一种基于多模板的红外成像导引头捕获跟踪目标方法与流程

1.本发明属于无人机技术领域，更具体地，涉及一种基于多模板的红外成像导引头捕获跟踪目标方法。


背景技术：

2.红外成像导引头是利用目标场景红外辐射进行成像，实现自动捕获和跟踪地面固定/移动目标，同时将目标视线角速度信号和导引头框架角信号提供给导弹自动驾驶仪，实现导弹自动导引直至命中目标。在满足战技指标的前提下，具备低成本、夜间使用、发射后不管等特点，能够实现对舰船、车辆、坦克、建筑物群、军事阵地等目标进行精确打击功能。
3.红外成像也有缺点，由于红外波长较可见光长，相同入瞳直径下，光学成像系统分辨率低于可见光，而且同样成本下红外探测器的像素低于可见光探测器，导致红外图像清晰度明显低于可见光成像。成像清晰度差，像素低导致红外探测器对目标的探测距离较短。目前红外导引头捕获方式目前大致有三种：模板匹配、人在回路和智能识别。三种方式各自有各自的优势，但是劣势也显而易见。
4.人在回路捕获模式是红外导引头最常用的捕获跟踪目标的方式。在导弹飞行过程中，通过链路将红外图像实时传回地面工作站，操作人员控制摇杆移动光标，点击目标，然后点击位置信息传回导引头完成对目标的捕获。此种方法命中精度完全依赖于操作人员，不同人的反应能力的差异和心理素质的差异会影响导弹命中情况。另外，此种方式需要装配弹载数据链将图像回传，无人机发射模式还需要装配机载数据链作为中继配合图像回传，而且为适应此种作战方式，机载火控系统和地面站软件系统需要修改，导致现有成熟作战体系增加很多改动工作量。
5.通常，模板匹配捕获方式拍摄一幅模板装订，捕获时刻将实时图像与模板进行比对，比对成功后完成对目标的捕获跟踪，此种方式匹配一次的成功概率较低；若匹配成功后，导弹飞抵目标的过程中，跟踪点会发生漂移，脱靶量较大。
6.智能识别捕获模式是通过将多种典型目标对导引头进行深度学习与训练，导弹在飞行过程中可直接捕获目标，不依赖于飞机的机载设备，可实现发射后不管。但是对于车辆和坦克这种小目标来说，这种方式使得导引头作用距离在1.5km以内，对于远射程弹道，对于中制导的精度要求非常高，从而保证识别时刻目标在导引头视场范围内。
7.综上所述，目前红外成像导引头在使用方式以及捕获跟踪模式并没有很好的解决方案来提高捕获概率和捕获作用距离，导致红外成像导弹在没有更广泛的应用到实际战场。


技术实现要素：

8.本发明的目的针对现有技术中存在的问题，提供一种红外成像导引头捕获跟踪目标方法，采用给导引头装订多个模板以及每个模板对应的参数、作战场景和作战对象，飞行过程中导引头通过多模板对目标进行捕获和跟踪点修正，弹道末段通过智能识别捕获跟踪
目标直至命中目标。解决了单一模板匹配跟踪点漂移量过大的问题，实现了红外导弹发射后不管的作战方式，提高了红外成像导引头全自主捕获目标的概率和跟踪目标的稳定性，此种捕获跟踪目标的方法易实现、可操作性强、方便且成本低。
9.为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
10.一种红外成像导引头捕获跟踪目标方法，应用于无人机平台发射空地导弹，所述方法包括：
11.步骤s1，导弹发射前，光电吊舱将拍摄多幅模板并将多幅模板依次装订至导引头，同时火控系统将所述模板对应的参数、作战场景和作战对象装订至导引头；
12.步骤s2，导弹发射后，导引头依次根据每幅所述模板的视场范围对目标进行模板匹配，获取捕获点并对该捕获点进行迭代跟踪；
13.步骤s3，所述模板匹配完成后导引头持续对目标进行智能识别捕获直至识别成功后进入跟踪状态；
