在大地坐标系下的位置信息(Aj,Aw,Ah)和目标在大地坐标系下的位置信息(Tj,Tw,Th)计算图像传感器与目标之间的距离l；
步骤203：获取在图像传感器坐标系中的目标坐标值：将图像传感器位置信息(Aj,Aw,Ah)作为图像传感器坐标系的坐标原点，正北方向为图像传感器坐标系的y轴正方向，正东方向为图像传感器坐标系的x轴正方向，计算机根据公式
Figure GDA0004059455240000023
计算目标在图像传感器坐标系中的坐标值(X,Y,Z)，其中，α表示目标在图像传感器坐标系中的方位角，α的取值方法如下：
Figure GDA0004059455240000031
其中
Figure GDA0004059455240000032
c表示目标与图像传感器之间的弧线在大地坐标系下对应的圆心角；
步骤204，将图像传感器坐标系的y轴正方向转换成拍摄方向，计算机根据公式
Figure GDA0004059455240000033
计算目标在以拍摄方向为y轴正方向的图像传感器坐标系中的坐标值(X',Y',Z')，其中R表示旋转矩阵，T表示偏移矩阵；
步骤三、计算目标在图像坐标系中的坐标值：计算机根据公式
Figure GDA0004059455240000034
计算目标在图像坐标系中的坐标值(x,z)，其中f表示图像传感器的焦距；
步骤四、计算目标在像素坐标系中的坐标值：计算机根据公式
Figure GDA0004059455240000035
计算目标在像素坐标系中的坐标值(u,v)从而在图像中对目标进行定位，其中dx表示图像在x方向上的单像素尺寸，dz表示图像在z方向上的单像素尺寸，μ0表示图像在x方向上的尺寸，ν0表示图像在z方向上的尺寸。
上述的一种基于雷达信息的图像目标定位方法，其特征在于：
Figure GDA0004059455240000036
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明的结构简单、设计合理，实现及使用操作方便。
2、本发明通过雷达传感器获取目标的位置信息，在处理图像信息时能有效地利用雷达信息和图像传感器的检测信息。
3、本发明通过相应的坐标系转换，将雷达获取的目标于大地坐标系中的位置信息转换至图像像素坐标系中，从而确定目标在图像中的像素点位置。
综上所述，本发明结构简单、设计合理，通过雷达传感器获取目标的位置信息，在处理图像信息时能有效地利用雷达信息和图像传感器的检测信息，将雷达获取的目标于大地坐标系中的位置信息转换至图像像素坐标系中，从而确定目标在图像中的像素点位置，可以提高对图像目标的定位精度，从而对图像目标识别跟踪提供帮助。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明的流程框图。
图2为大地坐标系下目标的位置示意图。
图3为图像传感器坐标系示意图。
图4为图像传感器坐标系转换为图像坐标系的示意图。
图5为本发明的电路原理框图。
具体实施方式
下面结合附图及本发明的实施例对本发明的方法作进一步详细的说明。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
如图1所示，本发明包括以下步骤：
步骤一、获取目标在大地坐标系下的位置信息：
步骤101：获取雷达传感器在大地坐标系下的位置信息(Rj,Rw,Rh)。大地坐标系中设北纬为正，南纬为负，东经为正，西经为负。
步骤102：雷达传感器波束扫描目标，获取目标的回波数据
Figure GDA0004059455240000051
其中，d表示目标与雷达传感器之间的距离，θ表示目标相对于雷达传感器的方位角，
Figure GDA0004059455240000052
表示目标相对于雷达传感器的俯仰角。
步骤103：根据雷达传感器在大地坐标系下的位置信息(Rj,Rw,Rh)和目标的回波数据
Figure GDA0004059455240000053
计算目标在大地坐标系下的位置信息(Tj,Tw,Th)，其中Tj表示目标经度，Tw表示目标纬度，Th表示目标海拔高度。
步骤二、计算目标在图像传感器坐标系中的坐标值：
步骤201：获取图像传感器在大地坐标系下的位置信息(Aj,Aw,Ah)；
步骤202：计算机根据图像传感器在大地坐标系下的位置信息(Aj,Aw,Ah)和目标在大地坐标系下的位置信息(Tj,Tw,Th)计算图像传感器与目标之间的距离l和目标与图像传感器之间的弧线在大地坐标系下对应的圆心角c。
实际使用时，如图5所示，雷达传感器和图像传感器均与计算机相接，计算机内设置有计算模块。
如图2所示，O点表示大地坐标系的原点，A点表示图像传感器的位置，T点表示目标的位置，弧AT表示目标与图像传感器之间的弧线，弧AT的长度表示为l，∠AOT表示目标与图像传感器之间的弧线在大地坐标系下对应的圆心角，即角c。
需要说明的是，由于海拔值远小于地球半径，所以为了便于推导和求解，在求解距离l时默认A点与T在同一球形的球面上，该球形的半径近似取地球半径R。
因此，综上可知，计算机根据球面余弦公式法可计算得到角c，
Figure GDA0004059455240000063
根据弧长公式可计算得到
Figure GDA0004059455240000061
步骤203：获取在图像传感器坐标系中的目标坐标值：将图像传感器位置信息(Aj,Aw,Ah)作为图像传感器坐标系的坐标原点，正北方向为图像传感器坐标系的y轴正方向，正东方向为图像传感器坐标系的x轴正方向，计算机根据公式
Figure GDA0004059455240000062
计算目标在图像传感器坐标系中的坐标值(X,Y,Z)，其中，α表示目标在图像传感器坐标系中的方位角。
通过以上过程可以得到目标在图像传感器坐标系中的坐标，如图3所示，图像传感器坐标系以正北、正东及垂直地面方向分别为3个坐标轴，以图像传感器位置信息(Aj,Aw,Ah)作为图像传感器坐标系的坐标原点。
