CN114608450A - 机载光电系统对远距离海面目标三维尺寸测算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机载光电系统对远距离海面目标三维尺寸测算方法，通过在远距离目标的二维图像上标注长、宽、高特征线，并结合载机位置及姿态信息，光电系统姿态信息、焦距及像元尺寸等数据，求得长、宽特征线在海平面上的真实长度和高度特征线垂直于海平面的真实长度。本发明使用被动测距方法求得图像上任意像素点对应的真实位置与光电系统的斜距值，进而求得图像上任意两像素点对应真实位置之间的距离值，该方法不受光电系统激光测距设备的性能限制，可对远距离探测范围内的海面目标进行高精度尺寸测算。同时该方法可用于图像比例尺实时解算，并叠加在光电系统输出的视频画面上，更及时、更直观的将目标信息呈现给用户。

Description

机载光电系统对远距离海面目标三维尺寸测算方法

技术领域

本发明属于机载光电系统目标信息感知技术领域，涉及一种机载光电系统对远距离海面目标三维尺寸测算方法。

背景技术

舰船是实施海洋行动的主要载体。因此，如果能够快速、精准利用机载光电系统识别海洋中的舰船，提取舰船目标属性，就能准确分析目标威胁程度，提升近海防御体系的目标信息感知能力并为其提供决策依据，对于我国实现海洋强国的国家战略起到关键作用。海面目标三维尺寸测算技术作为目标信息感知能力的重要的一部分，在机载光电系统对海目标探测任务中的应用需求越来越强烈。

为了满足机载光电系统这一能力需求，实现海面目标三维尺寸的快速、精确测算，通过在探测器输出的目标原始二维图像上标注长、宽、高特征线，并结合载机位置及姿态信息，光电系统姿态信息、焦距及像元尺寸等数据，求得长、宽特征线在海平面上的真实长度和高度特征线垂直于海平面的真实长度。

发明内容

(一)发明目的

本发明的目的是：为了解决机载光电系统对海面目标尺寸测算问题，提出一种基于图像特征线真实长度解算的目标尺寸测算方法，实现在远距离情况下快速、准确地测算海面目标长、宽、高。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种机载光电系统对远距离海面目标三维尺寸测算方法，通过采集的目标原始图像进行长、宽、高特征线标注，结合载机位置及姿态信息，光电系统姿态信息、焦距及像元尺寸等数据，求得长、宽特征线在海平面上的真实长度和高度特征线垂直于海平面的真实长度；具体包括如下步骤：

(1)获取包含完整目标的探测器成像图片及成像同一时刻的载机位置、姿态信息，光电系统姿态信息等。

(2)在目标图片中标注长、宽、高特征线，得到各特征线两线端的像素坐标。

(3)由像素坐标计算特征线端在像面上投影的像元坐标、特征线在像面上的投影长度、线端投影分别与焦点连线的长度及夹角。

(4)已知像面像元尺寸(水平像元个数和垂直像元个数)求特征线端的像面投影相对于像面中心的水平和垂直方向视场角偏差。

(5)通过坐标系旋转推导特征线端投影点在像面上的坐标转换到瞄准线坐标系下的坐标。将其带入到基于椭球模型的被动定位计算公式中，可求得特征线端表征真实位置坐标，从而计算其与光电系统焦点的斜距值。

(6)由焦点到特征线端真实斜距以及斜距线夹角，应用三角形余弦定理，即可求得特征线真实距离。以此可求出目标长、宽尺寸。

(7)利用目标高度特征线实际应垂直于海面这一特性，可先求特征线在海面的映射长度，再根据三角形正弦定理及余弦定理求得高度尺寸。

(三)有益效果

上述技术方案所提供的机载光电系统对远距离海面目标三维尺寸测算方法，使用已有的无源测距算法计算屏幕相关像素点的真实斜距，该方法不受激光测距能力范围的限制，可以实现远距离目标的三围尺寸测算；能够以十字线作为标尺，实时解算十字线长表征的海面实际距离，叠加在光电系统输出的视频画面上，更直观快速地为操作手展示目标信息；配合下传链路将图片下传，手动标注特征线后即可解算出图片内任意目标的三维特征线长度。

附图说明

图1手动标注三维特征线示意图。

图2像面参量计算示意图。

图3特征线端视场角偏差求解示意图。

图4余弦定理求解特征线真实长度示意图。

图5高度特征线真实长度求解示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

本实施例机载光电系统对远距离海面目标三维尺寸测算方法包括如下步骤：

步骤1：获取包含完整目标的探测器成像图片及成像同一时刻的载机位置、姿态信息，光电系统姿态信息等。

获取的探测器成像图片必须包含完整的目标轮廓，且图片像素尺寸应与探测器输出的视频保持一致；图片同一时刻的载机位置 (P_lon，P_lat，P_h)分别表示载机经度、载机纬度、载机海拔高度；图片同一时刻的姿态信息

