一种基于位姿信息测量的海天线定位方法与流程

本发明涉及一种海洋背景图像标定技术领域，具体地说是一种基于位姿信息测量的海天线定位方法。

背景技术：

在海洋监控、海洋资源调研等应用场合，经常要利用飞机搭载相机在空中对海面进行拍摄操作，所得图像中常包含海面与天空。如果能够快速、准确的定位海面与天空的分界位置(即海天线)，则有助于对海面图像进行后续的分析、处理。

现有的海天线定位方法基于各种图像处理技术，在获取的海面图像中计算、定位海天线。此类方法的问题是图像中经常包含云雾、船只、海水分层、鱼鳞光等多种场景，一些极端情况下甚至无法在图像中观察到海天线，造成海天线定位结果误差大，可信度低。

技术实现要素：

针对现有方法存在的问题，本发明的目的在于提供一种准确、鲁棒的海天线定位方法。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：

一种基于位姿信息测量的海天线定位方法，包括以下步骤：

步骤1：利用gps/ins组合导航系统及双轴云台获得相机的海拔高度并解算出相机的姿态；

步骤2：计算海面图像中海天线的位置；

步骤3：对大气折射效应造成的海天线定位误差进行修正。

所述的利用gps/ins组合导航系统及双轴云台测量值解算相机姿态基于公式p＝r4r3r2r1p'，其中

可得：

相机俯仰角

相机横滚角

其中

by＝cos(y_angle)sin(d_roll_angle)，

x_angle为双轴云台方位角，y_angle为双轴云台俯仰角，d_down_angle为gps/ins系统俯仰角，d_roll_angle为gps/ins系统横滚角。

所述计算海面图像中海天线的位置：

其中，p″为海天线上点坐标，(x″0,y″0)为光轴与像平面交点在o″x″y″坐标系下坐标，β＝down_angle+alpha_angle，height为相机海拔高度，re为地球半径，hor为相机水平视场角，ver为相机竖直视场角，im_width为相机图像宽度，im_height为相机图像高度，down_angle为相机光轴俯仰角，roll_angle为相机光轴横滚角。

对大气折射效应造成的海天线定位误差进行修正为：采用rüeger公式估计大气折射率，确定大气折射曲率半径，并将alpha_angle修正为其中rr为大气折射曲率半径。

所述大气折射率为：

其中，n为大气折射率，λ为光学波长，p为大气压强，t为环境温度，e为水汽压。由此可得h为海拔高度，进而有大气折射曲率半径为

本发明具有以下有益效果及优点：

本发明提出一种基于位姿信息测量的海天线定位方法，能够在海面图像中定位海天线，该方法对海天线的定位精度高，可信性大，且不受气象、水文条件变化影响。

附图说明

图1是本发明的方法流程图；

图2是本发明的大地坐标系示意图；

图3是本发明的图像坐标系示意图；

图4是本发明的地球近似球体示意图；

图5是本发明的海天线检测结果示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1所示为本发明的方法流程图。

本发明提出一种基于位姿信息测量的海天线定位方法，用于在海面图像中定位海天线。该方法需要用到gps/ins组合导航系统和双轴云台，并将gps/ins组合导航系统、相机分别与双轴云台固连，并保证gps/ins组合导航系统坐标系、相机光学坐标系与双轴云台坐标系平行。

如图2所示为本发明的大地坐标系示意图。

定义大地坐标系oxyz，o为gps/ins系统所在点，x轴为gps/ins系统方向轴，向上为正，y轴为俯仰轴，z轴为横滚轴，y轴与z轴在水平面内，z轴与gps/ins系统中心线在竖直面内，与相机指向成锐角，oxyz为右手坐标系。oxyz通过先后旋转俯仰轴与横滚轴可得到相机坐标系o'x'y'z'。

如图3所示为本发明的图像坐标系示意图。

定义图像坐标系o″x″y″，o″为图像左上角，x″轴为图像水平轴，向右为正，y″轴为图像竖直轴，向下为正。定义hor为相机水平视场角，ver为相机竖直视场角，im_width为图像宽度，im_height为图像高度，down_angle为相机光轴俯仰角，向上观察为正，roll_angle为相机光轴横滚角，向前观察顺时针选转为正。

1.利用gps/ins组合导航系统及双轴云台解算相机姿态：

首先确定4个相关的旋转矩阵：

双轴云台方位轴旋转矩阵

双轴云台俯仰轴旋转矩阵

gps/ins系统横滚轴旋转矩阵

gps/ins系统俯仰轴旋转矩阵其中x_angle为双轴云台方位角，y_angle为双轴云台俯仰角，d_roll_angle为gps/ins系统横滚角，d_down_angle为gps/ins系统俯仰角。

相机坐标系下某点坐标p'与gps/ins系统坐标系下该点坐标p对应关系为p＝r4r3r2r1p'。令p′1＝[100]^t，p′2＝[001]^t，则相机俯仰角down_angle为与x轴夹角，相机横滚角roll_angle为与x轴、所在平面夹角，即

by＝cos(y_angle)sin(d_roll_angle)，

2.计算海面图像中海天线位置：

如果将地球视为球体，则海天线可视为相机所在点到大地球体切线圆上的一段圆弧。因为地球直径很大，所以该段圆弧可近似为直线段，如图4所示。

相机俯仰轴旋转矩阵为

相机横滚轴旋转矩阵为

海天线上某点在oxyz坐标系下坐标为p，该点在o'x'y'z'坐标系下为p'，在o″x″y″坐标系下为p″。有p＝[-lsin(alpha_angle)tlcos(alpha_angle)]^t，其中alpha_angle为gps/ins系统所在点与上述切线圆组成圆锥的底角，l为gps/ins系统到切线圆上一点的距离，t为自变量。其中height为相机海拔高度，re为地球半径，re可取地球半径平均值6371km。

根据坐标系变换关系有p'＝bap，其中β＝down_angle+alpha_angle，(x″0,y″0)为光轴与像平面交点在o″x″y″坐标系下坐标。

解得当t＝0时有

可以得到o″x″y″坐标系中海天线直线方程为：

由此可以在海面图像中定位海天线。

3.对大气折射效应造成的海天线定位误差进行修正：

海面图像中海天线位置对入射光线角度较敏感，需要考虑不同海拔高度下大气折射率的变化，对光线折射偏角进行修正，本发明采用rüeger公式估计大气折射率：

其中n为大气折射率，λ为光学波长，p为大气压强，t为环境温度，e为水汽压。由此可得在标准大气条件下有其中h为海拔高度，大气折射曲率半径为根据余弦定理可将alpha_angle修正为

4.实施例

实施例1.海天线定位结果

为了说明本发明方法的有效性，利用该方法进行了实地试验，使用的相机视场角为6.1°×4.88°，相机输出图像为320×256，成像海拔高度为10m与2800m。

如图5所示为本发明的海天线检测结果示意图。其中(c)为未对大气折射效应进行修正的检测结果，(a)、(b)、(d)为进行了修正的检测结果。

其中白色线段为定位的海天线。(a)、(b)海拔高度为10m，(c)、(d)为2800m，(c)中结果未对大气折射误差进行修正，定位结果与真实位置有一定误差，(d)中结果对大气折射误差进行了修正，定位结果准确。