基于随机介质表面散射光的运动目标跟踪系统及跟踪方法

基于随机介质表面散射光的运动目标跟踪系统及跟踪方法
【专利摘要】本发明提出了一种基于随机介质表面散射光的运动目标跟踪系统及跟踪方法，用于解决现有运动目标跟踪系统及跟踪方法中存在适用范围较窄的技术问题，跟踪系统包括激光器、扩束器、旋转毛玻璃、随机介质、孔径光阑和探测器阵列；激光器发出的激光经扩束器和旋转毛玻璃后形成赝热光并照射到待跟踪运动目标上，随后携带目标信息的光以锐角入射到随机介质散射面，其散射光经孔径光阑滤除杂散光后被探测器阵列接收并采集，利用跟踪方法对采集图像进行计算得到待跟踪运动目标的实际位移。本发明利用随机介质表面散射光实现目标跟踪，具有适用范围宽的特点，且算法简单、跟踪精度高、系统结构简单，可用于生物医学、对地观测等领域。
【专利说明】
基于随机介质表面散射光的运动目标跟踪系统及跟踪方法
技术领域
[0001 ]本发明涉及计算成像技术及目标跟踪技术领域，涉及一种运动目标跟踪系统及跟 踪方法，具体涉及一种基于随机介质表面散射光的运动目标跟踪系统及跟踪方法，可用于 在天文观测、对地观测及生物医学等领域中，对隐藏在遮蔽物后方的运动目标进行跟踪。
【背景技术】
[0002] 在天文观测及对地观测等领域常常需要对车辆、飞机等运动目标进行跟踪，由于 这一应用需求，产生了一系列的运动目标跟踪技术，目前常用的目标跟踪方法有雷达跟踪 方法和基于视觉的运动目标跟踪方法两类。
[0003] 雷达跟踪方法是微波通信领域中常采用的跟踪方法，该方法能连续跟踪一个或多 个目标并测量其坐标，可提供目标的运动轨迹。跟踪雷达一般由距离跟踪支路、方位角跟踪 支路和仰角跟踪支路组成。它们各自完成对目标的距离、方位和仰角的自动跟踪，并连续测 量目标的距离、方位和仰角。大多数雷达工作在超短波及微波波段，其频率范围在30到 300000兆赫，相应波长为10米至1毫米。在跟踪目标时采用机械扫描的方式，且后期信号处 理过程复杂，故存在跟踪系统复杂，波段易被吸收和干扰、跟踪实时性差、信号处理算法复 杂等缺陷。
[0004] 基于视觉的运动目标跟踪方法是光学领域中常采用的跟踪方法，该方法融合了图 像处理、模式识别和传感器等多个不同领域的先进成果。基于视觉的运动目标跟踪方法又 包括基于运动分析的方法、基于颜色特征分布的方法以及基于图像特征匹配的方法等。
[0005] 基于运动分析的方法包括光流法、帧间差分法、背景差法等，光流法是通过对二维 图像序列作运算得到光流，从而获知目标运动信息的方法，由于计算光流的运算较为复杂， 计算量大，故不适用于实时性要求很高的场合。帧间差分法是通过计算相邻两幅图像的差 值来获取目标运动信息的方法，故对背景的相对运动较为敏感，只适用与背景相对运动不 大的场合。而背景差法是对帧间差分法的改进，该方法是通过计算特定背景模型与每一幅 图像的差值来获取目标运动信息的方法，解决了帧间差分法中存在的对背景相对运动较为 敏感的问题，但该方法会对光照和外部条件造成的场景变化比较敏感，导致跟踪误差较大。
[0006] 基于颜色特征分布的方法是通过计算图像的颜色特征分布进而获取目标运动信 息的方法，包括基于Meanshift算法的跟踪方法和基于Camshif t算法的跟踪方法等，其中， Camshift算法是Meanshift算法的改进，其与Mecamshift算法相比，具有目标表示简单、便 于进行模型组合的优点，故实际应用中常采用基于Camshift算法的跟踪方法。但是，基于 Camshift算法的跟踪方法还有着无法生成运动轨迹、分辨率不足等缺点。
[0007] 基于图像特征匹配的方法是2014年，南京航空航天大学的朱玮在其名为《基于视 觉的四旋翼飞行器目标识别及跟踪》的硕士毕业论文中提出的一种跟踪方法，该方法在跟 踪时，首先确定跟踪窗口的初始位置和大小，然后对目标物体的颜色特征，边缘特征和SIFT 特征进行融合，以Camshift算法来优化粒子的传播，从而完成了目标在相似颜色干扰和被 轻度遮挡的情况下都能对某一类物体进行很好的跟踪。但对于目标被重度遮挡导致目标轮 廓信息全部丢失的情况，仍没有较好的方法解决。
