专利名称：一种全视景光电雷达及利用地面目标图像定位的扫描方法
技术领域：
本发明涉及光电探测技术领域，具体涉及一种采用双站旋转扫描的光电雷达。
背景技术：
光电雷达不主动发射雷达波，是一种采用被动式光电探测方式实现雷达功能的设备。由于隐形飞机的出现，光电雷达的重要性越来越被人们重视。但是，真正能具有与常规的发射无线电波的雷达在目标自动识别及远距离测距功能相当的光电雷达还鲜有报道，原因在于光电雷达的目标扫描、目标自动识别及测距均有技术难度。现有的光学雷达扫描方式有两种一种是凝视型，其优点是对活动目标，无论是地面的或是空中目标均很容易发现，并且实时性好。但由于其视场角小，只能覆盖很小的范围。通常只用于距离较近的地面探测；另一种是扫描式，通常安装在转台上，扫描方式分旋转式和扇扫式两种。扫描式光电雷达，扫描范围较凝视型光电雷达大。但是目前的扫描式光电雷达与常规的雷达类似，扫描时只能设定某一个特定的俯仰角。换言之，当扫描地面目标时就不能扫描空中目标，扫描的动态范围小。无法同时把空中的目标与地面的景象同时显示，无法实现水平0-360°，俯仰0-90°全方位探测和全视景显示。扫描式光电雷达的另一个技术难点是在扫描过程的动态中发现空中目标。由于摄像机随转台在运动很难区分空中的静止目标和运动目标。例如，在布满星星的夜晚，就需要将飞行中的飞机与星星相区别并自动识别，这在技术上有一定的难度。光学雷达的最大难题是测距，采用单站的光学雷达多采用激光测距，测距范围为几十公里。要对数百公里外的飞行目标用单个站点进行精确测距是几乎不可能的。通常采用双站点方式，通过双站交汇测距法来得到目标的距离信息。利用光电摄像机得到的目标图像信息进行目标位置参数解算，得到探测目标的距离参数，这种方法全部依赖于转台的机械精度，对于远距离的空中目标测得的距离等参数误差大。
发明内容
本发明针对现有光电雷达技术的不足，提出一种装置及方法、能实现水平0-360° 俯仰0-90°全方位扫描；能利用图像处理的方法自动识别空中目标；能利用图像匹配的方法通过已知的地面目标参考点的精确方位角及距离对空中目标进行精确定位及测距；能精确显示空中目标图像和运动参数及轨迹的全视景光电雷达。本发明所述的一种全视景光电雷达，包含一个采用光回流环的360°可连续旋转的转台、两个摄像机及与之配套的计算机；在所述的转台上的水平方向安装一个水平摄像机及在转台的俯仰支架上安装一个俯仰摄像机，与之配套的计算机同转台及摄像机相连接；所述的水平摄像机随着转台的转动而转动，其俯仰角不变总是对准地面目标，所述的俯仰摄像机随着转台俯仰角的变化对着不同的空中区域进行扫描，俯仰扫描幅度可从0至 90 ；所述的水平摄像机与俯仰摄像机垂直方向同轴。
进一步的，为提高光电雷达的测量精度，所述的全视景光电雷达上可安装高精度激光测距仪。所述的水平摄像机与俯仰摄像是一种广义的光电探测器，它可以是可见光摄像机，也可以是任何一种近红外、短波红外、中波红外或长波红外探测器及探测器的组合。使用上述全视景光电雷达并利用地面目标图像定位的扫描方法，采用双站点扫描，两个全视景光电雷达站点相隔一定距离同时扫描，每个全视景光电雷达站点的转台从 0°至360°旋转时，水平摄像机将连续采集到的地面目标图像用图像匹配的方法拼接成 0°至360°的完整的地面目标全方位图像，得到了两幅0°至360°的地面目标全方位图像，同时，俯仰摄像机得到特定俯仰角的360°全方位空域图；当俯仰摄像机的俯仰角随着转台每圈的旋转从0-90°分阶段扫描时，就实现了全方位的地面及空中目标的全视景探测。