CN110455330B - 一种动目标多源探测的层次融合与提取地面验证系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于飞行器在轨有效载荷地面验证系统技术领域，具体涉及一种动目标多源探测的层次融合与提取地面验证系统。本发明可以模拟飞行器在不同的观测条件下的运动，从而验证搭载有各类探测设备等有效载荷的飞行器上观测地面目标的系统的可行性，系统模拟情况全面，实用性高。本发明可通过实验调试动目标多源探测的层次融合与提取系统，使其达到最佳状态，对其工作中可能产生的问题，也有能力在地面复现解决。本发明剔除了潜在的干扰，验证的可靠性高。

Description

一种动目标多源探测的层次融合与提取地面验证系统

技术领域

本发明属于飞行器在轨有效载荷地面验证系统技术领域，具体涉及一种动目标多源探测的层次融合与提取地面验证系统。

背景技术

在人类对地球探索不断深入和全面的背景下，人类对地观测的手段和方式也不断多样化，且呈现全天候、高可靠、高自主等特点。在此背景下，需要建立一种飞行器上观测地面目标的系统，即搭载有各类探测设备等有效载荷的飞行器系统。考虑到此类系统具有如下特点，其一，设备系统可靠性要求高，一旦运行很难进行二次调试；其二，系统需要考虑严酷的运行条件以及地表复杂的环境变化，地球大气运动变幻莫测，且变化情况繁多，位置不定，在此情况下，就要求系统具有高适应性；其三，系统耗费巨大人力物力，需在实施之前考虑可能的情况问题，加以解决。

基于以上特点，必须建立相应的地面验证系统，首先在系统运行前，验证系统可行性，尽可能多的模拟观测条件，调试系统适应能力；其次在系统运行中，一旦系统出现故障，可以在地面进行复现，并想办法应对解决故障；最后在任务完成后，地面系统仍可对系统改进、功能增强和升级等工作，提供有力支持。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可模拟飞行器在不同的观测条件下的运动，从而验证搭载有各类探测设备等有效载荷的飞行器上观测地面目标的系统可行性的一种动目标多源探测的层次融合与提取地面验证系统。

本发明的目的通过如下技术方案来实现：包括传感器感知模块和过程监视与结果展示模块；所述的传感器感知模块包括传感器动作装置和安装在传感器动作装置上的传感器模组，传感器模块整体布置在环境模块中；所述的传感器模组将测得的数据传输至数据处理和指令生成模块；所述的数据处理和指令生成模块对传感器模组测得的数据进行处理后，生成并传输指令至物理实现与仿真模块；所述的物理实现与仿真模块根据数据处理和指令生成模块的指令，对传感器动作装置的物理运动进行调整；所述的过程监视与结果展示模块读取并展示数据处理和指令生成模块以及物理实现与仿真模块中的数据。

本发明还可以包括：

所述的数据处理和指令生成模块模拟飞行器的轨迹运动状态和姿态运动状态，在收到数据处理和指令生成模块的指令后，对模拟的飞行器的位置以及姿态进行调整并折算成传感器动作装置的物理运动。

所述的环境模块整体外部设有隔离罩，在环境模块上方设有日光模拟光源。

所述的传感器动作装置包括导轨与转台；所述的传感器模组安装在转台上；所述的转台安装在导轨上。

所述的环境模块包括水槽，水槽内部设有造浪器和超声雾化器。

本发明的有益效果在于：

本发明剔除了潜在的干扰，验证的可靠性高。本发明可以模拟飞行器在不同的观测条件下的运动，从而验证搭载有各类探测设备等有效载荷的飞行器上观测地面目标的系统的可行性，系统模拟情况全面，实用性高。本发明可通过实验调试动目标多源探测的层次融合与提取系统，使其达到最佳状态，对其工作中可能产生的问题，也有能力在地面复现解决。

附图说明

图1是本发明实际布置示例图。

图2是本发明的传感器感知模块以及环境模块的布置示意图。

图3是本发明用于验证的原理图。

图4是本发明各模块之间组合示意图。

图5是本发明的数据传输示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

本发明的目的在于建立基于被验证系统的等比例实物仿真模型的一种动目标多源探测的层次融合与提取地面验证系统。首先要考虑实验平台所处环境对平台的干扰，根据动目标多源探测多层融合与提取系统特点，把可能产生的干扰屏蔽；其次建立等比例缩比实物结构，满足系统验证需要；最后考虑可能的地球大气运动和地表实况的影响，对动目标多源探测多层融合与提取系统进行调试。

本发明实际布置时需要对实验室整体布局进行设计，包括对实验室的改造，实验设备的布局，实验室外源干扰的屏蔽，实验环境的搭建。实验室大门1、实验人员通道2与整体实验装置的布局如附图1所示。

本发明主要是硬件与软件的有机结合，来实现半物理地面验证系统，包括传感器感知模块5、环境模块6、数据处理和指令生成模块11、物理实现与仿真模块9和过程监视与结果展示模块10。

