基于运动估计自动抬层的红外搜索跟踪方法、设备及系统与流程

1.本发明属于红外热成像搜索跟踪系统，具体涉及一种基于运动估计自动抬层的红外搜索跟踪方法、设备及系统。


背景技术：

2.在当前对空红外搜索跟踪系统中，要实现对某个目标360度，时间间隔1秒全方位搜索告警，目前所采用的方法是通过手动控制伺服抬层，人为预估目标下一时刻的位置，提前将伺服俯仰角度抬到预估视场内。
3.当前技术存在一定的缺陷：当目标以速度超过100m/s迎头逼近过程中，俯仰角超过15度，目标俯仰方向以变加速度运动，通过人工预测实现俯仰上的步进抬层，无法准确控制将伺服抬到目标下一个时间间隔出现的视场内。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服现有技术之缺陷，提供了一种基于运动估计自动抬层的红外搜索跟踪方法、设备及系统，本发明通过拟合目标运动轨迹，实时在线修正目标预置俯仰角偏差，实现了对空条件下自动抬层方式的搜索技术，避免人为估计误差带来的影响。
5.本发明的技术方案是这样实现的：本发明公开了一种基于运动估计自动抬层的红外搜索跟踪方法，包括如下步骤：启动自动搜索流程；将空间中的场景以原始图像数据存储；处理原始图像数据，检测图像中的目标信息；将每次周扫检测到的相同目标关联到同一个管道中，记录该目标的历史信息；自动搜索抬层：接收到自动抬层命令后，提取人工选择的抬层目标，对对应管道中目标历史运动信息进行计算，预测目标下一检测时刻运动位置，计算得到目标预测俯仰角；根据目标预测俯仰角度，将探测器视场中心抬层对准预测俯仰角度。
6.进一步地，将空间中的场景以原始图像数据存储，具体包括：启动搜索流程后，伺服转台带动热像仪以设定角速度进行周扫，根据设定俯仰视场，每秒获取若干帧图像。
7.进一步地，处理原始图像数据，检测图像中的目标信息，具体包括：读取热成像模块中的图像数据，通过目标检测算法，检测计算当前帧目标在图像中的特征信息，并记录保存每个目标特征信息。
8.本发明的目标检测算法通过分析当前帧图像的极值点、灰度值、梯度等信息提取目标信息。
9.进一步地，将每次周扫检测到的相同目标关联到同一个管道中，记录该目标的历史信息，具体包括：计算全方位360度和设定俯仰角度空间中所有目标特征信息，将同一个目标的特征信息以时间为序列，关联在一个管道中。
10.进一步地，自动搜索抬层，具体包括如下流程：s1）接收到自动抬层命令后，提取人工选择的抬层目标，清空该目标对应的历史队列；s2）搜索目标，将每圈找到的相同目标按顺序放到该目标对应的队列中；s3）是否收到关闭抬层指令，若是，则结束抬层；若否，则判断队列中是否包含所需数量的目标运动信息，若否，则返回步骤s2），若是，则通过队列中的目标角度信息求解目标运动回归方程，由目标队列历史信息，预测目标下一圈出现的方位角，将预测方位角带入到线性回归方程中求解预测俯仰角；s4）将预测角度发给伺服抬层置对应俯仰角；s5）判断抬层角度是否超过限位，若是，则结束抬层，若否，则返回步骤s2）。
11.进一步地，所述目标运动回归方程采用最小二乘法预测目标运动模型。
12.本发明还公开了一种基于运动估计自动抬层的红外搜索跟踪设备，包括存储介质，所述存储介质用于存储程序；以及输入装置，所述输入装置用于接收人工输入的信息；以及处理器，所述处理器用于接收人工输入的信息并执行所述程序时实现上述的基于运动估计自动抬层的红外搜索跟踪方法的步骤。
13.本发明还公开了一种基于运动估计自动抬层的红外搜索跟踪系统，包括命令模块、热成像模块、目标检测模块、目标关联模块、运动估计模块、伺服执行模块，所述命令模块用于根据人工输入的信息发出自动抬层命令；所述热成像模块用于将空间中的场景以原始图像数据存储；所述目标检测模块用于处理原始图像数据，检测图像中的目标信息；所述目标关联模块用于将每次周扫检测到的相同目标关联到同一个管道中，记录该目标的历史信息；所述运动估计模块用于在接收到自动抬层命令后，提取人工选择的抬层目标，对对应管道中目标历史运动信息进行计算，预测目标下一检测时刻运动位置，计算得到目标预测俯仰角；所述伺服执行模块用于根据目标预测俯仰角度，将探测器视场中心抬层对准预测俯仰角度。
14.进一步地，所述目标检测模块用于读取热成像模块中的图像数据，通过目标检测算法，检测计算当前帧目标在图像中的特征信息，并记录保存每个目标特征信息。
15.进一步地，所述目标关联模块用于计算全方位360度和设定俯仰角度空间中所有目标特征信息，将同一个目标的特征信息以时间为序列，关联在一个管道中。
