CN114459298A - 一种微型弹载主动式激光导引头及其导引方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种微型弹载主动式激光导引头及其导引方法，包括弹头形状的导引头外壳，在导引头外壳的头部安装有红外摄像头，红外摄像头与图像处理模块相连；图像处理模块位于导引头外壳的中心；导引头外壳上还对称安装有一组打击模块；图像处理模块与打击模块分别无线连接主控系统。本发明的一种微型弹载激光导引头结构简单、造价低，便于装配；在实际生产装配中通过卡扣和螺丝可以很好的与弹主体进行组装；利用激光指示器的指示，结合装订目标尺寸、弹与目标的距离有效提高识别精度、提高目标打击精准度。

Description

一种微型弹载主动式激光导引头及其导引方法
技术领域
本发明属于激光导引头技术领域，具体涉及一种微型弹载主动式激光导引头，还涉及该微型弹载主动式激光导引方法。
背景技术
激光导引头是一种利用目标漫反射的激光自动的进行目标搜寻和跟踪设备，同时输出目标相对弹体的视线角速率，传输到弹的主控系统中协助主控系统完成目标打击。
传统的激光导引头主要采用四象限PIN激光探测器，其探测精度低，各象限之间存在间隙，所以存在探测盲区。不适合探测小光斑、非均匀和非对称光斑。且其批量生产难，价格昂贵。
发明内容
本发明的目的是提供一种微型弹载主动式激光导引头，通过红外摄像头实现目标区域图像采集，然后通过图像处理单元完成目标跟踪，最后输出目标相对于弹体的视线角速率协助主控系统完成目标打击。
本发明的目的还在于提供一种微型弹载主动式激光导引方法。
本发明所采用的第一种技术方案是，一种微型弹载主动式激光导引头，包括弹头形状的导引头外壳，在导引头外壳的头部安装有红外摄像头，红外摄像头与图像处理模块相连；图像处理模块位于导引头外壳的中心；导引头外壳上还对称安装有一组打击模块；图像处理模块与打击模块分别连接到主控系统。
本发明的特点还在于，
进一步地，红外摄像头通过卡扣的方式固定在导引头外壳头部，红外摄像头通过红外滤光片配合长焦摄像头实现目标区域图像采集。
进一步地，图像处理模块通过卡扣固定在导引头外壳的中心。
进一步地，红外摄像头和图像处理模块通过数据传输线相连。
本发明所采用的第二种技术方案是，一种微型弹载主动式激光导引方法，具体操作步骤如下：
步骤1：在弹的发射车上安装有激光指示器，有利于进行目标检测和跟踪，当目标出现在弹视场内时主控系统发送工作信号给图像处理模块(3)，图像处理模块(3)接收到工作信号启动导引头中红外摄像头(2)，红外摄像头(2)采集当前视场图像发送到图像处理模块(3)；
步骤2：图像处理模块通过目标检测算法计算出目标质心位置，并解算目标相对弹体的视线角速率，最后将视线角速率发送给主控系统完成激光导引头制导；
步骤3：当弹接近目标时，主控系统发送打击信号控制打击模块(5)工作，完成目标打击功能。
本发明的特点还在于，
步骤2具体如下：
步骤2.1：图像处理模块首先对第一帧图像进行高斯滤波预处理完成图像去噪，然后对去噪后的图像进行基于灰度阈值的目标分割；
步骤2.2：对分割后的图像进行连通域分析，求得i个(i≥0)疑似目标区域，求取每个疑似目标区域的面积Si；
根据装订目标尺寸Sa、弹到目标的距离L和红外摄像头焦距f，根据公式(1)计算得到目标在图像中近似大小S；
Figure BDA0003521650010000021
根据公式(2)判断Si和S差值的绝对值是否小于设定阈值ε，如果小于设定阈值ε，则判定第i个疑似区域为真实目标区域，如果大于设定阈值ε则判定为假目标并舍去该目标区域；
|Si-S|<ε (2)
其中，阈值ε的取值范围是S的3-5％。
当所有疑似区域判断结束后，得到N个真实目标区域，根据公式(3)计算每个目标区域质心在整张图像中的位置(xj,yj)，j∈(1,N)；根据公式(4)计算最终目标区域的质心位置(x0,y0)；
Figure BDA0003521650010000031
Figure BDA0003521650010000032
其中，F(x,y)是目标区域内(x,y)处的灰度值，(xj,yj)为第j个目标区域的质心坐标；m，n分别代表目标区域内x,y的取值范围；
重复上述流程计算第二帧中最终目标区域质心坐标(x1,y1)；
根据公式(5)计算实现水平和垂直方向的视线角速率Ax和Ay；
Figure BDA0003521650010000033