[0008] 而在天文观测、对地观测及生物医学等领域中常要求透过随机介质或利用随机介 质表面的散射光进行对运动目标的跟踪。然而，当目标透过生物组织和毛玻璃等随机介质 之后其原本的视觉轮廓信息几乎全部丢失，而无法辨别，导致以上三种基于视觉的目标识 别与跟踪方法无法对隐藏在遮蔽物后方的运动目标进行跟踪。近年来，国内外科研人员开 始考虑通过某种方法恢复出散射光中携带的目标信息，从而使散射光参与成像过程，即实 现散射成像。目前，围绕着散射成像的研究已经取得了一些进展，主要包括波前调制技术、 图像重建技术、散斑相关成像技术等。I.Freund等人在1988年研究发现，当光波进入散射介 质的入射角度比较小时，该范围内的光波产生的散斑场图像之间存在较强的相关性，这种 现象称为光学记忆效应(Optical Memory Effect ,ΟΜΕ)。2014年，0.Katz等人根据这一理论 提出了一种基于单帧散斑自相关的非侵入式散射成像方法。该方法根据单帧散斑场图像的 自相关特性，结合相位恢复算法进行图像重建，成功实现对目标成像的目的。但目前还没有 将散射成像技术应用于目标跟踪技术领域。

【发明内容】

[0009] 本发明目的在于克服上述现有技术存在的缺陷，提出了一种基于随机介质表面散 射光的运动目标跟踪系统及跟踪方法，用于解决现有运动目标跟踪系统及跟踪方法中存在 的因无法透过遮蔽物进行目标跟踪导致适用范围较窄的技术问题。
[0010] 为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
[0011] -种基于随机介质表面散射光的运动目标跟踪系统，包括探测器阵列6;其特征在 于:所述探测器阵列6用于接收激光器1发射并被随机介质4反射的散射光，并记录其强度信 息;所述随机介质4位于激光器1的照明区域内，且其散射面与激光器1所发射激光形成的入 射角为锐角；在激光器1和随机介质4之间依次设置有扩束器2和旋转毛玻璃3,且旋转毛玻 璃3在垂直于激光器1发射激光的平面上旋转，用于形成赝热光;工作时，待跟踪运动目标位 于所述赝热光的照明区域内；所述探测器阵列6位于随机介质4形成的散射光路上，在该探 测器阵列6接收面前方设置有孔径光阑5。
[0012] 上述基于随机介质表面散射光的运动目标跟踪系统，激光器1采用可见光波段的 窄带激光器。
[0013] 上述基于随机介质表面散射光的运动目标跟踪系统，扩束器2,其中心轴线与激光 器1发射的激光重合。
[0014] 上述基于随机介质表面散射光的运动目标跟踪系统，旋转毛玻璃3,其旋转中心偏 离激光入射点。
[0015] 上述基于随机介质表面散射光的运动目标跟踪系统，随机介质4采用不透光强散 射材料，用于避免携带运动目标信息赝热光的光能透射损耗。
[0016] 上述基于随机介质表面散射光的运动目标跟踪系统，孔径光阑5和探测器阵列6的 接收面均与随机介质4的散射面平行。
[0017] 上述基于随机介质表面散射光的运动目标跟踪系统的跟踪方法，包括以下步骤：
[0018] 步骤1，探测器阵列采集待跟踪运动目标在随机介质表面散射形成的散斑图像，得 到时间序列散斑图像Ii(x，y)，l2(x，y)，…，I n-i(x，y)，In(x，y)，（x，y)表示时间序列散斑图 像中各像素点的位置坐标；
[0019] 步骤2,对采集到的时间序列散斑图像Ii(x，y)，I2(x，y)，···，In-i(x，y)，I n(x，y)进 行高斯低通滤波，得到滤波后的时间序列散斑图像 (x,y)；
[0020] 步骤 3,对滤波后的时间序列散斑图像 Ii'（x,y)，I'2(x,y)···，IVi(x,y)，I'n(x,y) 进行自相关运算，得到时间序列散斑图像的自相关运算结果 y) ,R2(x,y) = l2' (x,y)^l2' (x,y) ,··· ,Rn-i(x,y) = In-i，(x,y)^In-i，(x,y) ,Rn(x,y) = In， (χ,γ^Ιη'（x,y)，其中★表示自相关运算符号；
