CN117156111A - 一种基于静止平台的广域光电成像系统的覆盖规划方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于静止平台的广域光电成像系统的覆盖规划方法涉及光电成像技术领域，解决了现有技术中冗余覆盖会导致AOI重访率降低、图像处理的压力增大、信息处理的实时性下降的技术问题。本发明利用光学系统的投影特性，以不同投影栅格之间的重叠覆盖最小为优化目标，生成了横滚框架角和俯仰框架角组成的覆盖规划集合；通过不规则投影栅格和圆形AOI的求交点方法，减少了冗余栅格的数量，进而提高了系统的扫描周期。
Description
技术领域
本发明涉及光电成像技术领域，更具体地，涉及一种基于静止平台的广域光电成像系统的覆盖规划方法。
背景技术
空中静止平台（如悬停无人机、系留无人机、系留气球等）具有滞空工作时间长、有效载重量大、可机动部署、维护成本低等突出优点。该平台可以搭载光电成像系统、雷达、通信设备等多种任务载荷，已被广泛应用于低空预警、边海防监测、地质灾害监控、警用执法等领域。
广域光电成像系统是一种高效获取时敏运动目标影像的光学遥感系统。通过在静止平台上搭载广域光电成像设备，可以对感兴趣区域（即Area of interest，以下简称“AOI”）提供一个长周期、鸟瞰视角、大范围、高分辨率、可追溯的信息监视和监视手段。
早期的广域光电成像系统的主要形式为相机阵列，即将很多个相机刚性连接、同时成像，但随着轻小型无人平台的发展，这种基于相机阵列原理的成像系统并不太符合SWAP（Size、Weight、and Power）装机需求。直觉上较为直观的覆盖规划方法是：令成像系统的横滚轴和俯仰轴以固定的视场角作为步进单位对AOI进行覆盖。这种方法的成像效果没有采用优化的策略，导致部分冗余无效的覆盖，如图1所示；根据透视几何原理，距离越远、投影栅格越大，而上述覆盖规划并没有充分利用这一点，导致边缘区域的重叠率过高。
发明内容
本发明目的是提供一种基于静止平台的广域光电成像系统的覆盖规划方法，解决了现有技术中冗余覆盖会导致AOI重访率降低、图像处理的压力增大、信息处理的实时性下降的技术问题。
本发明的技术方案：
一种基于静止平台的广域光电成像系统的覆盖规划方法，该方法包括如下步骤：
计算广域光电成像系统在感兴趣区域投影栅格数量的初值；
计算广域光电成像系统在感兴趣区域投影栅格的俯仰框架角集合；
计算广域光电成像系统在感兴趣区域投影栅格的横滚框架角集合；
计算广域光电成像系统在感兴趣区域投影栅格在世界坐标系中的角点坐标；
通过所述角点坐标优化覆盖规划集合的基数，实现一种基于静止平台的广域光电成像系统的覆盖规划方法。
优选的，所述计算广域光电成像系统在感兴趣区域投影栅格数量的初值包括如下步骤：
计算感兴趣区域对应的视场角；
计算感兴趣区域俯仰方向的投影栅格数量初值；
计算感兴趣区域横滚方向的投影栅格数量初值。
优选的，所述计算广域光电成像系统在感兴趣区域投影栅格的横滚框架角集合包括如下步骤：
计算广域光电成像系统对应的弓形半径，其中所述广域光电成像系统位于所述弓形的底面上，所述感兴趣区域位于圆心所在的水平面上；
计算广域光电成像系统在所述弓形对应的圆心角，得到在感兴趣区域投影栅格的横滚框架角集合。
优选的，所述通过所述角点坐标优化覆盖规划集合的基数包括如下步骤：
计算感兴趣区域的圆心到投影栅格所述角点坐标的线段所在直线的垂足；
计算感兴趣区域的圆心到投影栅格所述角点坐标的线段的最短距离；
判断感兴趣区域和投影栅格是否相交。
优选的，所述计算感兴趣区域的圆心到投影栅格所述角点坐标的线段所在直线的垂足包括如下步骤：
计算每个所述线段对应的向量Vk；
