CN111208574A - 基于无人机的雪地目标搜索方法及装置 - Google Patents

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张光锋
史强
张琪
李珊
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Abstract

本发明公开一种基于无人机的雪地目标搜索方法及装置，能快速、有效的实现雪地目标搜索。方法包括如下步骤：(10)目标区域普查：无人机沿设定路线飞行，采集沿途毫米波辐射数据，并将沿途辐射数据中的生命体辐射数据及位置信息传输至地面控制模块；(20)目标区域成像：地面控制模块根据辐射数据及位置信息，初略判定区域状况，无人机在上方悬停，辐射计天线对该区域进行锥扫得到辐射图像，同时拍摄该区域的光学图像，并将辐射图像和光学图像传输至地面控制模块；(30)图像特征提取：地面控制模块对辐射图像进行处理，并与光学图像对比分析，确定生命体的位置。装置包括空中控制模块(21)和位于地面的地面控制模块(214)。

Description

基于无人机的雪地目标搜索方法及装置
技术领域
本发明属于雪地背景下生命体微波辐射特征技术领域，特别是一种基于无人机的雪地搜索方法及装置。
背景技术
雪地目标搜索是在雪地背景下比如东北老林，雪山等进行的目标尤其是生命体的搜索，对于发现埋藏在雪地下的目标尤其是生命体，及时采取进一步措施非常重要。
现有的数据传输方式有两种：有线传输和无线传输。有线传输在雪地背景下布线困难，且传输距离受到布置线路的影响，制约了有线传输在雪地背景下的应用；无线传输虽不受布线的制约，但随着传输距离的增加，无线信号衰减严重，数据传输存在一定的误差。现有的雪地目标搜索方法主要是采用可见光与热红外技术，对于白天晴朗天气，光学传感器因其高分辨率有着一定优势；对于黑夜和阴雨天气，可见光和红外传感器收到很大干扰，这时毫米波遥感仪器，如辐射计、散射计、高度计等，有着不可替代的地位。毫米波具有更短的波长、具有全天时全天候的性能，可获取恶劣天气、环境下可见光与红外探测器不能获取的特殊信息，所以在未来的发展中应该重视起微波数据的获取与应用。
针对现有技术不能在恶劣环境下搜索雪地目标的问题，提出一种基于无人机的雪地目标搜索方法及装置。利用生命体的目标特性分析、成像处理与特征提取技术实现雪地目标搜索。该项发明立足于无源微波(毫米波)辐射技术与理论，根据实际需要，利用无源毫米波成像系统获取典型生命体毫米波辐射测量数据和毫米波辐射图像，通过分析雪地背景下生命体无源毫米波辐射亮温特性，结合无源毫米波成像、图像处理和特征提取，综合判别目标区域的生命体位置。该发明加速无源毫米波辐射特性测量与成像技术等潜在应用，具有重要的社会现实意义和重大实用经济价值。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于无人机的雪地目标搜索方法，能够进行雪地背景下生命体目标识别，进行全天时、全天候的工作，且具有较高的精度。
本发明的另一目的在于提供一种基于无人机的雪地目标搜索装置，能快速、有效的实现雪地目标搜索。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种基于无人机的雪地救援方法，包括如下步骤：
(10)目标区域普查：无人机在目标区域上方沿设定路线飞行，采集沿途毫米波辐射数据，并将沿途辐射数据中的生命体辐射数据及位置信息传输至地面控制模块；
(20)目标区域成像：地面控制模块根据辐射数据及位置信息，初略判定区域状况，无人机在上方悬停，辐射计天线对该区域进行锥扫得到辐射图像，同时拍摄该区域的光学图像，并将辐射图像和光学图像传输至地面控制模块；
