CN116106895B - 基于视觉与无线感知融合的多点微动智能监测系统与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于视觉与无线感知融合的多点微动智能监测系统与方法，包括相控阵雷达、光学摄像头和主控模块；光学摄像头与相控阵雷达按照彼此之间的安装位置关系，通过主控模块确定两者坐标系的转换关系并进行联合标定和数据融合；光学摄像头配合主控模块用于获取图像、识别图像中的目标点、确定目标位置信息；主控模块根据标定好的坐标转换关系将摄像头捕捉到的目标点位置信息转换为相控阵雷达的波束扫描角度控制信息，控制相控阵雷达对多个目标进行来回快速照射；相控阵雷达用于向目标物发射和接收探测信号，实现对目标的微动监测。该系统解决了微波微动监测中对监测目标物难以准确定位的难题，同时使对于目标微动的监测更加准确直观。
Description
技术领域
本发明涉及雷达监测技术领域，具体的说，涉及了一种基于视觉与无线感知融合的多点微动智能监测系统与方法。
背景技术
日常生活和工业生产领域中广泛存在着各种类型的振动，如交通运输领域的道路、铁路和桥梁的振动，建筑领域中高层建筑的振动和人体呼吸引起的胸腔振动等等。如何稳定、准确检测出各类型的振动，在铁路桥梁的稳定性分析、高层建筑的避震性测试以及人体生命体征监测分析方面具有重大意义。
传统的动态形变监测手段与分析方法在应用上具有一定的局限性，如光学方法容易受到天气和能见度的影响，加速度积分原理需要进行数据积分，存在误差积累而且无法对载荷作用下的扰度进行评估，与之相比利用雷达微波对形变的检测具有全天时、全天候、高稳定性的优点，因此近年来得到快速的发展。
其中，相控阵雷达具有远距离探测微动的能力，并且可以通过对雷达波束照射角度的快速变换实现对多个目标的监测，在雷达微波监测领域占据重要位置。
但是，相控阵雷达在进行远距离微动检测时，难以对被检测目标进行快速定位，固定角度的雷达监测往往耗时耗力而且具有极大误差，如何根据待检测目标方位快速确定相控阵雷达波束合成角度是一个需要解决的难题。
为了解决以上存在的问题，人们一直在寻求一种理想的技术解决方案。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，从而提供一种通过摄像头较强的识别能力，首先获取目标方位，然后控制相控阵雷达针对目标进行波束照射，实现了对多个探测目标精准监测，解决相控阵雷达在远距离微动检测过程中所存在的波束合成角度难以确定的问题的基于视觉与无线感知融合的多点微动智能监测系统。
本申请的技术设计构思在于：摄像头可根据采集的光学图像，根据目标特征实现对检测目标的快速识别和定位，在获取目标点的方位后，通过参数坐标系的转化，得到雷达需要的波束合成角度，从而完成对雷达波束合成角度的控制，完成对被检测目标点的探测，最终对雷达数据和摄像数据进行融合，完成目标微动监测。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种基于视觉与无线感知融合的多点微动智能监测系统与方法，包括相控阵雷达、光学摄像头和主控模块；
所述光学摄像头与相控阵雷达按照彼此之间的安装位置关系，通过主控模块确定两者坐标系的转换关系并进行标定；
所述光学摄像头配合所述主控模块用于获取图像、识别图像中的目标点、确定目标位置信息；
所述主控模块根据标定好的坐标转换关系，将目标点的位置信息转换为所述相控阵雷达的波束扫描角度控制信息，控制相控阵雷达对多个目标进行来回快速照射；
所述相控阵雷达用于向目标物发射和接收探测信号，实现对目标的微动监测。
基上所述，所述光学摄像头为双目摄像头，采用双目摄像头的目的在于获取目标的距离信息，结合距离信息和方位信息可以在坐标转换之后得到目标在雷达坐标系下的位置。
