CN114964259A - 基于红外焦平面阵列时域信号与红外图像的姿态解算方法及*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于红外焦平面阵列时域信号与红外图像的姿态解算方法及***，该方法在单轴红外焦平面阵列传感器布阵方式下，首先对红外焦平面阵列进行数据预处理，采用双三次插值方法扩展低像素红外图像并映射到灰度空间；通过图像处理算法检测灰度图像的纹理直线斜率，基于红外图像实现旋转弹体俯仰角的姿态解算；利用俯仰角信息推导红外焦平面阵列各面元的相位差，基于阵列时域信号求解出弹体横滚角。本发明区别于传统的单元红外姿态测量方法，在红外焦平面阵列单轴传感器布阵方式下，融合阵列时域信号及红外图像信息实现姿态信息的解算，具有自主性强、精度高、无累计误差的优点。

Description

基于红外焦平面阵列时域信号与红外图像的姿态解算方法及 ***

技术领域

本发明属于旋转弹体的导航控制技术领域，涉及一种基于红外焦平面阵列时域信号与红外图像的姿态解算方法及***。

背景技术

为实现精确制导武器的现代化、智能化、信息化改造与列装，其新型化、自主、低成本、高精度的姿态测量方法研究备受关注。近年来，除地磁、惯性、太阳方位角等自主姿态测量方法外，研究人员开始利用地球红外辐射场来实现载体的姿态测量，并取得了一定的研究成果。

目前，基于红外的姿态参数测试方法研究很多，如中国专利201210141271.X中公开了针对运行在中、高轨轨道的空间飞行器，设计的一种静态红外地球敏感器高精度姿态检测方法。中国专利201711216092.7中公开了一种基于红外与地磁复合的旋转弹体姿态测试装置，将单元红外测姿方法与地磁测姿方法进行融合，以实现旋转弹体的姿态估计。徐淼淼等人发表在《国外电子测量技术》上的“长波红外辐射弹体姿态测试***”采用MODTRAN大气辐射计算软件对中纬度夏天晴朗无云情况下的红外辐射进行仿真计算，并通过曲线拟合的方法建立红外辐射姿态测试模型，解算弹体俯仰角和横滚角。但目前红外姿态测试方法的研究仍集中于单元红外传感器测姿理论，单元红外传感器信息量匮乏、灵活性不足，且多轴传感器的布阵往往会引入安装误差，姿态角测量误差及***可靠性仍有待提高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于红外焦平面阵列时域信号与红外图像的姿态解算方法及***，以解决目前单元红外姿态测量方法的多轴布阵易引入安装误差、传感器信息量匮乏、灵活性不足等问题，基于单轴红外焦平面阵列传感器实现弹体的姿态测量，进一步拓展并完善红外姿态测试理论。

实现本发明目的的技术解决方案为：第一方面，本发明提供一种基于红外焦平面阵列时域信号与红外图像的姿态解算方法，包括以下步骤：

步骤1、数据预处理及红外灰度图像的生成：基于红外焦平面阵列姿态测量数学模型，对红外焦平面阵列进行数据预处理，采用双三次插值方法扩展低像素红外图像，并通过自适应线性变换将其映射到灰度空间；

步骤2、基于红外图像的弹体俯仰角解算：根据得到的灰度图像，选择自适应阈值对灰度图像进行二值化。采用Canny算子对二值图像进行边缘检测。提取有用的边缘坐标集后，用最小二乘法进行直线拟合，得出直线的斜率，最终实现弹体俯仰角的直接解算；

步骤3、基于阵列时域信号的弹体横滚角解算：结合解算得到的弹体俯仰角，计算弹体横滚角与各敏感面元等效横滚角的夹角，并通过红外焦平面阵列传感器的任意一个像素直接解算弹体的横滚角。根据3σ准则，对计算得到的横滚角数据进行有效性分析，融合得到最终的弹丸横滚角。

第二方面，本发明提供一种基于红外焦平面阵列时域信号与红外图像的姿态解算***，包括：

数据预处理及红外灰度图像生成模块，基于红外焦平面阵列姿态测量数学模型，对红外焦平面阵列进行数据预处理，采用双三次插值方法扩展低像素红外图像，并通过自适应线性变换将其映射到灰度空间；

弹体俯仰角解算模块，用于根据得到的灰度图像，选择自适应阈值对灰度图像进行二值化；采用Canny算子对二值图像进行边缘检测；提取有用的边缘坐标集后，用最小二乘法进行直线拟合，得出直线的斜率，最终实现弹体俯仰角的直接解算；

