專利名稱：基于遺傳算法的光學(xué)相關(guān)目標(biāo)識別與跟蹤系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種目標(biāo)識別與跟蹤系統(tǒng)，特別是一種利用遺傳算法 進(jìn)行目標(biāo)位置全維信息解算的識別與跟蹤系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
利用光學(xué)相關(guān)技術(shù)進(jìn)行目標(biāo)識別是近年來光電子領(lǐng)域的研究熱 點(diǎn)，與傳統(tǒng)的數(shù)字識別技術(shù)相比，光學(xué)相關(guān)運(yùn)算具有計算速度快、帶 寬高、可擴(kuò)展性強(qiáng)、體積緊湊等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛用于導(dǎo)彈末端制導(dǎo)、航 天器對接、飛行器盲降、身份安全等領(lǐng)域，具有極為廣闊的軍用和民 用前景。目前國內(nèi)外多家研究機(jī)構(gòu)都開展了光學(xué)相關(guān)目標(biāo)識別技術(shù)的 研究，如參考文獻(xiàn)l (吳偉等，光學(xué)相關(guān)識別在飛行器精確定點(diǎn)著陸中的應(yīng)用，光電子.激光，2008年第12期)提出將光學(xué)相關(guān)識別應(yīng) 用于著陸點(diǎn)的選擇中，以解決飛行器精確定點(diǎn)著陸問題；文獻(xiàn)2 (余 波等，基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的多路光學(xué)相關(guān)器相關(guān)峰的實時識別，紅外 與毫米波學(xué)報，1997年第1期)提出根據(jù)多路光學(xué)相關(guān)器相關(guān)面輸 出圖像識別目標(biāo)的方法。研究人員還對光學(xué)相關(guān)目標(biāo)識別系統(tǒng)進(jìn)行了 緊湊化設(shè)計(劉文耀等，集成化光學(xué)相關(guān)器及匹配濾波器的優(yōu)化設(shè)計， 光學(xué)學(xué)報，2000年12期)，并提出利用各種輔助手段解決復(fù)雜背景、 低對比度目標(biāo)的識別問題(王冕等，小波變換在光學(xué)相關(guān)目標(biāo)識別中 的應(yīng)用，兵工學(xué)報，2006年第5期)。上述報道雖已對光學(xué)相關(guān)識別 進(jìn)行了較為深入的研究，并能夠在低信噪比、復(fù)雜背景條件下較為準(zhǔn) 確地識別目標(biāo)，但對于導(dǎo)彈末制導(dǎo)、航天器對接等應(yīng)用領(lǐng)域，僅進(jìn)行 目標(biāo)識別是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。高精度的目標(biāo)跟蹤，即如何從光學(xué)相關(guān)識別 的結(jié)果中對目標(biāo)的位置信息進(jìn)行精確的全維解算，也是整個系統(tǒng)閉環(huán)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。以往公開發(fā)表的文獻(xiàn)和報告中大多是對光學(xué)相關(guān)運(yùn) 算得到的相關(guān)峰圖像進(jìn)行數(shù)字圖像處理，從相關(guān)峰圖像中提取相關(guān)峰 的坐標(biāo)(提取坐標(biāo)的精度很大程度上決定了最終位置計算精度)，進(jìn) 而直接反演出目標(biāo)的位置信息。但這個過程易受背景雜光、探測器噪 聲及載體的運(yùn)動影響，使得精度和抗干擾能力下降，且目前圖像的獲 取與處理仍然受限于硬件發(fā)展水平，光學(xué)相關(guān)運(yùn)算的速度優(yōu)勢無法發(fā) 揮。因此，傳統(tǒng)方法存在諸多不足，限制了其精度、速度和抗干擾性 能。光學(xué)相關(guān)運(yùn)算原理(宋菲君，S. Jutannmlia.近代光學(xué)信息處理 北京大學(xué)出版社，1998年(第一版)，pp78-90)如圖1所示。