基上所述，所述雷达为8×8二维相控雷达阵列，采用相控阵雷达的目的在于可以结合相控阵雷达的特点在多个目标点之间进行快速照射切换，从而实现同一时间对多个目标进行监测的目的。
基上所述，雷达和摄像头刚性连接，其安装位置相对固定，摄像头位于雷达正上方，雷达到摄像头的垂直距离为h,摄像头斜向上安装俯角为θ。
基上所述，所述相控阵雷达和光学摄像头的坐标系的转换关系及标定的过程包括：
首先对摄像机进行内参标定，将雷达坐标系作为世界坐标系，根据摄像头和雷达的相对位置进行外参标定，最后根据标定参数进行坐标转换获取目标点雷达坐标信息。
基上所述，具体的标定方法包括：通过对摄像机进行内参标定,确定光学摄像头坐标系和像素坐标系之间的变换矩阵：其中，fx,fy,x0,y0这四个数即为光学摄像机的内部参数。然后根据摄像头和雷达的相对位置进行外参标定，确定雷达坐标系Pr和摄像头坐标系Pc之间的变换矩阵：/>其中，R是正交旋转矩阵，T是平移矩阵，确定R需要3个参数，确定T需要3个参数，共需6个参数，这六个参数即为摄像机外部参数。因为摄像头安装在雷达正上方，雷达坐标系原点到摄像头的垂直距离为h，摄像头斜向上安装俯角为θ，则有/>摄像头的投影矩阵M可以表示为摄像头c1与c2的投影矩阵分别是M1与M2,于是有其中，(u1,v1,1)与(u2,v2,1)分别为P1与P2点在各自图像中的图像齐次坐标,(X,Y,Z,1)为P点在世界坐标系下的齐次坐标，将上述两式联合消去Zc1与Zc2得到关于X,Y,Z的四个线性方程：
由于空间点P是O1p1与O2p2的交点，它必然同时满足上述式子，可以联立这四个线性方程式，从而求出雷达坐标系下P点的坐标(X,Y,Z)。
基上所述，雷达数据与摄像头数据的融合方式为：借助得到的雷达坐标系下的P点坐标对雷达照射角度进行控制，然后通过对雷达回波信号的分析，获取探测目标的自振频率，通过主控模块对振动频率进行自适应分析判断来得到是否存在异常振动，并将频率结果实时映射到相对应的摄像画面中，实现多目标的微动监测。
本发明相对现有技术具有突出的实质性特点和显著的进步，具体的说，本发明具有以下优点：
1.由于是远距离探测，相控阵雷达的波束合成角度难以确定，通过人工定位精度低，固定角度探测适用性差且误差大，通过光学摄像头获取图像，然后借助图像识别技术识别出目标物，根据标定好的坐标转换关系将摄像头捕捉到的目标点位置信息转换为相控阵雷达的波束扫描角度控制信息，作为相控阵雷达波束合成角度控制缺陷的补充，即相控阵雷达和光学摄像头进行感知融合，有效解决了相控阵雷达合成角度难确定的问题；
2.针对光学摄像头和相控阵雷达之间的坐标系转换，首先对光学摄像头的内参进行标定，然后将雷达坐标系作为世界坐标系，根据摄像头和雷达的相对位置进行外参标定，最后通过坐标转换将摄像头目标点坐标转换为雷达坐标信息；
3.针对相控阵雷达的性能，使用8×8二维相控阵，可以实现空间扫描和对多目标快速切换，经过对发射信号和回波信号的复相关运算，得到相应的相位差值，最后通过模数转换发送至主控模块，主控模块经过数据分析和处理，实现对目标点的自振频率获取和自适应分析，判断是否存在异常振动。
4.针对雷达数据与摄像头数据的融合方式，通过对雷达回波信号的分析，获取探测目标的自振频率，通过主控模块对振动频率进行自适应分析判断来得到是否存在异常振动，并将频率结果实时映射到相对应区域的摄像画面中，实现数据融合和多目标的微动监测。
附图说明
图1是本发明中基于视觉与无线感知融合的多点微动智能监测系统的安装侧视图。
图2是本发明中基于视觉与无线感知融合的多点微动智能监测系统的结构框图。
图3是本发明中基于视觉与无线感知融合的多点微动智能监测系统的工作流程图。
图4是本发明中基于视觉与无线感知融合的多点微动智能监测系统的具体应用场景图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
