CN112902986B - 一种基于姿态反馈的光电跟踪设备角误差测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于姿态反馈的光电跟踪设备角误差测量装置，包括检测主机还包括检测端子，检测主机包括测控计算机和5G路由器，检测端子包括视频输出模块、姿态采集模块和5G设备终端；本发明还公开了一种基于姿态反馈的光电跟踪设备角误差测量方法。采用测控计算机进行全域空间背景的建模，进而生成半球形的全域动态场景，可设定目标运动参数，可根据需求在通过全域空间背景模型在测控计算机中构建全域空间背景的具体内容，采用图像延迟及变换处理技术模拟探测成像模块的特性，适用于多种具体型号探测成像模块的跟踪性能分析与评估。

Description

一种基于姿态反馈的光电跟踪设备角误差测量装置及方法

技术领域

本发明涉及光电对抗系统领域，更具体地，涉及一种基于姿态反馈的光电跟踪设备角误差测量装置，还涉及一种基于姿态反馈的光电跟踪设备角误差测量方法，可实现对光电跟踪设备的性能指标的测试与评估，消除传统方法中对实物飞行靶标及外场试验环境的依赖。

背景技术

光电跟踪设备运用红外、电视、激光以及视频跟踪技术探测及追踪目标，广泛应用于侦察预警、搜索跟踪、光电对抗等武器平台中。与传统雷达跟踪系统相比，具有抗电磁干扰能力强、跟踪精度高等特点，已经成为高炮、导弹、舰船等武器装备的“眼睛”，在现代战争中发挥重要作用。

光电跟踪设备的性能指标包括跟踪精度、最大跟踪速度、最大跟踪加速度、复杂背景中目标识别能力等。这些指标的优劣直接影响武器装备的打击精度，制约着作战效能的发挥；

典型的光电跟踪设备如图1的“被测系统”所示，由探测成像模块、连接座、显示器、信号处理及跟踪电路、伺服控制、方位执行、俯仰执行模块组成。其中伺服控制模块驱动方位、俯仰执行机构，控制连接座运动，探测成像安装于连接座上。探测成像模块的外部留有接口，通过电缆将图像信息传输至信号处理跟踪电路。

目前，国内外对于光电跟踪设备的性能测试方法主要有室内和室外两种，室外检测需要做大量外场飞行试验，受天气、温度等外界环境影响，既耗资又费时，而且还不能试验系统可能经历的所有场合。因此更多的是采用室内方法。室内为了模拟动态目标有两种方式，一种是在平行光管的焦面上放置目标板，经光管成像后形成无穷远目标。然后再通过塔架、回转臂、导轨等机构控制平行光管按预设好的轨迹运动。另一种是通过屏幕投影显示系统提供动态场景，采用激光器或投影仪在屏幕上产生动态目标光点或影像。

中国专利CN 104932541 A发明了一种光电跟踪仪方位跟踪精度的检测方法，在被测仪器的正前方放置无穷远目标发生器，通过控制转台、直线运动平台的运动模拟动态目标，可以突破天气环境和室外场地的限制，实现全天候检测，但目标方位运动范围十分有限，而且不能做高低运动，不能检测高低角精度。

中国专利CN 103090883 A发明了一种光电跟踪系统动态跟踪精度校准装置及方法，属室内方法。其通过固体固体激光器、扩束器等产生信光标照射到靶板，模拟多种运动方式的目标。被测光电跟踪系统对目标光斑进行跟踪，跟踪的信息也以光斑的形式投射在靶板上，通过高速采集系统对目标光斑与跟踪光斑进行采集，从而进行比对检测。这种方法摆脱了室外测试环境的限制，具有检测精度高，耗费少等优点，存在的不足在采用信标光在靶板上模拟目标，不能模拟复杂目标背景，也不能模拟目标的外形轮廓及特征，具有一定的局限性。另外，使用过程中，由于信标光分系统、高速图像采集系、被测光电跟踪系统都需要对准同一靶板，为了尽量减少图像畸变和检测误差，靶板与检测设备之间需间隔一定距离，对场地有一定的限制。中国专利CN 104034511 A采用二维靶标转台驱动激光光斑在漫反射屏上做轨迹运动，待测光电跟踪设备跟踪激光光斑。这种方法的优缺点与前述的第一种方法类似。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述问题，提供一种基于姿态反馈的光电跟踪设备角误差测量装置，还提供一种基于姿态反馈的光电跟踪设备角误差测量方法。

