CN115359048B - 一种基于闭环跟瞄的实时动态对准测量方法及跟瞄装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于闭环跟瞄的实时动态对准测量方法及跟瞄装置，属于光电跟踪技术领域，利用图像获取设备实时获取目标的融合图像，提取目标在所述融合图像中的质心位置并计算脱靶量，基于所述脱靶量控制二维云台转动，实时初步跟瞄目标，利用测距设备实时获取目标至二维云台的距离，基于所述距离调整所述图像获取设备的焦距，重复上述步骤，实时精准跟瞄目标，本发明通过图像获取设备以及测距设备实现对目标的成像探测与跟瞄，在图像闭环跟瞄的基础上，实现实时、精确对准目标，保证空对地打靶的垂直入射。

Description

一种基于闭环跟瞄的实时动态对准测量方法及跟瞄装置

技术领域

本发明属于光电跟踪技术领域，具体地说涉及一种基于闭环跟瞄的实时动态对准测量方法及跟瞄装置。

背景技术

在空对地测试实验中，经常涉及对地面装置或测量靶的精确瞄准打靶，由于空中平台一般处于运动中，为了更有效地配合空中平台开展测试实验，需要地面装置或测量靶能实时精确对准空中平台，以便更好地接受空对地打靶信号，因此，目标跟踪系统应运而生。目前，目标跟踪系统利用激光测距仪可以得到目标的距离信息，利用测角仪和GPS定位设备可以得到目标的坐标信息，但是，多个设备难以协同工作，获取信息的实时性和准确性无法保证，无法提供及时、准确、全面的目标信息。

发明内容

针对现有技术的种种不足，为了解决上述问题，现提出一种基于闭环跟瞄的实时动态对准测量方法及跟瞄装置。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

第一方面，本发明提供一种基于闭环跟瞄的实时动态对准测量方法，包括以下步骤：

S100、利用图像获取设备实时获取目标的融合图像，提取目标在所述融合图像中的质心位置并计算脱靶量；

S200、基于所述脱靶量控制二维云台转动，实时初步跟瞄目标；

S300、利用测距设备实时获取目标至二维云台的距离，基于所述距离调整所述图像获取设备的焦距，重复步骤S100至步骤S200，实时精准跟瞄目标。

本发明进一步可设置为，步骤S100中，利用图像设备获取目标的融合图像，具体为：

通过红外相机获取目标的红外图像，通过可见光相机获取目标的可见光图像，将所述红外图像以及所述可见光图像融合形成融合图像。

本发明进一步可设置为，步骤S100中，所述脱靶量为目标在融合图像中的质心位置与融合图像中心的距离偏差。

本发明进一步可设置为，步骤S200中，根据脱靶量控制二维云台转动，具体为：

脱靶量与二维云台转动角度之间的转换关系为：

(dx，dy)表示脱靶量在x轴、y轴的分量，单位为像素，σ表示每像素代表的角度，单位为度/像素，k_θ为二维云台每转动角度对应的转动步长，单位为步/度，(dA，dE)为由(dx，dy)转换成的二维云台转动的方位角度、俯仰角度，(θ_A，θ_E)为由(dA，dE)转换成的二维云台转动的步数。

本发明进一步可设置为，在步骤S300之后，还包括利用目标至二维云台的距离、二维云台的观测方位角度以及观测俯仰角度，解算目标在三维空间中的实时的坐标位置，实时的坐标位置随时间变化形成目标的三维轨迹；

所述坐标位置的计算公式如下：

R表示目标至二维云台的距离，单位为米，A为二维云台的观测方位角度，E为二维云台的观测俯仰角度，单位为度，(x，y，z)为目标的实时的坐标位置。

本发明进一步可设置为，在步骤S100之前，还包括光轴调平，具体为：

调整所述二维云台的姿态，使所述图像获取设备、所述测距设备的光轴处于水平状态；

在所述二维云台上取观测点，确定所述观测点的法线；

依据所述图像获取设备、所述测距设备以及所述观测点之间的实际位置关系，在标记板上做对应标记形成标记点，并将所述标记板置于所述二维云台的正前方；

调节所述图像获取设备的姿态，使标记板上代表图像获取设备的标记点移到至所述图像获取设备的视场中心；

在标记板上代表测距设备的标记点前方放置辅助物，晃动辅助物，观测所述测距设备的读数变化以判断测距光的落点，调节所述测距设备的姿态，使测距光的落点与标记板上代表测距设备的标记点重合。