14.步骤s4，导引头保持跟踪状态，直至命中目标。
15.优选的，所述步骤s1具体包括：
16.步骤s11，根据弹目距离确定每幅模板的捕获位置，根据所述捕获位置和无人机吊舱的拍摄位置，确定每幅所述模板对应的无人机吊舱的拍摄视场角，其中，所述拍摄视场角包括偏航视场角和俯仰视场角；
17.步骤s12，根据所述捕获位置处的光电吊舱的偏航视场角、像素数和像元尺寸计算得出对应所述捕获位置处的拍摄焦距；
18.步骤s13，光电吊舱根据所述拍摄焦距对目标进行拍摄，并将所述模板依次装订至导引头，根据所述捕获位置距离目标由远及近的顺序重复所述步骤s12和所述步骤s13直至模板装订完成；
19.步骤s14，火控系统通过弹载飞控系统将作战环境与作战对象装订至导引头。
20.优选的，通过下述公式计算得出对应所述捕获位置处的拍摄焦距：
[0021][0022]
其中，f为所述拍摄焦距、α为所述偏航视场角、n为所述像素数，a为所述像元尺寸。
[0023]
优选的，所述步骤s13还包括：光电吊舱每传输一幅所述模板时触发火控系统将传输的模板对应的参数传递至弹载飞控系统，所述弹载飞控系统将所述参数装订至导引头，其中，所述参数包括偏航视场角和俯仰视场角。
[0024]
优选的，所述步骤s2具体包括：
[0025]
步骤s21，导弹飞行至所述捕获位置时，将所述捕获位置处的实时图像与所述模板进行匹配；
[0026]
若匹配成功，则导引头以新的捕获点为跟踪点进行跟踪；
[0027]
若匹配不成功，则导弹保持原有跟踪状态或惯性飞行状态；
[0028]
重复所述步骤s21直至所有所述模板完成匹配。
[0029]
优选的，所述步骤s21中，将所述捕获位置处的实时图像与所述模板进行匹配之前，还包括：弹载飞控系统实时向导引头传输导弹的实时位置坐标、导弹姿态、弹体角速度、飞行速度，以用于对所述模板进行变换后完成模板匹配。
[0030]
优选的，所述步骤s3具体包括：
[0031]
s31，导弹飞行至智能识别作用距离内导引头开启智能识别模式；
[0032]
s32，导引头根据作战环境和作战对象在最后一个跟踪点附近以预设的像素数对跟踪点进行截取并识别；
[0033]
若识别成功，则智能识别模式切换至智能跟踪模式，完成弹道末段对目标的跟踪；
[0034]
若识别不成功，则扩大截取的像素数并重复所述步骤s32直至识别成功。
[0035]
优选的，光电吊舱确保光电吊舱拍摄的每幅所述模板的视场范围与导引头进行模板匹配时刻的视场范围一致。
[0036]
优选的，根据所述弹目距离预设模板的拍摄数量设为4个，以及根据所述弹目距离确定每幅模板的捕获位置分别设为3.5km、3km、2.5km、2km。
[0037]
优选的，所述智能识别作用距离设为1.5km。
[0038]
本发明的技术方案的有益效果在于：
[0039]
本发明的方法采用给导引头装订多个模板以及每个模板对应的参数、作战场景和作战对象，飞行过程中导引头通过多模板装订对目标进行捕获和对跟踪点进行多次修正，弹道末段通过智能识别捕获跟踪目标直至命中目标。解决了单一模板匹配跟踪点漂移量过大的问题，实现了红外导弹发射后不管的作战方式，提高了红外成像导引头全自主捕获目标的概率和跟踪目标的稳定性，此种捕获跟踪目标的方法易实现、可操作性强、方便且成本低。
[0040]
进一步地，本发明根据目标作用距离对目标进行多次模板匹配，以此来修正跟踪过程中带来的飘移，确保跟踪目标的准确性。为导弹飞行提供保障，保证导弹在较远距离完成对目标的捕获和跟踪，缓解惯性制导精度不足的缺点，为后续的智能识别减轻压力。
[0041]