为了实现上述的目的，本发明采用以下技术措施：

一种基于姿态反馈的光电跟踪设备角误差测量装置，包括检测主机还包括检测端子，

检测主机包括测控计算机和5G路由器，检测端子包括视频输出模块、姿态采集模块和5G设备终端；

测控计算机，用于保存有全域空间背景模型和目标模型，设定目标运动参数；还用于根据全域空间背景模型及目标运动参数生成半球形的全域空间背景和目标在全域空间背景中的目标虚拟位置，半球形的全域空间背景和目标虚拟位置构成半球形的全域动态场景，半球形的全域动态场景的球心作为探测成像模块的成像虚拟位置点，探测成像模块安装于被测系统的连接座上；还用于根据接收到的三维角度数据和三维角速度数据，解算出实时姿态角度作为探测成像模块的实时姿态角度，实时姿态角度的解算误差小于光电跟踪设备角度跟踪误差标称值的1/3；还用于根据探测成像模块的实时姿态角度、探测成像模块的成像虚拟位置点、探测成像模块的视场角大小，在半球形的全域动态场景中实时提取可视图像，并将可视图像发送到5G路由器；

5G路由器，用于将可视图像发送到5G设备终端；还用于接收自5G设备终端传送的三维角度数据和三维角速度数据；

姿态采集模块，安装于被测系统的连接座上，用于测量三维角度数据和三维角速度数据，并传输到5G设备终端；

5G设备终端，用于将三维角度数据和三维角速度数据传送到5G路由器；还用于接收在5G路由器传送的可视图像；

视频输出模块，用于解析5G设备终端接收的可视图像并发送到被测系统。

如上所述的测控计算机还用于根据目标在全域空间背景中目标虚拟位置计算出目标相对于成像虚拟位置点的目标角度轨迹，对探测成像模块的实时姿态角度解算得到探测成像模块的实际跟踪角度轨迹，将实际跟踪角度轨迹与目标角度轨迹进行比对。

如上所述的可视图像经过延时校正、亮度调整、对比度调整、色彩调整。

一种基于姿态反馈的光电跟踪设备角误差测量方法，包括以下步骤：

步骤1、检测主机保存有全域空间背景模型和目标模型，设定目标运动参数，检测主机根据全域空间背景模型及目标运动参数生成半球形的全域空间背景和目标在全域空间背景中的目标虚拟位置，半球形的全域空间背景和目标虚拟位置构成半球形的全域动态场景，半球形的全域动态场景的球心作为探测成像模块的成像虚拟位置点，探测成像模块安装于被测系统的连接座上；

步骤2、固定在被测系统的连接座上的检测端子测量三维角度数据和三维角速度数据，检测端子将三维角度数据和三维角速度数据发送到检测主机；

步骤3、检测主机根据接收到的三维角度数据和三维角速度数据，解算出实时姿态角度作为探测成像模块的实时姿态角度；

步骤4、检测主机根据探测成像模块的实时姿态角度、探测成像模块的成像虚拟位置点、探测成像模块的视场角大小，在半球形的全域动态场景中实时提取可视图像；

步骤5、检测主机将可视图像发送到检测端子，检测端子将可视图像发送到被测系统。

一种基于姿态反馈的光电跟踪设备角误差测量方法，还包括以下步骤：

步骤6、检测主机根据目标在全域空间背景中目标虚拟位置计算出目标相对于成像虚拟位置点的目标角度轨迹，检测主机对探测成像模块的实时姿态角度解算得到探测成像模块的实际跟踪角度轨迹，将实际跟踪角度轨迹与目标角度轨迹进行比对。

上述步骤2中，检测端子将三维角度数据和三维角速度数据通过5G发送到检测主机；上述步骤5中，检测主机通过5G将可视图像发送到检测端子。

本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：

1、可在室内环境对光电跟踪设备开展性能分析与评估，摆脱了对实物飞行靶标及外场试验环境的限制；

2、采用测控计算机进行全域空间背景的建模，进而生成半球形的全域动态场景，设定目标运动参数，使得被测系统的飞行范围、轨迹、速度可调，满足光电跟踪设备跟踪角误差、最大跟踪速度、最大跟踪角速度、多目标跟踪能力等极限考核要求；