具体扫描方法为空中目标自动检测方法为俯仰摄像机对着空中区域以摄像机的最大视频采集帧数连续抓拍空中图像，并通过计算机对相邻的两帧进行差分处理并自动识别出空中目标； 识别出空中目标的这一帧的图像以捕获瞬间的时间为标记存储；计算机在发现空中目标的瞬间，把地面目标摄像机所摄的地面目标图像与地面目标全视景图进行图像匹配，找出上述一帧图像在地面目标全方位图中的准确位置；同时把该瞬间的空中目标的图像根据地面目标图像的定位，放在与其地面目标对应的空域中，此时地面目标的水平方向显示的是对应的上述一帧空中目标方位角，而垂直方向显示的是上述一帧空中目标的俯仰角，即得到空中目标方位图。当转台的俯仰角从0°至90°分段扫描后，全部的空中目标的图像将无遗漏地显示在地面目标全方位图的上方对应的空域中；地面目标的全方位图加上其上方空域中捕捉到的空中目标组成了光电雷达的全视景图；从两个基站的全视景图中计算机就能自动算出其对应的空中目标的全部参数，包括方位角、俯仰角、到站点的距离、飞行速度以及空中目标的运动轨迹。在用两个基站的全视景图对空中目标的距离进行计算时，利用地面目标参考点的精确距离对空中目标的俯仰角进行校正，提高了全视景图中俯仰角的精度。在此基础上最终提高了空中目标测距的精度。本发明为提高光电雷达测量精度的另一个手段是提高捕捉空中目标瞬间时的时间测量精度实现高精度时统。时统的精度由数十毫秒提高到毫秒级。 使得光电雷达系统的测距精度进一步得以提高。
图1旋转式光电探测器的组成及转台及摄像机安装示意图；图2光电雷达组成示意图；图3站点1水平摄像机及俯仰摄像机所摄地面及空中目标示意图；图4站点1水平摄像机及俯仰摄像机所摄地面及空中目标示意图；图5全视景光电雷达工作原理示意图；图6通过已知的地面参考点的精确位置参数，提高空中目标测试精度的示意图；图7通过地面参考点的图像，提高水平方位角精度的示意图。
实施方式本发明采用了图1所示的一种新型结构的光电探测器，它采用了一个光回流器的 360°可连续旋转的转台1，在转台上的水平方向安装一个水平摄像机3，它随着转台的转动而转动，但其俯仰角不变总是对准地面目标；在转台的俯仰支架上安装一个俯仰摄像机 2，它随着转台俯仰角的变化对着不同的空中区域进行扫描，俯仰扫描幅度可从0至90°。 水平摄像机与俯仰摄像机垂直方向同轴。当转台水平方向从0-360°连续旋转时，水平摄像机与俯仰摄像机分别对0-360°的地面目标及特定的空域进行扫描。当俯仰摄像机的俯仰角随着转台每圈的旋转从0-90°分阶段扫描时，就实现了全方位的地面及空中目标的全视景探测。图2显示了本发明所涉及的光电雷达的组成。本发明所涉及的光电雷达采用了双站点扫描，两个站点相隔一定距离。每个站点的光电探测器由图1所示的新型结构的光电探测器组成。当转台从0°至360°旋转时，两个站点的水平摄像机3和6连续采集到的地面目标图像通过安装在计算机中的图像采集卡数字化并通过计算机7处理。在处理中计算机自动寻找两幅相邻图像中的特征点(例如建筑物的角，图7中39、40、41、42、43)，用图像匹配的方法使特征点重合，这样就拼接成0°至360°的完整的地面目标全方位图像。双站点得到了两幅0°至360°的地面目标全方位图像并显示在计算机的显示器上8。图像匹配的方法，在图7的说明中作进一步说明。图3及图4显示了本发明所涉及的双站空中目标自动探测过程。本发明用俯仰摄像机3和5对着空中区域以摄像机的最大视频采集帧数连续抓拍空中图像，并通过计算机对相邻的两帧进行差分处理。