目標(biāo) 圖像/"力和參考圖像g(;c，力并排顯示在輸入面P0上，兩圖分別位于 (0, a)， (0， -a)處，由準(zhǔn)直激光束讀出，經(jīng)過傅里葉透鏡L1，在 Ll后焦面Pl上形成輸入圖像的聯(lián)合傅里葉變換譜，在Pl面轉(zhuǎn)換為 功率譜后，由另一束準(zhǔn)直激光束經(jīng)過分光鏡(B.S)讀出，經(jīng)過傅里 葉透鏡L2，在L2焦平面P2上形成相關(guān)輸出0。相關(guān)輸出的表達(dá)式為其中:0、 (￡， /7) = ("("/(a,釣/7)t/Q^/ (1)為/Oc，力的自相關(guān)，6>2 (s, 77) = JJ/(", / )g V - s，" - 07 + 2a))cto^為/"力和g"力的互相關(guān)，在7軸上平移-2a， 03 (s,") = ]]/> - s， - 07 -喻("，順#為g(x,力和/Oc，力的互相關(guān)，在"軸上平移2a，(2)(3)(4)(5)為g(U)的自相關(guān)。
根據(jù)式(3)，當(dāng)輸入圖像與參考圖像相同時，Q為自相關(guān)信號， 因而為點(diǎn)狀信號(稱為自相關(guān)峰)。設(shè)目標(biāo)模板圖像為/(x，力，認(rèn)為 目標(biāo)處于視場的正中心時實現(xiàn)了系統(tǒng)對目標(biāo)的跟蹤，此時將對目標(biāo)所 成的圖像表達(dá)式為/(x,力，兩圖分別位于(0， a)， (0， -a)處，在 透鏡Ll后焦面得到傅里葉譜為
<formula>formula see original document page 6</formula>
(6)
S(iv力為聯(lián)合傅里葉譜，可由傅里葉位移的變換法則改寫為
aS(/z,v) 二 exp 式中
<formula>formula see original document page 6</formula>
(7)
<formula>formula see original document page 6</formula>
(8)
用平方律探測器測量透鏡后焦面的聯(lián)合傅里葉譜，得到功率譜:<formula>formula see original document page 6</formula>
對上述聯(lián)合功率譜|^(","|2經(jīng)過透鏡L2進(jìn)行一次傅里葉逆變換，
得到:<formula>formula see original document page 6</formula>
6>(￡, 7) = JJ]S(",v)l xexp 將(9)式代入(10)式，得到三項 0, (s， ;;) = 2JJlF(", v)|2 x exp
、.、的白tt主 /^r^zp「g占.
(10)
<formula>formula see original document page 6</formula>(11)02(s，/7) = jjexp
.2;r,n 、 乂/
x lF(w， v)『x exp
(12)
(a,(a - s, P - (77 + 2a))Jaf/p
為/(x,力的自相關(guān)，位于7軸上-2"點(diǎn)；
03(s，/7) = jjexp
.2;r ^ z——2av
義/ —
x JF(M, v)|2 x exp
.2", 、
.義/、
(13)
=JJ/(a, ")/> _ s，" - (// - 為/(x，力的自相關(guān)，位于7軸上2a點(diǎn)；
由(4)式及(13)式可知，當(dāng)實現(xiàn)對目標(biāo)的理想跟蹤時，//軸上-2a
和2a點(diǎn)處將出現(xiàn)理想的相關(guān)峰信號。整個系統(tǒng)閉環(huán)的最終目標(biāo)就是保 持相關(guān)峰信號始終穩(wěn)定地出現(xiàn)在上述兩點(diǎn)處。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是克服傳統(tǒng)目標(biāo)識別與跟蹤方案的不 足，提出一種基于遺傳算法的光學(xué)相關(guān)目標(biāo)識別與跟蹤系統(tǒng)，用一普 通光電探測器取代現(xiàn)有系統(tǒng)中的圖像獲取設(shè)備，簡化了系統(tǒng)組成，利 用遺傳算法處理從光學(xué)相關(guān)運(yùn)算結(jié)果，可以快速獲取目標(biāo)的全維位置 信息，無需從相關(guān)峰圖像中提取相關(guān)峰的坐標(biāo)并進(jìn)行反解。對系統(tǒng)運(yùn) 行環(huán)境和儀器設(shè)備沒有特殊要求，大大提升了光學(xué)相關(guān)目標(biāo)識別與跟 蹤系統(tǒng)的響應(yīng)速度和動態(tài)范圍。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是