实际计算时，为了确定α的值，根据目标在大地坐标系下的位置信息(Tj,Tw,Th)在图像传感器坐标系的x轴方向和y轴方向构成的四个象限上的坐标位置进行讨论，依据不同情况进行不同处理，具体如下：
Figure GDA0004059455240000071
其中
Figure GDA0004059455240000072
实际使用中，图像传感器坐标系以正北方向为图像传感器坐标系的y轴正方向，方位角α表示北偏东的角度。而图像坐标系是与拍摄方向垂直的平面，所以需要在步骤203的基础上将图像传感器坐标系的y轴正方向变化到拍摄方向上，才能进行后续的图像坐标系转换，因此将图像传感器坐标系转换成拍摄方向坐标系：
Figure GDA0004059455240000073
其中R表示旋转矩阵，T表示偏移矩阵，方便计算，并且有利于后续公式推导。
如图4所示，将图像传感器坐标系的y轴方向由正北方向变换为图像传感器拍摄方向，图中，y轴方向与图像传感器拍摄方向一致，图像传感器坐标系的xoz平面轴与图像传感器的坐标系平行。
步骤三、计算目标在图像坐标系中的坐标值：计算机根据公式
Figure GDA0004059455240000074
计算目标在图像坐标系中的坐标值(x,z)，其中f表示图像传感器的焦距。
实际使用时，为了对目标在图像中进行定位，需要得到目标于图像坐标系下的坐标，需要说明的是，图像坐标系为二维坐标系。如图4所示，Q点目标在图像传感器坐标系中的坐标，q点表示目标在图像坐标系中的坐标。
步骤四、计算目标在像素坐标系中的坐标值：计算机根据公式
Figure GDA0004059455240000075
计算目标在像素坐标系中的坐标值(u,v)，从而在图像中对目标进行定位，其中dx表示图像在x方向上的单像素尺寸，dz表示图像在z方向上的单像素尺寸，μ0表示图像在x方向上的尺寸，ν0表示图像在z方向上的尺寸。
需要说明的是，dx、dz、μ0和ν0的尺寸单位一致。获得目标在图像坐标系的位置坐标后，进一步计算目标在像素坐标系中的坐标值，从而确定目标在图像中的像素点位置，从而实现图像目标的定位。
将雷达信息和图像信息进行综合处理的解决方案，通过雷达传感器获取目标的位置信息，在处理图像信息时能有效地利用雷达信息和图像传感器的检测信息，将雷达获取的目标于大地坐标系中的位置信息转换至图像像素坐标系中，该方法可以提高对图像目标的定位精度，从而对图像目标识别跟踪提供帮助。
以上所述，仅是本发明的实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (2)

1.一种基于雷达信息的图像目标定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、获取目标在大地坐标系下的位置信息：
步骤101：获取雷达传感器在大地坐标系下的位置信息(Rj,Rw,Rh)；
步骤102：雷达传感器波束扫描目标，获取目标的回波数据
Figure FDA0004059455230000011
其中，d表示目标与雷达传感器之间的距离，θ表示目标相对于雷达传感器的方位角，
Figure FDA0004059455230000012
表示目标相对于雷达传感器的俯仰角；
步骤103：根据雷达传感器在大地坐标系下的位置信息(Rj,Rw,Rh)和目标的回波数据
Figure FDA0004059455230000013
计算目标在大地坐标系下的位置信息(Tj,Tw,Th)，其中Tj表示目标经度，Tw表示目标纬度，Th表示目标海拔高度；
步骤二、计算目标在图像传感器坐标系中的坐标值：
步骤201：获取图像传感器在大地坐标系下的位置信息(Aj,Aw,Ah)；
步骤202：计算机根据图像传感器在大地坐标系下的位置信息(Aj,Aw,Ah)和目标在大地坐标系下的位置信息(Tj,Tw,Th)计算图像传感器与目标之间的距离l；
步骤203：获取在图像传感器坐标系中的目标坐标值：将图像传感器位置信息(Aj,Aw,Ah)作为图像传感器坐标系的坐标原点，正北方向为图像传感器坐标系的y轴正方向，正东方向为图像传感器坐标系的x轴正方向，计算机根据公式
Figure FDA0004059455230000014
计算目标在图像传感器坐标系中的坐标值(X,Y,Z)，其中，α表示目标在图像传感器坐标系中的方位角，α的取值方法如下：
Figure FDA0004059455230000015
其中
Figure FDA0004059455230000016
c表示目标与图像传感器之间的弧线在大地坐标系下对应的圆心角；
步骤204，将图像传感器坐标系的y轴正方向转换成拍摄方向，计算机根据公式
Figure FDA0004059455230000021
计算目标在以拍摄方向为y轴正方向的图像传感器坐标系中的坐标值(X',Y',Z')，其中R表示旋转矩阵，T表示偏移矩阵；
步骤三、计算目标在图像坐标系中的坐标值：计算机根据公式
Figure FDA0004059455230000022
计算目标在图像坐标系中的坐标值(x,z)，其中f表示图像传感器的焦距；
步骤四、计算目标在像素坐标系中的坐标值：计算机根据公式
Figure FDA0004059455230000023
计算目标在像素坐标系中的坐标值(u,v)从而在图像中对目标进行定位，其中dx表示图像在x方向上的单像素尺寸，dz表示图像在z方向上的单像素尺寸，μ0表示图像在x方向上的尺寸，ν0表示图像在z方向上的尺寸。
2.按照权利要求1所述的一种基于雷达信息的图像目标定位方法，其特征在于：
Figure FDA0004059455230000024
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