[0021] 步骤4,对滤波后的时间序列散斑图像Ii'(x，y)，I'2(x，y)…，IVi(x，y)，I'n(x，y)，从1'2 (x，y)起的每一幅散斑图像均与其相邻的前一幅散斑图像进行互相关运算，得到时间序列散斑图 像的互相关运算结果:A (.y、v) = .y)?/2(.T.j〇 ，. Η, (λ-, ν) = ?2 (χ,_ν)^?\ {χ,ν) , '，·..， (&ν) = , (χ，7)?/" (χ,)，），其中<8)表示互相关运算符号；
[0022] 步骤5,根据步骤3和步骤4得到的运算结果，计算待跟踪运动目标在探测器阵列上 对应散斑图像的位移，通过如下步骤实现：
[0023]步骤58，确定时间序列散斑图像自相关运算结果1?1(1，7) = 11'（1，7)女11'（1，7)， R2(x，y) = l2,（叉，丫)女12,（x，y)，···，Rn-i(x，y) = In-1，（x，y)★]；!!-1，（x，y)，Rn(x，y) = In，（x，y) ★ In'（x，y)的中心坐标，这些中心坐标用（li，mi)，（l2，m2)，…，（ln-i，m n-l)，（ln，mn)表示；
[0024] 步骤5b，确定时间序列散斑图像互相关运算结果 //, (-Y, ν) = / , (,Υ, >')0 / 2 (χ, ν) ， "2 (χ,.ι，）= / : (χ，.ν·)? Λ (χ,.Γ) ， "·， //" 丨（Λ.，..Γ ) = / ,，丨（Λ.，..Γ ) ? / " (Λ-, .1，)的中心坐标，这些中心坐标用（Pi，qi )，（ Ρ2，q2 )，…，（ρη-1， Qn-1)表不；
[0025] 步骤5c，计算时间序列散斑图像互相关运算结果的中心坐标(P1，qi)，（p2，q 2)，…， (PH，qw)与时间序列散斑图像自相关运算结果的中心坐标（1 i，nu)，（ 12，m2)，…，（， 之间的像素差，得到待跟踪运动目标对应散斑图像在探测器阵列上移动的像 素数：（Pl_ll，qi_mi)，（P2_l2，q2_m2)，···，（Pn-l _ln-l，qn-l_mn-1);
[0026] 步骤5d，根据待跟踪运动目标对应散斑图像在探测器阵列上移动的像素数(pi-h， qi-mi)，（P2-I2，q2-m2)，…，（pn-rln-1，qn-i-mn-1)，计算得到待跟踪运动目标对应散斑图像在 探测器上的位移：（Δ Χ1, Δ y〇，（ Δ Χ2, Δ y2)，…，（Δ xn-i，Δ yn-〇，其中，Δ Xl= (prlO · d， Δ yi= (qi-mi) · d，Δ Χ2= (P2-I2) · d，Δ y2= (q2-m2) · d，···，Δ xn-：l= (pn-rln-：〇 · d，Δ yn-1 = (qn-i_mn-1) · d，d为探测器阵列的像元尺寸；
[0027] 步骤6，根据采集散斑图像过程中每一个采集时间间隔内，待跟踪运动目标对应散 斑图像在探测器上的位移（Δ χ!，Δ y〇，（ Δ Χ2, Δ y2)，…，（Δ xn-i，Δ yn-〇，计算待跟踪运动 目标的实际位移，通过如下步骤实现：
[0028] 步骤6a，计算运动目标跟踪系统的放大率A = |，其中，ν为随机介质到探测器阵列 的距离，u为运动目标到随机介质的距离；
[0029]步骤6b，根据待跟踪运动目标对应散斑图像在探测器上的位移（Δ Χ1，Δ yi)，（ Δ X2，Δ y2)，…，（Δ n，Δ y^)及运动目标跟踪系统的放大率β，分别计算采集散斑图像过程 中每一个采集时间间隔内，待跟踪运动目标的实际位移（Ax'^Ay'djAx'^Ay's)，···， (Α χ'η-ι, Δ y 'η-ι) Δ χ'ι = ( Δ xi/β) · COS0 , Δ y 'ι = ( Δ yi/β) · cos0 , Δ χ'2 = ( Δ χ2/ P)?COS0,Ay，2=(A γ2/β) · COS0 , ···, Δ χ'η-? = ( Δ Χη-?/β) · COS0 , Δ y'η-? = ( Δ yn-l/β) · COS0，θ为入射光线与随机介质表面法线的夹角；
