專利名稱：一種紅外搜索與跟蹤系統(tǒng)準(zhǔn)確性指標(biāo)計(jì)算方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種紅外捜索與跟蹤系統(tǒng)準(zhǔn)確性指標(biāo)計(jì)算方法，具體地說(shuō)是ー種利用最優(yōu)估計(jì)理論實(shí)時(shí)定位的方法。
背景技術(shù)：
目前，對(duì)紅外搜索與跟蹤系統(tǒng)(Infrared Search&Track System, IRST)探測(cè)性能評(píng)估研究的焦點(diǎn)主要集中在如何科學(xué)選取評(píng)價(jià)指標(biāo)，以及評(píng)價(jià)指標(biāo)如何定量計(jì)算等關(guān)鍵問(wèn)題上。近幾年國(guó)外一些單位和個(gè)人進(jìn)行了相關(guān)的研究并相應(yīng)推出了各自的評(píng)估體系。它們分別適用于不同的領(lǐng)域，在各自的領(lǐng)域具有一定的代表性和實(shí)用性。國(guó)外ー些學(xué)者研究了多傳感器偵查系統(tǒng)的信息質(zhì)量建模，提出了準(zhǔn)確性、確定性、實(shí)時(shí)性、完整性的信息質(zhì)量評(píng)估指標(biāo)，并給出了多傳感器偵查系統(tǒng)信息質(zhì)量計(jì)算方法及形式化描述。但是專門針對(duì)光電傳感器的探測(cè)指標(biāo)定量計(jì)算方法還沒有。利用光電傳感器定位誤差指標(biāo)來(lái)定量計(jì)算IRST 準(zhǔn)確性指標(biāo)的技術(shù)方案也未見報(bào)道。最優(yōu)估計(jì)理論是ー門成熟的學(xué)科，有非常多的領(lǐng)域使用最優(yōu)估計(jì)理論，包括傳感器領(lǐng)域，用于探測(cè)定位?？柭鼮V波是ー種優(yōu)秀的最優(yōu)估計(jì)方法。它是ー種高效率的自回歸濾波器，能夠從一系列的不完全及包含噪聲的測(cè)量中，估計(jì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)。ー個(gè)典型實(shí)例是從ー組有限的，包含噪聲的，對(duì)物體位置有偏差的觀察序列預(yù)測(cè)出物體的位置的坐標(biāo)及速度。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)IRST準(zhǔn)確性指標(biāo)沒有一套完整的、切實(shí)可行的定量評(píng)估方案，無(wú)法準(zhǔn)確考核光電探測(cè)信息的實(shí)際問(wèn)題，以及在實(shí)際工程應(yīng)用中的無(wú)法明確落實(shí)等諸多不足之處，本發(fā)明提出一種紅外捜索與跟蹤系統(tǒng)準(zhǔn)確性指標(biāo)計(jì)算方法，通過(guò)卡爾曼濾波最優(yōu)估計(jì)理論計(jì)算光電傳感器定位誤差，來(lái)定量表征IRST準(zhǔn)確性指標(biāo)。本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述目的所采用的技術(shù)方案是一種紅外捜索與跟蹤系統(tǒng)準(zhǔn)確性指標(biāo)計(jì)算方法，其特征在于，其步驟為步驟I :采集紅外圖像序列并檢測(cè)目標(biāo)，當(dāng)在連續(xù)幀中檢測(cè)出目標(biāo)后轉(zhuǎn)入跟蹤；步驟2 :卡爾曼濾波最優(yōu)估計(jì)，即利用初始幀建立卡爾曼濾波狀態(tài)方程和卡爾曼濾波觀測(cè)方程，給定參數(shù)后，卡爾曼濾波進(jìn)入工作狀態(tài)，實(shí)時(shí)輸出最優(yōu)圖像目標(biāo)定位；步驟3 :根據(jù)最優(yōu)圖像目標(biāo)定位與紅外搜索與跟蹤系統(tǒng)仿真系統(tǒng)測(cè)得的目標(biāo)位置之間的偏差得到圖像目標(biāo)定位誤差；步驟4 :將圖像目標(biāo)定位誤差通過(guò)目標(biāo)定位與空間角度之間關(guān)系，轉(zhuǎn)換為目標(biāo)定位估計(jì)誤差，即準(zhǔn)確性指標(biāo)。