本发明进一步可设置为，确定所述观测点的法线，具体为：

在所述观测点处放置平面反射镜，利用光源向所述平面反射镜的中心照射测试光束，调整所述光源的位置以及姿态，促使经所述平面反射镜反射的测试光束传输至所述光源，标记平面反射镜的中心位置以及光源位置并用直线连接作为所述观测点的法线。

本发明进一步可设置为，所述标记板的板面垂直于观测点的法线，将标记板上代表观测点的标记点置于光源位置。

第二方面，本发明提供一种跟瞄装置，包括二维云台、图像获取设备以及测距设备，所述二维云台自带旋转角度以及俯仰角度调节功能，且所述二维云台带动所述图像获取设备以及所述测距设备转动；

所述图像获取设备用于获取目标的融合图像，提取目标在所述融合图像中的质心位置并计算脱靶量，所述二维云台基于所述脱靶量转动，所述测距设备用于获取目标至所述二维云台的距离，所述图像获取设备基于所述距离调整其焦距。

本发明进一步可设置为，所述图像获取设备以及所述测距设备通过上安装板与所述二维云台连接，且所述二维云台与所述上安装板之间设有倾角调节块，所述倾角调节块的顶部为斜面，且所述上安装板与所述斜面连接。

本发明进一步可设置为，所述上安装板上设有测量靶，所述测量靶、所述图像获取设备以及所述测距设备的光轴相平行。

本发明的有益效果是：

1、通过图像获取设备以及测距设备实现对目标的成像探测与跟瞄，在图像闭环跟瞄的基础上，实现实时、精确对准目标，保证空对地打靶的垂直入射。

2、通过对图像获取设备以及测距设备的光轴进行调平，促使所载测量靶的法向对准目标，确保目标发出的视线或光束能始终法向垂直入射到测量靶的靶面，以获得最佳的打靶效果和打靶测量数据。

3、通过加装倾角调节块将位于上安装板的各元件的俯仰观测范围调整成符合使用需求的范围，实现对地面以上空域的全覆盖观测，以及俯视一定角度范围内的地面目标的观测，满足绝大部分军用和民用观测需求。

4、在上安装板不加装测量靶，跟瞄装置可用作具有跟踪功能的民用安防监控装置，甚至军用的光电跟踪设备，在上安装板加装测量靶，可用于激光通信、激光制导打靶、光束传输测试等空对地打靶测试，可广泛用于多个行业。

5、通过远程控制终端实现装置的总体控制，远程控制终端通过无线数传设备与二维云台进行无线通讯，双向传输数据、指令、图像等信号，在参数配置完毕后自动运行，对目标或空中实验平台实施自动跟踪对准与打靶测量。

附图说明

图1是本发明中的基于闭环跟瞄的实时动态对准测量方法的流程图；

图2是本发明中的跟瞄装置的示意图；

图3是本发明中二维云台的示意图。

附图中：1-二维云台、2-上安装板、3-下安装板、4-倾角调节块、5-测量靶、6-红外相机、7-可见光相机、8-激光测距仪、9-上通讯组件、10-倾角仪、11-电源模块、12-下通讯组件。

具体实施方式

为了使本领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它类同实施例，都应当属于本申请保护的范围。此外，以下实施例中提到的方向用词，例如“上”“下”“左”“右”等仅是参考附图的方向，因此，使用的方向用词是用来说明而非限制本发明创造。

实施例一：

如图1所示，本发明提供一种基于闭环跟瞄的实时动态对准测量方法，包括以下步骤：

S100、利用图像获取设备实时获取目标的融合图像，提取目标在所述融合图像中的质心位置并计算脱靶量；

S200、基于所述脱靶量控制二维云台转动，实时初步跟瞄目标；

S300、利用测距设备实时获取目标至二维云台的距离，基于所述距离调整所述图像获取设备的焦距，重复步骤S100至步骤S200，实时精准跟瞄目标。

优选的，步骤S100中，利用图像设备获取目标的融合图像，具体为：

通过红外相机获取目标的红外图像，通过可见光相机获取目标的可见光图像，将所述红外图像以及所述可见光图像融合形成融合图像。

优选的，步骤S100中，通过图像增强、配准、边缘检测、目标提取等算法处理后提取目标在所述融合图像中的质心位置，解算所述质心位置与融合图像中心的距离偏差得到脱靶量。优选的，步骤S200中，根据脱靶量控制二维云台转动，具体为：