由于空中的背景比较均勻，在相邻两帧的差分处理后背景的亮度降低，而空中目标例如飞机与背景的反差变大，空中目标这时就呈现为暗背景中的亮点，可通过设定灰度的阈值方法及图像处理的形态学孤立目标识别法将其从暗背景中分割出来，并记录下该目标的重心在这一帧中的坐标。识别出空中目标的这一帧的图像也以捕获瞬间的时间为标记存储(时间精确到毫秒)。计算机在发现空中目标的瞬间，把地面目标摄像机所摄的地面目标图像与地面目标全视景图(如图3的(10)及图4的(13))进行图像匹配，找出这一帧图像在地面目标全方位图中的准确位置；同时把该瞬间的空中目标的图像根据地面目标图像的定位，放在与其地面目标对应的空域图中(图3(9)中的空中目标 t0、t3、t5及图4(12)中的空中目标tl、t3、t7)。此时地面目标的水平方向显示的是对应的这一帧空中目标方位角，而垂直方向显示的是这一帧空中目标的俯仰角。由于空中静止的目标与动目标在全视景图上是很容易区分的，不同帧的静目标在全视景图上显示在同一个位置上，而不同帧的运动中的目标在全视景图上显示在不同位置上，这不同的位置形成了目标的运动轨迹(图3(9)中的t0、t3、t5)及(图4(12)中的tl、t3、t7)。这样实现了空中目标的自动检测。图5显示了本发明所涉及的光电雷达是如何测距的过程。图5中的站点1的图示显示了站点1中的转台1、水平摄像机3和俯仰摄像机2 ；水平摄像机所摄及拼接成的全视景图以及俯仰摄像机所摄的空中目标图像。其中全视景图的水平坐标图25-27表示的是转台旋转时全视景图中的目标对应的转台的旋转角度，0°对准的是转台的正北。全视景图的垂直坐标23-21表示的是转台的俯仰角的位置。其中23对应的是0°俯仰角，21对应的是 90°俯仰角。图5中的站点2的图示显示了站点2中的转台4、水平摄像机6和俯仰摄像机5 ；水平摄像机所摄及拼接成的地面全视景图以及俯仰摄像机所摄的空中目标图像。其中全视景图的水平坐标图26- 表示的是转台旋转时全视景图中的目标对应的转台的旋转角度，0°对准的是转台的正北。全视景图的垂直坐标M-22表示的是转台的俯仰角的位置。其中22对应的是0°俯仰角，对对应的是90°俯仰角。当空中出现空中目标，如飞机时，站点1的俯仰摄像机2在转台的旋转过程中，连续捕捉到空中目标的一系列帧图像15、 16至17，并根据水平摄像机3所摄的地面图像与事先拼好的全视景图中地面参照物图像的匹配好时的水平坐标，及俯仰摄像机2的俯仰角及全视景图中的垂直坐标，放置到全视景图中的对应的位置上。捕捉空中目标15、16、17等帧图像瞬间的时间(以毫秒为单位)也被记录下来。例如，捕捉帧图像15、16、17时的时间分别为t0、t3和t5。与站点1工作情况类似，站点2捕捉到的同一个空中目标的帧图像18、19、20时的时间分别为tl、t3和t7。 此时可从同一目标的两个不同位置(站点1及站点幻所摄的同一目标的两组帧图像的序列中找出其所摄时间相同的两帧。图中的16及19两帧所摄的时间都是t3。我们从两个全视景图中的水平坐标及垂直坐标中分别查出其对应的方位角及俯仰角31J9和32、30。通过立体几何交叉定位的公式，可计算出飞机距两个站点的的距离及飞行高度。如果从两组空中目标的序列中不能找到同一瞬间的帧图像。可以采用图像线性插值的方法(内插或外插法)计算出同一瞬间两个帧图像的位置，这样就大大提高了定位精度。图6显示了如何利用事先用激光测距仪测定好的地面参考点来提高测距的精度的方法。图中33、34、35为站点1水平摄像机所摄地面已知参考点的图像，36、37、38为站点2水平摄像机所摄地面已知参考点的图像。