一种用于机载光电观瞄系统的激光测距数据滤波方法与流程

本发明属于机载光电侦察技术领域，涉及一种用于机载光电观瞄系统的激光测距滤波方法，在光电系统的激光测距机对地面目标进行测距时，通过该方法可以剔除异5常跳变的距离数据。

背景技术：

直升机或无人机载光电观瞄系统都具有激光测距功能。载机与目标的距离值是进行空地导弹攻击时的射击诸元，是实现对目标精确定位和打击的重要因素，正常情况下激光测距机的测距误差不大于±5米。但激光测距机在对地面目标进行激光测距时经常会出现上报的距离数值跳变，造成这一现象可能的原因包括：1)激光测距机本身固有的误码率(一般不大于2％)；2)在雾霾气候条件下，云层或大气中的杂质、颗粒会对激光脉冲(连续测距时不同激光脉冲的时间间隔一般为200ms)产生遮挡，形成不同的回波，从而得到不同的距离值；3)由于激光束有束散角度，当距离较远时(一般大于5km)，同一激光脉冲的光束可能照到不同的物体上，产生的多个回波也会造成距离数值的跳变。针对跳变的距离数值，光电观瞄系统需要对激光测距机的原始测距数值进行滤波和数据处理，使光电观瞄系统上报的目标距离值能够真实反应目标的实际距离。

经查询中国专利、美国专利、欧洲专利及中外科技期刊，没有发现机载光电观瞄系统用对激光测距数据进行数值滤波的相关内容。

技术实现要素：

本发明目的是提供一种便捷、快速的数值滤波的方法，用于解决激光测距机测距时距离数据跳变问题。

为实现上述目的，本发明通过采用一种基于地面目标测量值与计算值相比较的方法，利用无人机上的惯性导航系统提供的载机三轴姿态角度、载机运动速度矢量、载机海拔高度、地面目标海拔高度数据，及光电观瞄系统本身提供的瞄准线方位/俯仰角度，软件进行综合解算，计算出地面目标距离，将计算值与实际测量值进行比较，当差值小于设定阈值时则采信激光测距机的测量数值作为有效数据，当差值大于设定阈值时则舍弃此次测量值，而采信计算距离值。

基于上述原理，本发明的技术方案为：

所述一种用于机载光电观瞄系统的激光测距数据滤波方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：建立‘东北天’坐标系o-xyz、载机坐标系o-xuyuzu和光电系统坐标系o-xeyeze；

步骤2：在激光测距机对地面进行目标测距时，光电系统的主计算机实时同步采集测量数据(αf,βf,γf,hu,θaz,θel)，其中αf、βf、γf为载机惯性导航系统测量的载机当前时刻的航向角、俯仰角和横滚角，hu为惯性导航系统测量的载机点的海拔高度，θaz、θel为光电系统测量的当前瞄线方位角、俯仰角；

步骤3：根据以下公式计算载机点的‘东北天’坐标系o-xyz与机体坐标系o-xuyuzu的转换矩阵a1：

步骤4：根据以下公式计算载机机体坐标系o-xuyuzu与光电系统坐标系o-xeyeze的转换矩阵a2：

步骤5：根据以下公式得到载机点的‘东北天’坐标系o-xyz与光电系统坐标系o-xeyeze的坐标变换公式：

(x,y,z)是地面目标在载机点‘东北天’坐标系下的坐标，(xe,ye,ze)是目标在光电系统坐标系下的坐标，矩阵元素a32就是光电系统坐标系ye轴与载机点‘东北天’坐标系z轴间夹角的方向余弦；

步骤6：采用以下算法得到目标距离的计算公式：

l＝(δh)/(-a32)，δh＝hu-hg

上式中：l是载机到目标的距离；hu是载机海拔高度，通过惯导单元实时测得，hg是载机所在地的地面海拔高度，δh是载机与地面目标的海拔高度差；

步骤7：采用以下方法确定对测得距离数据进行滤波的阈值：

在载机和地面目标都运动的情况下，根据惯导给出的载机速度计算出两个测距时刻间隙内载机的移动距离，将载机的移动距离数值再乘以2做为滤波的阈值；

在载机运动、地面目标静止的情况下，根据惯导给出的载机速度计算出两个测距时刻间隙内载机的移动距离，将载机的移动距离数值做为滤波的阈值；

在载机悬停、地面目标运动的情况下，根据地面目标的典型运动速度计算出两个测距时刻间隙内地面目标的移动距离，将地面目标的移动距离数值做为滤波的阈值；

在载机和地面目标都是静止的情况下，预先设定一个数值做为滤波的阈值；

步骤8：对激光测距数值按以下方法进行滤波处理：在每个激光测距时刻实时采集惯导系统测量的载机姿态角度、海拔高度数据，解算出地面目标相对载机的距离值，并与激光测距机的测量值进行比较：当差值小于设定的阈值时则采信激光器的测量数值作为有效数据，当差值大于设定阈值时则舍弃此次测量值，而采信计算的距离值。