(30)图像特征提取：地面控制模块对辐射图像进行处理，并与光学图像对比分析，确定生命体的位置。
实现本发明另一目的的技术解决方案为：
一种基于无人机的雪地救援装置，包括空中控制模块21和位于地面的地面控制模块214，
所述空中控制模块21用于根据飞行指令，使无人机在区域上方沿设定路线飞行或悬停并采集沿途毫米波辐射数据，并将沿途辐射数据中的生命体辐射数据及位置信息传输至地面控制模块；对目标区域进行锥扫；得到该区域的辐射图像，同时拍摄光学图像，并将辐射图像和光学图像传输至地面控制台；地面控制模块根据辐射数据及位置信息，初略判定现场状况；
所述地面控制模块214根据辐射数据及位置信息，初略判定现场状况，无人机在目标区域悬停，辐射计天线对该区域进行锥扫；对辐射图像进行处理，并与光学图像对比分析，确定生命体的位置。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：
1、全天时、全天候工作；无源毫米波穿透能力强，本发明采用3mm辐射成像，不受天气和时段的影响，能全天时、全天候工作；
2、精度高；本发明采用全面普查与定点扫描相结合的方式，不但效率高，而且精度也高。用“遗传算法”对毫米波辐射图像进行处理，使图像更为精确。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明基于无人机的雪地救援方法的主流程图。
图2为本发明基于无人机的雪地救援装置的结构示意图。
图中，空中控制模块21，地面控制模块214。
无人机定位模块22，光学摄影模块23，副面旋转天线24，3mm辐射计25，数据采集器26、数据存储模块27和空中无线传输模块28
飞行控制模块29，图像处理模块210，成像显示模块211、数据处理模块212和地面无线传输模块213。
具体实施方式
图1所示，本发明基于无人机的雪地救援方法，包括如下步骤：
(10)检测区域普查：无人机在区域上方沿设定路线飞行，采集沿途毫米波辐射数据，并将沿途辐射数据中的生命体辐射数据及位置信息传输至地面控制模块；
(20)目标区域成像：地面控制模块根据辐射数据及位置信息，初略判定现场状况，无人机在目标区域悬停，辐射计天线对该区域进行锥扫得到辐射图像，同时拍摄该区域的光学图像，并将辐射图像和光学图像传输至地面控制模块；
(30)图像特征提取：地面控制模块对辐射图像进行处理，并与光学图像对比分析，确定生命体的位置。
优选地，所述(10)检测区域普查步骤中，沿途毫米波辐射数据采用3mm波段辐射计采集。
所述(10)检测区域普查步骤中，生命体的辐射数据是根据沿途辐射数据与先期建立的典型生命体的毫米波辐射特性数据相比较而得出的。
优选地，所述(30)图像特征提取步骤中，对毫米波辐射图像进行特征提取。用“遗传算法”对毫米波辐射图像进行处理，得到最佳阈值，进行图像二值化，然后对图像进行提取。遗传算法对于复杂的优化问题无需建模和复杂运算，只要利用遗传算法的三种算子就能得到最优解。遗传算法的核心是精英选择、精英交叉、定向变异，我们采用轮盘赌输的方法来对父代个体进行加快选优。
如图2所示，作为实现本发明方法的一种手段，本发明基于无人机的雪地救援装置，包括空中控制模块21和位于地面的地面控制模块214。
所述空中控制模块21用于根据飞行指令，使无人机在区域上方沿设定路线飞行并采集沿途毫米波辐射数据，并将沿途辐射数据中的生命体辐射数据及位置信息传输至地面控制模块；对目标区域进行锥扫；得到辐射图像，同时拍摄区域的光学图像，并将辐射图像和光学图像传输至地面控制台；
所述地面控制模块214根据辐射数据及位置信息，初略判定现场状况，无人机在目标区域悬停，辐射计天线对该区域进行锥扫；对辐射图像进行处理，并与光学图像对比分析，确定生命体的位置。
