CN110503687B - 一种空中光电测量平台目标定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空中光电测量平台目标定位方法，通过在地平面上放置两个信标，两个信标的中心位置各放置一个GPS接收装置，定位出其在大地坐标系中的坐标，被测目标分布在两个信标的附近。首先通过空中光电平台采集地平面上信标和被测目标图像，利用两个合作信标解算光电平台相对于大地坐标系的转换关系；然后利用地平面为水平平面的假设，解算出被测目标在大地坐标系中的坐标。本发明所述方法不需要激光测距仪、惯性姿态测量系统，只需要在地平面上布置两个合作信标。本发明所述方法测量方式简单，测量精度相比传统方法提高一个数量级以上，同时具有较小的运算量，有利于硬件系统实现，减少了空中光电平台的体积和重量。

Description

一种空中光电测量平台目标定位方法

技术领域

本发明属于计算机视觉测量领域，具体涉及一种空中光电测量平台目标定位方法，用于航空光电测量。

背景技术

一般对飞行目标的落点位置进行跟踪和测量，都是基于地面的靶场光电测量经纬仪，该技术已相当成熟，测量精度也较高，然而它只适用于空中目标在特定飞行区域内的测量。但对一些沿着地平面低空飞行目标的落点位置测量，由于目标飞行试验区域范围很大，飞行高度低，同时又受地球曲率的影响，无法对飞行目标落点位置通过地面布站的方式进行测量，导致无法有效地对目标飞行轨迹和落点进行全程的跟踪测量。而空中光电测量平台则可以随着目标运动，不受地理条件限制，可以完成对地面低空飞行目标的全程跟踪测量。

现有的空中光电测量设备主要采用吊舱式及转塔式结构，由于空中测量是在动机座的状态下测量，测量精度与经纬仪等地面测量设备相比要低，如何提高空中光电测量设备的测量精度，是影响设备能否更广泛应用的关键。传统的空中光电测量平台对目标进行定位的原理是：①首先光电成像平台搜索到地平面飞行目标后，将目标锁定在视场中心，输出视轴相对航空姿态测量系统的方位角和俯仰角；②激光测距仪测量光电成像平台相对目标的距离信息；③GPS定位系统输出光电平台实时定位数据；④航空姿态测量系统输出空中光电成像平台姿态信息；⑤综合这些数据进行坐标转换，最后解算出目标大地坐标位置。

在实现本发明的过程中，发明人查阅相关文献，如文献“机载光电吊舱目标定位技术研究，导航定位学报，2013，1(4)，74-78”，以及文献“机载光电侦察设备目标自主定位技术研究，博士学位论文，2012，中国科学院研究生院”等，发明人发现现有技术至少存在以下问题：

传统空中光电测量设备需要激光测距、航空姿态测量系统支持，因此，在进行目标定位的过程中会引入测量误差，测量精度不高，测量误差一般达到十几米甚至几十米；另外，在进行坐标转换过程中需要对角度测量设备进行零位标定，会引入标定误差，同时长时间使用会造成零位漂移；最后，增加的测量元件造成光电测量设备体积大、功耗大，价格相对较贵以及较难维护的缺点。

本发明公开了一种空中光电测量平台目标定位方法。通过在地平面上放置两个信标，两个信标的中心位置各放置一个GPS接收装置，定位出其在大地坐标系中的坐标，被测目标分布在两个信标的附近。首先通过空中光电平台采集地平面上信标和被测目标图像，利用两个合作信标解算光电平台相对于大地坐标系的转换关系；然后利用地平面为水平平面的假设，解算出被测目标在大地坐标系中的坐标。本发明所述方法不需要激光测距仪、惯性姿态测量系统，只需要在地平面上布置两个合作信标。本发明所述方法测量方式简单，测量精度相比传统方法提高一个数量级以上，同时具有较小的运算量，有利于硬件系统实现，减少了空中光电平台的体积和重量。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种空中光电测量平台目标定位方法，具有很高的定位精度和简单的硬件实现设备。