[0030] 步骤6c，根据采集散斑图像过程中每一个采集时间间隔内，待跟踪运动目标的实 际位移（Δχ、，Ay'ddAx's，Δγ'2)，···，（Δχ'η-hAyV山计算待跟踪运动目标的实际 位移（Δ X，Δ y)，其中 Δ χ= Δ x，：l+----h A χ，n-：l，Δ y = Δ y，#···+ Δ y，n-：l0
[0031] 本发明与现有技术，相比具有如下优点：
[0032] 1)本发明由于随机介质采用不透光的强散射材料，实现了对携带目标信息赝热光 的强散射，形成的散射光被探测器阵列接收，与现有技术中采用的通过探测器阵列接收发 生弱散射的携带目标信息光的方法相比，可实现在目标信息光发生强散射的情况下对平面 二维运动目标进行实时跟踪，拓展了目标跟踪技术的适用范围。
[0033] 2)本发明由于在计算运动目标运动的实际位移时，采用计算时间序列散斑图像自 相关和时间序列散斑图像互相关中心的像素差的方法，与现有技术中采用融合多种目标特 征信息并以Camshift算法来优化粒子传播的方法相比，简化了算法流程，提高了计算速度 和跟踪精度，降低了跟踪误差。
[0034] 3)本发明由于在接收信息图像时仅采用探测器阵列，与现有技术中需在探测器阵 列前方设置光学镜头相比，简化了接收信息图像系统的结构。
【附图说明】
[0035] 图1是本发明跟踪系统的整体结构示意图；
[0036] 图2是本发明跟踪方法的流程框图；
[0037] 图3是本发明实施例对时间序列散斑图像进行高斯低通滤波及自相关和互相关运 算效果图。
【具体实施方式】
[0038]以下结合附图和实施例，对本发明作进一步详细说明。
[0039] 参见图1，基于随机介质表面散射光的运动目标跟踪系统，包括激光器1、扩束器2、 旋转毛玻璃3、随机介质4、孔径光阑5和探测器阵列6。
[0040] 其中，激光器1采用可见光波段的窄带激光器，因为散斑相似程度随光源带宽的增 加而下降，故采用单色性较好的激光光源;扩束器2由两面凸透镜组成，两面凸透镜中心共 线且平行放置，可将激光截面直径扩大5到10倍，以达到增大照明区域的目的，本实施例采 用型号为GC0-2503的扩束器;旋转毛玻璃3为表面粗糙的半透明玻璃，用于消除激光的相干 性；随机介质4为ZnO粉末薄膜、墙面等表面粗糙的不透光强散射材料，以确保散射光足够 强，可以被探测器阵列响应，本实施例采用经沉淀干燥后均匀紧密排列的ZnO粉末薄膜;探 测器阵列6为可见光波段的探测器阵列，其为光电信息转化装置，可将光强信息转化为二维 电信号输出，用于将接收到的散射光转化为可用计算机编程计算的数码图像。
[0041] 激光器1发出的激光经过扩束器2后，激光横截面直径被扩大，其扩束器2的中心轴 线需与激光器1发射的激光重合，以达到光束准直的目的；随后光线再经过旋转毛玻璃3去 除激光器1发出激光的相干性后产生赝热光，其中旋转毛玻璃3由电机带动，在垂直于激光 的平面上旋转，以确保光路准直，其旋转中心偏离激光入射点，以确保激光不被电机遮挡； 赝热光照射到待跟踪运动目标上，携带有待跟踪运动目标信息的光照射到随机介质4上，且 入射角度为锐角，以确保探测器阵列6可以接收到完整的散射光，本实施例中入射角为25 度;入射光在随机介质4表面发生多次无序的散射，经过多次散射的输出光束经孔径光阑5 滤除杂散光并限制光束直径后，进入探测器阵列6,最后在探测器阵列6上形成散斑图像。其 中，孔径光阑5和探测器阵列6的接收面均与随机介质4的散射面平行，以确保接收到的散斑 图像不发生畸变。
[0042]参见图2,基于随机介质表面散射光的运动目标跟踪系统的跟踪方法，其具体实现 步骤如下：
[0043]步骤1，探测器阵列采集待跟踪运动目标在随机介质表面散射形成的散斑图像，得 至1J时间序列散斑图像Ii(x，y)，l2(x，y)，…，In-i(x，y)，In(x，y)，其中，（x，y)表示时间序列散 斑图像中各像素点的位置坐标；