优选地，所述空中控制模块21包括无人机定位模块22、光学摄影模块23、副面旋转天线24、3mm辐射计25、数据采集器26、数据存储模块27和空中无线传输模块28，所述空中控制模块21分别与无人机定位模块22、光学摄影模块23、副面旋转天线24、3mm辐射计25、数据采集器26、数据存储模块27和空中无线传输模块28相连；
所述无人机定位模块22，用于获取生命体的位置信息；
所述光学摄影模块23，用于拍摄目标区域的光学图像；
所述副面旋转天线24，用于对目标区域进行锥扫；
所述3mm辐射计25以及数据采集器26，用于采集生命体的毫米波辐射数据和辐射图像；
所述数据存储模块27，用于存储沿途毫米波辐射数据、辐射图像及光学图像；
所述空中无线传输模块28，用于与地面控制模块214远程通信，传输数据和飞行指令；
优选地，所述毫米波辐射计为3mm波段辐射计。辐射计要求：其中3mm波段天线，波束宽度0.8°，天线口径300mm，圆极化，扫描范围180°×120°；采用W波段射频低噪放，频率范围90-100GHz，噪声系数8dB；；低频放大器采用直流模式放大低频信号；定标装置采用高低温源把电压信号化为温度信号；利用锥扫方式进行扫描成像，其中每圈扫描成像时间小于1秒钟。
优选地，所述地面控制模块214包括飞行控制模块29、图像处理模块210、成像显示模块211、数据处理模块212以及地面无线传输模块(213，所述数据处理模块212分别与图像处理模块210、成像显示模块211和地面无线传输模块213信号相连；
所述飞行控制模块29，用于根据设定路线，产生飞行指令；
所述图像处理模块(210以及数据处理模块212，用于根据辐射数据及位置信息，初略判定现场状况；对辐射图像进行处理，并与光学图像对比分析，确定生命体的位置；
所述成像显示模块211，用于显示目标区域地图、无人机飞行轨迹、辐射图像处理结果、光学图像、生命体的位置。
所述地面无线传输模块213，用于与空中控制模块21远程通信，接收数据和发出飞行指令。
本发明装置的操作过程如下：
首先:在无人机起飞前对辐射计进行高低温定标；
第二步:无人机起飞至目标区域上，飞行高度升至100m后，沿设定路线飞行并开始采集辐射数据；
第三步:将数据采集器采集到的辐射数据以及无人机飞行的位置信息通过无线方式传回地面控制模块；
第四步:地面控制模块根据接收到的位置，大致判断生命体的地点，控制无人机飞行至该地点，开始对该区域进行锥扫，得到辐射图像，同时拍摄光学图像；
第五步:将测得的辐射图像和拍摄得到的光学图像保存在存储系统内，同时通过无线方式传送至地面控制台；
第六步：无人机飞回地面控制台，将存储系统中的数据导出，断电结束工作；
最后:综合第二步和第四步的结果，可以判别出生命体的具体位置，实施救援。
针对目前雪地背景下毫米波辐射测量相关研究薄弱，现有救援装置操作复杂，反应不够迅速的问题，本发明提供了一种基于无人机的雪地救援方法及装置，主要创新点如下：
(1)雪地背景下相关物质辐射率的测量目前主要集中在光学、红外波段，微波尤其是无源毫米波辐射在遥感及近感探测领域的相关研究尚未达到实用化的程度。
(2)无源毫米波探测具有全天时全天候的工作性能，可获取恶劣天气、环境下可见光与红外探测器不能获取的特殊信息。
(3)该集成系统体积小，结构简单，能快速的获取雪地背景下生命体的毫米波辐射特征和辐射率数值，使测量测试更加准确、便捷。
微波尤其是无源毫米波成像在生命体微波辐射领域的具有广阔的应用前景，本发明应用无源毫米波辐射理论，根据实际需要，应用无源毫米波辐射特性准确获取雪地背景下生命体的辐射特性和参数。毫米波辐射具有全天时、全天候的特点，本发明的效果是采用无人机平台搭载毫米波辐射计的方法，能够对雪地背景下的生命体目标进行定位并将信息反馈给控制端，进而采取有效措施实现救援，可为将来的雪地救援方法提供科学依据和实验支撑。