进一步地，相比人在回路捕获模式，本发明省去人在回路捕获模式中的弹载图像数据链和机载图像数据链以及地面工作站的人在回路点选系统，使整体作战系统和作战流程更加简化且高效。
[0042]
进一步地，本发明将多模板匹配和智能识别两种模式有机的结合在一起，充分发挥了各自优势，弥补了对方的缺点，进一步提高了红外成像导引头全自主捕获目标的概率和跟踪目标的稳定性。
附图说明
[0043]
通过结合附图对本发明示例性实施方式进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。
[0044]
图1示出了本发明的一种红外成像导引头捕获跟踪目标方法的流程示意图；
[0045]
图2示出了本发明的一种红外成像导引头捕获跟踪目标方法的步骤s1的流程示意图；
[0046]
图3示出了本发明的一种红外成像导引头捕获跟踪目标方法的步骤s2的流程示意图；
[0047]
图4示出了本发明的一种红外成像导引头捕获跟踪目标方法的步骤s3的流程示意图；
[0048]
图5示出了本发明的一种红外成像导引头捕获跟踪目标方法的实施例的详细流程示意图；
[0049]
图6示出了本发明的一种红外成像导引头捕获跟踪目标方法中各系统之间工作关系图；
[0050]
图7示出了本发明的一种红外成像导引头捕获跟踪目标方法的模板装订与参数装订示意图。
具体实施方式
[0051]
下面将更详细地描述本发明的优选实施方式。虽然以下描述了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。
[0052]
参照图1所示，本发明提供一种红外成像导引头捕获跟踪目标方法，应用于无人机平台发射空地导弹，该方法包括：
[0053]
步骤s1，导弹发射前，光电吊舱将拍摄多幅模板并将多幅模板依次装订至导引头，同时火控系统将所述模板对应的参数、作战场景和作战对象装订至导引头；
[0054]
步骤s2，导弹发射后，导引头依次根据每幅模板的视场范围对目标进行模板匹配，获取捕获点并对该捕获点进行迭代跟踪；
[0055]
步骤s3，模板匹配完成后导引头持续对目标进行智能识别捕获直至识别成功后进入跟踪状态；
[0056]
步骤s4，导引头保持跟踪状态，直至命中目标。
[0057]
具体的，本方法是基于无人机平台发射的空地导弹，无人机和导弹之间的工作关系如图6所示，无人机包括火控系统和光电吊舱，导弹包括飞控系统和导引头，其导引头具有红外成像功能。导弹发射前，光电吊舱拍摄多幅模板依次传输给导引头；火控系统将多幅模板对应的参数以及作战场景和作战对象通过弹载飞控系统传递至红外成像导引头。因此发射前需要规划拍摄模板的数量、对应模板匹配的捕获位置，从而计算出每张模板的拍摄焦距。本方法采用多模板匹配捕获目标的方式，将多个模板装订至导引头，导引头依次根据每幅模板的视场范围对目标进行模板匹配，获取捕获点并对该捕获点进行迭代跟踪，可多次对跟踪点进行修正，解决了单一模板匹配跟踪点漂移量过大的问题。导弹飞行至智能识别作用距离内根据预设的作战场景和作战对象类型，导引头持续对目标进行智能识别捕获直至识别成功后进入跟踪状态，最后导引头保持跟踪状态，直至命中目标。提高了红外成像导引头全自主捕获目标的概率和跟踪目标的稳定性，相较于其他捕获模式，此种捕获跟踪目标的方法易实现、可操作性强、方便且成本低。
[0058]
一种优选的示例，参照图2所示，步骤s1具体包括：
[0059]
步骤s11，根据弹目距离确定每幅模板的捕获位置，根据捕获位置和无人机吊舱的拍摄位置，确定每幅模板对应的无人机吊舱的拍摄视场角，其中，拍摄视场角包括偏航视场角和俯仰视场角；