[0044]步骤2,对探测器阵列采集到的时间序列散斑图像ΙΚχ^,ΙΧχ^)，···，^^^)， In(x，y)进行高斯低通滤波处理，得到滤波后的时间序列散斑图像 Γη-?(χ,γ) ,Γη(χ,γ)：
[0045
[0046
[0047」其中，h = fspecial( 7gaussian7，U0l0」，1)表示生成标准差为1，大小为10X 10的 高斯滤波掩膜h，imf i 1 ter (I (X，y)，h，'repl icate '）表示利用生成的高斯滤波掩膜h对图像 I(x，y)进行滤波操作，'replicate'表示图像大小通过复制外边界的值来扩展。
[0048]步骤 3,对滤波后的时间序列散斑图像 Ii'（x，y)，I'2(x，y)···，IVi(x，y)，I'n(x，y) 进行自相关运算，得到时间序列散斑图像的自相关运算结果。
[0049]自相关运算，常用来计算同一信号在不同时刻的相似程度，其具有多种计算方式， 本发明所述自相关运算是基于二维傅里叶变换理论的自相关运算，即所述自相关结果心 (x，y)，R2(x，y)···，Rn-i(x，y)，R n(x，y)等于滤波后的时间序列散斑图像 Ii'（x，y)，I'2(x, y)--，I'n-1&，7)，1'"(、 7)能量密度谱的逆傅里叶变换：
[0050]
[0051] 其中，FT{ ·}为傅立叶变换，FF1!： ·}为傅立叶逆变换，★表示自相关运算符号， ? I表示取绝对值。
[0052] 步骤4,对滤波后的时间序列散斑图像Ii'（x，y)，I'2(x，y)"_，rn-i(x，y)，I'n(x, y)，从I' 2(x，y)起的每一幅散斑图像均与其相邻的前一幅散斑图像进行互相关算，得到时 间序列散斑图像的互相关运算结果。
[0053]互相关运算，常用来计算两列信号的相似程度，其具有多种计算方式，本发明所述 互相关运算是基于二维傅里叶变换理论的互相关运算，即所述互相关结果HKxjhftKx， y)···，Hn-i(x，y)等于去除噪声的时间序列散斑图像 Ii'（x，y)，Ι'2(χ，γ)···，Γη-i(x，y)，I'n (x，y)互能量谱密度的逆傅里叶变换：
[0054]
[0055] 其中，FT{ ·}为傅立叶变换，FT1!： ·}为傅立叶逆变换，?表示互相关运算符号。
[0056] 步骤5,根据步骤3和步骤4得到的时间序列散斑图像的自相关运算结果和互相关 运算结果，计算待跟踪运动目标在探测器阵列上对应散斑图像的位移。通过如下步骤实现： [0057] 步骤5a，通过MATLAB软件确定时间序列散斑图像自相关运算结果心（X，y)，R2 (X， y)···，Rn-i(x，y)，Rn(x，y)的中心坐标，用（li，mi)，（l2，m2)···，（In-i，m n-l)，（ln，mn)表示：
[0058]
[0059] 其中，1表示时间序列散斑图像自相关运算结果中灰度值最大的像素的行坐标，m 表示时间序列散斑图像自相关运算结果中灰度值最大的像素所的列坐标，find(R(x，y) = =max(max(R(x，y))))表示寻找R(x，y)中灰度值最大的像素；
[0060] 步骤5b，通过MATLAB软件确定时间序列散斑图像互相关运算结果出（X，y)，H2 (X， y)，···，Hn-i(x，y)的中心坐标，用（pi，qi)，（P2，q2)，…，（p n-i，qn-1)表示：
[0061]
[0062]
[0063] 其中，p表示时间序列散斑图像互相关运算结果中灰度值最大的像素的行坐标，q 表示时间序列散斑图像互相关运算结果中灰度值最大的像素的列坐标，find(H(x，y) = = max(max(H(x，y))))表示寻找H(x，y)中灰度值最大的像素；
[0064] 步骤5c，根据步骤5a得到的时间序列散斑图像自相关运算结果的中心坐标（h， nu)，（12，m 2)…，（ln-i，mn-i)，（ln，mn)和步骤5b得到的时间序列散斑图像互相关运算结果的中 心坐标(讲^山^^丄…七^七-山计算待跟踪运动目标对应散斑图像在探测器阵列 上移动的像素数：（Pl _ll，qi_mi)，（P2-l2，q2H2)···，（Pn-l-ln-l，qn-lUn-1);