3、可根据需求在通过全域空间背景模型在测控计算机中构建全域空间背景的具体内容，仿真地面背景、海面背景、天空背景、复杂场景、简单背景，便于开展光电跟踪设备的多种性能分析，如复杂背景下的目标识别跟踪能力、在雨雾烟霾等气候条件下的识别跟踪能力等；

4、采用图像延迟及变换处理技术模拟探测成像模块的特性，适用于多种具体型号探测成像模块的跟踪性能分析与评估；

5、所有模型的建立及参数设定都是基于测控计算机软件实现，分析评估过程便于存储和重现，减少了实物装置试验时的系统误差和人为误差；

6、检测主机与检测端子之间采用5G局域无线传输方式，既能实现连接座的姿态信息采集和视频图像传输，又克服了连接座在方位转动时绕线难题；

7、相比其它测试方法，本方法硬件成本低，故障率低。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为检测主机生成可视图像的流程示意图。

图3为检测主机生成全域动态场景的时序图。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的内容仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

一种基于姿态反馈的光电跟踪设备角误差测量装置，包括检测主机和检测端子两大部分组成。其中，检测主机包括测控计算机和5G路由器；检测端子包括视频输出模块、姿态采集模块、5G设备终端。如图1所示。检测主机与检测端子之间采用5G局域无线传输方式，克服了被测系统作方位转动时的绕线问题。

所述的检测端子在使用时与被测系统的连接座稳固连接，稳固连接是指检测端子的自由度被完全限制，检测端子相对于连接座不能移动或转动。具体实施时可采用强力胶带捆绑方式或根据具体情况采用其它固定方式。随连接座作方位、俯仰运动。检测端子内部的姿态采集模块实时感知连接座的三维角度数据和三维角速度数据，经5G设备终端实时发送给检测主机。为缩减重量和体积，减小对被测系统的影响，检测端子外壳采用轻质铝材或硬质塑料材料，总重量不超过500g。检测端子内部的视频输出模块从5G设备终端中解析出场景视频，通过连线和接口输出至被测系统的信号处理跟踪电路模块，作为被测系统的输入信号。

所述的检测主机的测控计算机内保存半球形的全域背景模型，提供用户操作界面，根据用户设定的被测系统的位置点和实时反馈的连接座的三维角度数据和三维角速度数据，提取半球形的全域背景中的可视背景图像，生成场景视频，传输至5G路由器通过无线方式发送给5G设备终端，场景视频是由检测主机内的测控计算机模拟生成的，通过无线方式传输给检测端子内的5G设备终端，再输出给被测系统，作为被测系统的输入信号。其具体实现过程如下：

如图2所示，检测主机的测控计算机内保存有设计好的全域空间背景模型和目标模型。由用户设定目标运动参数，目标运动参数包括初始位置、飞行路线、飞行速度。设定起始时间和起点后，测控计算机可根据上述全域空间背景模型及目标运动参数计算出全域空间背景和目标在全域空间背景中目标虚拟位置，全域空间背景和目标在全域空间背景中目标虚拟位置构成半球形的全域动态场景。探测成像模块安装于被测系统的连接座上，探测成像模块的姿态角度与连接座保持一致。探测成像模块的成像虚拟位置点设定在半球形的全域动态场景的球心。当目标按设定目标运动参数运动时，测控计算机可根据目标在全域空间背景中目标虚拟位置计算出目标相对于成像虚拟位置点的目标角度轨迹。目标角度轨迹包含目标方位角轨迹和目标高低角轨迹。测控计算机根据5G路由器接收到的三维角度数据和三维角速度数据，解算出被测系统的连接座准确的实时姿态角度作为探测成像模块的实时姿态角度，姿态角度包括实时方位角β、实时高低角ε。实时姿态角度的解算误差小于光电跟踪设备角度跟踪误差标称值的1/3。测控计算机根据探测成像模块的实时姿态角度、探测成像模块的成像虚拟位置点、探测成像模块的视场角大小(探测成像模块是指被测光电跟踪设备的探测成像单元，如红外热像仪、电视摄像头)，在半球形的全域动态场景中实时提取可视图像。按照被测系统的探测成像模块的成像延迟特征设置可视图像的延时时长Δt，再对可视图像进行延时校正、亮度调整、对比度调整、色彩调整等变换处理，模拟在不同气候条件、不同距离、不同探测成像模块下的成像效果。最后，将得到的可视图像转化为视频格式的场景视频通过5G路由器模块进行无线发送给检测端子内的5G设备终端，再由检测端子内的视频输出模块输出场景视频给被测系统，作为被测系统的输入信号。检测主机的测控计算机通过对探测成像模块的实时姿态角度解算得到探测成像模块的实际跟踪角度轨迹，实际跟踪角度轨迹包含跟踪方位角轨迹和跟踪高低角轨迹。将实际跟踪角度轨迹与目标角度轨迹进行比对，可以开展对跟踪角误差的分析和评估。其工作时序如图3所示。

