CN114018108B - 一种基于直线矢量方向和像长匹配的单站姿态处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于直线矢量方向和像长匹配的单站姿态处理方法，属于常规靶场光学姿态测量领域，利用直线矢量方向及像长特征物像对应关系，建立单站轴对称回转体和非轴对称回转体目标普适性姿态处理方法。本发明提出了基于直线矢量方向、像长联合匹配的姿态处理方法，既利用了直线特征的灵活性和稳健性，又利用了方向和像长联合匹配的精度可控性，该方法可同时适用于轴对称和非轴对称回转体目标姿态处理，为单站姿态处理统一了处理途径，为靶场姿态测量提供了理论支撑。该方法可拓展至其他单站姿态测量相关领域。

Description

一种基于直线矢量方向和像长匹配的单站姿态处理方法
技术领域
本发明涉及常规兵器试验测试领域，特别是涉及靶场光学姿态测量领域。
背景技术
目前交会测量是靶场典型目标光学姿态测量的主要模式，但受气候、目标特性等因素影响，在摄像测量过程中极易出现离焦、运动模糊，甚至会因干扰、设备故障等原因造成目标丢失或无效的情况。另外一方面，交会布站在低高度区存在误差不可控区域。目前从测量精度可控方面考虑，靶场单站姿态测量尚没有确实可行的测量方法，要么模型简化导致精度不可控，要么基于多个特征角点进行测量，而目标动态飞行过程中多视角无遮挡，可通视的可提取同名角点非常少，因此基于多点测量的方法不能适用。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于直线矢量方向和像长匹配的单站姿态处理方法，利用直线矢量方向及像长特征物像对应关系，建立单站轴对称回转体和非轴对称回转体目标普适性姿态处理方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：
对于轴对称回转体类目标，首先确定目标中轴或与之平行的实物特征长度L；获取单站姿态求解时刻摄像测量关键参数，包括焦距f、光轴指向(A E)和测量物距u；
从图像上提取与实物严格一致的中轴或与中轴平行的直线矢量所成的像(y,z)；
获取求解时刻中轴或与中轴平行的直线矢量的物像理论对应关系，获取理论直线矢量(y′z′)；
获取求解时刻中轴或平行矢量与像面的像长理论对应关系，获取理论像长lm；
建立中轴或平行矢量理论与实际成像的对等关系
Figure BDA0003319836060000011
并优化求解；
对于非轴对称回转体类目标，首先在物方空间明确参与计算的直线矢量，在目标坐标系中确定归一化矢量坐标(ai bi ci)，以及确定一条以上参与像长计算的直线目标特征长度L；同时获取姿态求解时刻单站摄像测量关键参数，包括焦距f、光轴指向(AE)和测量物距u；
在像方空间提取物方空间参与计算的直线矢量对应的直线矢量特征(yri zri)，提取包含中轴在内的2条不相关直线矢量，或不包含中轴在内的3条不相关直线矢量；
建立物方直线特征与像方直线矢量特征的映射关系，得到物方映射至像方的直线矢量(ymi zmi)；
获取求解时刻中轴或平行矢量与像面的像长理论对应关系，建立匹配方程求解相关直线矢量涉及的偏航角ψ、俯仰角
Figure BDA0003319836060000021
滚转角γ。
对于轴对称回转体类目标，设目标偏航角为ψ和俯仰角
Figure BDA0003319836060000022
则物方中轴及平行直线矢量映射至像方的直线矢量为(y′z′)，/>
Figure BDA0003319836060000023
对于轴对称回转体类目标，理论像长
Figure BDA0003319836060000024
对非轴对称回转体类目标，
Figure BDA0003319836060000025
Figure BDA0003319836060000026
Figure BDA0003319836060000027
本发明的有益效果是：既利用了直线特征的灵活性和稳健性，又利用了方向和像长联合匹配的精度可控性，该方法可同时适用于轴对称和非轴对称回转体目标姿态处理，为单站姿态处理统一了处理途径，为靶场姿态测量提供了理论支撑。该方法可拓展至民用单站姿态测量相关领域。
附图说明
图1是本发明的方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。
本发明利用直线矢量方向及像长特征物像对应关系，建立单站轴对称回转体和非轴对称回转体目标普适性姿态处理方法，其中，获取轴对称回转体类目标单站姿态角(偏航角ψ和俯仰角