这些参考点的精确位置已用激光测距仪在基站安装时做了精确测量，以激光测距仪安装点(即站点1或站点2)的坐标为基准点(知道其经纬度与海拔高度)，测量该基准点与激光测距仪所对准的参考点的方位角、俯仰角及距离，同时可以推算出这些参考点之间的距离及夹角。当空中目标被显示在全视景图上之后， 空中目标与这些参考点之间的立体角度可从全视景图上测量出来。通过这些已知的参数， 可设立联立方程组计算空中目标至站点1及站点2的距离，并通过最小二乘法提高空中目标至站点1及站点2的精度。图7显示了如何利用地面参考点实现拼全视景图的方法以及在拼图完成之后如何从任意一帧地面图像找到它在全视景图中的准确位置。图7中44为水平摄像机抓拍到的单帧图像，45为转台0-360°旋转后所拼接成的地面全视景图的示意图。其中41、42、43 为所选的地面参考点。这些地面参考点可为建筑物顶部的某一角或其他具有特点的标志物。这些地面参考点在光电雷达安装时，用激光测距仪将雷达站点到参考点的精确距离、方位角及俯仰角做出精确测量。参考点的作用有两个一是用于图像拼图时的匹配，二是用于光电雷达测距时测量精度的提高。45所示的地面全视景图的拼接是这样完成的转台先设置在方位角0°位置(即北偏东0° )抓拍第一幅图像将其存放在计算机内存中，然后以顺时针方向旋转一圈(360° )，旋转时水平摄像机不停地抓拍地面目标。相邻两幅抓拍的图像至少包含一个相同的地面参考点目标。这样通过对相同的地面参考点图像的匹配，找出后抓拍的图像与先抓拍图像中参考点的水平位移的像素量，以此为依据将后一幅图拼接在前一幅图的适当位置上。在转台完成了 360°的旋转时，一幅360°的全视景图就完成。全视景图的拼接一天之中只需做数次(在天空照度发生明显变化时才做)。在光电雷达正常运行时，俯仰摄像机不停地抓拍空中图像。只有当确定空中出现了目标时，水平摄像机才抓拍地面目标，图7中44为水平摄像机此时抓拍到的地面图像。这时，计算机根据转台的水平方位角大致确定该地面图像在全视景图中的位置，然后通过图像匹配的方法将44中的参考点图像与全视景图中的参考点比对，找出其准确位置(方位角)，然后将空中目标的截图放在全视景图的空域中的对应位置上。当转台的俯仰角从0°至90°分段扫描后，全部的空中目标的图像将无遗漏地显示在地面目标全方位图的上方对应的空域中。地面目标的全方位图加上其上方空域中捕捉到的空中目标组成了光电雷达的全视景图。从两个基站的全视景图中计算机就能自动算出其对应的空中目标的全部参数方位角、俯仰角、到站点的距离、飞行速度以及空中目标的运动轨迹。为提高光电雷达的测量精度，本发明选用了特征明显的地面目标作为距离及方位角的参考点，并用高精度激光测距仪将这些参考点据基站的距离及方位角进行精确测量， 在此基础上对全视景图的方位角进行校正，提高了全视景图方位角坐标的精度。在用两个基站的全视景图对空中目标的距离进行计算时，利用地面目标参考点的精确距离对空中目标的俯仰角进行校正，提高了全视景图中俯仰角的精度。在此基础上最终提高了空中目标测距的精度。本发明为提高光电雷达测量精度的另一个手段是提高捕捉空中目标瞬间时的时间测量精度实现高精度时统。时统的精度由数十毫秒提高到毫秒级。使得光电雷达系统的测距精度进一步得以提高。
权利要求
1.一种全视景光电雷达，包含一个采用光回流环的360°可连续旋转的转台、两个摄像机及与之配套的计算机，其特征在于，在所述的转台上的水平方向安装一个水平摄像机及在转台的俯仰支架上安装一个俯仰摄像机，与之配套的计算机同转台及摄像机相连接； 所述的水平摄像机随着转台的转动而转动，其俯仰角不变总是对准地面目标，所述的俯仰摄像机随着转台俯仰角的变化对着不同的空中区域进行扫描，俯仰扫描幅度可从0至90 ； 所述的水平摄像机与俯仰摄像机垂直方向同轴。