[0065] 步骤5d，根据步骤5c得到的待跟踪运动目标对应散斑图像在探测器阵列上移动的 像素数：（Pl_ll，qiHl)，（P2 -l2，q2H2)···，（Pn-l-ln-l，qn-lUn-1)，计算米集散斑图像过程中每 一个采集时间间隔内，待跟踪运动目标对应散斑图像在探测器上的位移（A X1，△ yi)，（ Δ X2，Δ y2 )，…，（Δ χη-1，Δ yn-1):
[0066]
[0067]其中，AXi(i = l，2, . . .，η-1)表示采集散斑图像过程中每一个采集时间间隔内， 待跟踪运动目标在探测器阵列上对应散斑图像位移矢量的横坐标，Ayi(i = l，2, . . .，η-1) 采集散斑图像过程中每一个采集时间间隔内，待跟踪运动目标在探测器阵列上对应散斑图 像位移矢量的纵坐标，d表示探测器阵列的像元尺寸。
[0068]步骤6，根据采集散斑图像过程中每一个采集时间间隔内，待跟踪运动目标对应散 斑图像在探测器上的位移（Α Χ1，Δ yi)，（ Δ Χ2, Δ y2)，…，计算待跟踪运动目标的实际位移。 通过如下步骤实现：
[0069]步骤6a，计算运动目标跟踪系统的放大率β:
[0070] β = - U
[0071] 其中，ν为像距，即随机介质到探测器阵列的距离，u为物距，即观测目标到随机介 质的距离；
[0072] 步骤6b，根据步骤5d得到的采集散斑图像过程中每一个采集时间间隔内，待跟踪 运动目标对应散斑图像在探测器上的位移（A X1, Ayi)，（ ΔΧ2, Ay2)，…，（ΔΧη-丨，Ayn-丨)和 步骤6a得到的运动目标跟踪系统的放大率，计算采集散斑图像过程中每一个采集时间间隔 内，待跟踪运动目标的实际位移（Δ x'：l，Δ y'：〇，（ Δ χ'2, Δ y'2)，…，（Δ x'n-：l，Δ y V：〇 :
[0073]
[0074] 其中，Δ 2，...，n-l)表示采集散斑图像过程中每一个采集时间间隔内， 待跟踪运动目标实际位移的横坐标，Ay'，（1 = 1,2，...，n_l)表示采集散斑图像过程中每 一个采集时间间隔内，待跟踪运动目标的实际位移的纵坐标，Θ为入射光线与随机介质表面 法线的夹角；
[0075]步骤6c，根据采集散斑图像过程中每一个采集时间间隔内，待跟踪运动目标的实 际位移（Δχ、，Ay'JjAx's，Δγ'2)，···，（Δχ'η-hAyV山计算待跟踪运动目标的实际 位移（Δχ, Ay):
[0076] Δ χ= Δ χ'ι+···+Δ χ'n-1
[0077] Δ y = Δ y7 ιΗ h Δ y7η-ι
[0078] 以下结合本实施例对时间序列散斑图像进行高斯低通滤波及自相关和互相关运 算效果图，对本发明的技术效果作进一步说明：
[0079] 参照图3,其中图3(a)为本实施例采用的待跟踪运动目标图像，将该待跟踪运动目 标放置在手动一维位移平台上，人为在待跟踪运动目标所在的垂直于系统主光轴的平面上 横向移动，每移动〇.5mm记录一次散斑图像，对得到的时间序列散斑图像进行高斯低通滤 波，其结果如图3(b)所示，从图中可以看出滤波后的时间序列散斑图像已经完全失去目标 轮廓信息;对图3(b)中滤波后的时间序列散斑图像做自相关运算，其结果如图3(c)所示，从 图中可以看出自相关图像中心坐标位于整幅图像的中心位置;对图3(b)中的滤波后的时间 序列散斑图像从第2幅起每一幅图像均与其相邻的前一幅图像进行互相关运算，其结果如 图3(d)所示，从图中可以看出互相关图像中心坐标偏离整幅图像的中心位置，故可利用其 偏离的像素数量计算待跟踪运动目标的实际位移。
[0080] 利用图3(c)与3(d)所示结果，计算待跟踪运动目标的实际位移，计算结果如表1所 不。
[0081] 表1
[0082]
[0083] 由表1可看出跟踪精度可达mm量级，且相对误差为1.65%，故说明本发明可以对运 动目标进行高精确跟踪，且跟踪误差较低。