Figure BDA0003319836060000031
)包括下述步骤：
第一步：确定目标中轴或与之平行的实物特征长度L；获取单站姿态求解时刻摄像测量关键参数(包括焦距f，光轴指向A、E，测量物距u)；
第二步：从图像上提取与实物严格一致的中轴或与中轴平行的直线矢量所成的像(y,z)；
坐标系说明：所有涉及坐标系以常规姿态处理算法中涉及的坐标系为基准。其中目标坐标系以目标中轴为XT轴，头部为正；基准坐标系以北向为X轴；摄像机坐标系以光轴指向为XC轴，平行于像面向上为YC轴；像面坐标系y、Z轴分别平行于像机坐标系YC轴、ZC轴。
第三步：获取求解时刻中轴或平行矢量的物像理论对应关系，获取理论直线矢量(y′z′)；
设目标偏航角为ψ和俯仰角
Figure BDA0003319836060000032
分站光轴指向为(A E)，则物方中轴及平行直线矢量映射至像方的直线矢量为(y′z′)；/>
Figure BDA0003319836060000033
第四步：获取求解时刻中轴或平行矢量与像面的像长理论对应关系，获取理论像长lm；
Figure BDA0003319836060000034
第五步：建立中轴或平行矢量理论与实际成像的对等关系(矢量及像长)，并优化求解。
Figure BDA0003319836060000035
获取非轴对称回转体类目标单站姿态角(偏航角、俯仰角和滚转角)包括下述步骤：
第一步：在物方空间明确参与计算的直线矢量，在目标坐标系中确定归一化矢量坐标(ai bi ci)，以及确定一条以上参与像长计算的直线目标特征长度L；同时获取姿态求解时刻单站摄像测量关键参数(包括焦距f，光轴指向A、E，测量物距u)；
第二步：在像方空间提取第一步所确定的直线矢量对应的直线矢量特征(yrizri)，需提取2条(含中轴)不相关直线矢量，或3条(不含中轴)不相关直线矢量，其中需要参与像长计算的像严格与目标实物对应；
第三步：建立各分站物方直线特征与像方直线矢量特征的映射关系；
设目标单站姿态包括偏航角ψ、俯仰角
Figure BDA0003319836060000041
滚转角γ，分站光轴指向为(A E)，则物方中轴及平行直线矢量映射至像方的直线矢量为(ymi zmi)：
Figure BDA0003319836060000042
其中：
Figure BDA0003319836060000043
Figure BDA0003319836060000044
Figure BDA0003319836060000045
Figure BDA0003319836060000046
/>
Figure BDA0003319836060000047
第四步：按照轴对称回转体类目标所述的第四步建立像长对应关系；
第五步：按照轴对称回转体类目标所述的第五步建立矢量及像长对应关系，建立匹配方程求解相关直线矢量涉及的偏航角ψ、俯仰角
Figure BDA0003319836060000048
滚转角γ。
以飞机中轴为例进行说明，获取轴对称回转体类目标单站姿态角(偏航角ψ和俯仰角
Figure BDA0003319836060000051
)包括下述步骤：
第一步：确定目标中轴或与之平行的实物特征长度L(1.5m)；获取单站姿态求解时刻摄像测量关键参数(焦距f2964.4mm，光轴指向A239.71°、E30.973°，测量物距u2346.434603m)；
第二步：从图像上提取与实物严格一致的中轴或与中轴平行的直线矢量所成的像(y,z)为(56,157)；
第三步：获取求解时刻中轴或平行矢量的物像理论对应关系，获取理论直线矢量(y′z′)；
设目标偏航角为ψ和俯仰角
Figure BDA0003319836060000052
分站光轴指向为(A E)，则物方中轴及平行直线矢量映射至像方的直线矢量为(y′z′)
Figure BDA0003319836060000053
第四步：获取求解时刻中轴或平行矢量与像面的像长理论对应关系，获取理论像长lm；
Figure BDA0003319836060000054
第五步：建立中轴或平行矢量理论与实际成像的对等关系(矢量及像长)，并优化求解。
Figure BDA0003319836060000055
经计算，结果姿态角结果：偏航角ψ为3.7644°、俯仰角
Figure BDA0003319836060000056
为0.4901°。