[0060]
步骤s12，根据捕获位置处的光电吊舱的偏航视场角、像素数和像元尺寸计算得出对应捕获位置处的拍摄焦距；
[0061]
步骤s13，光电吊舱根据拍摄焦距对目标进行拍摄，并将模板依次装订至导引头，根据捕获位置距离目标由远及近的顺序重复步骤s12和步骤s13直至模板装订完成；
[0062]
步骤s14，火控系统2通过弹载飞控系统将作战环境与作战对象装订至导引头。
[0063]
一种优选的示例，通过下述公式(1)计算得出对应捕获位置处的拍摄焦距：
[0064][0065]
其中，f为拍摄焦距、α为偏航视场角、n为像素数，a为像元尺寸。
[0066]
具体的，4公里以内通常是模板匹配模式的作用距离，本方法设定拍摄4张模板，4张模板导引头的捕获位置距目标的由远及近分别为3.5km、3km、2.5km、2km，若目标尺寸为6米*6米，无人机在弹目距离为8km时拍摄模板，导引头视场范围偏航方向4
°
，俯仰范围4
°
，红外探测器像元尺寸15um，像素值640(偏航)*512(俯仰)，则无人机位于8km拍摄3.5km处的模板视场范围1.75
°
*1.75
°
，公式(1)f中为光电吊舱拍摄焦距、α为光电吊舱偏航视场角、n为像素数，a为像元尺寸，根据公式(1)可知拍摄焦距f＝313mm。
[0067]
同理，3公里处拍摄焦距为358mm，2.5公里处拍摄焦距为440mm，2公里处拍摄焦距为552mm。火控系统自动计算好拍摄模板的焦距，传输给光电吊舱，光电吊舱对目标进行拍摄，将模板按顺序传输给导引头。模板及参数装订完毕后，火控系统通过飞控系统将作战环境与作战对象装订至导引头，便于弹道末段智能识别捕获跟踪目标。
[0068]
一种优选的示例，步骤s13还包括：光电吊舱每传输一幅模板时触发火控系统将传输的模板对应的参数传递至弹载飞控系统，弹载飞控系统将参数装订至导引头，其中，参数包括偏航视场角和俯仰视场角。
[0069]
具体的，光电吊舱每传输一幅模板，同时触发火控系统将对应模板拍摄的参数，比如偏航视场角和俯仰视场角等视线角度信息发送至导引头，保证模板和其对应的参数同步传输至导引头，保证模板数据的同步性和完整性，便于捕获时刻导引头对模板进行旋转变换，提高模板匹配效率。
[0070]
一种优选的示例，参照图3所示，步骤s2具体包括：
[0071]
步骤s21，导弹飞行至捕获位置时，将捕获位置处的实时图像与模板进行匹配；
[0072]
若匹配成功，则导引头以新的捕获点为跟踪点进行跟踪；
[0073]
若匹配不成功，则导弹保持原有跟踪状态或惯性飞行状态；
[0074]
重复步骤s21直至所有模板完成匹配。
[0075]
具体的，导弹发射后，前期通过惯性制导，导引头处于电锁状态。如图5所示，导弹飞行至3.5km时，导引头框架响应弹载飞控系统的预置角度，开始进行首次模板匹配，导引头内部算法通过弹载飞控系统实时向导引头传输的导弹实时位置坐标、导弹姿态、弹体角速度、飞行速度等实时信息对模板进行变换，将实时图像与模板进行比对，若匹配成功，则导引头对捕获位置进行跟踪，若匹配不成功，则导弹保持惯性飞行，导引头处于预置状态。
[0076]
导弹飞行至3km处，保持之前飞行状态不变的情况下，同时进行模板匹配，若匹配成功，则以新的捕获点作为跟踪点，若匹配不成功，则保持原来的跟踪或飞行状态。导弹飞行至2.5km、2km同上所述，保持之前飞行状态不变的情况下，同时进行模板匹配，若匹配成功，则以新的捕获点修正原来的跟踪点进行迭代跟踪，若匹配不成功，则保持原来的跟踪或飞行状态，继续对捕获点进行跟踪，相较于单一模板匹配模式，解决了跟踪点漂移量过大导