1)实验室外源干扰的屏蔽

(1)对光影污染的考虑

首先考虑地表模拟中环境光影对图像采集中信息的影响，包括实验室荧光灯，实验室窗等。主要屏蔽方法采用遮光帘7遮挡，对环境模块6采用封闭式包裹处理，用隔离罩3将环境模块6、传感器感知模块5、横梁4及导轨均罩在其中。

(2)对红外干扰源的考虑

北方地区自然环境温度低，且四季变化明显，尤其是北方冬季室内采暖主要依靠暖气，所以在实验时要充分考虑暖器对红外信号的干扰。若实验环境中存在室内暖器，则需采用隔热罩8将室内暖器罩严，达到将暖器的红外信号屏蔽的效果。

2)实验室设备摆放及布局设计

环境模块模拟地表情况，如平原、海洋等地貌特征。在其上方架有稳定的横梁和导轨，传感器感知模块包括传感器动作装置和安装在传感器动作装置上的传感器模组。传感器动作装置为可在导轨上移动且自身可转动的转台，用来模仿飞行器的姿态机动。传感器模组用来模拟飞行器上搭载的观测地面目标的有效载荷。在实验室四周架设遮光布，在环境模块上方架设有日光模拟光源，用来模仿太阳光照角度变化。

当环境模块为模拟海洋表面时，采用水槽，为了模仿地球大气运动，在水槽中加入超声波雾化器工作，用于增加云雾效果。在水槽中加入造浪器，以模仿不同等级的海况。通常情况海水较深，光线照射如海洋之后，一部分被海水吸收，很难反射出来，所以在海面上空观察海水一般呈现深色。而在实验中，模拟海水的水槽较浅很难出现吸收光线的效果，所以加入色素调节水体颜色，以达到尽可能逼真的效果。

传感器感知模块是本系统中的首要部分。相当于系统的“眼睛”，是系统感知外界环境变化的最主要部分。传感器可以是单一种类，也可以是多种类组合。每种传感器的数量可以是单一，也可以是多个组合拼接。传感器的种类可以选择可见光传感器、高光谱传感器、红外传感器、紫外传感器、等被动式传感器，也可以选用合成孔径雷达、激光等主动式传感器。传感器的工作模式可以有多种，如，线阵传感器采用推扫模式采集数据信息或面阵传感器；又如，多传感器摆放合理角度组合拼接在一起，扩大传感器采集数据的范围，采集到有效范围更大的数据信息；再如，多种类传感器组合，利用不同传感器对不同种类性质的信号敏感程度不同，我们可以同时得到可见光波数据、热信号数据、主动式雷达的反射数据等，大大提高了单位时间内感知环境目标的维度。且以上功能的实现皆需本系统各模块之间有机配合，共同实现并验证。

数据处理和指令生成模块是本系统的核心部分。相当于系统的“大脑”，是整个系统实现预定功能的最核心部分。主要对传感器采集到的信息进行处理，涉及可见光传感器、红外传感器和高光谱传感器，将电信号转换为灰度表示的图像信号。主要由以下几部分组成：(1)多传感器采集到的数据，具有数据量巨大，数据种类多，数据维度多，数据信息冗余多，等特点。传感器感知模块采集到的“有效信息”往往“淹没”在大量数据中，此时需要对采集到的数据进行有效的数据处理，包括数据降噪、数据配准、数据融合、目标探测、目标感知、目标数据标定，指令生成等部分组成。下面将对以上各组成部分进行详细阐述说明。

数据降噪、数据配准、数据融合是此模块的基础。数据降噪采用各种行之有效的滤波，滤除噪声，如均值空域滤波、中值空域滤波、高斯频域滤波、卡尔曼滤波等。数据配准同样有多种方法可供选择，如基于形状上下文配准、基于自相似性配准等。数据融合通过不同的尺度可以分为：像素级融合、特征级融合和决策级融合，每种融合类型都有多种融合方法可供选择。其中像素级融合是对图像中的每个像素值进行考虑，能够充分反映传感器最真实数据的一类融合方法，通常也是最常用、最基础、最实用的一类融合方法，但需要对每个像素进行计算，当传感器采集像素量较大时会影响计算速度，此时可考虑换用特征级或决策级融合方法，但伪影和融合效果可能会受到相应影响。

目标探测、目标感知、目标数据标定、指令生成是整个系统能否完成预定任务要求的关键。目标探测，是根据任务要求系统可以自行标记出疑似目标的算法。目前可选用的方法有很多，基于模型匹配、基于神经网络、基于模糊识别等的目标探测算法都已经较为成熟，我们可以结合任务特点，进行合理的选用。目标感知，是在目标探测的基础上，设计一定的算法，对传感器采集到的有效数据进行时间维度上的持续的标记并能读取其在每帧图像数据上的位置、位移、方向、速度等信息。目标数据标定，要求系统具有较高的装配精度，在已知传感器中心轴线(光轴)、装配信息、飞行器与地心连线在地面上交点的经纬度，以及飞行器的姿态和轨迹信息等信息的基础上，通过对应算法可以相对准备的计算出目标在地球上的位置信息(经纬度)及运动参数。指令生成系统，是在以上的基础上，根据任务要求，在一定范围内，对飞行器下达的自动控制指令，包括对飞行器的姿态角度的调整、飞行器轨迹的调整等。