16.进一步地，所述运动估计模块用于搜索目标将每圈找到的相同目标按顺序放到队列中，若队列中包含三个及以上的目标运动信息，则根据队列中的目标角度信息求解目标运动回归方程，将预测方位角带入到线性回归方程中求解预测俯仰角。
17.本发明至少具有如下有益效果：1.考虑到本系统的计算压力，设置在自动抬层对应的目标出现的位置，计算目标运动回归方程，计算量小，节省了计算耗时，提供充足的时间给伺服转台响应预置俯仰角命令的时间。
18.2.当目标在空中变加速运动或者掉头情况下，每秒更新目标运动队列，判断目标运动状态，计算出目标运动的方位俯仰预置角度，不受目标运动状态变化影响。
19.3.本发明采用红外探测系统，被动接收目标释放能量波段，因此，能防止被对方探测到，隐蔽性较好。
20.4.采用本本发明自动抬层算法模型，能够较准确预测运动目标下一周期的角度位置，并通过电机驱动伺服转台对准预测位置空域，准确可靠。
附图说明
21.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
22.图1为本发明实施例提供的基于运动估计自动抬层的红外搜索跟踪方法的流程图；图2为本发明实施例提供的自动抬层算法流程图；图3为目标俯仰运动到7度测试效果示意图；图4为目标俯仰运动到16度测试效果示意图；图5为目标俯仰运动到26度测试效果示意图。
具体实施方式
23.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
24.在当前红外搜索系统中，针对高俯仰角快速的运动目标，需要人工参与手动抬层方法实现上下视场衔接搜索目标问题，提出了本发明，本发明通过拟合目标运动轨迹，实时在线修正目标预置俯仰角偏差，实现了对空条件下自动抬层方式的搜索技术。
25.当目标俯仰运动速度过快，手动抬层已无法准确预置俯仰角时，人工选择需要周扫自动抬层的目标管道，自动搜索抬层。
26.实施例一参见图1和图2，本发明实施例提供一种基于运动估计自动抬层的红外搜索跟踪方法，包括如下步骤：人工选择抬层目标，启动自动搜索流程；将空间中的场景以原始图像数据存储；处理原始图像数据，检测图像中的目标信息；将每次周扫检测到的相同目标关联到同一个管道中，记录该目标的历史信息。
27.自动搜索抬层：接收到自动抬层命令后，提取人工选择需要周扫自动抬层的目标管道信息，对管道中目标历史运动信息进行计算，预测目标下一检测时刻运动位置即目标下一圈运动位置（因为系统是1秒1圈，所以我们下次能看到目标就是下一圈，也可以写成下
1秒检测目标的时刻），计算得到目标预测俯仰角；根据目标预测俯仰角度，将探测器视场中心抬层对准预测俯仰角度。
28.进一步地，将空间中的场景以16位原始图像数据存储，具体包括：启动搜索流程后，伺服转台带动热像仪以设定角速度进行周扫，根据设定俯仰视场，每秒获取若干帧图像。如本实施例的伺服转台带动热像仪以角速度每秒360度进行周扫，俯仰视场为3度，每秒获取100帧方位3.6度和俯仰3度的图像，在热成像模块中，从探测器读出电路读出的场景模拟信号经ad转换后传送给数字信号处理芯片。
29.进一步地，处理原始图像数据，检测图像中的目标信息，具体包括：读取热成像模块中的16位图像数据，通过目标检测算法检测计算当前帧目标在图像中的特征信息，并记录保存每个目标特征信息。本发明的目标检测算法通过分析当前帧图像的极值点、灰度值、梯度等信息提取当前帧的目标信息。本发明的目标检测算法可以现有已知的目标检测算法。如本发明的目标检测算法可以采用双边滤波目标检测算法、显著性目标检测算法。
30.进一步地，将每次周扫检测到的相同目标关联到同一个管道即队列中，记录该目标的历史信息，具体包括：计算全方位360度和设定俯仰角度（如3.6度）空间中所有目标特征信息，将同一个目标的特征信息以时间为序列，关联在一个管道中。历史运动信息包括每秒/次（即每圈）检测到目标的方位角、俯仰角信息。
31.进一步地，如图2所示，自动搜索抬层具体包括如下流程：s1）收到自动抬层命令后，根据人工选择需要周扫自动抬层的目标管道信息，清空自动抬层管道历史队列；s2）搜索目标将每圈找到的相同目标按顺序放到队列中；s3）是否收到关闭抬层指令，若是，则结束抬层；若否，则判断队列中是否包含三个及以上的目标运动信息，若否，则返回步骤s2），若是，则通过队列中的目标角度信息求解目标运动回归方程，由目标队列历史信息，预测目标下一圈出现的方位角，将预测方位角带入到线性回归方程中求解预测俯仰角。
32.s4）将预测角度发给伺服抬层置对应俯仰角；s5）判断抬层角度是否超过限位，若是，则结束抬层，若否，则返回步骤s2）。
