一种动物锥形探测器自动调节方法、系统及装置与流程

本技术属于动物活动监测，具体是一种动物锥形探测器自动调节方法、系统及装置。

背景技术：

1、锥形探测器以其透镜始点为顶点、按预设半顶角向前散发形成圆锥形探测区域，探测器敏感度在视野锥形范围的中轴方向最强，在边缘则会减少。在动物活动监测场景中，动物目标处于持续动态变化状态，其空间位置、运动行为及体表热辐射特征均随时间演化。然而，由于锥形视场边缘灵敏度衰减显著，且动物行为具有突发跳动与个体差异，使得传统的固定角度探测或单一几何对准策略无法适配动物的动态行为特征及热学特性。这导致探测器在跟踪过程中易出现调节滞后、目标丢失或误判率高的问题，难以兼顾几何覆盖、信号稳定性与动物动态行为自适应。因此，亟需一种能够根据动物目标在锥形视场中的实时覆盖状态，结合其行为活跃度与热惯量特征，对探测器姿态角及半顶角进行自适应闭环调节的方法，以实现对动物目标的稳定、高效、智能化跟随监测，这对提升动物行为学研究、宠物监护及野生动植物保护等领域的监测数据准确性与可靠性具有重要意义。

2、现有技术由于多采用固定角度或仅依据几何方位与信号强度进行调节，使得调节策略无法适配动物动态行为及热学特征，导致跟踪滞后、误判率高且调节不稳定；因此对于动物锥形探测器自动调节方法仍需进一步的改进。

技术实现思路

1、本技术旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一；为此，本技术提出了一种动物锥形探测器自动调节方法、系统及装置，用于解决现有技术由于多采用固定角度或仅依据几何方位与信号强度进行调节，使得调节策略无法适配动物动态行为及热学特征，导致跟踪滞后、误判率高且调节不稳定的技术问题。

2、为实现上述目的，本技术的第一方面提供了一种动物锥形探测器自动调节方法，包括：

3、获取探测器参数和检测数据；所述探测器参数包括半顶角；所述检测数据通过锥形探测器以透镜始点为顶点、以半顶角进行采集；所述检测数据包括红外热辐射信号序列、环境温度、探测器安装姿态角和动物目标在锥面坐标系下的方位；

4、基于检测数据生成动物目标在锥形视场内的覆盖因子；

5、基于覆盖因子构建调节目标函数；

6、对调节目标函数进行求解得到参数调节量；

7、通过参数调节量对探测器进行调节实现动物锥形探测器自动调节。

8、本技术通过基于检测数据生成动物目标在锥形视场内的覆盖因子；基于覆盖因子构建调节目标函数；对调节目标函数进行求解得到参数调节量，通过生成覆盖因子，将锥形视场灵敏度分布的非均匀性纳入量化模型，为调节提供符合物理实质的反馈，降低边缘误判；基于覆盖因子构建调节目标函数并对其进行求解，使调节决策能适配动物动态行为特征，减少跟踪滞后，有效解决了跟踪滞后、误判率高且调节不稳定的问题。

9、进一步的，所述基于检测数据生成动物目标在锥形视场内的覆盖因子，包括：

10、提取检测数据；

11、利用检测数据中动物目标在锥面坐标系下的方位反演真实空间距离；所述真实空间距离，满足：

12、；其中，i表示为采样帧编号，表示为探测器安装高度；表示为半顶角；表示为归一化径向距离，反映目标离锥轴的距离占比；表示为目标方位角；归一化径向距离和目标方位角组成了动物目标在锥面坐标系下的方位；