物理实现与仿真模块，对于指令生成系统的响应，主要体现在计算机仿真中，使用MATLAB，建立飞行器轨道动力学方程、轨道运动学方程、姿态动力学方程、姿态运动学方程，设置适当初始值与相关参数，与STK结合可以实时显示飞行器轨迹运动状态、飞行器姿态运动状态。并可将相关变化，折算成传感器感知模块的物理运动，达到仿真目的，并以此形成闭环控制系统。

过程监视与结果展示模块，是本发明地面验证系统的主要展示与监控部分。其中，包含对传感器运行情况的包含系统各模块重要参数，主要以MATLAB数据图表形式展示；系统实时运行结果，主要以实时图像展示；飞行器运行状态，主要以由仿真数据驱动的STK动图形式展示。

3)实验步骤：

本发明的目的是尽可能的还原有效载荷的工况，还原地物的形貌，在更多更广的情况下发现下视目标。

步骤一

首先需计算传感器安装位置和高度，根据真实飞行器运行高度，传感器下视宽度，传感器像素值等信息设定安装位置，并记录好数据，计算比例尺，方便后续验证使用。

步骤二

各模块初检，调试各传感器是否能够正常工作，实验室内的外源干扰是否已经排除，软件程序各个模块是否能够正常工作。将整个系统连接，达到正常使用状态，为下一步做好准备。

步骤三

对系统的测试，调整遵循以下顺序，逐一进行：

(1)基础环境下，水质清澈，水面平静，光线充足，视野中无遮挡，对系统进行测试。

(2)水体中加入色素，使水体变暗，其他条件不变，色素添加量逐渐增加，针对不同透明度的水体，对系统进行测试。

(3)海洋环境变化莫测，海况也人为的分出等级，即海浪的情况，在其他条件不变，使用造浪机，制造不同的浪级，对系统进行测试

(4)考虑到系统为全天候系统，地球的光照条件，随时间变化，有黑暗、晨昏、明天、黄昏，再到黑暗的周期性变化，所以在其他条件不变的情况下，对系统在不同照度的地表环境进行测试

(5)考虑地球大气运动，传感器图像中很容易受到大气云雾变化，其中还有烟尘影响等因素，所以实验中采用超声波雾化器，在成像区域中产生水雾，模仿云雾效果，制造不同的能见度对系统进行测试

(6)多条件耦合，综合多种条件分中等级和严酷级，对系统进行测试

步骤四

撰写实验报告，封装调试好的程序，对系统进行总结，并提出可能的改进方向。完成动目标多源探测多层融合与提取地面验证。

如附图5所示，整个地面验证系统以闭环控制形式迭代循环运行。单个运行周期，即传感器感知模块采集目标环境数据；数据处理和指令生成模块根据采集的数据，经处理判别后生成指令；物理实现与仿真模块执行控制指令，更新系统状态，并准备进入下一次迭代循环；过程监视与结果展示模块，将系统运行过程中的重要参数、系统实时运行结果、仿真中的飞行器运行状态等重要信息集中展示在投影屏上，方便实验人员及时调整与监控系统。

本发明的优点主要有：第一，系统验证可靠性高，潜在的干扰都被剔除。第二，系统模拟情况全面，系统可行性、实用性大大增强。第三，系统可在实验中调试，以达到最佳状态，对其工作中可能产生的问题，也有能力在地面复现解决。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种动目标多源探测的层次融合与提取地面验证系统，其特征在于：包括传感器感知模块和过程监视与结果展示模块；所述的传感器感知模块包括传感器动作装置和安装在传感器动作装置上的传感器模组，传感器模块整体布置在环境模块中；所述的传感器模组将测得的数据传输至数据处理和指令生成模块；所述的数据处理和指令生成模块对传感器模组测得的数据进行处理后，生成并传输指令至物理实现与仿真模块；所述的物理实现与仿真模块根据数据处理和指令生成模块的指令，对传感器动作装置的物理运动进行调整；所述的过程监视与结果展示模块读取并展示数据处理和指令生成模块以及物理实现与仿真模块中的数据；所述的数据处理和指令生成模块模拟飞行器的轨迹运动状态和姿态运动状态，在收到数据处理和指令生成模块的指令后，对模拟的飞行器的位置以及姿态进行调整并折算成传感器动作装置的物理运动；所述的环境模块整体外部设有隔离罩，在环境模块上方设有日光模拟光源；所述的传感器动作装置包括导轨与转台；所述的传感器模组安装在转台上；所述的转台安装在导轨上；所述的环境模块包括水槽，水槽内部设有造浪器和超声雾化器。

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