[0084] 以上描述仅是本发明的一个具体实例，并不构成对本发明的任何限制。显然对于 本领域的专业人员来说，在了解了本
【发明内容】
和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构 的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变 仍在本发明的权利要求保护范围之内。
【主权项】
1. 一种基于随机介质表面散射光的运动目标跟踪系统，包括探测器阵列(6);其特征在 于:所述探测器阵列(6)用于接收激光器(1)发射并被随机介质(4)反射的散射光，并记录其 强度信息;所述随机介质(4)位于激光器(1)的照明区域内，且其散射面与激光器(1)所发射 激光形成的入射角为锐角；在激光器（1)和随机介质(4)之间依次设置有扩束器(2)和旋转 毛玻璃（3)，且旋转毛玻璃（3)在垂直于激光器（1)发射激光的平面上旋转，用于形成歴热 光;工作时，待跟踪运动目标位于所述歴热光的照明区域内；所述探测器阵列(6)位于随机 介质(4)形成的散射光路上，在该探测器阵列(6)接收面前方设置有孔径光阔（5)。2. 根据权利要求1所述的基于随机介质表面散射光的运动目标跟踪系统，其特征在于， 所述激光器(1)采用可见光波段的窄带激光器。3. 根据权利要求1所述基于随机介质表面散射光的运动目标跟踪系统，其特征在于，所 述扩束器(2)，其中屯、轴线与激光器(1)发射的激光重合。4. 根据权利要求1所述基于随机介质表面散射光的运动目标跟踪系统，其特征在于，所 述旋转毛玻璃(3)，其旋转中屯、偏离激光入射点。5. 根据权利要求1所述基于随机介质表面散射光的运动目标跟踪系统，其特征在于，所 述随机介质(4)采用不透光强散射材料，用于避免携带运动目标信息歴热光的光能透射损 耗。6. 根据权利要求1所述基于随机介质表面散射光的运动目标跟踪系统，其特征在于，所 述孔径光阔（5)和探测器阵列(6)的接收面均与随机介质(4)的散射面平行。7. 根据权利要求1所述基于随机介质表面散射光的运动目标跟踪系统的跟踪方法，包 括W下步骤： (1) 探测器阵列采集待跟踪运动目标在随机介质表面散射形成的散斑图像，得到时间 序列散斑图像Il(x，y)，I2(x，y)，…，In-l(x，y)，In(x，y)，（x，y)表示时间序列散斑图像中各 像素点的位置坐标； (2) 对采集到的时间序列散斑图像Il(x，y)，I2(x，y)，…，In-l(x，y)，In(x，y)进行高斯低 通滤波，得到滤波后的时间序列散斑图像Ii'（x，y)，r2(x，y)-，，rn-i(x，y)，I'n(x，y); (3) 对滤波后的时间序列散斑图像11'^，7)，1'2^，7)-，，1'。-1^，7)，1'。^，7)进行自 相关运算，得到时间序列散斑图像的自相关运算结果:Ri(x，y) = Ii'（x，y)^Ii'（x，y)，R2 (x,y) = l2' (x,y)^l2' (x,y) ,··· ,Rn-i(x,y) = In-i' (χ,γ)^Ιη-ι' (x,y) ,Rn(x,y) = In' (x,y) ★ In'（x，y)，其中★表示自相关运算符号； (4) 对滤波后的时间序列散:斑图像Ii'(x,y)，I'2(x，y)…，1'。-如，7)，1'。山7)，从1'2山7)起 的每一幅散斑图像均与其相邻的前一幅散斑图像进行互相关运算，得到时间序列散斑图像的 互相关运算结果.0 二 Λ /-/, (Α-, v) - l\(λ-, r)@ / {x.y)....，'， 巧，(W，)二(-W)@/" (x，_y)，其中@表示互相关运算符号； (5) 根据步骤(3)和步骤(4)得到的运算结果，计算待跟踪运动目标在探测器阵列上对 应散斑图像的位移，通过如下步骤实现： 5a)确定时间序列散斑图像自相关运算结果Ri(x，y) = Ii'（x，y)^Ii'（x，y)，R2(x，y)= I2,（x，y)^l2,（x，y)，...