将所述脱靶量转化成二维云台为了对准目标应转动的角度信息，所述角度信息再通过RJ45网络发送给二维云台，控制二维云台作方位转动以及俯仰转动，以实时初步对准目标。

脱靶量与二维云台转动角度之间的转换关系为：

(dx，dy)表示脱靶量在x轴、y轴的分量，单位为像素，σ表示每像素代表的角度，单位为度/像素，k_θ为二维云台每转动角度对应的转动步长，单位为步/度，(dA，dE)为由(dx，dy)转换成的二维云台转动的方位角度、俯仰角度，(θ_A，θ_E)为由(dA，dE)转换成的二维石台转动的步数。

优选的，对目标实施图像探测与初步对准跟瞄后，通过测距设备获取目标的距离信息，据此距离信息精调图像获取设备的焦距，以获取更加清晰的融合图像，进一步提升目标提取与跟瞄对准的精度，使目标始终处于图像获取设备的视场中心。

优选的，在步骤S300之后，还包括利用目标至二维云台的距离、二维云台的观测方位角度以及观测俯仰角度，解算目标在三维空间中的实时的坐标位置，实时的坐标位置随时间变化形成目标的三维轨迹；

所述坐标位置的计算公式如下：

R表示目标至二维云台的距离，单位为米，A为二维云台的观测方位角度，E为二维云台的观测俯仰角度，单位为度，(x，y，z)为目标的实时的坐标位置。

优选的，在步骤S100之前，还包括光轴调平，具体为：

步骤一、调整所述二维云台的姿态，使所述图像获取设备、所述测距设备的光轴处于水平状态。

步骤二、在所述二维云台上取观测点，确定所述观测点的法线。

具体的，在所述观测点处放置平面反射镜，利用光源向所述平面反射镜的中心照射测试光束，调整所述光源的位置以及姿态，促使经所述平面反射镜反射的测试光束传输至所述光源，标记平面反射镜的中心位置以及光源位置并用直线连接作为所述观测点的法线。当所述观测点位于测量靶的靶点中心时，观测点的法线即为测量靶的靶面法线。

步骤三、依据所述图像获取设备、所述测距设备以及所述观测点之间的实际位置关系，在标记板上做对应标记形成标记点，并将所述标记板置于所述二维云台的正前方，所述标记板的板面垂直于观测点的法线，将标记板上代表观测点的标记点置于光源位置。

步骤四、调节所述图像获取设备的姿态，使标记板上代表图像获取设备的标记点移到至所述图像获取设备的视场中心。

具体的，对于红外相机，调节红外相机下方的姿态调节架，使标记板上代表红外相机的标记点逐渐移到红外图像中心(为了辅助红外成像，必要时可在该标记点处放置一小尺寸的热体)，即实现红外相机的光轴与测量靶的光轴平行。同理，调节可见光相机下方的姿态调节架，使标记板上代表可见光相机的标记点逐渐移到可见光图像中心，实现可见光相机的光轴与测量靶的光轴平行。

步骤五、在标记板上代表测距设备的标记点前方放置辅助物，晃动辅助物，观测所述测距设备的读数变化以判断测距光的落点，调节所述测距设备的姿态，使测距光的落点与标记板上代表测距设备的标记点重合。

具体的，由于测距激光不可见，可以通过在代表测距设备的标记点前方晃动辅助物(比如手指)，观测所述测距设备的读数变化以判断测距光的落点。调节测距设备下方的姿态调节架，使测距光的落点与标记板上代表测距设备的标记点重合，实现测距设备的光轴与测量靶的光轴平行。至此，完成红外、可见光、测距设备、测量靶四个光轴的一致性标校。

实施例二：

如图2所示，一种跟瞄装置，包括远程控制终端、二维云台1、下安装板3以及上安装板2，所述下安装板3与所述二维云台1的底部连接，所述上安装板2与所述二维云台1的顶部连接，所述二维云台1自带旋转角度以及俯仰角度调节功能。所述上安装板2可跟随所述二维云台1做方位转动以及俯仰转动，所述下安装板3不可跟随所述二维云台1转动。

如图3所述，所述二维云台1包括方位轴和俯仰轴，其中，方位轴可以使上安装板在水平面内作方位360°连续转动，同时，二维云台1内部有回流环，能保证连续转动过程中不发生线缆缠绕问题，俯仰轴可以使上安装板2在竖直面内作俯仰来回转动。二维云台1的结构为较成熟的现有技术，此处不再赘述，可参考CN200920149132.5一种二维云台。

优选的，所述二维云台1的顶部与所述上安装板2之间设有倾角调节块4，所述倾角调节块4的顶部为斜面，且所述上安装板2与所述斜面连接。通过加装倾角调节块4将位于上安装板2的各元件的俯仰观测范围调整成符合使用需求的范围。