弹体横滚角解算模块，用于结合解算得到的弹体俯仰角，计算弹体横滚角与各敏感面元等效横滚角的夹角，并通过红外焦平面阵列传感器的任意一个像素直接解算弹体的横滚角；根据3σ准则，对计算得到的横滚角数据进行有效性分析，融合得到最终的弹丸横滚角。

第三方面，本发明提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现第一方面所述的方法的步骤。

第四方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现第一方面所述的方法的步骤。

第五方面，本发明提供一种计算机程序产品，包括计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现第一方面所述的方法的步骤。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：

(1)本发明提出了一种基于红外焦平面阵列的姿态解算方法，解决了现有单元红外姿态测量方法信息量匮乏、灵活性不足、多轴布阵易引入安装误差等问题，进一步拓展并丰富了红外姿态测试理论；

(2)本发明提出了一种基于单轴红外焦平面阵列时域信号与红外图像融合的旋转弹体姿态解算方法，分别基于红外图像与阵列时域信号实现俯仰角与横滚角的解算，具有自主、高精度、无累计误差等优点；

(3)本发明采用单轴红外焦平面阵列布阵方式，避免了安装误差对姿态测试造成的影响，进一步提高了红外姿态测试方法精度及使用的简便性。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1为本发明方法单轴红外焦平面阵列传感器布阵示意图。

图2为本发明方法基于单轴红外焦平面阵列传感器的姿态测量示意图。

图3是本发明方法的流程框图。

图4为采用本发明所述方法的弹体俯仰角及横滚角求解误差曲线。

具体实施方式

为了详细说明本发明的技术方案及技术目的，以下结合实施方式并配合附图进行详细说明。

单轴红外焦平面阵列传感器布阵方式如图1所示，传感器T_s安装于载体坐标系的y_b轴，测量示意图如图2所示，传感器大视场角方向对应弹体横滚方向。

结合图3，本发明的一种基于单轴红外焦平面阵列时域信号与红外图像融合的旋转弹体姿态解算方法，包括以下步骤：

步骤1、数据预处理及红外灰度图像的生成：基于红外焦平面阵列姿态测量数学模型，对红外焦平面阵列进行数据预处理，采用双三次插值方法扩展低像素红外图像，并通过自适应线性变换将其映射到灰度空间；

步骤1.1、单轴红外焦平面阵列各面元的理论模型可表示为：

其中，θ为弹体俯仰角，γ为弹体横滚角。传感器内含有a×b个红外热电堆阵列(a、b均为偶数)。T_sij(θ,γ)为红外焦平面阵列第i行第j列面元输出，理论模型如下式所示：

其中，单个红外传感器视场角为α，α_c为红外焦平面阵列传感器横向视场角，α_r为纵向视场角。A为振幅系数，B为偏置，A与B通过实验标定得到。e_ij为该面元与传感器中心间的总偏心角，通过下式计算：：

各敏感面元等效横滚角与弹体横滚角的夹角Δγ_ij可通过下式计算:

步骤1.2、基于上述红外焦平面阵列姿态测量数学模型，根据红外焦平面阵列传感器各敏感面元的衰减系数进行预处理。

建立红外焦平面阵列系数矩阵：

其中，

因此，经红外焦平面阵列系数矩阵预处理后的低像素红外焦平面阵列数据：

其中，

T′_sij(θ,γ)＝A cosθsin(γ+Δγ_ij)+B (8)

上式中幅值A与偏置B可通过实验标定得出。

步骤1.3、采用双三次插值方法扩展低像素红外图像，对衰减系数矩阵处理后的输出矩阵进行插值。该算法需要选择插值基函数来拟合数据。选用常用的插值基函数如下式所示：

双三次插值公式如下：

f(i+u,j+v)＝PVQ (10)

其中，P、V、Q分别可表示为：

P＝[S(1+u) S(u) S(1-u) S(2-u)] (11)

Q＝[S(1+v) S(v) S(1-v) S(2-v)]^T (13)

通过下式的自适应线性变换将插值后的低像素红外图像映射到灰度空间，最终可得到a′×b′的灰度图像I_g：

步骤2、基于红外图像的弹体俯仰角解算：根据得到的灰度图像，选择自适应阈值对灰度图像进行二值化。采用Canny算子对二值图像进行边缘检测。提取有用的边缘坐标集后，用最小二乘法进行直线拟合，得出直线的斜率，最终实现弹体俯仰角的直接解算；

