基于交错卷帘快门的高精度目标跟踪方法与流程

本发明涉及遥感目标光电跟踪技术领域，具体涉及一种基于交错卷帘快门的高精度目标跟踪系统及方法。

背景技术：

光电经纬仪等光电跟踪设备，通过光学成像系统将感兴趣目标成像在光电探测器进行拍摄，通过获取图像中目标的曝光弧长和轨迹，可以计算目标的运动参数，如运动速度的大小和方向、姿态、高度等。

近年来，大面阵高精度cmos(complementarymetal-oxidesemiconductor，互补金属氧化物半导体)探测器得到了飞速发展。cmos探测器具有读出速度快、集成度高、功耗低等特点，但受限于探测器的序列读出模式，cmos探测器多采用电子卷帘快门曝光方式。空间光学遥感平台通过对空间或地面目标曝光成像，通过对图像中目标曝光形成的弧形轨迹进行分析，可以计算目标运动速度的大小和方向，进行目标跟踪，具有广泛的应用前景。

由于卷帘快门逐行开启，且每一行开启相较前一行存在时间延迟，在对运动目标进行成像时，由于目标像移与卷帘快门开启行存在运动耦合，快门较晚打开的行曝光图像相较之前行会发生微小位移，导致整片cmos探测器曝光图像会发生变形、抖动，降低目标跟踪精度；甚至，在对高速运动目标成像时，由于卷帘开启行与目标图像存在相对速度差和起始位置差，在部分情况下卷帘将无法在探测器面板范围内追及目标成像位置，无法对目标曝光，极大地影响目标跟踪性能。

目前的卷帘快门效应补偿技术主要通过图像处理算法，反解变形和抖动图像的原始图像，但仅限于成像清晰度的提升，无法恢复非合作目标的运动信息；对于卷帘导致的小目标和高速运动目标丢失问题，是算法层面无法解决的。使用机械快门可以一定程度上解决该问题，但在空间领域应用机械快门，存在快门使用寿命短、快门机构低温环境稳定性低等缺点，因此需要提出另一种技术路线来解决卷帘快门在高精度点目标跟踪领域的应用问题。

技术实现要素：

本发明为解决现有采用cmos探测器对高速运动目标成像时，存在无法对目标曝光，导致高速运动目标丢失，同时现有机械快门存在快门使用寿命短、快门机构低温环境稳定性低等问题，提供一种基于交错卷帘快门的高精度目标跟踪系统及方法。

基于交错卷帘快门的高精度目标跟踪系统，包括目标跟踪系统，所述目标跟踪系统包括光学成像镜头、分光棱镜、两个cmos探测器、图像处理器和控制器，所述光学成像镜头的光线经分光棱镜后分别在两个cmos探测器上成像；所述两个cmos探测器的卷帘快门方向相反，形成交错卷帘快门；

所述控制器控制两个cmos探测器同时对目标进行曝光，获得多重曝光图像，所述图像处理器将两个cmos探测器获得的多重曝光图像进行去噪、滤波和叠加处理；该方法具体过程为：

设定cmos探测器面板像元数为nx×ny，目标初始位置为(x0，y0)和卷帘快门当前位置为(xs，ys)；卷帘快门打开速度为vs，目标速度正交分解为垂直卷帘方向的速度vx和与卷帘方向相同的速度vy，卷帘快门与目标相遇点坐标为(xg，yg)，则：

当0＜yg＜ny时，目标在cmos探测器面板范围内，y0＞0，vs＞0，y0＜ny，当卷帘快门打开速度vs和与卷帘方向相同的速度vy相反时，0＜yg＜ny，目标在移动出探测器面板区域前捕获；

计算目标曝光弧长l，实现对目标的跟踪；所述l的计算公式为：

本发明的有益效果：本发明基于交错卷帘快门的高精度目标跟踪技术，避免目标像移和卷帘曝光运动之间的耦合造成的图像变形和对沿某些方向快速运动的目标无法曝光的问题，提高目标发现率。同时，两片探测器对目标分别曝光获得图像，叠加两幅图像可延长目标曝光弧长，提高目标运动参数解算精度，降低目标质心位置探测误差，提高目标跟踪精度。