有益效果

本发明的有益效果体现在以下方面：

(一)本发明通过建立载机‘东北天’坐标系、载机机体坐标系和光电系统坐标系，输入载机三轴姿态角度、载机运动速度矢量、载机海拔高度、载机所在的飞行场地海拔高度以及光电系统本身提供的瞄准线方位角度、俯仰角度等测量信息，实时计算出地面目标与载机的距离值，将计算值与实际测量值比较，以达到对激光器测量值的跳变数据进行滤波的目的；

(二)本发明通过软件算法实现，在现有光电系统的基础上不需要增加任何硬件资源，只需要增加相关软件模块即可实现对原始距离数据的滤波处理，应用方式简单。

附图说明

图1是本发明‘一种用于机载光电观瞄系统的激光测距数据滤波方法’的工作流程图；

图2是‘东北天’坐标系、载机机体坐标系和光电系统坐标系的示意图；

图3是计算地面目标距离的示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例描述本发明：

本发明提供的光电观瞄系统用激光测距滤波方法由相关软件模块实现，工作流程图见附图1。光电系统在对地面目标进行测距时，主计算机实时采集机上惯导系统及光电系统本身测量的载机姿态角度等相关数据，软件模块执行以下操作步骤：

第一步，建立‘东北天’坐标系o-xyz(大地坐标系)、载机坐标系o-xuyuzu和光电系统坐标系o-xeyeze，以上三个坐标系的定义见说明书附图2。

第二步，在激光测距机对地面进行目标测距时，光电系统的主计算机实时采集测量数据(αf,βf,γf,hu，θaz,θel)，数据的采集以激光测距的时刻来同步，一般测距周期是200ms。以上数据中αf、βf、γf为载机惯性导航系统测量的载机当前时刻的航向角、俯仰角和横滚角，αf的正负定义为：绕附图2中oz轴顺时针旋转为正，逆时针旋转为负；βf的正负定义为：绕附图2中ox轴向上旋转为正，向下旋转为负；γf的正负定义为：绕附图2中oy轴顺时针旋转为正，逆时针旋转为负。hu为惯性导航系统测量的载机点的海拔高度。θaz、θel为光电系统测量的当前瞄线方位角、俯仰角，θaz的正负定义为：绕附图2中ozu轴顺时针旋转为正，逆时针旋转为负；θel的正负定义为：绕附图2中oxu轴向上旋转为正，向下旋转为负。

本例中假设载机姿态角度、海拔高度不变，光电系统的方位/俯仰角度采样6个点：设αf＝10°，βf＝2°，γf＝0.5°，hu＝5000m；θaz0＝30°，θel0＝-25°，θaz1＝30.1°，θel1＝-25.1°，θaz2＝30.2°，θel2＝-25.2°，θaz3＝30.3°，θel3＝-25.3°，θaz4＝30.4°，θel4＝-25.4°，θaz5＝30.5°，θel5＝-25.5°。

第三步，采用以下算法计算载机点的‘东北天’坐标系o-xyz与机体坐标系o-xuyuzu的转换矩阵a1：

第四步，采用以下算法计算载机机体坐标系o-xuyuzu与光电系统坐标系o-xeyeze的转换矩阵a2：

根据上述公式，可求得：

第五步，采用以下算法得到载机点的‘东北天’坐标系o-xyz与光电系统坐标系o-xeyeze的坐标变换公式：

或者

上式中：(x,y,z)是地面目标在载机点‘东北天’坐标系下的坐标，(xe,ye,ze)是目标在光电系统坐标系下的坐标，矩阵a＝a1*a2，矩阵元素a32就是光电系统坐标系ye轴与载机点‘东北天’坐标系z轴间夹角的方向余弦，a与a^-1互为逆矩阵。