還可以將最優(yōu)圖像目標(biāo)定位通過(guò)目標(biāo)定位與空間角度之間關(guān)系以及光軸位置，轉(zhuǎn)換為空間目標(biāo)定位。所述步驟I中當(dāng)在連續(xù)幀中檢測(cè)出目標(biāo)后轉(zhuǎn)入跟蹤的過(guò)程為對(duì)紅外圖像序列利用幀差法做目標(biāo)檢測(cè)并計(jì)算目標(biāo)質(zhì)心，如果連續(xù)幀內(nèi)都檢出目標(biāo)且位置偏差在給定范圍內(nèi)，則判定是同一目標(biāo)；連續(xù)幀目標(biāo)位置偏差由第i幀的目標(biāo)位置結(jié)合幀間覆蓋關(guān)系計(jì)算得到；目標(biāo)的方位、俯仰定位由光軸、目標(biāo)相對(duì)于光心的位置確定；計(jì)算得出目標(biāo)圖像位置和空間定位后報(bào)警并轉(zhuǎn)入跟蹤。所述步驟I中跟蹤的具體實(shí)現(xiàn)步驟為a根據(jù)初始幀目標(biāo)位置信息建立卡爾曼濾波狀態(tài)方程，系統(tǒng)誤差由統(tǒng)計(jì)值擬合噪聲分布得到；b將目標(biāo)觀測(cè)信息提供給目標(biāo)觀測(cè)方程，觀測(cè)誤差由統(tǒng)計(jì)值擬合噪聲分布得到；c利用卡爾曼濾波，得到實(shí)時(shí)目標(biāo)位置預(yù)測(cè)信息；d預(yù)測(cè)結(jié)果帶入更新方程，得到實(shí)時(shí)最優(yōu)圖像目標(biāo)定位信息作為下ー時(shí)刻的參數(shù)，用于下ー時(shí)刻目標(biāo)位置估計(jì)。
所述步驟2中的卡爾曼濾波狀態(tài)方程為Xk = AXkJGWQO其中,Xk為目標(biāo)在k時(shí)刻的預(yù)測(cè)位置,Xlrf為目標(biāo)在k-Ι時(shí)刻的估計(jì)位置,Xk和Xk_i
_\T2AT°V
由卡爾曼濾波提供，^ 1 0 T G= 0 /2，Τ為采樣周期，W(k)為Χ、Υ方向標(biāo)
0 0 10T O
OOOlI L O T
準(zhǔn)差均為Oa的符合高斯分布的系統(tǒng)噪聲。所述步驟2中的卡爾曼濾波觀測(cè)方程為Z (k) = HXk+V (k)量測(cè)矩陣丑=^ 2 o o，Z(k)為紅外捜索與跟蹤系統(tǒng)提供的目標(biāo)位置觀測(cè)值，v(k)為X、Y方向標(biāo)準(zhǔn)差均為σ a的符合高斯分布的測(cè)量噪聲。所述步驟4中將圖像目標(biāo)定位誤差通過(guò)目標(biāo)定位與空間角度之間關(guān)系，轉(zhuǎn)換為空間目標(biāo)定位誤差的方法為圖像目標(biāo)Y軸位置誤差X垂直単位視場(chǎng)角一俯仰估計(jì)誤差；圖像目標(biāo)X軸位置誤差X水平単位視場(chǎng)角一方位估計(jì)誤差，俯仰估計(jì)誤差和方位估計(jì)誤差就是目標(biāo)定位估計(jì)誤差。所述將最優(yōu)圖像目標(biāo)定位通過(guò)目標(biāo)定位與空間角度之間關(guān)系以及光軸位置，轉(zhuǎn)換為空間目標(biāo)定位的方法為光軸俯仰信息+圖像目標(biāo)Y軸位置X垂直単位視場(chǎng)角一俯仰估計(jì)；光軸方位信息+圖像目標(biāo)X軸位置X水平單位視場(chǎng)角一方位估計(jì),俯仰估計(jì)和方位估計(jì)就是目標(biāo)定位估計(jì)。本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)I.提出衡量IRST探測(cè)信息的準(zhǔn)確性指標(biāo)，并使之與定位估計(jì)誤差信息相對(duì)應(yīng)。本方法運(yùn)用圖像處理方法確定目標(biāo)位置，并采用卡爾曼濾波最優(yōu)估計(jì)理論確定最優(yōu)圖像目標(biāo)定位，最終轉(zhuǎn)換為目標(biāo)定位估計(jì)誤差，并與準(zhǔn)確性指標(biāo)相對(duì)應(yīng)。準(zhǔn)確性指標(biāo)以及對(duì)應(yīng)考核方法的提出落實(shí)了 IRST準(zhǔn)確性能計(jì)算方法，提供了ー種有效衡量IRST準(zhǔn)確性能的手段。2.計(jì)算方法滿足實(shí)時(shí)性要求，便于工程實(shí)現(xiàn)。計(jì)算過(guò)程中首先由卡爾曼濾波估計(jì)定位信息，再由定位信息確定定位誤差。定位估計(jì)方法選用卡爾曼濾波方法，是由于卡爾曼濾波實(shí)時(shí)性的特點(diǎn)能夠?qū)崟r(shí)確定定位誤差，滿足工程實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)性的要求。