获取飞机类非轴对称回转体类目标单站姿态角(偏航角、俯仰角和滚转角)包括下述步骤：
第一步：在物方空间明确参与计算的直线矢量(中轴矢量和尾翼矢量)，在目标坐标系中确定归一化矢量坐标分别为(1 0 0)T、(0 0 1)T，以及中轴矢量和尾翼矢量特征长度分别为1.5m、5.0m；同时获取姿态求解时刻单站摄像测量关键参数(焦距f，光轴指向A，E，测量物距u)与发明内容1中实施例相同；
第二步：在像方空间提取第一步所确定的直线矢量对应的直线矢量特征(yrizri)，分别为中轴矢量(56,157)、尾翼矢量(262，-326)，其中两条矢量均参与像长运算，故像严格与目标实物对应；
第三步：建立各分站物方直线特征与像方直线矢量特征的映射关系；
设目标偏航角ψ、俯仰角
Figure BDA0003319836060000061
滚转角γ，分站光轴指向为(A E)，则物方中轴及平行直线矢量映射至像方的直线矢量为(ymi zmi)：
Figure BDA0003319836060000062
其中：
Figure BDA0003319836060000063
Figure BDA0003319836060000064
Figure BDA0003319836060000065
Figure BDA0003319836060000066
Figure BDA0003319836060000067
第四步：建立像长对应关系；
第五步：建立矢量及像长对应关系，建立匹配方程求解相关直线矢量涉及的偏航角ψ、俯仰角
Figure BDA0003319836060000068
滚转角γ。
经计算，结果姿态角结果：偏航角ψ为1.0385°、俯仰角
Figure BDA0003319836060000069
为2.4778°、滚转角γ为-1.5267°。/>

Claims (4)

1.一种基于直线矢量方向和像长匹配的单站姿态处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
对于轴对称回转体类目标，首先确定目标中轴或与之平行的实物特征长度L；获取单站姿态求解时刻摄像测量关键参数，包括焦距f、光轴指向(A E)和测量物距u；
从图像上提取与实物严格一致的中轴或与中轴平行的直线矢量所成的像(y,z)；
获取求解时刻中轴或与中轴平行的直线矢量的物像理论对应关系，获取理论直线矢量(y′z′)；
获取求解时刻中轴或平行矢量与像面的像长理论对应关系，获取理论像长lm；
建立中轴或平行矢量理论与实际成像的对等关系
Figure FDA0003319836050000011
并优化求解；
对于非轴对称回转体类目标，首先在物方空间明确参与计算的直线矢量，在目标坐标系中确定归一化矢量坐标(ai bi ci)，以及确定一条以上参与像长计算的直线目标特征长度L；同时获取姿态求解时刻单站摄像测量关键参数，包括焦距f、光轴指向(AE)和测量物距u；
在像方空间提取物方空间参与计算的直线矢量对应的直线矢量特征(yri zri)，提取包含中轴在内的2条不相关直线矢量，或不包含中轴在内的3条不相关直线矢量；
建立物方直线特征与像方直线矢量特征的映射关系，得到物方映射至像方的直线矢量(ymi zmi)；
获取求解时刻中轴或平行矢量与像面的像长理论对应关系，建立匹配方程求解相关直线矢量涉及的偏航角ψ、俯仰角
Figure FDA0003319836050000015
滚转角γ。
2.根据权利要求1所述的基于直线矢量方向和像长匹配的单站姿态处理方法，其特征在于，对于轴对称回转体类目标，设目标偏航角为ψ和俯仰角
Figure FDA0003319836050000012
则物方中轴及平行直线矢量映射至像方的直线矢量为(y′z′)，/>
Figure FDA0003319836050000013
3.根据权利要求1所述的基于直线矢量方向和像长匹配的单站姿态处理方法，其特征在于，对于轴对称回转体类目标，理论像长
Figure FDA0003319836050000014
4.根据权利要求1所述的基于直线矢量方向和像长匹配的单站姿态处理方法，其特征在于，对于非轴对称回转体类目标，
Figure FDA0003319836050000021
Figure FDA0003319836050000022
Figure FDA0003319836050000023
/>
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