13、计算真实空间中的投影坐标：

14、；

15、；其中，构成以透镜始点为原点的极-直角坐标系混合表示，表示为动物目标在第i采样帧的真实空间位置；是动物目标在水平面的投影坐标；

16、建立锥形视场的空间灵敏度分布函数；

17、计算动物目标在锥面坐标系中的角宽度；所述角宽度由动物体长和真实空间距离决定，满足：

18、；其中，表示为动物体长；表示为角宽度；

19、计算目标区域与锥面灵敏度的重叠积分；所述重叠积分满足：

20、；其中，；表示为动物体宽对应的径向扩展；

21、计算锥面的总灵敏度；所述总灵敏度满足：

22、；

23、通过重叠积分与总灵敏度进行比值运算得到归一化的覆盖因子。

24、进一步的，所述空间灵敏度分布函数，满足：

25、；其中，表示为空间灵敏度分布函数；表示为径向衰减系数；表示为锥形视场在目标方位角处的径向边界，；表示为方位聚焦指数。

26、本技术通过利用锥面坐标系下的方位信息，结合探测器安装高度与半顶角，通过非线性映射关系反演真实空间距离，并进一步计算水平面投影坐标，从而建立锥面坐标与真实空间位置之间的精确几何关联；在此基础上，建立锥形视场的空间灵敏度分布函数，通过径向指数衰减项、方位余弦聚焦项与半顶角归一化项的乘积耦合，刻画了红外探测器锥形视野中中间最亮、边缘变弱且偏离中轴时探测能力按余弦规律衰减的非均匀物理特性，通过二重积分分别求得目标区域与锥面灵敏度的重叠积分以及锥面总灵敏度，二者比值即得归一化覆盖因子；通过非线性几何反演与二重积分比值计算，将锥形视场灵敏度分布的非均匀性纳入量化模型，使得覆盖因子能够真实反映动物目标在锥形视场中被有效探测的程度，克服了现有技术仅依据几何方位与信号强度进行调节时而导致的边缘区域误判与漏判问题；空间灵敏度分布函数中径向衰减系数、方位聚焦指数与半顶角的耦合建模，使覆盖因子计算能够自适应不同探测几何与光学参数，提升了对探测器个体差异与安装环境的适应能力；归一化覆盖因子作为连续量而非二值逻辑判断，为后续调节目标函数的构建提供了高信息量的状态反馈，从源头上减少了跟踪滞后现象，提升了调节的稳定性与鲁棒性，能够有效适配动物目标的动态行为特征。

27、进一步的，所述基于覆盖因子构建调节目标函数，包括：

28、提取若干检测帧对应的覆盖因子，组成覆盖因子序列；

29、对覆盖因子序列进行时序处理计算动态活跃度；

30、提取红外热辐射信号序列；

31、建立探测器热平衡方程；所述探测器热平衡方程满足：

32、；其中，表示为探测器热容，为热导，为温升，为吸收效率，为第i检测帧的红外热辐射信号；

33、构造动物目标的热响应模型；所述热响应模型满足：

34、；其中，表示为采样帧时间间隔；表示为动物目标在当前环境条件下的目标热辐射强度；表示为反演热时间常数；

35、构造残差函数并对其最小化，通过牛顿迭代法对所述残差函数进行求解得到反演热时间常数；

36、利用反演热时间常数计算热惯量特征；所述热惯量特征满足：

37、；表示为环境温度；表示为动物目标体温；表示为物种参考体温；表示为动物名称，表示为动物名称对应的参考热时间常数；

38、基于动态活跃度和热惯量特征生成调节目标函数。

39、进一步的，所述对覆盖因子序列进行时序处理计算动态活跃度，包括：

40、提取覆盖因子序列；

41、计算覆盖因子序列的一阶差分序列和二阶差分序列；

42、构建动态活跃度；所述动态活跃度满足：

43、；其中，i表示为检测帧对应的编号；表示为时间衰减权重，满足，n为检测帧的总数，表示为时间衰减常数，∈(0，1)；表示为第i个检测帧对应的一阶差分；表示为第i个检测帧对应的二阶差分；表示为极小值常数；表示为乘性耦合算子。