圖I是本發(fā)明的整體流程示意圖；圖2A是本發(fā)明的實(shí)施例在濾波前后軌跡示意圖；圖2B是本發(fā)明的實(shí)施例在水平方向?yàn)V波前后軌跡示意圖；
圖2C是本發(fā)明的實(shí)施例在垂直方向?yàn)V波前后軌跡示意圖；圖3A是本發(fā)明的實(shí)施例的第I幀紅外圖像；圖3B是本發(fā)明的實(shí)施例的第12幀紅外圖像；圖3C是本發(fā)明的實(shí)施例的第25幀紅外圖像；圖3D是本發(fā)明的實(shí)施例的第40幀紅外圖像；圖4是本發(fā)明的實(shí)施例的圖像目標(biāo)定位誤差曲線；圖5是本發(fā)明的實(shí)施例的目標(biāo)定位誤差曲線。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做詳細(xì)說(shuō)明。本發(fā)明的整體流程示意圖如圖I所示。IRST準(zhǔn)確性指標(biāo)由俯仰誤差和方位誤差組成。俯仰誤差和方位誤差的求取方法是首先利用卡爾曼濾波得到目標(biāo)水平、垂直方向位置估計(jì)，進(jìn)而得到水平、垂直方向位置估計(jì)誤差，再通過(guò)空間轉(zhuǎn)換，得到目標(biāo)俯仰誤差、方位誤差。本發(fā)明具體實(shí)現(xiàn)方法為I采集紅外圖像序列并檢測(cè)目標(biāo)，如果連續(xù)2幀檢出目標(biāo)則轉(zhuǎn)入跟蹤，具體方法如下I)計(jì)算連續(xù)2幀目標(biāo)位置偏差由IRST仿真系統(tǒng)生成紅外圖像序列并對(duì)圖像序列利用幀差法做目標(biāo)檢測(cè)并計(jì)算目標(biāo)質(zhì)心，如果連續(xù)2幀檢出目標(biāo)且位置偏差在給定范圍內(nèi)，則判定是同一目標(biāo)，并轉(zhuǎn)換為空間定位角度。連續(xù)2幀位置偏差由F1、F2(第i幀記為Fi)中目標(biāo)位置，結(jié)合Fl與F2之間覆蓋關(guān)系計(jì)算得到。2)由連續(xù)2幀目標(biāo)位置計(jì)算目標(biāo)空間定位在IRST仿真系統(tǒng)環(huán)境下，已知視場(chǎng)角α X β，圖像尺寸RhX Rv，由視場(chǎng)角和圖像尺寸可得単位視場(chǎng)角水平單位視場(chǎng)角=a/Rh；垂直單位視場(chǎng)角=β/も。根據(jù)光軸位置、目標(biāo)相對(duì)于光心的位置，目標(biāo)的方位、俯仰角按下式計(jì)算a = a c+ Δ a = a c+px* a /Rhβ = βε+Δβ=β c+py* β /Rv
其中(α。，β。)光軸角度；(Λ α , Δ β):目標(biāo)相對(duì)于光軸角度；(α，β):目標(biāo)空間方位、俯仰角度；(px，py):目標(biāo)相對(duì)于光心位置。計(jì)算完畢報(bào)警并轉(zhuǎn)入步驟2。2卡爾曼濾波最優(yōu)估計(jì)卡爾曼濾波最優(yōu)估計(jì)的目的是得到目標(biāo)最優(yōu)定位信息，提供給步驟3做目標(biāo)定位誤差計(jì)算，再提供給步驟4做空間轉(zhuǎn)換，從而定量計(jì)算出俯仰誤差與方位誤差這兩個(gè)準(zhǔn)確性指標(biāo)。圖3為紅外圖像序列，其中亮斑部分是目標(biāo)。圖3A是本發(fā)明的實(shí)施例的第I幀紅外圖像；圖3B是本發(fā)明的實(shí)施例的第12幀紅外圖像；圖3C是本發(fā)明的實(shí)施例的第25幀紅外圖像；圖3D是本發(fā)明的實(shí)施例的第40幀紅外圖像。目標(biāo)為弱機(jī)動(dòng)對(duì)象，在短時(shí)間范圍內(nèi)可近似看做勻速直線運(yùn)動(dòng)。將連續(xù)2幀目標(biāo)位置作為位置初值，濾波所需真值(xk，yk)由IRST仿真系統(tǒng)提供，測(cè)量值(zxk，zyk)由目 標(biāo)檢測(cè)算法提供，目標(biāo)受到均值為0，X、Y方向標(biāo)準(zhǔn)差均為σ a的符合高斯分布的系統(tǒng)噪聲W(k)，則可得到目標(biāo)作勻速運(yùn)動(dòng)的離散狀態(tài)轉(zhuǎn)換方程Xk = AXh+GWQO。跟蹤預(yù)測(cè)目標(biāo)的位置，以及對(duì)應(yīng)的速度，采樣周期為T，用向量表示移動(dòng)目標(biāo)在k