一种基于姿态反馈的光电跟踪设备角误差测量方法，包括以下步骤：

步骤1、检测主机保存有全域空间背景模型和目标模型，设定目标运动参数，检测主机根据全域空间背景模型及目标运动参数生成半球形的全域空间背景和目标在全域空间背景中的目标虚拟位置，半球形的全域空间背景和目标虚拟位置构成半球形的全域动态场景，半球形的全域动态场景的球心作为探测成像模块的成像虚拟位置点，探测成像模块安装于被测系统的连接座上；

步骤2、固定在被测系统的连接座上的检测端子测量三维角度数据和三维角速度数据，检测端子将三维角度数据和三维角速度数据发送到检测主机；

步骤3、检测主机根据接收到的三维角度数据和三维角速度数据，解算出实时姿态角度作为探测成像模块的实时姿态角度；

步骤4、检测主机根据探测成像模块的实时姿态角度、探测成像模块的成像虚拟位置点、探测成像模块的视场角大小，在半球形的全域动态场景中实时提取可视图像；

步骤5、检测主机将可视图像发送到检测端子，检测端子将可视图像发送到被测系统。

步骤6、检测主机根据目标在全域空间背景中目标虚拟位置计算出目标相对于成像虚拟位置点的目标角度轨迹，检测主机对探测成像模块的实时姿态角度解算得到探测成像模块的实际跟踪角度轨迹，将实际跟踪角度轨迹与目标角度轨迹进行比对。

上述目标运动参数包括初始位置、飞行路线、飞行速度。

上述可视图像经过延时校正、亮度调整、对比度调整、色彩调整。

上述步骤2中，检测端子将三维角度数据和三维角速度数据通过5G发送到检测主机；上述步骤5中，检测主机通过5G将可视图像发送到检测端子。

姿态采集模块包括陀螺仪和加速度计组成，陀螺仪以其自身的轴位置为参考，测量连接座在x、y、z轴方向的三维角速度数据。加速度计以其自身的角度位置为参考，测量连接座在x、y、z轴方向的三维角度数据。

姿态解算在测控计算机内实现。采用卡尔曼滤波算法及坐标转换算法。卡尔曼滤波算法的输入参数为加速度计输出的x，y，z轴的三维角度数据和陀螺仪输出的x，y，z轴的三维角速度数据，输出参数为经过滤波后的精确的x，y，z三维坐标下的角度数据，该三维坐标下的角度数据是以加速度计本身的安装位置为参考。通过坐标转换算法将上述三维坐标下的角度数据转换为以正北方向为方位零度的方位角和以水平面为零度的高低角数据(姿态角度)。

全域空间背景模型是保存于测控计算机硬盘上的预先建好的环境背景模型，通过三维建模实现，全域空间背景模型为半球形，覆盖0°～360°方位角、0°～90°高低角范围。可以根据具体需求编制背景，背景包括山体、树林、海洋、云层等。在全域空间背景模型中，以正北方向为方位零度，以水平方向为俯仰零度。

5G路由器工作频段是5150MHz～5825MHz，带宽为1300Mbps，应用于本发明有利于提高视频数据及姿态采集数据的传输速度，消除时延误差，满足实时处理要求。