附图说明

图1为本发明所述的基于交错卷帘快门的高精度目标跟踪系统的结构图；

图2为像移速度1.7595像素/秒的目标曝光弧长对比图，其中，图2a为无交错卷帘曝光弧长仿真效果图，图2b为有交错卷帘曝光弧长仿真效果图；

图3为像移速度为0.2251像素/秒的目标曝光弧长对比图，其中，图3a为无交错卷帘曝光弧长仿真效果图，图3b为有交错卷帘曝光弧长仿真效果图。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1、图2和图3说明本实施方式，基于交错卷帘快门的高精度目标跟踪方法，包括目标跟踪系统，在目标跟踪系统成像镜头最终像面前放置一块分光棱镜，使用分光棱镜的分光面将光路分束，形成两个等效像面；两个cmos探测器分别放置在其中一个像面，保证探测器成像的相对一致性；两个cmos探测器卷帘快门方向不同，形成交错卷帘快门；控制器控制两个探测器同时对目标进行曝光。

本实施方式中，卷帘效应可以简化为目标图像与卷帘快门开启行的一维相对运动问题。卷帘效应强度与目标初始位置、目标与卷帘速度方向和大小相关，已知上述参数可以估算目标的发现率和曝光弧长。

设cmos探测器面板像元数为nx×ny，目标初始位置(x0，y0)与卷帘快门当前位置(xs，ys)；卷帘快门打开速度为vs，目标速度可以分解为垂直卷帘方向速度和沿卷帘方向速度(vx，vy)，由于垂直卷帘速度不影响曝光弧长，因此分析只考虑沿卷帘速度vy。卷帘快门与目标相遇点坐标为(xg，yg)，则

当0＜yg＜ny时，目标在探测器面板范围内被快门追及，可被发现。y0＞0，vs＞0，y0＜ny，因此当vs与vy反向时，0＜yg＜ny，目标一定可被发现。

进而可以计算目标曝光弧长：

交错卷帘快门由开启方向相反的两个卷帘快门组成，当目标远离其中一个卷帘时，必将逼近另一反向卷帘进而被捕获曝光，因此该技术可以增加系统对目标曝光的几率。

本实施方式中，两个cmos探测器规格相同，曝光模式为卷帘快门，两个cmos探测器卷帘快门方向如图1所示。通过系统光学成像镜头的光线经过分光棱镜后分别到达两个探测器成像。两个探测器以并联方式与控制器连接，控制器曝光控制指令同时发送至两探测器，以保证两探测器卷帘快门开启时间差小于卷帘快门行延迟时间。控制器控制两片探测器同时对目标曝光，获得目标运动轨迹。

图像处理器将两个cmos探测器进行的多重曝光图像进行去噪、滤波和叠加。两幅图像叠加后，增加了目标的曝光弧长。同时，通过对多幅图像中目标曝光弧长联立求解，可以增加对目标运动参数的求解方程数，降低目标质心探测误差，提高对运动目标跟踪的精度。

结合图2图3说明本实施方式，图2、3中为对不同运动速度、不同起始位置运动目标的曝光仿真计算结果，仿真探测器面板大小为200×200像素，目标尺寸为1像素；图2中，像移速度为1.7595像素/秒的目标曝光弧长对比图，横坐标为点目标在探测器面板的初始位置，纵坐标为目标的曝光弧长。结合图2a和图2b进一步表明，纵轴有数值部分长度为目标曝光弧长，无数值部分为无曝光区域。对于像移速度较快的目标，使用单探测器无法捕捉目标，而使用交错卷帘快门技术可对目标曝光，目标捕获几率提高约50％。结合图3，像移速度为0.2251像素/秒的目标曝光弧长对比图，对于像移速度较慢的目标，通过叠加图像，可以有效地增加目标的曝光弧长。

本实施方式中，使用的直角分光棱镜材料为k9玻璃，其分光面涂有半透半反铝膜，透射率和反射率皆为50％，透射面加有增透膜。

本实施方式所述的目标跟踪系统避免目标像移和卷帘曝光运动之间的耦合造成的图像变形和目标丢失，延长目标的曝光弧长，提高跟踪精度和目标发现率。采用两片卷帘快门方向相反的cmos探测器进行多重曝光，提高目标发现率，并通过对多幅曝光图像的叠加、分析，解算目标运动参数，实现高精度跟踪。