为实现这样的目的，本发明的技术方案如下：

一种空中光电测量平台目标定位方法，通过在地平面上放置两个信标，两个信标的中心位置各放置一个GPS接收装置用以实时接收GPS信号，定位出其在大地坐标系下的坐标。被测目标分布在两个信标的附近，这样通过两个已知信标作为标尺，可以提高被测目标的定位精度。本发明的技术方案不需要载机的姿态测量数据、激光测距信息以及光电平台的角度测量数据，只需要载机以及两个信标的GPS位置实时定位数据，即可以完成地平面目标的定位，而且定位精度相对于传统方法提高了一个数量级以上。

本发明的一种空中光电测量平台目标定位方法，包含以下具体步骤：

步骤1、在被测目标落点附近的地平面上按照一定的布点要求放置两个信标，信标上安装GPS测量装置，可以实时通过无线传输的方式将其中心大地坐标值发送到空中光电测量设备上；

所述信标，用作合作目标源，光电测量设备对其成像获取每个信标中心在图像上的位置；

所述按照一定的布点要求放置两个信标，保证光电设备对其成像时，两个信标的在图像上的投影距离超过1/3视场，以提高测量精度；

步骤2、空中光电设备采集地平面信标和被测目标图像，保证两个信标和被测目标同时在视场中；

步骤3、对采集到的图像采用阈值T＝μ+kσ进行二值化，其中T是采用的阈值，μ是图像的均值，σ是图像的标准差，k是调节因子；

步骤4、提取全局图像中的所有灰度值大于阈值T的全部信标和目标，采用(1)式的质心提取法进行目标或信标点图像坐标的计算：

式中，x，y是像素的横、纵坐标，F(x,y)是(x,y)处的灰度值，m，n是目标窗口的大小，x₀，y₀是目标或信标点的中心坐标；

步骤5、利用小孔线性成像模型建立空间任意一点和成像平面点之间的映射关系，从数学变换的观点来看，成像过程是一个从三维空间到二维平面的一个投影变换，通常要引入五个坐标系，具体处理步骤为：

步骤51、计算像平面坐标系与图像坐标系之间的变换关系；

像平面坐标系与图像坐标系既相区别，也相联系。二者都用来对场景的投影图像进行描述，并且同名坐标轴对应平行，但所采用的单位、坐标原点不同。所述图像坐标系，其原点定于图像矩阵的左上角，其坐标单位为像素；而所述像平面坐标系，其原点为相机的光轴和相机靶面的交点，其坐标单位为毫米；

步骤52、计算像平面坐标系与相机坐标系之间的变换关系；

所述相机坐标系是指原点位于相机的光学中心，相机的光轴为z轴，x轴和y轴分别和图像坐标系的x轴和y轴方向相同；

步骤53、计算世界坐标系与相机坐标系之间的变换关系；

所述世界坐标系也称绝对坐标系，它是客观世界的绝对坐标，一般的三维场景都是用这个坐标系来表示的。该坐标系以其中一个信标为坐标原点，z轴指向正北方向，x轴由原点指向天顶方向，y与z和x组合起来构成的右手坐标系；

步骤54、计算图像坐标系与世界坐标系变换关系，综合步骤61-63可以完成图像坐标系和世界坐标之间的变换；

步骤55、计算世界坐标系与大地坐标系之间的变换关系；

所述大地坐标是指原点位于地球质心，z轴指向地球北极，x轴由原点指向格林尼治平子午面与赤道交点，y轴与z轴、x轴共同组成右手坐标系；

步骤6、根据两个信标在图像坐标系、大地坐标系中的坐标以及相机光学中心的大地坐标，计算相机坐标系和世界坐标系之间的旋转矩阵R以及平移向量T，其中，

所述旋转矩阵R描述了两个坐标系之间角度变换关系；

所述平移向量T描述了两个坐标系之间位移变换关系；

相机坐标系C和世界坐标系W之间的变换关系可以按照(2)式来描述，

C＝RW+T (2)

步骤7、根据图像坐标系以及世界坐标系之间的变换关系，利用地平面为水平平面假设，可以将被测目标在二维图像中的坐标反投影到三维世界坐标系中坐标；

步骤8、利用步骤5将被测目标在世界坐标系中坐标转换为大地坐标系中坐标。

本发明与现有技术相比的有益效果在于：

(1)本发明操作简单，只需在地平面上布置两个合作信标，然后利用空中光电平台采集包含合作信标的被测目标图像即可；

(2)本发明所需的合作信标少，传统的光电测量系统一般需要大于等于三个合作信标，而本发明方法只需要两个信标；

(3)本发明测量精度高，本发明方法相对于传统空中对地光电测量系统的测量精度高出一个数量级以上；

(4)本发明系统配置简单，本发明方法不需要激光测距仪、惯性姿态测量系统等昂贵的硬件设备，减少了空中光电平台的体积和重量，有利于大规模部署和应用。

附图说明

图1为本发明空中光电测量平台目标定位示意图；

图2为本发明相机几何投影模型。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明。本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于以下的实施例。