分别表示载机航向角、载机俯仰角、载机横滚角；对于凝视侦查型光电系统，姿态信息(E_γ，E_δ)分别表示光电系统方位角和俯仰角，对于扫描型光电系统，姿态信息(E_γ，E_δ)分别表示光电系统俯仰角和横滚角。

步骤2：如图1所示，在目标图片中沿吃水线标注长、宽、高特征线，得到各特征线两线端的像素坐标。特征线的提取需要人为观察和判断，关键在于获取特征线两线端在图片中的像素坐标，该步骤可借助图片编辑工具来实现或编写专用软件工具来实现。

步骤3：由像素坐标计算特征线端在像面上投影的像元坐标、特征线在像面上的投影长度、线端投影分别与焦点连线的长度及夹角，如图2所示。

本步骤具体实施方法如下：

由光电系统特定的光学特性可知其图像像素坐标与像面像元坐标的转换关系，假设为S(x,y)；则可将特征线线端像素坐标A(x₁，y₁) 转换为其在像面上的像元坐标A′(x′₁，y′₁)＝S(x₁，y₁)，同理可求其他特征线线端的像元坐标。

已知像元直径D_p，则特征线AB在像面上的投影A′B′长度为：

已知焦距长度L_f，则A′B′线端分别与焦点O₁连线的长度

及

的计算公式为：

夹角∠A′O₁B′的计算公式为：

由成像原理可知，∠AOB＝∠A′O₁B′。

步骤4：已知像面像元尺寸(水平像元个数和垂直像元个数)求特征线端的像面投影相对于像面中心的水平和垂直方向视场角偏差，如图3所示。

本步骤具体实施方法如下：

先求图像整体水平视场角β_sx与垂直视场角β_sy，计算公式为：

则特征线端的像面投影相对于像面中心的水平和垂直方向视场角偏差(Δβ_Ax，Δβ_Ay)和(Δβ_Bx，Δβ_By)的计算公式为：

步骤5：通过坐标系旋转推导特征线端投影点在像面上的坐标转换到瞄准线坐标系下的坐标。将其带入到基于坐标系旋转的被动测距计算公式中，可求得特征线端表征大地真实位置与光电系统焦点的斜距值。

由步骤3可计算得出的线端A'、B'点在像面上像元坐标可知，在光电系统瞄准线坐标系下的坐标可表示为Ae＝[Δβ_Ax，Δβ_Ay，0]^T及 Be＝[Δβ_Bx，Δβ_By，0]^T。

目前常用的基于坐标系旋转的被动测距方法包括三角余弦法和大地椭球面线相交法，该两种方法均可表示为

其中

表示瞄准线坐标系到大地坐标系的坐标系旋转过程，F表示利用坐标系旋转产物计算斜距值的过程。

将Ae及Be作为旋转矩阵列向量带入测距方法的矩阵运算中，即可求得A点和B点的地面位置与光电系统的真实斜距。该过程可以表示为：

其中，R_A、R_B表示A、B点地面位置与光电系统的真实斜距。

步骤6：由焦点到特征线端真实斜距以及斜距线夹角，应用三角形余弦定理，即可求得特征线真实距离。以此可求出目标长、宽尺寸，如图4所示。

本步骤具体实施方法如下：

使用三角形余弦定理计算特征线长度的公式为：

步骤7：利用目标高度特征线实际应垂直于海面这一特性，可先求特征线在海面的映射长度，再根据三角形正弦定理及余弦定理求得高度尺寸，如图5所示。

本步骤具体实施方法如下：

计算高度特征线长度时先计算∠ODC，其方法为：

则高度线的计算公式为：

h＝L_CD*tan∠ODC

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种机载光电系统对远距离海面目标三维尺寸测算方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：获取包含完整目标的探测器成像图片及成像同一时刻的载机位置、姿态信息，光电系统姿态信息；

步骤二：在目标图片中标注长、宽、高特征线，得到各特征线两线端的像素坐标；

步骤三：由像素坐标计算特征线端在像面上投影的像元坐标、特征线在像面上的投影长度、线端投影分别与焦点连线的长度及夹角；

步骤四：已知像面像元尺寸，求得特征线端的像面投影相对于像面中心的水平和垂直方向视场角偏差；

步骤五：通过坐标系旋转推导特征线端投影点在像面上的坐标转换到瞄准线坐标系下的坐标，将其带入到基于椭球模型的被动定位计算公式中，求得特征线端表征真实位置坐标，从而计算其与光电系统焦点的斜距值；