步骤2.1、根据得到的灰度图像，选择自适应阈值Th₁对灰度图像进行二值化：

步骤2.2、采用Canny算子对二值图像进行边缘检测，提取有用的边缘坐标集；

由于旋转弹体飞行特性，在实际的检测过程中，阈值对应的边缘有可能存在一条或两条。通过分析图像的8连通区域的个数，便可以判断边缘的个数，以提取有用的边缘坐标集{(x₁,y₁)}。

步骤2.3、提取有用的边缘坐标集后，用最小二乘法进行直线拟合，得出直线的斜率k，最终利用下式实现弹体俯仰角的直接解算：

步骤3、基于阵列时域信号的弹体横滚角解算：结合解算得到的弹体俯仰角，计算弹体横滚角与各敏感面元等效横滚角的夹角，并通过红外焦平面阵列传感器的任意一个像素直接解算弹体的横滚角。根据3σ准则，对计算得到的横滚角数据进行有效性分析，融合得到最终的弹丸横滚角；

步骤3.1、结合预处理后的红外数据和基于红外图像的姿态直接解算方法得出的导弹俯仰角，可通过基于阵列时域信号的姿态直接解算方法计算出弹体横滚角。在已知弹体俯仰角的前提下，根据下式得出弹体横滚角与各敏感面元等效横滚角的夹角Δγ_ij：

步骤3.2、通过红外焦平面阵列传感器的任意一个像素直接解算弹体的横滚角，计算方法如下：

上式中的姿态角直接解算涉及到反三角函数的运算，因此实际解算过程中，令判据

利用前一时刻判据C_k-1与当前时刻判据C_k的关系，解算真值表如下表所示：

表1横滚角直接解算真值表

步骤3.3、根据3σ准则，对计算得到的横滚角数据进行有效性分析，建立有效性系数公式；

其中，v_ij为该点数据残差；σ为所有数据的标准差。

分别求出解算得到的各面元横滚角的有效性系数后，由下式得出最终的弹丸横滚角：

基于同样的发明构思，本发明还提供了一种基于红外焦平面阵列时域信号与红外图像的姿态解算***，包括：

数据预处理及红外灰度图像生成模块，基于红外焦平面阵列姿态测量数学模型，对红外焦平面阵列进行数据预处理，采用双三次插值方法扩展低像素红外图像，并通过自适应线性变换将其映射到灰度空间；

弹体俯仰角解算模块，用于根据得到的灰度图像，选择自适应阈值对灰度图像进行二值化；采用Canny算子对二值图像进行边缘检测；提取有用的边缘坐标集后，用最小二乘法进行直线拟合，得出直线的斜率，最终实现弹体俯仰角的直接解算；

弹体横滚角解算模块，用于结合解算得到的弹体俯仰角，计算弹体横滚角与各敏感面元等效横滚角的夹角，并通过红外焦平面阵列传感器的任意一个像素直接解算弹体的横滚角；根据3σ准则，对计算得到的横滚角数据进行有效性分析，融合得到最终的弹丸横滚角。

上述姿态解算***中的各个模块的具体实现方式与前述的姿态解算方法各步骤相同，此处不再赘述。

上述姿态解算***中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。

下面结合实施例对本发明进行详细说明。

实施例

采用单轴红外焦平面阵列传感器布阵的姿态测量装置安装于三轴转台上进行半实物实验，按照本发明所述方法进行弹体俯仰角及横滚角的姿态解算。图4为采用本发明所述方法的弹体俯仰角及横滚角的求解误差曲线。

从图4中可以看出，采用本发明所述方法进行旋转弹体姿态测量，俯仰角、横滚角的求解误差分别控制在±2°、±1.8°以内。基于单轴红外焦平面阵列时域信号与红外图像融合的旋转弹体姿态解算方法，只采用了单轴传感器布阵，从红外图像的角度求解得到弹体俯仰角，利用阵列时域信号解算弹体绝对横滚角，具有安装简便、无安装误差、成本低、自主性强、信息量丰富、无累计误差等优点。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则和精神之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于红外焦平面阵列时域信号与红外图像的姿态解算方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、数据预处理及红外灰度图像的生成：基于红外焦平面阵列姿态测量数学模型，对红外焦平面阵列进行数据预处理，采用双三次插值方法扩展低像素红外图像，并通过自适应线性变换将其映射到灰度空间；

步骤2、基于红外图像的弹体俯仰角解算：根据得到的灰度图像，选择自适应阈值对灰度图像进行二值化；采用Canny算子对二值图像进行边缘检测；提取有用的边缘坐标集后，用最小二乘法进行直线拟合，得出直线的斜率，最终实现弹体俯仰角的直接解算；