利用遺傳算法控制位置/角度控制器11，使得作用于位置/角度 控制器上的位置控制電壓信息和角度控制電壓信息的系統(tǒng)評價函數(shù)
取得全局極值。整個系統(tǒng)由目標(biāo)圖像獲取相機(jī)1，嵌入式處理器2，光學(xué)相關(guān)運(yùn)算系統(tǒng)3，位置/角度控制器ll組成。其中光學(xué)相關(guān)運(yùn)算 系統(tǒng)包括4-空間光調(diào)制器，5-波片，6-偏振分光鏡，7-傅里葉透鏡， 8-反射鏡，9-光電探測器，10-激光光源。其中嵌入式處理器2種類 可以是FPGA、 DSP芯片。光電探測器9放置在傅里葉透鏡7后焦面的 (2a，0)處，也可以放置在傅里葉透鏡7后焦面的(-2a，0)處。激光光 源10種類可以是固體激光器、光纖激光器、半導(dǎo)體激光器等一種體 積緊湊的激光器。
本發(fā)明目標(biāo)全維位置信息獲取過程如下
1 、系統(tǒng)初始化，對目標(biāo)進(jìn)行粗跟蹤，使得目標(biāo)出現(xiàn)在視場內(nèi)
2 、光學(xué)相關(guān)運(yùn)算系統(tǒng)根據(jù)目標(biāo)圖像獲取相機(jī)獲取的圖像和系統(tǒng) 存有的目標(biāo)模板圖像進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果以一定的光強(qiáng)圖樣分布 輻照在光電探測器所在的平面上
3、 光電探測器9將得到的信息傳至嵌入式處理器2
4、 在嵌入式處理器2上執(zhí)行遺傳算法，經(jīng)過2運(yùn)算后將控制電 壓信息傳至位置/角度控制器11
5、 系統(tǒng)重復(fù)執(zhí)行上述步驟2、 3、 4，嵌入式處理器2產(chǎn)生的控 制電壓信息將恒定不變，表明此時系統(tǒng)已經(jīng)實現(xiàn)了對目標(biāo)的精準(zhǔn)跟
蹤o
嵌入式處理器2上執(zhí)行遺傳算法產(chǎn)生控制電壓信息的過程為 首先產(chǎn)生一個初始種群，種群包含一定數(shù)量的位置/角度控制電 壓個體。每個個體可以用下面的形式表示.-
<formula>formula see original document page 8</formula>其中Xi表示種群中一個位置/角度控制電壓個體，對應(yīng)于遺傳算法的 一個染色體，i表示種群中的數(shù)量；Vj(j二l，2，…6)是實數(shù)，表示該控 制電壓個體對應(yīng)的位置/角度控制電壓的大小，分別對應(yīng)遺傳算法的 一個基因。
光電探測器9能夠?qū)崟r測量輻照在其上的激光光強(qiáng)信號，以該光 強(qiáng)信號作為系統(tǒng)的評價函數(shù)，同時以該函數(shù)作為遺傳算法要優(yōu)化的目 標(biāo)函數(shù)。位置/角度控制電壓個體對應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)值越大，該個體就 越可能實現(xiàn)對目標(biāo)的精準(zhǔn)跟蹤。計算出一代種群中所有個體對應(yīng)的目 標(biāo)函數(shù)值，選出目標(biāo)函數(shù)最大值對應(yīng)的個體保留下來，不用參與后期 的選擇、交叉、變異操作，直接進(jìn)入到下一代中。選擇操作采用輪盤 賭的策略，目標(biāo)函數(shù)越大的個體被選擇參與后期操作的概率就越大。 交叉操作是遺傳算法產(chǎn)生新個體的主要方式，它通過對父代的兩個個 體發(fā)生互換部分基因的方式產(chǎn)生新的個體，自適應(yīng)交叉率為P， P可 以用下式表示
<formula>formula see original document page 9</formula>
(15)式中，/>_代表最大交叉率，i^代表最小交叉率，/_表示一代 種群中的最大目標(biāo)函數(shù)值，/6_為兩個要進(jìn)行交叉操作的個體對應(yīng)的 目標(biāo)函數(shù)較大值，/,表示一代種群中所有個體的平均目標(biāo)函數(shù)值。《 為常數(shù)，其取值要保證0<^<1。利用這樣的自適應(yīng)交叉方式，在個 體進(jìn)行交叉操作時，種群的最大目標(biāo)函數(shù)值與平均目標(biāo)函數(shù)值之差在 一定程度上表示了種群的穩(wěn)定性。在同一代中對不同的個體賦予不同的尸，保護(hù)目標(biāo)函數(shù)高的個體，其尸值應(yīng)減小，而目標(biāo)函數(shù)低的個體