致脱靶的问题，提高了命中精度；相较于人在回路捕获模式，省去人在回路模式中的弹载图像数据链和机载图像数据链以及地面工作站的人在回路点选系统，使整体作战系统和作战流程更加简化且高效。
[0077]
一种优选的示例，步骤s21中，将捕获位置处的实时图像与模板进行匹配之前，还包括：弹载飞控系统实时向导引头传输导弹的实时位置坐标、导弹姿态、弹体角速度、飞行速度，以用于对模板进行变换后完成模板匹配。
[0078]
具体的，每次模板匹配之前，导引头根据弹载飞控系统实时向导引头传输的导弹实时位置坐标、导弹姿态、弹体角速度、飞行速度等实时信息，用于对模板进行变换后完成模板对目标的匹配，通过多次模板匹配，提高自主捕获目标的概率。
[0079]
一种优选的示例，参照图4所示，步骤s3具体包括：
[0080]
s31，导弹飞行至弹目距离的末段高度后导引头开启智能识别模式；
[0081]
s32，导引头根据作战环境和作战对象在最后一个跟踪点附近以预设的像素数对跟踪点进行截取并识别；
[0082]
若识别成功，则智能识别模式切换至智能跟踪模式，完成弹道末段对目标的跟踪；
[0083]
若识别不成功，则扩大截取的像素数并重复步骤s32直至识别成功。
[0084]
一种优选的示例，智能识别作用距离设为1.5km。
[0085]
具体的，导弹飞行至1.5km内完成跟踪方式的转换，开启智能识别模式，通过发射前预装的作战对象和作战场进行目标识别，首先导引头在跟踪点附近进行识别，通常截取捕获点周围128*128个像素，若未识别出目标，则逐步扩大计算的像素数。若识别成功，则智能识别模式切换至智能跟踪模式，完成弹道末段对目标的跟踪。若识别失败，保持原有跟踪或飞行模式，并持续对目标进行智能识别，直至识别成功。进而不依赖于无人机的机载设备，可实现发射后不管的作战模式，并将模板匹配和智能识别两种模式有机的结合在一起，充分发挥了各自优势，弥补了对方的缺点，进一步提高了红外成像导引头全自主捕获目标的概率和跟踪目标的稳定性。
[0086]
一种优选的示例，光电吊舱确保光电吊舱拍摄的每幅模板的视场范围与导引头进行模板匹配时刻的视场范围一致。
[0087]
一种优选的示例，根据弹目距离预设模板的拍摄数量设为4个，以及根据弹目距离确定每幅模板的捕获位置分别设为3.5km、3km、2.5km、2km。
[0088]
具体的，4公里以内通常是模板匹配模式的目标作用距离。本方法选择目标距离3.5km、3km、2.5km、2km作为导引头模板匹配的位置点，确保光电吊舱拍摄的每幅模板的视场范围与导引头进行模板匹配时刻的视场范围一致，从而保证在模板匹配时刻目标始终在导引头视场范围内。
[0089]
实施例
[0090]
参照图1-图7所示，本发明提供一种红外成像导引头捕获跟踪目标方法，应用于无人机平台发射空地导弹，该方法包括：
[0091]
步骤s1，导弹发射前，光电吊舱将拍摄多幅模板并将多幅模板依次装订至导引头，同时火控系统将模板对应的参数、作战场景和作战对象装订至导引头；
[0092]
步骤s2，导弹发射后，导引头依次根据每幅模板的视场范围对目标进行模板匹配，获取捕获点并对该捕获点进行迭代跟踪；
[0093]
步骤s3，模板匹配完成后导引头持续对目标进行智能识别捕获直至识别成功后进入跟踪状态；
[0094]
步骤s4，导引头保持跟踪状态，直至命中目标。
[0095]
本实施例中，步骤s1具体包括：
[0096]