本发明一种空中光电测量平台目标定位方法，具体步骤如下：

步骤1、如图1所示，在被测目标落点附近的地平面上按照一定的布点要求放置两个信标，信标上安装GPS测量装置，可以实时通过无线传输的方式将其中心大地坐标发送到空中光电测量设备上。两个信标之间安放距离优选为200～300米之间，保证光电设备对其成像时，两个信标的在图像上的投影距离超过1/3视场，以提高测量精度；信标可以选择有源的LED灯或和地平面颜色对比度明显的装置；

步骤2、空中光电设备采集地平面信标和被测目标图像，保证两个信标和被测目标同时呈现在视场中；同时调整相机的焦距使得信标和被测目标尽量占满超过一半图像视场，提高测量精度；

步骤3、对采集到的图像采用阈值T＝μ+kσ进行二值化，其中T是采用的阈值，μ是图像的均值，σ是图像的标准差，k是调节因子，优选为3～5之间。由于信标和被测目标的灰度值要大于背景的灰度值，通过选择合适的阈值可以保证二值分割后的图像只含有信标和被测目标；

步骤4、提取全局图像中的所有灰度值大于阈值T的全部信标和目标，采用(1)式的质心提取法进行目标或信标点图像坐标的计算：

式中，x，y是像素的横、纵坐标；F(x,y)是(x,y)处的灰度值；m，n是目标或信标窗口的长和宽，根据目标或信标的大小优选为15～25之间；x₀，y₀是目标或信标点的中心坐标；

步骤5、利用小孔线性成像模型建立空间任意一点和成像平面点之间的映射关系。如图2所示，从数学变换的观点来看，成像过程是一个从三维空间到二维平面的一个投影变换，通常要引入五个坐标系，具体处理步骤为：

步骤51、计算像平面坐标系与图像坐标系之间的变换关系；

(u,v)表示以像素为单位的图像坐标系的坐标，(x,y)表示以毫米为单位的像平面坐标系的坐标。在像平面坐标系中，原点O_p定义在相机光轴与图像平面的交点，即主点，若O_p在图像坐标系中的坐标为(u₀,v₀)，每一个像素在x轴与y轴方向上的物理尺寸为d_x、d_y，则图像中任意一个像素在两个坐标系中有：

步骤52、计算像平面坐标系与相机坐标系之间的变换关系；

(x,y)表示空间点在像平面上投影坐标；(x_c,y_c,z_c)表示空间点在相机坐标系中的坐标，可以用齐次坐标表示二者之间的透视投影关系：

其中，f为相机镜头的焦距。

步骤53、计算世界坐标系与相机坐标系之间的变换关系；

世界坐标系到相机坐标系的变换关系可由旋转矩阵R和平移向量T表示为：

其中，R为3×3正交单位矩阵，T为三维平移向量；0^T＝(0,0,0)^T；M₁为4×4矩阵。

步骤54、计算图像坐标系与世界坐标系变换关系；

由公式(2)-(4)可以得到世界坐标系(x_w,y_w,z_w)与图像坐标系(u,v)的变换关系：

其中，矩阵M₂是相机的内参数，可以通过相机标定求出，矩阵M₁是世界坐标系与相机坐标系之间的变换矩阵。

步骤55、计算世界坐标系与大地坐标系之间的变换关系；

首先计算大地坐标系和大地直角坐标系的转换关系；其次计算大地直角坐标系和世界坐标系之间的转换关系，具体步骤如下：

(1)大地坐标系与大地直角坐标系的转换：

其中，

N是卯酉圈曲率半径；a是地球椭球长半径；e是地球椭球第一偏心率；(x_g,y_g,z_g)表示大地直角坐标；(B,L,H)表示大地坐标，分别表示该点的纬度、经度和大地高程。