應(yīng)增大尸值。設(shè)兩個要交叉的位置/角度控制電壓個體分別為v" v2，
采用算術(shù)交叉的方式，則兩個新的電壓個體VZ和V2'由下面等式產(chǎn)
生
K2' = /i/2+/i^ 、… 式中A 《2，4 〉0，4 >0 。釆用單點(diǎn)交叉非均勻變異的方式產(chǎn)生新的
個體設(shè)某一代中要進(jìn)行變異的個體為Xi二(X…Vk…V6]，變異位是 Vk，則經(jīng)過變異后新個體為Xi二[Vh…，V ...，V6]，新基因位Vk，的
獲得方式為
<formula>formula see original document page 10</formula>
K咖是所有K可取的下限值，函數(shù)A(,，K-^J返回一個在區(qū)間 [O，K-K誰]的值，可以表示為
<formula>formula see original document page 10</formula>
式中r是[O， 1]內(nèi)的隨機(jī)數(shù)，T是遺傳算法迭代次數(shù)，t代表算法執(zhí)行 代數(shù)，a是權(quán)重因子。經(jīng)過上述目標(biāo)函數(shù)計算、選擇、交叉、變異等 一系列操作后，遺傳算法要判斷算法是否收斂。收斂條件可以用下式
表示
<formula>formula see original document page 10</formula>
式中/—⑨是第t代種群的平均目標(biāo)函數(shù)，h為相鄰兩代種群的平均 目標(biāo)函數(shù)之差與前一代種群平均目標(biāo)函數(shù)的比值。如果不滿足收斂條 件，則進(jìn)入下一代重復(fù)迭代計算，如果滿足收斂條件，則結(jié)束算法，找到對應(yīng)于最大目標(biāo)函數(shù)的控制電壓個體，該電壓個體反映了目標(biāo)的 全維位置信息，將該電壓施加在位置/角度控制上即可實現(xiàn)對目標(biāo)的 精確跟蹤。
采用本發(fā)明可以達(dá)到以下技術(shù)效果
用普通光電探測器取代現(xiàn)有系統(tǒng)中的圖像獲取設(shè)備，簡化了系統(tǒng) 組成，利用遺傳算法處理從光學(xué)相關(guān)運(yùn)算結(jié)果，可以快速獲取目標(biāo)的 全維位置信息，無需從相關(guān)峰圖像中提取相關(guān)峰的坐標(biāo)并進(jìn)行反解。 對系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境和儀器設(shè)備沒有特殊要求，大大提升了光學(xué)相關(guān)目標(biāo) 識別與跟蹤系統(tǒng)的響應(yīng)速度和動態(tài)范圍。


圖1為光學(xué)相關(guān)運(yùn)算原理圖 圖2為具體實施方案示意圖
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖2對本發(fā)明實施方式作詳細(xì)的說明。但不應(yīng)因此限 制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
如圖4所示，本發(fā)明實施方案包括四部分目標(biāo)圖像獲取相機(jī)1、
嵌入式處理器2、光學(xué)相關(guān)運(yùn)算系統(tǒng)3，位置/角度控制器11。其中 光學(xué)相關(guān)運(yùn)算系統(tǒng)3包括空間光調(diào)制器4、波片5、偏振分光鏡6、 傅里葉透鏡7、反射鏡8、光電探測器9、激光光源IO。首先對目標(biāo) 進(jìn)行粗跟蹤，使得目標(biāo)出現(xiàn)在視場內(nèi)，目標(biāo)圖像獲取相機(jī)開始獲取圖 像；光學(xué)相關(guān)運(yùn)算系統(tǒng)根據(jù)目標(biāo)圖像獲取相機(jī)獲取的圖像和系統(tǒng)存有 的目標(biāo)模板圖像進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果以一定的光強(qiáng)圖樣分布輻照 在光電探測器所在的平面上；光電探測器9將得到的信息傳至嵌入式處理器2;在嵌入式處理器2上執(zhí)行遺傳算法，經(jīng)過嵌入式處理器2 運(yùn)算后將控制電壓信息傳至位置/角度控制器11;系統(tǒng)重復(fù)執(zhí)行上述 步驟2、 3、 4，嵌入式處理器2產(chǎn)生的控制電壓信息將恒定不變，表