将a20～a25分别带入上式，可分别求得：

a32(0)＝-0.4554；a32(1)＝-0.4571；a32(2)＝-0.4588；a32(3)＝-0.4605；

a32(4)＝-0.4622；a32(5)＝-0.4639。

第六步，采用以下算法得到目标距离的计算公式：

因载机的对地高度一般情况下不大于15km，远小于地球半径(平均半径为6370km)，本方法中将大地视为平面，在此模型下计算目标距离的示意图见附图3。图中a点是初始测距时刻载机所在位置，b点是下一测距时刻载机所在位置；c点是初始测距时刻地面目标所在位置，d点是下一测距时刻地面目标所在位置，即|ac|、|bd|是上述两个时刻载机与目标的距离；e点是a在大地平面的投影点，f点是b在大地平面的投影点，即|ae|、|bf|是上述两个时刻载机的对地高度，数值通过载机海拔高度减去地面海拔高度得到，即：

δh＝hu-hg

目标距离按以下公式计算：

l＝(δh)/(-a32)

上式中：l是载机到目标的距离；hu是载机海拔高度，可通过惯导单元实时测得，hg是载机所在地的地面海拔高度，其数值可预先设置并贮存在光电系统主计算机非易失存储区内，δh是载机与地面目标的海拔高度差，即对地相对高度；a32是第五步中矩阵a的元素之一，即载机点‘东北天’坐标系的‘天’轴矢量与瞄线指向矢量(ye轴)间夹角的余弦值。

本实施例中设hg＝500m，

按下式计算距离：l＝(δh)/(-a32)＝(hu-hg)/(-a32)

将a32(0)～a32(5)分别带入上式，可分别求得：

l0＝9881m；l1＝9844m；l2＝9808m；l3＝9771m；

l4＝9735m；l5＝9699m。

第七步，采用以下方法确定对测得距离数据进行滤波的阈值：

根据三角形两边之差小于第三边的几何原理，附图3中，有以下公式：

|ac-bc|<|ab|，|bc-bd|<|cd|

两式相加得到：|ac-bd|<|ab|+|cd|

在载机和地面目标都运动的情况下，在两个测距时刻的间隙，目标的移动距离一般会小于载机的移动距离，即|cd|<|ab|，所以：|ac-bd|<2*|ab|。上式中|ac-bd|是两个时刻载机到地面目标的距离差值，其绝对值小于载机在这两个时刻间隙移动距离的2倍。此情况下可以根据惯导给出的载机速度计算出两个测距时刻间隙中载机的移动距离，数值再乘以2做为滤波的阈值；在载机运动、地面目标静止的情况下，有|ac-bd|<|ab|，此情况下可以根据惯导给出的载机速度计算出两个测距时刻间隙中载机的移动距离，将此数值做为滤波的阈值；在载机悬停、地面目标运动的情况下，有|ac-bd|<|cd|，即两个时刻载机到地面目标的距离差值小于目标的移动距离，此时根据地面目标的典型运动速度计算出两个测距时刻间隙中地面目标的移动距离，将此数值做为滤波的阈值；在载机和地面目标都是静止的情况下，则采用预先人为地设定一个数值做为滤波的阈值，从装备的光电系统使用情况看，对于无人机或直升机的典型目标距离5-10km，激光测距机测量时无效的跳变数值经常与实际值相差1000-3000m，所以预先设定的阈值可设为300米。

对于以上各种情况，操作人员或计算机软件应进行综合判断，确定一个合适的滤波阈值。对于不同的载机，设置滤波的阈值会不同。本例中设定的阈值为300m。

第八步，对激光测距数值按以下方法进行滤波处理：在每个激光测距时刻实时采集惯导系统测量的载机姿态角度、海拔高度等数据，解算出地面目标相对载机的距离值，并与激光测距机的测量值进行比较，当差值小于设定的阈值时则采信激光器的测量数值作为有效数据，当差值大于设定阈值时则舍弃此次测量值，而采信计算的距离值。

设上述6个时刻激光测距机的测量值分别是t0＝9830m，t1＝9795m，

t2＝9760m，t3＝9720m，t4＝8810m，t5＝9650m。

取ti与li的差值(i＝0～5)，分别与设定的阈值比较，t4时刻的差值大于阈值300，此时刻采信计算距离值。因此，这6个时刻最终采用的距离值是t0＝9830m，t1＝9795m，t2＝9760m，t3＝9720m，t4＝9735m，t5＝9650m。