44、进一步的，所述残差函数，满足：

45、；其中，为第i检测帧的红外热辐射信号；表示为采样帧时间间隔；表示为动物目标在当前环境条件下的目标热辐射强度；表示为反演热时间常数；表示为残差函数。

46、进一步的，所述基于动态活跃度和热惯量特征生成调节目标函数，包括：

47、对动态活跃度和热惯量特征分别构造其对应的匹配项；所述匹配项包括活跃度匹配项和热惯量匹配项；

48、所述活跃度匹配项，满足：

49、；其中，表示为物种参考活跃度；表示为活跃度容忍带宽；

50、所述热惯量匹配项，满足：

51、；其中，表示为物种参考热惯量；表示为sigmoid陡峭系数；

52、构造调节代价项；所述调节代价项，满足：

53、；其中，、和表示为调节权重因子；表示为探测器安装姿态角，表示为探测器安装姿态角的调节量，表示为半顶角的调节量；

54、基于活跃度匹配项、热惯量匹配项和调节代价项构造乘性耦合的调节目标函数；所述调节目标函数，满足：

55、；其中，表示为乘性耦合算子。

56、本技术通过覆盖因子序列，计算其一阶差分与二阶差分，引入时间衰减权重，通过乘性耦合算子构建动态活跃度，使其同时编码动物行为的变化幅度与突变剧烈程度，从而敏锐捕捉奔跑、惊跳等突发行为；同时，提取红外热辐射信号序列，基于探测器热平衡方程构造动物目标的热响应模型，通过牛顿迭代法对残差函数最小化，反演热时间常数，并结合物种参考值与环境温度归一化得到热惯量特征；在此基础上，构造活跃度匹配项、热惯量匹配项与调节代价项，通过乘性耦合形成调节目标函数；动态活跃度通过一阶与二阶差分的乘性耦合，使系统对动物行为的突变具有预判能力，从源头减少跟踪滞后；热惯量特征的反演将热力学维度纳入调节，使探测器能够适配不同物种、不同环境温度下的热学特性，降低误判率；乘性耦合的目标函数形成瓶颈效应，迫使活跃度匹配、热惯量匹配与调节代价三者同时最优，避免了传统加权求和中各项相互妥协导致的调节漂移，提升调节的稳定性与鲁棒性。

57、进一步的，所述对调节目标函数进行求解得到参数调节量，包括：

58、提取调节目标函数、当前探测器的姿态参数向量和物理边界约束；所述姿态参数向量由当前的探测器安装姿态角和半顶角组成；所述物理边界约束包括偏航角安全范围、俯仰角安全范围和半顶角安全范围；

59、定义迭代索引k；

60、在第k次迭代时对应的姿态参数向量处计算调节目标函数的梯度；

61、引入barzilai-borwein自适应步长生成试探姿态修正量；

62、针对边界物理约束构建可行域投影算子；所述可行域投影算子是将试探姿态修正量截断到安全范围内；

63、通过当前的姿态参数向量与试探姿态修正量进行求和计算得到修正姿态参数向量，并将所述修正姿态参数向量通过可行域投影算子进行处理得到合法姿态修正量；

64、将所述合法修正量应用到当前的姿态参数向量中得到新姿态参数向量；

65、将新姿态参数向量代入至调节目标函数中得到函数值，计算姿态参数向量与新姿态参数向量对应的函数值之间的差值绝对值；

66、当差值绝对值小于收敛阈值或迭代索引小于最大迭代次数时，将参数调节量设置为；表示为未经过迭代时的姿态参数向量；

67、否则，迭代索引进行加一操作，并将新姿态参数向量作为下一次迭代时的姿态参数向量。

68、本技术在第k次迭代处计算梯度，引入barzilai-borwein自适应步长生成试探修正量，随后针对偏航角安全范围、俯仰角安全范围和半顶角安全范围构建可行域投影算子，将试探修正量截断至安全范围内，确保求解结果始终处于机械与光学可行域；合法修正量累加至当前姿态得到新参数向量，计算相邻两次函数值之差，当差值绝对值小于收敛阈值或达到最大迭代次数时输出最终调节量，否则继续迭代；投影算子硬性嵌入物理约束，防止驱动机构超限损坏；收敛判据配合最大迭代次数，保证求解精度与实时性，使输出调节量既最优又合法，提升了调节的稳定性与工程部署可靠性。

69、本技术的第二方面提供了一种动物锥形探测器自动调节系统，包括：数据采集模块和数据分析模块；所述数据采集模块和所述数据分析模块相连；

70、所述数据采集模块：通过数据采集设备获取探测器参数和检测数据；所述探测器参数包括半顶角；所述检测数据通过锥形探测器以透镜始点为顶点、以半顶角进行采集；所述检测数据包括红外热辐射信号序列、环境温度、探测器安装姿态角和动物目标在锥面坐标系下的方位；

71、所述数据分析模块包括函数构建单元、结果生成单元和动态调节单元；

72、所述函数构建单元：基于检测数据生成动物目标在锥形视场内的覆盖因子；基于覆盖因子构建调节目标函数；

73、所述结果生成单元：对调节目标函数进行求解得到参数调节量；

74、所述动态调节单元：通过参数调节量对探测器进行调节实现动物锥形探测器自动调节。

75、本技术的另一方面提供了一种动物锥形探测器自动调节装置，包括：处理器和存储介质；存储介质包括指令，处理器用于运行指令，以实现如第一方面和第一方面的任一种可能的实现方式中所描述的方法；所述一种动物锥形探测器自动调节装置可以是电子设备，也可以是电子设备中的芯片。