Claims (7)

1.一种基于无人机的雪地目标搜索方法，其特征在于，包括如下步骤：
(10)目标区域普查：无人机在目标区域上方沿设定路线飞行，采集沿途毫米波辐射数据，获取生命体辐射数据及位置信息；
(20)目标区域成像：根据生命体辐射数据及位置信息，初略判定现场状况，无人机在目标区域悬停，对该区域进行辐射锥扫，得到辐射图像，同时拍摄该区域的光学图像；
(30)图像特征提取：对辐射图像进行处理，并与光学图像对比分析，确定生命体的具体位置。
2.根据权利要求1所述的雪地目标搜索方法，其特征在于：所述(10)区域普查步骤中，采用3mm波段辐射计采集沿途毫米波辐射数据。
3.根据权利要求1所述的雪地目标搜索方法，其特征在于：所述(10)区域普查步骤中，沿途辐射数据与典型生命体毫米波辐射特性数据相比较，获取生命体辐射数据。
4.一种基于无人机的雪地目标搜索装置，包括搭载于无人机上的空中控制模块(1)和位于地面的地面控制模块(2)，其特征在于：
所述空中控制模块(1)用于根据飞行指令，使无人机在区域上方沿设定路线飞行或悬停并采集沿途毫米波辐射数据，并将沿途辐射数据中的生命体辐射数据及位置信息传输至地面控制模块(2)；对目标区域进行锥扫；得到该区域的辐射图像，同时拍摄该区域的光学图像，并将辐射图像和光学图像传输至地面控制模块(2)。
所述地面控制模块(2)用于根据辐射数据及位置信息，初略判定区域现场状况，对辐射图像进行处理，并与光学图像对比分析，确定生命体的具体位置。
5.根据权利要求4所述的雪地目标搜索装置，其特征在于：
所述空中控制模块(1)包括无人机定位模块(11)、光学摄影模块(12)、副面旋转天线(13)、3mm辐射计(14)、数据采集器(15)，数据存储模块(16)、空中无线传输模块(17)和无人机载信息处理平台(18)；所述无人机载信息处理平台(18)分别与人机定位模块(11)、光学摄影模块(12)、副面旋转天线(13)、3mm辐射计(14)、数据采集器(15)，数据存储模块(16)、空中无线传输模块(17)信号相连；
所述无人机定位模块(11)，用于获取生命体的大概位置信息；
所述光学摄影模块(12)，用于拍摄目标区域的光学图像；
所述副面旋转天线(13)，用于对目标区域进行锥扫；
所述3mm辐射计(14)以及数据采集器(15)，用于采集毫米波辐射数据和辐射图像；
所述数据存储模块(16)，用于存储沿途毫米波辐射数据、辐射图像及光学图像；
所述空中无线传输模块(17)，用于与地面控制模块(2)远程通信，传输数据和飞行指令；
所述无人机载信息处理平台(18)，用于将控制台指令发送到无人机载各模块及各模块信息的接受整理。
6.根据权利要求5所述的雪地目标搜索装置，其特征在于：所述毫米波辐射计(14)为3mm波段辐射计。
7.根据权利要求5所述的雪地目标搜索装置，其特征在于：
所述地面控制模块(2)包括飞行控制模块(21)、图像处理模块(22)、成像显示模块(23)、数据处理模块(24)、地面无线传输模块(25)和控制平台(26)；
所述飞行控制模块(21)，用于根据设定路线，产生飞行指令；
所述图像处理模块(22)以及数据处理模块(23)，用于根据辐射数据及位置信息，初略判定现场状况；对辐射图像进行处理，并与光学图像对比分析，确定生命体的位置；
所述成像显示模块(24)，用于显示目标区域地图、无人机飞行轨迹、辐射图像处理结果、光学图像、生命体的位置；
所述地面无线传输模块(25)，用于与空中控制模块(1)远程通信，接收数据和发出飞行指令；
所述控制平台(26)负责控制台各模块之间的数据传输。
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