具体的，若俯仰轴的俯仰转动角度为-90°～+30°，倾角调节块4的斜面可以有不同角度规格，45°的斜面可以将俯仰轴的俯仰转动角度调整成-45°～+75°，60°的斜面可以将俯仰轴的俯仰转动角度调整成-30°～+90°。俯仰轴的俯仰转动角度对于地对空观测来说是非常必要的(因为水平面以上空域的仰角为0°～90°)。-30°～+90°可以实现对地面以上空域的全覆盖观测，以及俯视一定角度(0°～-30°)范围内的地面目标的观测，满足绝大部分军用和民用观测需求。

所述上安装板2上设有测量靶5、图像获取设备、测距设备以及上通讯组件9，所述测量靶5、所述图像获取设备以及所述测距设备的光轴相平行。优选的，所述图像获取设备为红外相机6、可见光相机7，所述测距设备为激光测距仪8，融合红外、可见光、激光测距等多种传感器于一体，能实现对目标的精确对准跟瞄和测量接收。

具体的，所述测量靶5用于测量空对地打靶的实时效果，并把测量数据实时传送到远程控制终端。激光测距仪8用于测量目标相对本装置的距离，为红外相机6和可见光相机7提供变焦参数。红外相机6用于对目标进行红外探测。可见光相机7用于对目标进行可见光探测，形成与红外图像的信息融合，联合实现对目标的图像跟瞄与对准。上通讯组件9负责将测量靶5、激光测距仪8、红外相机6、可见光相机7的数据通过回流环传送到下通讯组件12，再通过无线数传组件传到远程控制终端，实现装置与远程终端的实时通讯。同时，所述红外相机6、所述可见光相机7以及所述激光测距仪8的下方均设有姿态调节架，姿态调节架可实现俯仰和倾斜角度调节，其结构为较成熟的现有技术，此处不再赘述，可参考多功能光学调整架Q头驱L型调整架。

所述下安装板3上设有倾角仪10、电源模块11以及下通讯组件12。具体的，倾角仪10用于测量下安装板3的倾角姿态，辅助整个装置实现调平定姿；同时通过其自带的GPS模块，测量本装置在三维空间中的位置(经度、纬度、海拔)。电源模块11为整个装置各个组件提供5V、12V、24V等多种制式的直流供电。下通讯组件12将倾角仪的姿态与位置数据从RS232串口信号变成RJ45网络信号，接入数传组件后，与上通讯组件9的图像、数据一起传到远程控制终端，实现远程控制。

具体的，倾角仪10可结合远处(比如1km外的)任一标志物的地理位置，确定本装置的倾斜程度和朝向，通过人工搬动装置或调节下安装板3下方的支腿，使整个装置的初始装态达到水平、并且视向指向正北方向，实现整个装置的自定位定姿和调平定向。

在配合开展空对地打靶实验时，本装置通过红外和可见光成像探测及跟瞄，控制二维云台1实时对准空中实验平台(即目标)。由于事先已标校好本装置所含的测量靶5法线与红外相机6、可见光相机7光轴的一致性，因此，当红外相机6、可见光相机7跟瞄闭环对准空中实验平台时，测量靶5的靶面也就同时对准了空中实验平台，自空中实验平台发出的视线或实验光束就能对测量靶5的靶面实施法向垂直入射，以获得最佳的打靶效果和打靶测量数据。

优选的，在上安装板2不加装测量靶5，跟瞄装置可用作具有跟踪功能的民用安防监控装置，甚至军用的光电跟踪设备，在上安装板2加装测量靶5，可用于激光通信、激光制导打靶、光束传输测试等空对地打靶测试，可广泛用于多个行业。

本装置的运行流程如下：

1、光轴一致性标校：

将红外相机6、可见光相机7、激光测距仪8、测量靶5四个传感器的光轴调到平行。

2、装置安装与调平、定向：

将本装置放置到使用地，在倾角仪10和GPS的配合下，将本装置的倾角调到水平，红外相机6、可见光相机7视轴调到指向正北。

3、装置自检：

给装置上电，使装置执行自检。自检包括：判断电源模块11是否供电正常，是否超压或过流；上通讯组件9、下通讯组件12是否工作正常，数据通讯是否正确；激光测距仪8是否工作正常，距离信息是否如预期；红外相机6是否工作正常，红外图像是否如预期；可见光相机7是否工作正常，图像是否与目视基本相符；二维云台1是否正常工作，方位、俯仰转动是否流畅；倾角仪10是否工作正常，两轴倾角数据是否与目测基本相符；远程控制终端是否连接正确，数据传输是否通畅。