计算每个线段的法线向量Nk；
根据所述线段向量Vk和所述法线向量Nk计算感兴趣区域的圆心到投影栅格所述角点坐标的线段所在直线的垂足。
本发明的有益效果：
本发明一种基于静止平台的广域光电成像系统的覆盖规划方法利用光学系统的投影特性，以不同投影栅格之间的重叠覆盖最小为优化目标，生成了横滚框架角和俯仰框架角组成的覆盖规划集合；通过不规则投影栅格和圆形AOI的求交点方法，减少了冗余栅格的数量，进而提高了系统的扫描周期。
通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。
附图说明
被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且连同其说明一起用于解释本发明的原理。
图1为现有技术的成像效果。
图2为本发明一种基于静止平台的广域光电成像系统的覆盖规划方法的流程图。
图3根据AOI对应的视场角计算俯仰方向和横滚方向的栅格数量初值Nx和Ny示意图。
图4广域光电成像系统对应的弓形的示意图。
图5为本发明一种基于静止平台的广域光电成像系统的覆盖规划方法的成像效果图。
具体实施方式
现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。
以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。
如图2所示，一种基于静止平台的广域光电成像系统的覆盖规划方法，该方法包括如下步骤：
步骤一：计算广域光电成像系统在AOI投影栅格数量的初值。
计算AOI对应的视场角为：；其中，rAOI是AOI的半径，H是空中静止平台的相对航高。
计算AOI俯仰方向的栅格数量初值Ny为：；其中，θFOVy为成像系统在y方向的视场角；/>；其中，ny是成像系统在y方向的像素数量，b是像素尺寸，f是光学系统焦距。
计算AOI横滚方向的栅格数量初值Nx：，其中θFOVx为成像系统在x方向的视场角：/>；其中，nx是成像系统在x方向的像素数量，如图3所示。
步骤二：计算广域光电成像系统在AOI投影栅格的俯仰框架角集合。
令俯仰框架角的步进间隔为θFOVy，俯仰框架角的集合为：；其中，/>。
步骤三：计算广域光电成像系统在AOI投影栅格的横滚框架角集合。
如图4所示，计算广域光电成像系统对应的弓形半径，其中，所述广域光电成像系统位于所述弓形的底面上，所述AOI位于圆心所在的水平面上；
计算AOI投影栅格的纬度角：/>，
再计算成像系统对应的弓形半径：/>。
计算广域光电成像系统在所述弓形对应圆心角： />，其中i是步骤三中俯仰框架角的编号。横滚框架角的步进间隔是αi，得到在AOI投影栅格的横滚框架角集合：/>，其中/>，/>。
所述步骤二和所述步骤三得到的和/>组成了覆盖规划集合P，。
步骤四：计算覆盖规划集合P中每组对应的投影栅格在世界坐标系中的角点坐标。
令成像系统的4个角点在图像坐标系中的坐标集合为C：。通过投影共线方程计算投影栅格的角点在世界坐标系中的坐标(X,Y)：
；其中，/>。/>是主点，可通过标定得到。是成像系统中的光学系统投影中心在世界坐标系中的坐标，可以通过GPS设备获取。对于本发明来说，/>和/>为已知量。
R是世界坐标系到相机坐标系的旋转矩阵：。
步骤五：通过所述角点坐标优化覆盖规划集合的基数，实现一种基于静止平台的广域光电成像系统的覆盖规划方法。
计算AOI的圆心到投影栅格所述角点坐标的线段所在直线的垂足；
计算每个所述线段对应的向量Vk；所述步骤四中投影栅格的4个角点坐标集合为Ψ： ，
设线段的集合为Τ：，
每个线段对应的向量Vk为：，其中，mod(k,4)表示计算k对4的模。
计算每个线段的法线向量Nk，，