，Rn-i(x，y) = In-i，（x，y)^In-i，（x，y)，Rn(x，y) = In，（x，y)^In，（X， y)的中屯、坐标，并分别用（ll,mi)，（l2,m2)，…，（ln-l,mn-l)，（Ιη,ΠΙη)表不； 5b)确定时间序列散斑图像互相关运算结果公,(y，_y) = /', (x，..i，)0/'2 (.τ，.ν)， (pi'qi)，（P2，q2)，...，（pn-i，qn-i)表示； 5c)计算时间序列散斑图像互相关运算结果的中屯、坐标(Pl，ql)，（P2，q2)，…，（Pn-l，qn-l) 与时间序列散斑图像自相关运算结果的中屯、坐标αl，ml)，α2，m2)，…，αn-l，mn-l)，αn，血） 之间的像素差，得到待跟踪运动目标对应散斑图像在探测器阵列上移动的像素数：（pi-h， qi-虹)，(P2-I2 ,q2-m2)，...，(Pn-广ln-1 ,qn-1-mn-l); 5d)根据待跟踪运动目标对应散斑图像在探测器阵列上移动的像素数(Pi-h，q广mi)， (P2-l2，q2-m2)，…，（Pn-パn-l，qn-广血-l)，计算得到采集散斑图像过程中每一个采集时间间 隔内，待跟踪运动目标对应散斑图像在探测器上的位移：（Δ XI，Δ yi)，（ Δ X2，Δ y2)，…，（Δ Χη-1 , A yn-1),其中，Δ χι = (ρ广h) · d, Δ yi = (q 广 mi) · d, Δ Χ2 = (Ρ2-12) · d, Δ Υ2= (Q2- m2) · d，…，Δχη-1=(Ρη-1-1η-1) · d，Ayn-l=(qn-1-血-1) · d，d为探测器阵列的像元尺寸； (6)根据采集散斑图像过程中每一个采集时间间隔内，待跟踪运动目标对应散斑图像 在探测器上的位移（Δχι, Ayi)，（ Δχ2, Ay2)，…，（Αχη-1, Ayn-1)，计算待跟踪运动目标的 实际位移，通过如下步骤实现： 6a)计算运动目标跟踪系统的放大率戶=^，其中，V为随机介质到探测器阵列的距离，U 为待跟踪运动目标到随机介质的距离； 6b)根据待跟踪运动目标对应散斑图像在探测器上的位移（Δ XI，Δ yi)，（ Δ X2，Δ y2)，…，（Δ Χη-1，Δ yn-1)及运动目标跟踪系统的放大率β，分别计算采集散斑图像过程中每 一个采集时间间隔内，待跟踪运动目标的实际位移（Αχ'ι，Δγ'ι)，（Δχ'2, Ay'2)，…，（Δ x'n-1, Ay'n-1)，其中 Δχ'ι=( Δχι/β) · cos目，Δγ'ι=( Δγι/β) · cos目，Δχ'2=( Δχ2/β) · cos目，Δγ'2=( Δγ2/β) · cos目，...，Δχ'η-1=( Δχη-?/β) · cos目，Ay'n-1=( Δγη-?/β) · cos白， θ为入射光线与随机介质表面法线的夹角； 6c)根据采集散斑图像过程中每一个采集时间间隔内，待跟踪运动目标的实际位移（Δ X'l, Ay'i)，（ Δχ'2, Δγ'2)，···，（ Δχ'η-1, Ay'n-I)，计算待跟踪运动目标的实际位移（Δχ, Δy)，其中Aχ=Δχ'l+...+ Δχ'n-l，Δy=Δy'l+...+ Δy'n-l。8. 根据权利要求7所述的基于随机介质表面散射光的运动目标跟踪系统的跟踪方法， 步骤(3)中所述的自相关运算结果，通过如下公式求得：其中，FT{ · }表示二维傅里叶变换，Fri{ · }表示二维逆傅里叶变换，I · I表示取绝对 值。9. 根据权利要求7所述的基于随机介质表面散射光的运动目标跟踪系统的跟踪方法， 步骤(4)中所述的互相关运算结果，通过如下公式求得：其中，FT{ · }表示二维傅里叶变换，Fri{ · }表示二维逆傅里叶变换，I · I表示取绝对 值，*表示复共辆。
【文档编号】G01S17/66GK105974430SQ201610289924
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年5月4日
【发明人】刘杰涛, 李慧娟, 鞠思文, 吴腾飞, 邵晓鹏, 龚昌妹, 冯蕾, 朱大炜, 郭成飞
【申请人】西安电子科技大学