如图1和图2所示，一种基于视觉与无线感知融合的多点微动智能监测系统与方法，雷达和摄像头刚性连接，其安装位置相对固定，摄像头位于雷达正上方，雷达到摄像头的垂直距离为h,摄像头斜向上安装俯角为θ，包括相控阵雷达、光学摄像头和主控模块，相控阵雷达和光学摄像头分别连接至主控模块。
其中，本实施例中的光学摄像头采用双目摄像头，摄像头的主要功能是通过光学成像获取图像信息，结合图像识别技术，对目标进行分辨，得到目标所在的空间位置。
如图3所示，本系统的工作流程具体为：
首先对摄像机进行内参标定，确定光学摄像头坐标系和像素坐标系之间的变换矩阵：其中，fx,fy,x0,y0这四个数即为光学摄像机的内部参数。再根据摄像头和雷达的相对位置进行外参标定，确定雷达坐标系Pr和摄像头坐标系Pc之间的变换矩阵：其中，R是正交旋转矩阵，T是平移矩阵，确定R需要3个参数，确定T需要3个参数，共需6个参数，这六个参数即为摄像机外部参数。因为摄像头安装在雷达正上方，雷达坐标系原点到摄像头的垂直距离为h，摄像头斜向上安装俯角为θ，则有
然后通过摄像头采集图像画面，并采用人工选取或基于特征自动识别的方式对目标进行识别，根据坐标转换获取雷达坐标，具体为：摄像头的投影矩阵M可以表示为摄像头c1与c2的投影矩阵分别是M1与M2,于是有其中，(u1,v1,1)与(u2,v2,1)分别为P1与P2点在各自图像中的图像齐次坐标,(X,Y,Z,1)为P点在世界坐标系下的齐次坐标，将上述两式联合消去Zc1与Zc2得到关于X,Y,Z的四个线性方程：
由于空间点P是O1p1与O2p2的交点，它必然同时满足上述式子，可以联立这四个线性方程式，从而求出雷达坐标系下的P点的坐标(X,Y,Z)。
如图4所示，本系统的具体应用方法及场景为：首先将本系统安置于要监测的桥梁或建筑物前方，然后通过摄像头拍摄的画面确定要监测的几个区域，相控阵雷达调整波束照射角度后，对雷达回波信号进行分析，获取探测目标的自振频率，通过主控模块对振动频率进行自适应分析判断来得到是否存在异常振动，并将频率结果实时映射到相对应的摄像画面中，实现多目标的微动监测。
主控模块的第一个功能，就是结合光学摄像头获取监测目标的位置信息，以及对光学信息进行显示。
主控模块的第二个功能，是对光学摄像头和相控阵雷达进行感知融合，将光学摄像头所获得的目标空间位置信息转换为相控阵雷达的波束扫描角度的控制信息。
在本系统中，相控阵雷达组与摄像头的相对位置已经固定，可以通过测量相控阵雷达和摄像头之间的横向距离和摄像头相对于雷达组的横摆角，从而确定摄像头的投影外参，之后通过棋盘标定板完成对摄像头的内参标定，最后确定下来像素坐标系向雷达坐标系的转换方程。
主控模块的第三个功能，是分析处理相控阵雷达返回的数据信息。
主控模块通过高精度采集卡接收相控阵雷达的数据信息，进行实时分析和显示，结合深度神经网络学习算法，判断目标的微动情况，本系统包括但不限于对于桥梁和建筑物的形变监测，实现对安全系数的评估以及实时的安全监测。
具体的，雷达终端设备中需要对相控阵雷达反馈的相位差值信息进行分析和处理，实时的展现测量目标的微动信息，通过数据分析算法，实现对测量目标的安全系数分析和安全实时监测。由于具体的微动监测方法存在较多的现存资料，在本实施例中不做具体展开，仅提出工作流程。
此外，上位机模块所采集的数据都实时的存储，收集的数据可以用于各种方面的算法训练。
最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。
Claims (9)
1.一种基于视觉与无线感知融合的多点微动智能监测系统，其特征在于：包括相控阵雷达、光学摄像头和主控模块；
所述光学摄像头与相控阵雷达按照彼此之间的安装位置关系，通过主控模块确定两者坐标系的转换关系并进行标定；
所述光学摄像头配合所述主控模块用于获取图像、识别图像中的目标点、确定目标位置信息；