時(shí)刻的狀態(tài)Xk=(xt yk X ;)T，其中，xk> Yk表示k時(shí)刻目標(biāo)的位置，;^是k時(shí)刻目標(biāo)的速度。A表示為
權(quán)利要求
1.一種紅外搜索與跟蹤系統(tǒng)準(zhǔn)確性指標(biāo)計(jì)算方法，其特征在于，其步驟為 步驟I :采集紅外圖像序列并檢測(cè)目標(biāo)，當(dāng)在連續(xù)幀中檢測(cè)出目標(biāo)后轉(zhuǎn)入跟蹤； 步驟2 :卡爾曼濾波最優(yōu)估計(jì)，即利用初始幀建立卡爾曼濾波狀態(tài)方程和卡爾曼濾波觀測(cè)方程，給定參數(shù)后，卡爾曼濾波進(jìn)入工作狀態(tài)，實(shí)時(shí)輸出最優(yōu)圖像目標(biāo)定位； 步驟3 :根據(jù)最優(yōu)圖像目標(biāo)定位與紅外搜索與跟蹤系統(tǒng)仿真系統(tǒng)測(cè)得的目標(biāo)位置之間的偏差得到圖像目標(biāo)定位誤差； 步驟4:將圖像目標(biāo)定位誤差通過(guò)目標(biāo)定位與空間角度之間關(guān)系，轉(zhuǎn)換為目標(biāo)定位估計(jì)誤差，即準(zhǔn)確性指標(biāo)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種紅外搜索與跟蹤系統(tǒng)準(zhǔn)確性指標(biāo)計(jì)算方法，其特征在于，還可以將最優(yōu)圖像目標(biāo)定位通過(guò)目標(biāo)定位與空間角度之間關(guān)系以及光軸位置，轉(zhuǎn)換為空間目標(biāo)定位。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種紅外搜索與跟蹤系統(tǒng)準(zhǔn)確性指標(biāo)計(jì)算方法，其特征在于，所述步驟I中當(dāng)在連續(xù)幀中檢測(cè)出目標(biāo)后轉(zhuǎn)入跟蹤的過(guò)程為對(duì)紅外圖像序列利用幀差法做目標(biāo)檢測(cè)并計(jì)算目標(biāo)質(zhì)心，如果連續(xù)幀內(nèi)都檢出目標(biāo)且位置偏差在給定范圍內(nèi)，則判定是同一目標(biāo)；連續(xù)幀目標(biāo)位置偏差由第i幀的目標(biāo)位置結(jié)合幀間覆蓋關(guān)系計(jì)算得到；目標(biāo)的方位、俯仰定位由光軸、目標(biāo)相對(duì)于光心的位置確定；計(jì)算得出目標(biāo)圖像位置和空間定位后報(bào)警并轉(zhuǎn)入跟蹤。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種紅外搜索與跟蹤系統(tǒng)準(zhǔn)確性指標(biāo)計(jì)算方法，其特征在于，所述步驟I中跟蹤的具體實(shí)現(xiàn)步驟為 a根據(jù)初始幀目標(biāo)位置信息建立卡爾曼濾波狀態(tài)方程，系統(tǒng)誤差由統(tǒng)計(jì)值擬合噪聲分布得到； b將目標(biāo)觀測(cè)信息提供給目標(biāo)觀測(cè)方程，觀測(cè)誤差由統(tǒng)計(jì)值擬合噪聲分布得到； c利用卡爾曼濾波，得到實(shí)時(shí)目標(biāo)位置預(yù)測(cè)信息； d預(yù)測(cè)結(jié)果帶入更新方程，得到實(shí)時(shí)最優(yōu)圖像目標(biāo)定位信息作為下一時(shí)刻的參數(shù)，用于下一時(shí)刻目標(biāo)位置估計(jì)。