其中，(x0,y0)和(x1,y1)为第一帧和第二帧图像解算出的目标质心坐标；W为采集图像水平方向像素个数，H为采集图像垂直方向像素个数，μ为像元大小，Ft为两帧图像之间的时间差；
重复上述流程计算实时的视线角速率，将实时计算的视线角速率Ax和Ay发送到主控系统完成基于激光导引的目标跟踪。
本发明的有益效果是，本发明的一种微型弹载主动式激光导引头及其导引方法的优点如下：
(1)一种微型弹载激光导引头结构简单、造价低，便于装配；在实际生产装配中通过卡扣和螺丝可以很好的与弹主体进行组装；
(2)基于激光导引的目标跟踪算法，利用激光指示器的指示，结合装订目标尺寸、弹与目标的距离有效提高识别精度提高目标打击精准度；
(3)基于激光导引的目标跟踪算法可以自动输出目标的视线角速率；
(4)本发明在探测范围内没有盲区，且探测精度较高。
附图说明
图1是本发明一种微型弹载主动式激光导引头的结构示意图；
图2是本发明一种微型弹载主动式激光导引头的工作原理图；
图3是本发明一种微型弹载主动式激光导引方法流程图。
图中，1.导引头外壳，2.红外摄像头，3.图像处理模块，4.数据传输线，5.打击模块，6.卡扣。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明的一种微型弹载主动式激光导引头，结构如图1所示，包括弹头形状的导引头外壳1，在所述导引头外壳1的头部安装有红外摄像头，所述红外摄像头2与图像处理模块3相连；所述图像处理模块3位于导引头外壳1的中心；所述导引头外壳1上还对称安装有一组打击模块5；所述图像处理模块3与打击模块5分别连接到主控系统。
红外摄像头2通过卡扣的方式固定在导引头外壳1头部。
图像处理模块3通过卡扣6固定在导引头外壳1的中心。
红外摄像头2和图像处理模块3通过数据传输线4相连。
本发明的一种微型弹载主动式激光导引方法，具体操作步骤如下：
步骤1：在弹的发射车上安装有激光指示器，有利于进行目标检测和跟踪，当目标出现在弹视场内时主控系统发送工作信号给图像处理模块3，图像处理模块3接收到工作信号启动导引头中红外摄像头2，红外摄像头2采集当前视场图像发送到图像处理模块3；
步骤2：图像处理模块通过目标检测算法计算出目标质心位置，并解算目标相对弹体的视线角速率，最后将视线角速率发送给主控系统完成激光导引头制导；
步骤3：当弹接近目标时，主控系统发送打击信号控制打击模块5工作，完成目标打击功能。
步骤2具体如下：
步骤2.1：图像处理模块首先对第一帧图像进行高斯滤波预处理完成图像去噪，然后对去噪后的图像进行基于灰度阈值的目标分割；
步骤2.2：对分割后的图像进行连通域分析，求得i个(i≥0)疑似目标区域，求取每个疑似目标区域的面积Si；
根据装订目标尺寸Sa、弹到目标的距离L和红外摄像头焦距f，根据公式(1)计算得到目标在图像中近似大小S；
Figure BDA0003521650010000051
装订目标尺寸Sa指的是就是目标的实际尺寸，是已知的，Sa是预先存储到图像处理器中的。
根据公式(2)判断Si和S的插值绝对值是否小于设定阈值ε，如果小于设定阈值ε，则判定第i个疑似区域为真实目标区域，如果大于设定阈值ε则判定为假目标并舍去该目标区域；
|Si-S|<ε (2)
其中，阈值ε的取值范围是S的3-5％。
当所有疑似区域判断结束后，得到N个真实目标区域，根据公式(3)计算每个目标区域质心在整张图像中的位置(xj,yj)，j∈(1,N)；根据公式(4)计算最终目标区域的质心位置(x0,y0)；
Figure BDA0003521650010000061
Figure BDA0003521650010000062
其中，F(x,y)是目标区域内(x,y)处的灰度值，(xj,yj)为第j个目标区域的质心坐标；m，n分别代表目标区域内x,y的取值范围；
重复上述流程计算第二帧中最终目标区域质心坐标(x1,y1)；
根据公式(5)计算实现水平和垂直方向的视线角速率Ax和Ay；
Figure BDA0003521650010000063
其中，(x0,y0)和(x1,y1)为分别第一帧和第二帧图像解算出的目标质心坐标；W为采集图像水平方向像素个数，H为采集图像垂直方向像素个数，μ为像元大小，Ft为第一帧和第二帧图像之间的时间差；
重复上述流程计算实时的视线角速率，将实时计算的视线角速率Ax和Ay发送到主控系统完成基于激光导引的目标跟踪。
实施例：