步骤s11，根据弹目距离确定每幅模板的捕获位置，根据捕获位置和无人机吊舱的拍摄位置，确定每幅模板对应的无人机吊舱的拍摄视场角，其中，拍摄视场角包括偏航视场角和俯仰视场角；
[0097]
步骤s12，根据捕获位置处的光电吊舱的偏航视场角、像素数和像元尺寸计算得出对应捕获位置处的拍摄焦距；
[0098]
步骤s13，光电吊舱根据拍摄焦距对目标进行拍摄，并将模板依次装订至导引头，根据捕获位置距离目标由远及近的顺序重复步骤s12和步骤s13直至模板装订完成；
[0099]
步骤s14，火控系统2通过弹载飞控系统将作战环境与作战对象装订至导引头。
[0100]
本实施例中，通过下述公式(1)计算得出对应捕获位置处的拍摄焦距：
[0101][0102]
其中，f为拍摄焦距、α为偏航视场角、n为像素数，a为像元尺寸。
[0103]
本实施例中，步骤s13还包括：光电吊舱每传输一幅模板时触发火控系统将传输的模板对应的参数传递至弹载飞控系统，弹载飞控系统将参数装订至导引头，其中，参数包括偏航视场角和俯仰视场角。
[0104]
本实施例中，步骤s2具体包括：
[0105]
步骤s21，导弹飞行至捕获位置时，将捕获位置处的实时图像与模板进行匹配；
[0106]
若匹配成功，则导引头以新的捕获点为跟踪点进行跟踪；
[0107]
若匹配不成功，则导弹保持原有跟踪状态或惯性飞行状态；
[0108]
重复步骤s21直至所有模板完成匹配。
[0109]
本实施例中，步骤s21中，将捕获位置处的实时图像与模板进行匹配之前，还包括：弹载飞控系统实时向导引头传输导弹的实时位置坐标、导弹姿态、弹体角速度、飞行速度，以用于对模板进行变换后完成模板匹配。
[0110]
本实施例中，步骤s3具体包括：
[0111]
s31，导弹飞行至智能识别作用距离内导引头开启智能识别模式，其中，预设高度低于最后一次模板匹配的捕获位置高度；
[0112]
s32，导引头根据作战环境和作战对象在最后一个跟踪点附近以预设的像素数对跟踪点进行截取并识别；
[0113]
若识别成功，则智能识别模式切换至智能跟踪模式，完成弹道末段对目标的跟踪；
[0114]
若识别不成功，则扩大截取的像素数并重复步骤s32直至识别成功。
[0115]
本实施例中，光电吊舱确保光电吊舱拍摄的每幅模板的视场范围与导引头进行模板匹配时刻的视场范围一致。
[0116]
本实施例中，根据弹目距离预设模板的拍摄数量设为4个，以及根据弹目距离确定每幅模板的捕获位置分别设为3.5km、3km、2.5km、2km。
[0117]
本实施例中智能识别作用距离设为1.5km。
[0118]
本实施例设定拍摄4张模板，4张模板导引头的捕获位置距目标的由远及近分别为3.5km、3km、2.5km、2km，图5为本捕获跟踪目标方法提供的实施例对应的使用详细流程图，图7为本捕获跟踪目标方法提供的实施例对应的模板装订与参数装订示意图。
[0119]
综上所述，本方法采用多模板匹配捕获目标的方式，将多个模板装订至导引头，导引头依次根据每幅模板的视场范围对目标进行模板匹配，获取捕获点并对该捕获点进行迭代跟踪，可多次对跟踪点进行修正，解决了单一模板匹配跟踪点漂移量过大的问题；以及在导弹飞行末段根据预设的作战场景和作战对象导引头持续对目标进行智能识别捕获直至识别成功后进入跟踪状态，最后导引头保持跟踪状态，直至命中目标。提高了红外成像导引头全自主捕获目标的概率和跟踪目标的稳定性，相较于其他捕获模式，此种捕获跟踪目标的方法易实现、可操作性强、方便且成本低。
[0120]
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。