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種紅外搜索與跟蹤系統(tǒng)準(zhǔn)確性指標(biāo)計(jì)算方法，其特征在于，所述步驟2中的卡爾曼濾波狀態(tài)方程為Xk = AXH+GW(k) 其中，Xk為目標(biāo)在k時(shí)刻的預(yù)測(cè)位置，Xk_!為目標(biāo)在k-Ι時(shí)刻的估計(jì)位置，Xk和Xlrf由 P O r ο Vyi 0J2 /卡爾曼濾波得到，J= O 1 0 T G= 0 /2，Τ為采樣周期，W(k)為X、Y方向標(biāo)準(zhǔn)0 0 10T O 0 0 0 1」 L O Γ差均為03的符合高斯分布的系統(tǒng)噪聲。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種紅外搜索與跟蹤系統(tǒng)準(zhǔn)確性指標(biāo)計(jì)算方法，其特征在于，所述步驟2中的卡爾曼濾波觀測(cè)方程為Z(k) = HXk+V(k)量測(cè)矩陣丑=° Q Q，z(k)為紅外搜索與跟蹤系統(tǒng)提供的目標(biāo)位置觀測(cè)值，V(k)為X、Y方向標(biāo)準(zhǔn)差均為σ a的符合高斯分布的測(cè)量噪聲。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種紅外搜索與跟蹤系統(tǒng)準(zhǔn)確性指標(biāo)計(jì)算方法，其特征在于，所述步驟4中將圖像目標(biāo)定位誤差通過(guò)目標(biāo)定位與空間角度之間關(guān)系，轉(zhuǎn)換為空間目標(biāo)定位誤差的方法為 圖像目標(biāo)Y軸位置誤差X垂直單位視場(chǎng)角一俯仰估計(jì)誤差； 圖像目標(biāo)X軸位置誤差X水平單位視場(chǎng)角一方位估計(jì)誤差，俯仰估計(jì)誤差和方位估計(jì)誤差就是目標(biāo)定位估計(jì)誤差。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種紅外搜索與跟蹤系統(tǒng)準(zhǔn)確性指標(biāo)計(jì)算方法，其特征在于，所述將最優(yōu)圖像目標(biāo)定位通過(guò)目標(biāo)定位與空間角度之間關(guān)系以及光軸位置，轉(zhuǎn)換為空間目標(biāo)定位的方法為 光軸俯仰信息+圖像目標(biāo)Y軸位置X垂直單位視場(chǎng)角一俯仰估計(jì)； 光軸方位信息+圖像目標(biāo)X軸位置X水平單位視場(chǎng)角一方位估計(jì)，俯仰估計(jì)和方位估計(jì)就是目標(biāo)定位估計(jì)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種紅外搜索與跟蹤系統(tǒng)準(zhǔn)確性指標(biāo)計(jì)算方法，具體地說(shuō)是一種利用最優(yōu)估計(jì)理論實(shí)時(shí)定位的方法。其步驟為采集紅外圖像序列并檢測(cè)目標(biāo)，當(dāng)在連續(xù)幀中檢測(cè)出目標(biāo)后轉(zhuǎn)入跟蹤；卡爾曼濾波最優(yōu)估計(jì)，實(shí)時(shí)輸出最優(yōu)圖像目標(biāo)定位信息；得到圖像目標(biāo)定位誤差；將圖像目標(biāo)定位誤差通過(guò)目標(biāo)定位與空間角度之間關(guān)系，轉(zhuǎn)換為目標(biāo)定位估計(jì)誤差，即準(zhǔn)確性指標(biāo)。本發(fā)明提出衡量IRST探測(cè)信息的準(zhǔn)確性指標(biāo)，并使之與定位估計(jì)誤差信息相對(duì)應(yīng)。計(jì)算方法滿足實(shí)時(shí)性要求，便于工程實(shí)現(xiàn)。
文檔編號(hào)G01S7/497GK102830391SQ201110162838
公開日2012年12月19日 申請(qǐng)日期2011年6月16日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月16日
發(fā)明者趙懷慈, 杜梅, 劉海崢 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所