33.本发明通过预测的方位角x计算预测俯仰角y，其中方位角x每时每刻也在变化，其变化量比较小，方位角x也是预测的，而且周扫全方位是360度，一定在视场内看得见。
34.进一步地，由目标队列历史信息，预测目标下一圈出现的方位角，具体包括：预测目标下一圈出现的方位角的步进（变化量），目标下一圈出现的方位角的步进就是最新一帧的目标方位角减上一帧的目标方位角，将预测得到的步进（变化量）加上最新一帧的目标方位角作为目标下一圈出现的方位角。比如第2次检测到了目标，要计算目标第3帧的方位角，可以通过第2次检测到目标的方位角减去第1次检测到目标的方位角作为步进（变化量），将步进（变化量）加上第2次检测目标的方位角作为目标第3帧的方位角即预测方程式已知的方位角x。
35.进一步地，所述目标运动回归方程采用最小二乘法预测目标运动模型，求解预测俯仰角步骤如下：给定函数，在点x1,x2,x3,
…
,xn处的函数值y1,y2,y3,
…
,yn，求解多项
式，使得。线性回归中，目标是求取预测方程的系数~。其中，表示将带入到求解系数后的预测方程中对应的解，表示对应的真实解，目标使得误差min最小。为了求得符合条件的~的值，当期望是min=0时，则就是对求导，得到结果为k 1个等式：求导，得到结果为k 1个等式：
…
整理方程得到：把这些等式表示成矩阵形式，就可以得到下面矩阵：
依次求取多项式的系数：，，...，。
36.解出多项式系数后，将预测方位角带入到方程中，此时系数~已经求得，其中x表示预测方位角，带入回归方程就可以求得预测俯仰角。伺服模块收到预测方位和俯仰角度后，将搜索设备抬层到对应俯仰角完成自动抬层流程。
37.实施例二本发明实施例公开了一种基于运动估计自动抬层的红外搜索跟踪设备，包括存储介质，所述存储介质用于存储程序；以及输入装置，所述输入装置用于接收人工输入的信息，包括人工选择的抬层目标批号以及启动或关闭搜索指令；以及处理器，所述处理器用于接收人工输入的信息并执行所述程序时实现实施例一所述的基于运动估计自动抬层的红外搜索跟踪方法的步骤。当处理器接收到启动搜索指令，则启动搜索流程。启动搜索流程后，当处理器接收到关闭搜索指令，则结束搜索流程。
38.实施例三本发明实施例还公开了一种基于运动估计自动抬层的红外搜索跟踪系统，包括命令模块、热成像模块、目标检测模块、目标关联模块、运动估计模块、伺服执行模块，所述命令模块用于接收人工输入的信息，并根据人工输入的信息发出自动抬层命令；所述热成像模块用于将空间中的场景以原始图像数据存储；所述目标检测模块用于处理原始图像数据，检测图像中的目标信息；所述目标关联模块用于将每次周扫检测到的相同目标关联到同一个管道中，记录该目标的历史信息；所述运动估计模块用于在接收到自动抬层命令后，提取人工选择的抬层目标，对对应管道中目标历史运动信息进行计算，预测目标下一圈运动位置，计算得到目标预测俯仰角；所述伺服执行模块用于根据目标预测俯仰角度，将探测器视场中心抬层对准预测俯仰角度。
39.进一步地，所述目标检测模块用于读取热成像模块中的图像数据，通过目标检测算法，检测计算当前帧目标在图像中的特征信息，并记录保存每个目标特征信息。
40.进一步地，所述目标关联模块用于计算全方位360度和设定俯仰角度空间中所有目标特征信息，将同一个目标的特征信息以时间为序列，关联在一个管道中。在目标关联模块中，下1秒（1圈）检测目标的位置，以目标预测下一圈位置为中心，一个搜索半径r（例如100）内去关联目标。
41.进一步地，所述运动估计模块用于搜索目标将每圈找到的相同目标按顺序放到队列中，若队列中包含三个及以上的目标运动信息，则根据队列中的目标角度信息求解目标运动回归方程，将预测方位角带入到线性回归方程中求解预测俯仰角。
42.如图3所示为模拟目标以每秒200米的速度运动到7度附近状态，手动和自动抬层都能满足要求；如图4所示为模拟目标以每秒200米的速度运动到16度附近状态，白色预测
框在视场内，手动抬层每秒设置一次预置角，难以连续设置俯仰预置角将目标压在下一圈视场内；如图5所示为模拟目标以每秒200米的速度运动到26度附近状态，目标预测角已经不在当前视场，人工无法设置俯仰预置角将目标压在下一圈视场内。
43.本发明在当前红外搜索系统中，针对高俯仰角快速的运动目标，需要人工参与手动抬层方法实现上下视场衔接搜索目标问题，提出了一种基于运动估计自动抬层的红外搜索跟踪方法、系统，该系统通过拟合目标运动轨迹，实时在线修正目标预置俯仰角偏差，实现了无人工参与情况下，全方位360度周扫自动预测俯仰角，实现自动抬层。
44.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。