本发明的一种微型弹载主动式激光导引方法，装载目标尺寸400mm*400mm，弹载摄像头镜头焦距为12mm，分辨率为640*512，视场角为30°，帧率为30FPS。当弹距离目标150米，启动图像处理模块。此时目标在图像中大小S约为32个像素，首先需要对采集的第一帧图像进行Gaussian滤波完成图像预处理操作，滤波模板大小为3*3。对预处理后的图像进行基于灰度阈值的图像分割，阈值设定为250。图像分割后进行形态学处理，形态学处理使用3*3模板进行闭运算处理。对形态学处理后的图像进行连通域处理，计算得到5个疑似目标区域，其面积为S1-5{20,5,15,33,105}。根据公式(2)对目标进行筛选得到1个真实目标区域S4。根据公式(3)得到真实目标区域S4的质心坐标(127,402)，根据公式(4)计算最终确定的目标质心坐标(127,402)，重复上述步骤对第二帧图像进行处理得到目标质心坐标(131,401)。通过公式(5)计算得到目标水平和垂直方向的视线角速率5.625°/s和1.406°/s，将视线角速率发送到主控系统完成基于激光指示的目标跟踪算法。

Claims (6)

1.一种微型弹载主动式激光导引头，其特征在于，包括弹头形状的导引头外壳(1)，在所述导引头外壳(1)的头部安装有红外摄像头，所述红外摄像头(2)与图像处理模块(3)相连；所述图像处理模块(3)位于导引头外壳(1)的中心；所述导引头外壳(1)上还对称安装有一组打击模块(5)；所述图像处理模块(3)与打击模块(5)分别连接到主控系统。
2.根据权利要求1所述的一种微型弹载主动式激光导引头，其特征在于，所述红外摄像头(2)通过卡扣的方式固定在导引头外壳(1)头部。
3.根据权利要求1所述的一种微型弹载主动式激光导引头，其特征在于，图像处理模块(3)通过卡扣(6)固定在导引头外壳(1)的中心。
4.根据权利要求1所述的一种微型弹载主动式激光导引头，其特征在于，所述红外摄像头(2)和图像处理模块(3)通过数据传输线(4)相连。
5.一种微型弹载主动式激光导引方法，其特征在于，具体操作步骤如下：
步骤1：在弹的发射车上安装有激光指示器，当目标出现在弹视场内时主控系统发送工作信号给图像处理模块，图像处理模块接收到工作信号启动导引头中红外摄像头，红外摄像头采集当前视场图像发送到图像处理模块；
步骤2：图像处理模块通过目标检测算法计算出目标质心位置，并解算目标相对弹体的视线角速率，最后将视线角速率发送给主控系统完成激光导引头制导；
步骤3：当弹接近目标时，主控系统发送打击信号控制打击模块(5)工作，完成目标打击功能。
6.根据权利要求5所述的一种微型弹载主动式激光导引方法，其特征在于，步骤2具体如下：
步骤2.1：图像处理模块首先对第一帧图像进行高斯滤波预处理完成图像去噪，然后对去噪后的图像进行基于灰度阈值的目标分割；
步骤2.2：对分割后的图像进行连通域分析，求得i个(i≥0)疑似目标区域，求取每个疑似目标区域的面积Si；
根据装订目标尺寸Sa、弹到目标的距离L和红外摄像头焦距f，根据公式(1)计算得到目标在图像中近似大小S；
Figure FDA0003521649000000021
根据公式(2)判断Si和S的插值绝对值是否小于设定阈值ε，如果小于设定阈值ε，则判定第i个疑似区域为真实目标区域，如果大于设定阈值ε则判定为假目标并舍去该目标区域；
|Si-S|<ε (2)
其中，阈值ε的取值范围是S的3-5％。
当所有疑似区域判断结束后，得到N个真实目标区域，根据公式(3)计算每个目标区域质心在整张图像中的位置(xj,yj)，j∈(1,N)；根据公式(4)计算最终目标区域的质心位置(x0,y0)；
Figure FDA0003521649000000022
Figure FDA0003521649000000023
其中，F(x,y)是目标区域内(x,y)处的灰度值，(xj,yj)为第j个目标区域的质心坐标；m，n分别代表目标区域内x,y的取值范围；
重复上述步骤计算第二帧中最终目标区域质心坐标(x1,y1)；
根据公式(5)计算实现水平和垂直方向的视线角速率Ax和Ay；
Figure FDA0003521649000000031
其中，(x0,y0)和(x1,y1)为第一帧和第二帧图像解算出的目标质心坐标；W为采集图像水平方向像素个数，H为采集图像垂直方向像素个数，μ为像元大小，Ft为两帧图像之间的时间差；
重复上述步骤计算实时的视线角速率，将实时计算的视线角速率Ax和Ay发送到主控系统完成基于激光导引的目标跟踪。
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