4、数据采集：

装置正常工作后，实时生成各种数据，并通过无线数传系统传到远程控制终端。实时采集的数据包括：激光测距仪读数，即目标距离；红外图像与可见光图像，计算目标跟踪脱靶量；二维云台方位角度读数、俯仰角度读数，即二维云台当前指向；二维云台倾角与GPS位置数据，监测二维云台工作状态。

5、目标跟瞄：

根据前级引导发送过来的目标位置信息，将二维云台1转到相应的方向(方位和俯仰指向)，捕获目标，再结合激光测距仪8获得距离信息，实时调整红外相机6和可见光相机7的焦距，获得更清晰的目标图像，通过事先设计好的图像处理算法，提取目标，计算脱靶量，闭环控制二维云台转动，指向目标，将目标稳定锁定在视场中心。

6、精密对准打靶测量：

在空对地打靶实验中，通过红外相机6和可见光相机7捕获空中实验平台，控制二维云台1转动，使所载测量靶法向对准空中实验平台，确保空中实验平台发出的视线或光束能始终法向垂直入射到靶面，以获得最佳的打靶效果和打靶测量数据。

以上已将本发明做一详细说明，以上所述，仅为本发明之较佳实施例而已，当不能限定本发明实施范围，即凡依本申请范围所作均等变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖范围内。

Claims (6)

1.一种基于闭环跟瞄的实时动态对准测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

S100、利用图像获取设备实时获取目标的融合图像，提取目标在所述融合图像中的质心位置并计算脱靶量；

S200、基于所述脱靶量控制二维云台转动，实时初步跟瞄目标；

S300、利用测距设备实时获取目标至二维云台的距离，基于所述距离调整所述图像获取设备的焦距，重复步骤S100至步骤S200，实时精准跟瞄目标；

在步骤S100之前，还包括光轴调平，具体为：

调整所述二维云台的姿态，使所述图像获取设备、所述测距设备的光轴处于水平状态；

在所述二维云台上取观测点，确定所述观测点的法线；

依据所述图像获取设备、所述测距设备以及所述观测点之间的实际位置关系，在标记板上做对应标记形成标记点，并将所述标记板置于所述二维云台的正前方；

调节所述图像获取设备的姿态，使标记板上代表图像获取设备的标记点移到至所述图像获取设备的视场中心；

在标记板上代表测距设备的标记点前方放置辅助物，晃动辅助物，观测所述测距设备的读数变化以判断测距光的落点，调节所述测距设备的姿态，使测距光的落点与标记板上代表测距设备的标记点重合。

2.根据权利要求1所述的一种基于闭环跟瞄的实时动态对准测量方法，其特征在于，步骤S100中，所述脱靶量为目标在融合图像中的质心位置与融合图像中心的距离偏差，利用图像设备获取目标的融合图像，具体为：

通过红外相机获取目标的红外图像，通过可见光相机获取目标的可见光图像，将所述红外图像以及所述可见光图像融合形成融合图像。

3.根据权利要求1所述的一种基于闭环跟瞄的实时动态对准测量方法，其特征在于，步骤S200中，根据脱靶量控制二维云台转动，具体为：

脱靶量与二维云台转动角度之间的转换关系为：

；

表示脱靶量在x轴、y轴的分量，单位为像素，

表示每像素代表的角度，单位 为度/像素，

为二维云台每转动角度对应的转动步长，单位为步/度，

为由

转换成的二维云台转动的方位角度、俯仰角度，

为由

转换成的 二维云台转动的步数。

4.根据权利要求3所述的一种基于闭环跟瞄的实时动态对准测量方法，其特征在于，在步骤S300之后，还包括利用目标至二维云台的距离、二维云台的观测方位角度以及观测俯仰角度，解算目标在三维空间中的实时的坐标位置，实时的坐标位置随时间变化形成目标的三维轨迹；

所述坐标位置的计算公式如下：

；

R表示目标至二维云台的距离，单位为米，A为二维云台的观测方位角度，E为二维云台 的观测俯仰角度，单位为度，

为目标的实时的坐标位置。

5.根据权利要求1所述的一种基于闭环跟瞄的实时动态对准测量方法，其特征在于，确定所述观测点的法线，具体为：

在所述观测点处放置平面反射镜，利用光源向所述平面反射镜的中心照射测试光束，调整所述光源的位置以及姿态，促使经所述平面反射镜反射的测试光束传输至所述光源，标记平面反射镜的中心位置以及光源位置并用直线连接作为所述观测点的法线。

6.根据权利要求5所述的一种基于闭环跟瞄的实时动态对准测量方法，其特征在于，所述标记板的板面垂直于观测点的法线，将标记板上代表观测点的标记点置于光源位置。

Images