步骤六：由焦点到特征线端真实斜距以及斜距线夹角，应用三角形余弦定理，求得特征线真实距离，并以此求出目标长、宽尺寸；

步骤七：利用目标高度特征线垂直于海面的特性，先求特征线在海面的映射长度，再根据三角形正弦定理及余弦定理求得高度尺寸。

2.如权利要求1所述的机载光电系统对远距离海面目标三维尺寸测算方法，其特征在于，所述步骤一中，获得的信息有：载机位置(P_lon，P_lat，P_h)、姿态信息

和光电系统姿态信息(E_γ，E_δ)，载机位置(P_lon，P_lat，P_h)分别表示载机经度、载机纬度、载机海拔高度；姿态信息

分别表示载机航向角、载机俯仰角、载机横滚角；对于凝视侦查型光电系统，姿态信息(E_γ，E_δ)分别表示光电系统方位角和俯仰角，对于扫描型光电系统，姿态信息(E_γ，E_δ)分别表示光电系统俯仰角和横滚角。

3.如权利要求2所述的机载光电系统对远距离海面目标三维尺寸测算方法，其特征在于，所述步骤一中，探测器成像图片包含完整的目标轮廓，图片像素尺寸与探测器输出的视频保持一致。

4.如权利要求3所述的机载光电系统对远距离海面目标三维尺寸测算方法，其特征在于，所述步骤二中，将特征线记为AB，两线端坐标为：A(x₁，y₁)和B(x₂，y₂)，图片中目标的长、宽、高特征线通过手动标注。

5.如权利要求4所述的机载光电系统对远距离海面目标三维尺寸测算方法，其特征在于，所述步骤三中，特征线端在像面上投影的像元坐标A′(x′₁，y′₁)和B′(x′₂，y′₂)，已知焦距长度L_f、像元直径D_p、像面中心Q₂的像元坐标(x_o，y_o)，求得特征线在像面上的投影长度L_A′B′、线端投影分别与焦点连线的长度

及

夹角∠A′O₁B′；

由光电系统特定的光学特性可知其图像像素坐标与像面像元坐标的转换关系，假设为S(x,y)；则将特征线线端像素坐标A(x₁，y₁)转换为其在像面上的像元坐标A′(x′₁，y′₁)＝S(x₁，y₁)，同理求其他特征线线端的像元坐标；

已知像元直径D_p，则特征线AB在像面上的投影A′B′长度为：

已知焦距长度L_f，则A′B′线端分别与焦点O₁连线的长度

及

的计算公式为：

夹角∠A′O₁B′的计算公式为：

6.如权利要求5所述的机载光电系统对远距离海面目标三维尺寸测算方法，其特征在于，所述步骤四中，水平像元个数N_x和垂直像元个数N_y，水平和垂直方向视场角偏差(Δβ_Ax，Δβ_Ay)和(Δβ_Bx，Δβ_By)。

7.如权利要求6所述的机载光电系统对远距离海面目标三维尺寸测算方法，其特征在于，所述步骤四中，先求图像整体水平视场角β_sx与垂直视场角β_sy，计算公式为：

则特征线端的像面投影相对于像面中心的水平和垂直方向视场角偏差(Δβ_Ax，Δβ_Ay)和(Δβ_Bx，Δβ_By)的计算公式为：

8.如权利要求7所述的机载光电系统对远距离海面目标三维尺寸测算方法，其特征在于，所述步骤五中，已计算得出线端A'、B'点在像面上像元坐标，则其在光电系统瞄准线坐标系下的坐标表示为Ae＝[Δβ_Ax，Δβ_Ay，0]^T及Be＝[Δβ_Bx，Δβ_By，0]^T；

基于坐标系旋转的被动测距方法包括三角余弦法和大地椭球面线相交法，该两种方法均表示为

其中

表示瞄准线坐标系到大地坐标系的坐标系旋转过程，F表示利用坐标系旋转产物计算斜距值的过程；

将Ae及Be作为旋转矩阵列向量带入测距方法的矩阵运算中，求得A点和B点的地面位置与光电系统的真实斜距；该过程表示为：

其中，R_A、R_B表示A、B点地面位置与光电系统的真实斜距。

9.如权利要求8所述的机载光电系统对远距离海面目标三维尺寸测算方法，其特征在于，所述步骤六中，使用三角形余弦定理计算特征线长度的公式为：

10.如权利要求9所述的机载光电系统对远距离海面目标三维尺寸测算方法，其特征在于，所述步骤七中，计算高度特征线长度时先计算∠ODC，其方法为：

则高度线的计算公式为：

h＝L_CD*tan∠ODC。

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