步骤3、基于阵列时域信号的弹体横滚角解算：结合解算得到的弹体俯仰角，计算弹体横滚角与各敏感面元等效横滚角的夹角，并通过红外焦平面阵列传感器的任意一个像素直接解算弹体的横滚角；根据3σ准则，对计算得到的横滚角数据进行有效性分析，融合得到最终的弹丸横滚角。

2.根据权利要求1所述的基于红外焦平面阵列时域信号与红外图像的姿态解算方法，其特征在于，步骤1所述数据预处理及红外灰度图像的生成，具体包括以下步骤：

步骤1.1、单轴红外焦平面阵列各面元的理论模型可表示为：

其中，θ为弹体俯仰角，γ为弹体横滚角；传感器内含有a×b个红外热电堆阵列，a、b均为偶数；T_sij(θ,γ)为红外焦平面阵列第i行第j列面元输出，理论模型如下式所示：

其中，单个红外传感器视场角为α，α_c为红外焦平面阵列传感器横向视场角，α_r为纵向视场角；A为振幅系数，B为偏置，A与B通过实验标定得到；e_ij为该面元与传感器中心间的总偏心角，通过下式计算：

各敏感面元等效横滚角与弹体横滚角的夹角Δγ_ij通过下式计算：

步骤1.2、基于上述红外焦平面阵列姿态测量数学模型，根据红外焦平面阵列传感器各敏感面元的衰减系数进行预处理；

建立红外焦平面阵列系数矩阵：

其中，

因此，经红外焦平面阵列系数矩阵预处理后的低像素红外焦平面阵列数据：

其中，

T′_sij(θ,γ)＝Acosθsin(γ+Δγ_ij)+B(8)上式中幅值A与偏置B通过实验标定得出；

步骤1.3、采用双三次插值方法扩展低像素红外图像，并通过自适应线性变换将其映射到灰度空间，最终得到a′×b′的灰度图像I_g：

3.根据权利要求2所述的基于红外焦平面阵列时域信号与红外图像的姿态解算方法，其特征在于，步骤2所述基于红外图像的弹体俯仰角解算，具体包括以下步骤：

步骤2.1、根据得到的灰度图像，选择自适应阈值Th₁对灰度图像进行二值化：

步骤2.2、采用Canny算子对二值图像进行边缘检测，提取有用的边缘坐标集{(x₁,y₁)}；

步骤2.3、提取有用的边缘坐标集后，用最小二乘法进行直线拟合，得出直线的斜率k，最终利用下式实现弹体俯仰角的直接解算：

4.根据权利要求3所述的基于红外焦平面阵列时域信号与红外图像的姿态解算方法，其特征在于，步骤3所述基于阵列时域信号的弹体横滚角解算，具体包括以下步骤：

步骤3.1、结合解算得到的弹体俯仰角，利用式(4)计算弹体横滚角与各敏感面元等效横滚角的夹角Δγ_ij；

步骤3.2、通过红外焦平面阵列传感器的任意一个像素直接解算弹体的横滚角：

其中，A_y、B_y分别表示标定出的传感器输出信号幅值与偏置；

步骤3.3、根据3σ准则，对计算得到的横滚角数据进行有效性分析，建立有效性系数公式；

其中，v_ij为该点数据残差，σ为所有数据的标准差；

分别求出解算得到的各面元横滚角的有效性系数后，由下式得出最终的弹丸横滚角：

5.一种基于红外焦平面阵列时域信号与红外图像的姿态解算***，其特征在于，包括：

数据预处理及红外灰度图像生成模块，基于红外焦平面阵列姿态测量数学模型，对红外焦平面阵列进行数据预处理，采用双三次插值方法扩展低像素红外图像，并通过自适应线性变换将其映射到灰度空间；

弹体俯仰角解算模块，用于根据得到的灰度图像，选择自适应阈值对灰度图像进行二值化；采用Canny算子对二值图像进行边缘检测；提取有用的边缘坐标集后，用最小二乘法进行直线拟合，得出直线的斜率，最终实现弹体俯仰角的直接解算；

弹体横滚角解算模块，用于结合解算得到的弹体俯仰角，计算弹体横滚角与各敏感面元等效横滚角的夹角，并通过红外焦平面阵列传感器的任意一个像素直接解算弹体的横滚角；根据3σ准则，对计算得到的横滚角数据进行有效性分析，融合得到最终的弹丸横滚角。

6.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现权利要求1-4中任一所述的方法的步骤。

7.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现权利要求1-4中任一所述的方法的步骤。

8.一种计算机程序产品，包括计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现权利要求1-4中任一所述的方法的步骤。

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