(2)大地直角坐标系与世界坐标系的转换

设世界坐标系原点的大地坐标(B,L,H)表示为(λ_w,α_w,h_w)，具体转换步骤如下：I.首先沿Z_g轴平移O_gK(O_gK＝-Ne²sinλ_w)，平移矩阵如下：

II.逆时针绕移动后的Z_g轴旋转α_w，转换矩阵如下：

III.顺时针绕旋转后的Y_g轴旋转λ_w，转换矩阵如下：

最后，绕旋转后的X_g轴平移h_w，平移矩阵如下：

最终得到，大地直角坐标系与世界坐标系的转换过程为：

(x_w,y_w,z_w,1)^T＝Q₃Q₂Q₁Q₀(x_g,y_g,z_g,1)^T (7)

其中(x_w,y_w,z_w)表示目标在世界坐标系坐标，(x_g,y_g,z_g)表示目标在大地直角坐标系坐标。

步骤6、根据两个信标在图像坐标系、大地坐标系中的坐标以及相机光学中心的大地坐标，计算相机坐标系和世界坐标系之间的旋转矩阵R以及平移向量T，具体计算步骤为：

步骤61、如图2所示，通过空中光电平台中的GPS模块测量相机光学中心大地坐标；同时两个信标的大地坐标也实时无线传输到空中光电平台中，空中光电平台根据信标和相机光学中心位置计算每个信标到相机光学中心的距离r₁和r₂；

步骤62、通过两个信标在图像坐标系中坐标，根据步骤5计算其在相机坐标系中的坐标，两个信标在相机坐标系中的坐标为(r₁u₁,r₁v₁,r₁)^T、(r₂u₂,r₂v₂,r₂)^T，分别记为列矢量C₁、C₂；

步骤63、通过两个信标在大地坐标系中坐标，采用步骤5计算其在世界坐标系中的坐标(x_w1,y_w1,z_w1)^T、(x_w2,y_w2,z_w2)^T，分别记为列矢量W₁、W₂；同理，通过相机光学中心在大地坐标系中坐标，采用步骤5计算其在世界坐标系中的坐标(x_w0,y_w0,z_w0)^T，则平移向量T即为：

T＝-(x_w0,y_w0,z_w0)^T

步骤64、根据两个信标在相机坐标系以及世界坐标系中的坐标构建两个方程：

步骤65、将两个信标在相机坐标系和世界坐标系中分别做向量积运算，得：C₁×C₂、W₁×W₂，这两个向量积在两个坐标系中对应同一个点，因此，

C₁×C₂＝R(W₁×W₂)+T (9)

将(8)、(9)式写成矩阵的形式有，

[(C₁-T),(C₂-T),(C₁×C₂-T)]＝R[W₁,W₂,(W₁×W₂)] (10)

通过求解矩阵方程组(10)可以解算出旋转矩阵R，

R＝[(C₁-T),(C₂-T),(C₁×C₂-T)][W₁,W₂,(W₁×W₂)]^-1 (11)

步骤7、由公式(5)可以建立如下方程组：

其中，(u_m,v_m)^T为被测目标在图像上坐标，(x_m,y_m,z_m)^T为被测目标在世界坐标系中的坐标，M是大小为3×4的投影变换矩阵，可以将空间三维坐标投影到二维平面，m₁₂,…,m₃₄是投影变换矩阵元素。

公式(12)所组成的方程组是一个欠定方程组，要想解出目标在世界坐标系中的坐标，可以假定地平面是水平平面，即z_m＝0，这样可以求解目标在世界坐标系中的坐标(x_m,y_m,z_m)^T。

步骤8、利用步骤5将被测目标在世界坐标系中坐标转换为大地坐标系中坐标。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种空中光电测量平台目标定位方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1、在被测目标落点附近的地平面上按照一定的布点要求放置两个信标，信标上安装GPS测量装置，可以实时通过无线传输的方式将其中心大地坐标发送到空中光电测量设备上；所述信标，用作合作目标源，光电测量设备对其成像获取每个信标中心在图像上的位置；所述按照一定的布点要求放置两个信标，保证光电测量平台对其成像时，两个信标的在图像上的投影距离超过1/3视场；