所述主控模块根据标定好的坐标转换关系，将目标点的位置信息转换为所述相控阵雷达的波束扫描角度控制信息，控制相控阵雷达对多个目标进行来回快速照射；
所述相控阵雷达用于向目标物发射和接收探测信号，实现对目标的微动监测。
2.一种基于视觉与无线感知融合的多点微动智能监测方法，其特征在于：包括权利要求1所述的基于视觉与无线感知融合的多点微动智能监测系统，为达到对多个特定目标点微动信息获取的目的，本方法通过光学摄像头来对雷达照射角度进行引导，摄像头识别目标方位在前，雷达调整照射角度在后，借助摄像头对感兴趣目标的识别，精确调整相控阵雷达对多个目标点的照射，在获取了目标的微动信息之后，再将雷达数据信息去和光学摄像头的画面进行数据融合，直观的展示目标微动情况。
3.跟据权利要求2所述的一种基于视觉与无线感知融合的多点微动智能监测方法，其特征在于：所述光学摄像头为双目摄像头，采用双目摄像头的目的在于获取目标的距离信息，结合距离信息和方位信息可以在坐标转换之后得到目标在雷达坐标系下的位置。
4.根据权利要求2所述的一种基于视觉与无线感知融合的多点微动智能监测方法，其特征在于：所述雷达为8×8二维相控雷达阵列，采用相控阵雷达的目的在于可以结合相控阵雷达的特点在多个目标点之间进行快速照射切换，从而实现同一时间对多个目标进行监测的目的。
5.根据权利要求2所述的一种基于视觉与无线感知融合的多点微动智能监测方法，其特征在于：雷达和摄像头刚性连接，其安装位置相对固定，摄像头位于雷达正上方，雷达到摄像头的垂直距离为h,摄像头斜向上安装俯角为θ。
6.根据权利要求5所述的一种基于视觉与无线感知融合的多点微动智能监测方法，其特征在于：所述相控阵雷达和光学摄像头的坐标系的转换关系及标定的过程：首先对摄像机进行内参标定，然后将雷达坐标系作为世界坐标系，根据权利要求5所述的摄像头和雷达的相对位置进行外参标定，最后根据标定参数进行坐标转换获取目标点雷达坐标信息。
7.根据权利要求6所述的一种基于视觉与无线感知融合的多点微动智能监测方法，其特征在于：具体的标定方法包括：通过对摄像机进行内参标定,确定光学摄像头坐标系和像素坐标系之间的变换矩阵：其中，fx,fy,x0,y0这四个数即为光学摄像机的内部参数；然后根据摄像头和雷达的相对位置进行外参标定，确定雷达坐标系Pr和摄像头坐标系Pc之间的变换矩阵：/>其中，R是旋转矩阵，T是平移矩阵，确定R需要3个参数，确定T需要3个参数，共需6个参数，这六个参数即为摄像机外部参数；因为摄像头安装在雷达正上方，雷达坐标系原点到摄像头的垂直距离为h，摄像头斜向上安装俯角为θ，则有
8.根据权利要求6所述的一种基于视觉与无线感知融合的多点微动智能监测方法，其特征在于：通过标定参数进行坐标转换获取目标点雷达坐标信息的具体步骤包括：摄像头的投影矩阵M可以表示为摄像头c1与c2的投影矩阵分别是M1与M2,于是有
其中，(u1,v1,1)与(u2,v2,1)分别为P1与P2点在各自图像中的图像齐次坐标,(X,Y,Z,1)为P点在世界坐标系下的齐次坐标，将上述两式联合消去Zc1与Zc2得到关于X,Y,Z的四个线性方程：
由于空间点P是O1p1与O2p2的交点，它必然同时满足上述式子，可以联立这四个线性方程式，从而求出雷达坐标系下P点的坐标(X,Y,Z)。
9.根据权利要求8所述的一种基于视觉与无线感知融合的多点微动智能监测方法，其特征在于：雷达数据与摄像头数据的具体数据融合方式为：摄像头识别目标之后，对目标区域进行关键点提取，根据权利要求8所述，得到目标的雷达坐标系下的P点的坐标(X,Y,Z)，主控模块结合该点坐标对相控阵雷达照射角度调整，然后通过对雷达回波信号的分析，获取探测目标的自振频率，通过对振动频率进行自适应分析判断来得到是否存在异常振动，并将频率结果实时映射到相对应区域的摄像画面中，实现多目标的微动监测。
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