2.如权利要求1所述的一种全视景光电雷达，其特征在于，为提高光电雷达的测量精度，所述的全视景光电雷达上可安装高精度激光测距仪。
3.如权利要求1所述的一种全视景光电雷达，其特征在于，所述的水平摄像机与俯仰摄像是一种广义的光电探测器，它可以是可见光摄像机，也可以是任何一种近红外、短波红夕卜、中波红外或长波红外探测器及探测器的组合。
4.使用上述全视景光电雷达并利用地面目标图像定位的扫描方法，其特征在于，采用双站点扫描，两个全视景光电雷达站点相隔一定距离同时扫描，每个全视景光电雷达站点的转台从0°至360°旋转时，水平摄像机将连续采集到的地面目标图像用图像匹配的方法拼接成0°至360°的完整的地面目标全方位图像，得到了两幅0°至360°的地面目标全方位图像，同时，俯仰摄像机得到特定俯仰角的360°全方位空域图；当俯仰摄像机的俯仰角随着转台每圈的旋转从0-90°分阶段扫描时，就实现了全方位的地面及空中目标的全视景探测。
5.如权利要求4所述的利用权倾光电雷达和地面目标图像定位的扫描方法，其特征在于，俯仰摄像机对着空中区域以摄像机的最大视频采集帧数连续抓拍空中图像，并通过计算机对相邻的两帧进行差分处理并自动识别出空中目标；识别出空中目标的这一帧的图像以捕获瞬间的时间为标记存储；计算机在发现空中目标的瞬间，把地面目标摄像机所摄的地面目标图像与地面目标全视景图进行图像匹配，找出上述一帧图像在地面目标全方位图中的准确位置；同时把该瞬间的空中目标的图像根据地面目标图像的定位，放在与其地面目标对应的空域中，此时地面目标的水平方向显示的是对应的上述一帧空中目标方位角， 而垂直方向显示的是上述一帧空中目标的俯仰角，即得到空中目标方位图；当转台的俯仰角从0°至90°分段扫描后，全部的空中目标的图像将无遗漏地显示在地面目标全方位图的上方对应的空域中；地面目标的全方位图加上其上方空域中捕捉到的空中目标组成了光电雷达的全视景图；从两个基站的全视景图中计算机就能自动算出其对应的空中目标的全部参数，包括方位角、俯仰角、到站点的距离、飞行速度以及空中目标的运动轨迹。
6.如权利要求4所述的利用权倾光电雷达和地面目标图像定位的扫描方法，其特征在于，时间测量精度毫秒级。
全文摘要
本发明所述的一种全视景光电雷达，包含一个采用光回流环的360°可连续旋转的转台、两个摄像机及与之配套的计算机；在所述的转台上的水平方向安装一个水平摄像机及在转台的俯仰支架上安装一个俯仰摄像机，与之配套的计算机同转台及摄像机相连接；所述的水平摄像机随着转台的转动而转动，其俯仰角不变总是对准地面目标，所述的俯仰摄像机随着转台俯仰角的变化对着不同的空中区域进行扫描，俯仰扫描幅度可从0至90；所述的水平摄像机与俯仰摄像机垂直方向同轴。所述的全视景光电雷达利用地面目标，采用双站点扫描法，实现水平0-360°俯仰0-90°全方位扫描；利用图像处理的方法自动识别空中目标并利用图像匹配的方法通过已知的地面目标参考点的精确方位角及距离对空中目标进行精确定位及测距，精确的显示空中目标图像和运动参数及轨迹。
文档编号G03B37/02GK102455425SQ20101051279
公开日2012年5月16日 申请日期2010年10月20日 优先权日2010年10月20日
发明者罗红玉 申请人:银河港(北京)技术有限公司