5G设备终端为智能5G终端设备或组件，能与5G路由器建立无线连接，实现高速信息传输。

目标模型指采用计算机预先建模的被测系统的模型，被测系统包括某种具体型号的战斗机、直升机、无人机。

目标轨迹是指在计算机中预先编辑的目标移动的路线，可以是直线、曲线、圆圈、圆弧。

成像延迟是指探测成像模块，由于成像过程本身所决定的固有时间延迟。对于正常成像设备，此延迟时间为固定不变的值，一般为毫秒级。

变换处理是指对图像数据进行亮度调节、对比度调节、色彩调节等图像算法处理。为提高处理速度，此模块也可采用硬件描述语言使用FPGA器件实现。

视频格式参照被测系统的视频信号的格式，一般为PAL、CCIR格式。

跟踪参数是指跟踪角误差、最大跟踪速度、最大跟踪加速度、复杂背景中目标识别能力等性能参数。

本文中所描述的具体实施仅仅是本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (4)

1.一种基于姿态反馈的光电跟踪设备角误差测量装置，包括检测主机，其特征在于，还包括检测端子，

检测主机包括测控计算机和5G路由器，检测端子包括视频输出模块、姿态采集模块和5G设备终端；

测控计算机，用于保存有全域空间背景模型和目标模型，设定目标运动参数；还用于根据全域空间背景模型及目标运动参数生成半球形的全域空间背景和目标在全域空间背景中的目标虚拟位置，半球形的全域空间背景和目标虚拟位置构成半球形的全域动态场景，半球形的全域动态场景的球心作为探测成像模块的成像虚拟位置点，探测成像模块安装于被测系统的连接座上；还用于根据接收到的三维角度数据和三维角速度数据，解算出实时姿态角度作为探测成像模块的实时姿态角度；还用于根据探测成像模块的实时姿态角度、探测成像模块的成像虚拟位置点、探测成像模块的视场角大小，在半球形的全域动态场景中实时提取可视图像，并将可视图像发送到5G路由器；

5G路由器，用于将可视图像发送到5G设备终端；还用于接收自5G设备终端传送的三维角度数据和三维角速度数据；

姿态采集模块，安装于被测系统的连接座上，用于测量三维角度数据和三维角速度数据，并传输到5G设备终端；

5G设备终端，用于将三维角度数据和三维角速度数据传送到5G路由器；还用于接收在5G路由器传送的可视图像；

视频输出模块，用于解析5G设备终端接收的可视图像并发送到被测系统，

所述的测控计算机还用于根据目标在全域空间背景中目标虚拟位置计算出目标相对于成像虚拟位置点的目标角度轨迹，对探测成像模块的实时姿态角度解算得到探测成像模块的实际跟踪角度轨迹，将实际跟踪角度轨迹与目标角度轨迹进行比对和计算，得到跟踪角误差。

2.根据权利要求1所述的一种基于姿态反馈的光电跟踪设备角误差测量装置，其特征在于，所述的可视图像经过延时校正、亮度调整、对比度调整、色彩调整。

3.一种基于姿态反馈的光电跟踪设备角误差测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、检测主机保存有全域空间背景模型和目标模型，设定目标运动参数，检测主机根据全域空间背景模型及目标运动参数生成半球形的全域空间背景和目标在全域空间背景中的目标虚拟位置，半球形的全域空间背景和目标虚拟位置构成半球形的全域动态场景，半球形的全域动态场景的球心作为探测成像模块的成像虚拟位置点，探测成像模块安装于被测系统的连接座上；

步骤2、固定在被测系统的连接座上的检测端子测量三维角度数据和三维角速度数据，检测端子将三维角度数据和三维角速度数据发送到检测主机；

步骤3、检测主机根据接收到的三维角度数据和三维角速度数据，解算出实时姿态角度作为探测成像模块的实时姿态角度；

步骤4、检测主机根据探测成像模块的实时姿态角度、探测成像模块的成像虚拟位置点、探测成像模块的视场角大小，在半球形的全域动态场景中实时提取可视图像；

步骤5、检测主机将可视图像发送到检测端子，检测端子将可视图像发送到被测系统；

步骤6、检测主机根据目标在全域空间背景中目标虚拟位置计算出目标相对于成像虚拟位置点的目标角度轨迹，检测主机对探测成像模块的实时姿态角度解算得到探测成像模块的实际跟踪角度轨迹，将实际跟踪角度轨迹与目标角度轨迹进行比对和计算，得到跟踪角误差。

4.根据权利要求3所述的一种基于姿态反馈的光电跟踪设备角误差测量方法，其特征在于，上述步骤2中，检测端子将三维角度数据和三维角速度数据通过5G发送到检测主机；上述步骤5中，检测主机通过5G将可视图像发送到检测端子。

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