明此時系統(tǒng)已經(jīng)實現(xiàn)了對目標(biāo)的精準(zhǔn)跟蹤。
權(quán)利要求
1、基于遺傳算法的光學(xué)相關(guān)目標(biāo)識別與跟蹤系統(tǒng)，其特征在于利用遺傳算法控制位置/角度控制器(11)，使得作用于位置/角度控制器上的位置控制電壓信息和角度控制電壓信息的系統(tǒng)評價函數(shù)取得全局極值，整個系統(tǒng)由目標(biāo)圖像獲取相機(jī)(1)，嵌入式處理器(2)，光學(xué)相關(guān)運(yùn)算系統(tǒng)(3)，位置/角度控制器(11)組成，其中光學(xué)相關(guān)運(yùn)算系統(tǒng)(3)包括空間光調(diào)制器(4)，波片(5)，偏振分光鏡(6)，傅里葉透鏡(7)，反射鏡(8)，光電探測器(9)，激光光源(10)。
2、 如權(quán)利要求l所述的基于遺傳算法的光學(xué)相關(guān)目標(biāo)識別與跟蹤系統(tǒng)，其特征在于嵌入式處理器2種類為FPGA或DSP芯片。
3、 如權(quán)利要求l所述的基于遺傳算法的光學(xué)相關(guān)目標(biāo)識別與跟蹤系統(tǒng)，其特征在于光電探測器(9)放置在傅里葉透鏡(7)后焦面的(2a,0)處，或放置在傅里葉透鏡(7)后焦面的(-2a,0)處。
4、 如權(quán)利要求l所述的基于遺傳算法的光學(xué)相關(guān)目標(biāo)識別與跟蹤系統(tǒng)，其特征在于激光光源(10)種類為固體激光器、光纖激光器或半導(dǎo)體激光器中的一種。
5、 如權(quán)利要求l所述的基于遺傳算法的光學(xué)相關(guān)目標(biāo)識別與跟蹤系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)識別與跟蹤的步驟為① 系統(tǒng)初始化，對目標(biāo)進(jìn)行粗跟蹤，使得目標(biāo)出現(xiàn)在視場內(nèi)；② 光學(xué)相關(guān)運(yùn)算系統(tǒng)根據(jù)目標(biāo)圖像獲取相機(jī)獲取的圖像和系統(tǒng)存有的目標(biāo)模板圖像進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果以一定的光強(qiáng)圖樣分布輻照在光電探測器所在的平面上；③ 光電探測器(9)將得到的信息傳至嵌入式處理器(2);^④在嵌入式處理器(2)上執(zhí)行遺傳算法，經(jīng)過運(yùn)算后將控制電壓信息傳至位置/角度控制器(11);⑤系統(tǒng)重復(fù)執(zhí)行上述步驟②③④，嵌入式處理器(2)產(chǎn)生的控制電壓信息將恒定不變，表明此時系統(tǒng)已經(jīng)實現(xiàn)了對目標(biāo)的精準(zhǔn)跟蹤。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于遺傳算法的光學(xué)相關(guān)目標(biāo)識別與跟蹤系統(tǒng)。利用遺傳算法控制位置/角度控制器，使得作用于位置/角度控制器上的位置控制電壓信息和角度控制電壓信息的系統(tǒng)評價函數(shù)取得全局極值。用普通光電探測器取代現(xiàn)有系統(tǒng)中的圖像獲取設(shè)備，簡化了系統(tǒng)組成，利用遺傳算法處理從光學(xué)相關(guān)運(yùn)算結(jié)果，可以快速獲取目標(biāo)的全維位置信息，對系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境和儀器設(shè)備沒有特殊要求，大大提升了光學(xué)相關(guān)目標(biāo)識別與跟蹤系統(tǒng)的響應(yīng)速度和動態(tài)范圍。
文檔編號G06N3/12GK101598795SQ20091004370
公開日2009年12月9日 申請日期2009年6月18日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月18日
發(fā)明者樸 周, 常勝利, 李修建, 楊建坤, 樊振方, 肖光宗, 輝 賈 申請人:中國人民解放軍國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)