步骤2、空中光电设备采集地平面信标和被测目标图像，保证两个信标和被测目标同时在视场中；

步骤3、对采集到的图像采用自适应图像分割方法进行二值化；

步骤4、提取全局图像中所有目标和信标点在图像中的质心坐标；

步骤5、利用小孔线性成像模型建立空间任意一点和成像平面点之间的映射关系，即完成像平面坐标系与世界坐标系之间的变换；所述像平面坐标系，其原点为相机的光轴和相机靶面的交点，其坐标单位为毫米；所述世界坐标系也称绝对坐标系，该坐标系以其中一个信标为坐标原点，z轴指向正北方向，x轴由原点指向天顶方向，y与z和x组合起来构成的右手坐标系；

步骤6、根据两个信标在图像坐标系、大地坐标系中的坐标以及相机光学中心的大地坐标，计算相机坐标系和世界坐标系之间的旋转矩阵R以及平移向量T，其中，

所述相机坐标系是指原点位于相机的光学中心，相机的光轴为z轴，x轴和y轴分别和图像坐标系的x轴和y轴方向相同；

所述旋转矩阵R描述了两个坐标系之间角度变换关系；

所述平移向量T描述了两个坐标系之间位移变换关系；

相机坐标系C和世界坐标系W之间的变换关系可以按照(2)式来描述，

C＝RW+T (2)

步骤7、根据图像坐标系以及世界坐标系之间的变换关系，利用地平面为水平平面假设，将被测目标在二维图像中的坐标反投影到三维世界坐标系中坐标；

步骤8、将被测目标在世界坐标系中坐标转换为大地坐标系中坐标。

2.根据权利要求1所述的一种空中光电测量平台目标定位方法，其特征在于，步骤6计算相机坐标系和世界坐标系之间的旋转矩阵R以及平移向量T，具体包括以下步骤：

步骤61、通过空中光电平台中的GPS模块测量相机光学中心大地坐标；同时两个信标的大地坐标实时无线传输到空中光电平台中，空中光电平台根据信标和相机光学中心位置计算每个信标到相机光学中心的距离r₁和r₂；

步骤62、通过两个信标在图像坐标系中坐标，计算其在相机坐标系中的坐标，两个信标在相机坐标系中的坐标为(r₁u₁,r₁v₁,r₁)^T、(r₂u₂,r₂v₂,r₂)^T，分别记为列矢量C₁、C₂；

步骤63、通过两个信标在大地坐标系中坐标，计算其在世界坐标系中的坐标(x_w1,y_w1,z_w1)^T、(x_w2,y_w2,z_w2)^T，分别记为列矢量W₁、W₂；同理，通过相机光学中心在大地坐标系中坐标，计算其在世界坐标系中的坐标(x_w0,y_w0,z_w0)^T，则平移向量T即为：

T＝-(x_w0,y_w0,z_w0)^T (3)

步骤64、根据两个信标在相机坐标系以及世界坐标系中的坐标构建两个方程：

步骤65、将两个信标在相机坐标系和世界坐标系中分别做向量积运算，得：C₁×C₂、W₁×W₂，这两个向量积在两个坐标系中对应同一个点，因此，

C₁×C₂＝R(W₁×W₂)+T (5)

将(4)、(5)式写成矩阵的形式有，

[(C₁-T),(C₂-T),(C₁×C₂-T)]＝R[W₁,W₂,(W₁×W₂)] (6)

通过求解矩阵方程组(6)可以解算出旋转矩阵R，

R＝[(C₁-T),(C₂-T),(C₁×C₂-T)][W₁,W₂,(W₁×W₂)]^-1 (7)。

3.根据权利要求1所述的一种空中光电测量平台目标定位方法，其特征在于，步骤7根据被测目标在图像中的坐标计算其在世界坐标系中坐标，具体包括以下步骤：

由公式(7)可以建立如下方程组：

其中，(u_m,v_m)^T为被测目标在图像上坐标，(x_m,y_m,z_m)^T为被测目标在世界坐标系中的坐标，M是大小为3×4的投影变换矩阵，可以将空间三维坐标投影到二维平面，m₁₂,…,m₃₄是投影变换矩阵元素；

公式(8)所组成的方程组是一个欠定方程组，要想解出目标在世界坐标系中的坐标，可以假定地平面是水平平面，即z_m＝0，这样可以求解目标在世界坐标系中的坐标(x_m,y_m,z_m)^T。

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