计算AOI圆心到投影栅格4个线段所在直线的垂足，，其中，Χk∈Ψ。Χc是AOI圆心在世界坐标系的坐标向量。根据所述线段向量Vk和所述法线向量Nk计算AOI的圆心到投影栅格所述角点坐标的线段所在直线的垂足。
计算AOI的圆心到投影栅格所述角点坐标的线段的最短距离；
首先判断垂足是否在线段Tk上；
令，其中“< >”表示内积，
令表示AOI圆心Xc到线段Tk的最短距离。
如果，则垂足/>不在线段Tk上，在线段两端中选择距离/>最近的点：；
计算AOI圆心到该点的距离Lk：；
如果，则垂足/>在线段Tk上， Lk为：/>；
判断AOI和投影栅格是否相交；
计算AOI圆心到投影栅格的最短距离：在AOI圆心到4个投影栅格线段的最短距离中再取最短的，就是AOI圆心到投影栅格的最短距离u：/>，如果/>，则判定AOI和投影栅格相交，并从Ρ中删除掉该栅格对应的框架角/>。
实施例：
设相机焦距长度为3333像素，探测器像素数量为640×480，航高为2000m，AOI的半径为1500m，用本方法得到的集合P对AOI投影的效果如图5所示。
虽然已经通过例子对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上例子仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本发明的范围由所附权利要求来限定。
Claims (5)
1.一种基于静止平台的广域光电成像系统的覆盖规划方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
计算广域光电成像系统在感兴趣区域投影栅格数量的初值；
计算广域光电成像系统在感兴趣区域投影栅格的俯仰框架角集合；
计算广域光电成像系统在感兴趣区域投影栅格的横滚框架角集合；
计算广域光电成像系统在感兴趣区域投影栅格在世界坐标系中的角点坐标；
通过所述角点坐标优化覆盖规划集合的基数，实现一种基于静止平台的广域光电成像系统的覆盖规划方法。
2.根据权利要求1所述的一种基于静止平台的广域光电成像系统的覆盖规划方法，其特征在于，所述计算广域光电成像系统在感兴趣区域投影栅格数量的初值包括如下步骤：
计算感兴趣区域对应的视场角；
计算感兴趣区域俯仰方向的投影栅格数量初值；
计算感兴趣区域横滚方向的投影栅格数量初值。
3.根据权利要求1所述的一种基于静止平台的广域光电成像系统的覆盖规划方法，其特征在于，所述计算广域光电成像系统在感兴趣区域投影栅格的横滚框架角集合包括如下步骤：
计算广域光电成像系统对应的弓形半径，其中所述广域光电成像系统位于所述弓形的底面上，所述感兴趣区域位于圆心所在的水平面上；
计算广域光电成像系统在所述弓形对应的圆心角，得到在感兴趣区域投影栅格的横滚框架角集合。
4.根据权利要求1所述的一种基于静止平台的广域光电成像系统的覆盖规划方法，其特征在于，所述通过所述角点坐标优化覆盖规划集合的基数包括如下步骤：
计算感兴趣区域的圆心到投影栅格所述角点坐标的线段所在直线的垂足；
计算感兴趣区域的圆心到投影栅格所述角点坐标的线段的最短距离；
判断感兴趣区域和投影栅格是否相交。
5.根据权利要求4所述的一种基于静止平台的广域光电成像系统的覆盖规划方法，其特征在于，所述计算感兴趣区域的圆心到投影栅格所述角点坐标的线段所在直线的垂足包括如下步骤：
计算每个所述线段对应的向量V k ；
计算每个线段的法线向量N k ；
根据所述线段向量V k 和所述法线向量N k 计算感兴趣区域的圆心到投影栅格所述角点坐标的线段所在直线的垂足。
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