一种用于光电跟踪的目标脱靶量精度计算方法

本发明涉及光电跟踪领域的图像处理技术，具体涉及一种用于光电跟踪的目标脱靶量精度计算方法，可用于工业图像、医学图像的目标定位精度分析。

背景技术：

1、在光电跟踪设备的目标跟踪过程中，通常要将被跟踪的目标一直保持在探测器的中心位置。而在实际的应用中，被跟踪的目标具有一定的运动速度，同时目标发出的光会受到大气扰动的影响，并且所使用的光电跟踪设备会有微弱的震动。上述情况将造成入射光线与探测器的光学镜头的光轴不平行，从而使目标的成像光斑位置脱离探测器的中心，产生脱靶量(dx,dy)，如图1所示。

2、探测器的后续数字信号处理电路通过计算成像光斑的质心位置，得到目标脱靶量(dx,dy)，并进一步计算出用于跟踪系统对准目标的调整控制量。由此可见，跟踪系统的跟踪精度依赖于质心位置的计算精度。

3、目前采用的质心位置精度计算方法，没有考虑光学系统探测器的噪声，其噪声主要包括：入射光引起的光子噪声、读出噪声、探测器本身噪声、暗电流噪声和背景光噪声。因此其精度分析误差较大，不能满足光电跟踪设备不断提高的精度分析需求。

技术实现思路

1、本发明的目的是解决现有技术在计算光电跟踪设备中的目标质心脱靶量时，存在精度分析误差较大，不能满足光电跟踪设备不断提高的精度分析需求的技术问题，而提供一种用于光电跟踪的目标脱靶量精度计算方法，以定量估计探测噪声对目标脱靶量计算误差的影响，精确分析目标脱靶量精度计算误差。

2、为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

3、一种用于光电跟踪的目标脱靶量精度计算方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

4、步骤1)接收光电跟踪设备探测到的原始图像数据，计算到达设备中光学系统的探测器靶面成像光斑的光强irp(x,y)；

5、步骤2)设定跟踪窗口进行连续目标跟踪，并计算噪声干扰情况下的目标质心估计；

6、所述目标质心估计为x轴方向上目标质心估计或者y轴方向上的目标质心估计

7、步骤3)计算任一坐标轴方向上目标质心估计与实际质心位置的质心误差；

8、步骤4)根据步骤3)得到的质心误差，计算质心误差的方差，得到单位像元质心误差的标准差与探测器探测信噪比snr的关系；

9、步骤5)根据步骤4)得到的单位像元质心误差的标准差与探测器探测信噪比snr的关系式，确定关系式的变量大小值，以减小质心计算误差；

10、步骤6)根据步骤5确定的变量大小值，对光电跟踪设备进行调整，并对实时接收的图像进行质心计算，从而得到目标质心脱靶量。

11、进一步地，步骤1具体为：

12、1.1、计算到达设备中光学系统的探测器靶面的总光子数ird：

13、

14、其中，pr为目标辐射光到达光学系统的镜面的总功率；ηr为光学系统的效率；t为光学系统的探测器的积分时间；h为普朗克常数，h＝6.62×10-34w·s2；v为光子频率，v＝c/λ，其中c为光速，λ为光波长；

15、1.2、计算到达设备中光学系统的探测器靶面成像光斑的光强irp(x,y)：

16、

17、其中，irp(x,y)为艾里圆斑的强度分布，(x,y)为成像光斑的坐标；(x0,y0)为艾里圆斑的实际质心位置，σpsf为艾里圆斑的高斯方差。

18、进一步地，步骤2)中，所述x轴方向上目标质心估计为：

19、

20、其中，μ为光学系统的探测器的量子效率；xi,j为原始图像x轴方向上(i,j)位置的像元坐标值，xi,j＝ia，其中，a为光学系统的探测器的像元尺寸；i,j＝-nw,-nw+1,...0,...nw-1,nw，其中，nw为光学系统的探测器跟踪窗口半宽；gi,j(x)为入射光在探测器靶面上的成像光斑在x轴方向上的归一化光强度分布；ni,j(x)为光电跟踪设备的探测噪声在光学系统的探测器靶面上的成像光斑在x轴方向上的归一化光强度分布；

21、所述y轴方向上目标质心估计为：

22、

23、其中，yi,j为原始图像y轴方向上(i,j)位置的像元坐标值，yi,j＝ja，其中，a为光学系统的探测器的像元尺寸；i,j＝-nw,-nw+1,...0,...nw-1,nw，其中，nw为光学系统的探测器跟踪窗口半宽；gi,j(y)为入射光在探测器靶面上的成像光斑在y轴方向上的归一化光强度分布；ni,j(y)为光电跟踪设备的探测噪声在光学系统的探测器靶面上的成像光斑在y轴方向上的归一化光强度分布。

24、进一步地，在步骤3中，计算x轴方向上目标质心估计与实际质心位置的质心误差近似值，具体为：

25、3.1、计算x轴方向上目标质心估计与实际质心位置的质心误差e：

26、

27、3.2、由于入射光产生的光电子远多于噪声产生的光电子，即对质心误差e进行近似，得到质心误差e：

28、

29、进一步地，步骤4)具体为：

30、4.1、计算质心误差近似值的方差：

31、

32、其中，var(ni,j(x))为跟踪系统探测噪声在x轴方向上(i,j)位置的像元噪声方差；

33、

34、其中，为跟踪系统探测噪声中非入射光引起的光子噪声，其中，为读出噪声方差；为探测器本身噪声方差；为暗电流噪声方差；为背景光噪声方差；

35、4.2、简化质心误差近似值的方差计算公式：

36、

37、其中，σpsf为探测器靶面上的成像艾里圆斑光斑的高斯方差；

38、4.3、计算单位像元质心误差的方差：

39、

40、4.4、计算探测器探测信噪比snr：

41、

42、4.5、由4.4可知：代入单位像元质心误差的方差的计算公式中得到单位像元质心误差的标准差与探测器探测信噪比snr的关系：

43、

44、进一步地，步骤5)中，所述确定关系式的变量大小值，以减小质心计算误差的方式为：提高探测器的探测信噪比snr、减小跟踪窗口nw大小或者提高入射光强度ird。

45、进一步地，步骤2中，探测器靶面上的成像光斑在x轴方向上的归一化光强度分布gi,j(x)为：

46、

47、进一步地，步骤1)中，所述光学系统的探测器的像元尺寸其中rairy为探测器靶面上的成像艾里圆斑光斑的有效半径。

48、与现有技术相比，本发明具有的有益技术效果如下：

49、本发明提供的用于光电跟踪的目标脱靶量精度计算方法，是基于对探测器噪声分析和对光电成像中的目标质心位置的精度估计，以提高目标脱靶量精度。为了提高目标精度的估计效果，本发明分析探测器成像的噪声，可知探测器噪声产生来自入射光引起的光子噪声、读出噪声、探测器本身噪声、暗电流噪声和背景光噪声五个方面，本方法综合考虑了这五种噪声进行噪声干扰建模，推导出质心计算误差的标准差与探测信噪比snr的关系公式，即通过提高探测器的探测信噪比、改变跟踪窗口大小或提高入射光强度的方式以减小质心计算误差，最终实现目标脱靶量的高精度计算。本发明与目前采用基于质心计算公式的精度分析相比，能够显著提高目标脱靶量精度估计准确性。