76、与现有技术相比，本技术的有益效果是：

77、1、本技术通过基于检测数据生成动物目标在锥形视场内的覆盖因子；基于覆盖因子构建调节目标函数；对调节目标函数进行求解得到参数调节量，通过生成覆盖因子，将锥形视场灵敏度分布的非均匀性纳入量化模型，为调节提供符合物理实质的反馈，降低边缘误判；基于覆盖因子构建调节目标函数并对其进行求解，使调节决策能适配动物动态行为特征，减少跟踪滞后，有效解决了跟踪滞后、误判率高且调节不稳定的问题。

78、2、本技术通过利用锥面坐标系下的方位信息，结合探测器安装高度与半顶角，通过非线性映射关系反演真实空间距离，并进一步计算水平面投影坐标，从而建立锥面坐标与真实空间位置之间的精确几何关联；在此基础上，建立锥形视场的空间灵敏度分布函数，通过径向指数衰减项、方位余弦聚焦项与半顶角归一化项的乘积耦合，刻画了红外探测器锥形视野中中间最亮、边缘变弱且偏离中轴时探测能力按余弦规律衰减的非均匀物理特性，通过二重积分分别求得目标区域与锥面灵敏度的重叠积分以及锥面总灵敏度，二者比值即得归一化覆盖因子；通过非线性几何反演与二重积分比值计算，将锥形视场灵敏度分布的非均匀性纳入量化模型，使得覆盖因子能够真实反映动物目标在锥形视场中被有效探测的程度，克服了现有技术仅依据几何方位与信号强度进行调节时而导致的边缘区域误判与漏判问题；空间灵敏度分布函数中径向衰减系数、方位聚焦指数与半顶角的耦合建模，使覆盖因子计算能够自适应不同探测几何与光学参数，提升了对探测器个体差异与安装环境的适应能力；归一化覆盖因子作为连续量而非二值逻辑判断，为后续调节目标函数的构建提供了高信息量的状态反馈，从源头上减少了跟踪滞后现象，提升了调节的稳定性与鲁棒性，能够有效适配动物目标的动态行为特征。

79、3、本技术通过覆盖因子序列，计算其一阶差分与二阶差分，引入时间衰减权重，通过乘性耦合算子构建动态活跃度，使其同时编码动物行为的变化幅度与突变剧烈程度，从而敏锐捕捉奔跑、惊跳等突发行为；同时，提取红外热辐射信号序列，基于探测器热平衡方程构造动物目标的热响应模型，通过牛顿迭代法对残差函数最小化，反演热时间常数，并结合物种参考值与环境温度归一化得到热惯量特征；在此基础上，构造活跃度匹配项、热惯量匹配项与调节代价项，通过乘性耦合形成调节目标函数；动态活跃度通过一阶与二阶差分的乘性耦合，使系统对动物行为的突变具有预判能力，从源头减少跟踪滞后；热惯量特征的反演将热力学维度纳入调节，使探测器能够适配不同物种、不同环境温度下的热学特性，降低误判率；乘性耦合的目标函数形成瓶颈效应，迫使活跃度匹配、热惯量匹配与调节代价三者同时最优，避免了传统加权求和中各项相互妥协导致的调节漂移，提升调节的稳定性与鲁棒性。

80、4、本技术在第k次迭代处计算梯度，引入barzilai-borwein自适应步长生成试探修正量，随后针对偏航角安全范围、俯仰角安全范围和半顶角安全范围构建可行域投影算子，将试探修正量截断至安全范围内，确保求解结果始终处于机械与光学可行域；合法修正量累加至当前姿态得到新参数向量，计算相邻两次函数值之差，当差值绝对值小于收敛阈值或达到最大迭代次数时输出最终调节量，否则继续迭代；投影算子硬性嵌入物理约束，防止驱动机构超限损坏；收敛判据配合最大迭代次数，保证求解精度与实时性，使输出调节量既最优又合法，提升了调节的稳定性与工程部署可靠性。