专利名称：基于探测系统的目标距离估计方法
技术领域：
本发明属于成像探测技术领域，涉及被动跟踪系统对目标距离的估计，具体是一 种根据目标成像特征、摄像机空间坐标、目标的方位角和俯仰角估计出目标与摄像机之间 距离的方法。
背景技术：
基于成像探测的被动跟踪系统对目标距离的估计具有重要的理论意义和应用价 值。目前，在对目标进行成像探测时，容易获得目标的相对距离变化量，进而可推测出目标 与成像系统的距离是增加了，还是缩短了。但是，在不具备目标先验信息(如外观尺寸，或 初始距离等)的前提下，很难根据目标图像特征对目标与成像系统之间的距离做出准确估 计，为此常需要复杂的迭代运算，实时性不易保证，如文献“陶琳，黄士科，张天序.基于光 流的红外目标被动测距技术.计算机与数字工程，2005，33 (11) :1-4. ”的方法；有的方法试 图根据简单的图像特征和规则化的运算来实现目标距离的估计，如文献“Raghuveer Rao, Seungsin Lee. AVideo Processing Approach for Distance Estimation. IEEE ICASSP 2006, Part III :1192_1195. ”，但它的距离估计误差大、且不能适应目标边缘有较大的非圆 度；文献“付小宁，刘上乾.基于光电成像的单站被动测距，光电工程，2007，34(5) 10-14. ” 提出了一种综合利用目标成像特征、摄像机空间坐标、目标的方位角和俯仰角的距离估计 方法，它通过求解一元四次方程来估计目标对摄像机的距离。尽管该方法不再需要目标的 初始距离，但在实际应用中，因为测量误差等原因，一元四次方程容易出现病态解，如复数 解、负值解，使其实用性受到了限制。综上所述，现有方法的不足是计算量大、实时性差或实 用性差。
发明内容
本发明的目的在于避免上述已有技术的缺点，提供一种基于探测系统的目标距离 估计方法，以减小计算量，提高目标距离估计的实性和可靠性。本发明的技术方案是通过目标图像特征、目标的方向信息、结合成像系统自身的 空间坐标信息，来实现成像探测系统对目标距离的估计，具体步骤包括如下(1)拍摄η时刻的目标图像序列Img[n]，同时记录该时刻成像探测系统的焦距fn， 其中η > 1代表采样时刻序号，η+1采样时刻的目标图像为Img[n+1]；(2)利用光轴与成像探测系统的光轴平行安装与成像探测系统镜头联动的光电经 纬仪，确定目标的方向信息，包括每一个采样时刻目标的方位角αη、俯仰角βη;(3)利用全球定位系统GPS或北斗星等定位系统，获取η采样时刻成像系统所处的 三维空间坐标(xn，yn，zn)，η+1采样时刻成像系统的三维空间坐标记为(χη+1，yn+1，zn+1)；(4)如果目标图像偏小，不利于成像跟踪和目标特征提取，启动变焦机制，通过增 大焦距来获得较大的目标图像；(5)从第η+1彡2采样时刻开始，利用DOG或sift算法通过对η和η+1两个相邻采样时刻的目标图像Img[n]和Img[n+1]，在平行于目标轨迹方向上进行匹配，得到目标图 像的一维特征线度Ln、Ln+1 ；(6)通过对η和η+1两个相邻采样时刻上目标图像中更多的特征点的匹配，确定出目标的仿射变换矩阵
，点数彡3对，θ为目标从η到η+1采样时刻对成
像系统视轴的旋转角，P为目标距离比，P =rn/rn+1>0，其中rn、rn+1分别为η到η+1采 样时刻目标与成像系统之间的距离；(7)根据步骤(2)中得到的方位角αη、俯仰角βη，利用公式巧
计算
η采样时刻目标的方向余弦(ln，mn，nn)；(8)根据步骤(5)中得到的一维特征线度Ln、Ln+1，计算比例系数H'，计算公式为
，其中fn、fn+1分别为η和η+1采样时刻成像系统的焦距；(9)根据目标距离比P =rn/rn+1、目标的方向余弦和比例系数H'，计算二次项系 数D2:D2 = H' [1-(ln+1 ln+mn+1mn+nn+1nn)2]+ p4[(l η+1ln+mn+1mn+nn+1nn) 2_1]， =(P4-H' ) [ (ln+1ln+mn+1mn+nn+1nn) 2_1]其中(ln+1，mn+1, nn+1)为n+1采样时刻的方向余弦；(10)根据目标距离比P =rn/rn+1、目标的方向余弦和比例系数H'，计算一次项 系数Dl D1 = 2H' {ln+1 (xn+1-xn) +mn+1 (yn+1_yn) +nn+1 (zn+1-zn)-(ln+1ln+mn+1mn+nn+1nn) [1η(χη+1-χη) +mn(yn+1-yn) +πη(ζη+1-ζη) ]} +
2 P 3 {ln (xn+1_xn) +mn (yn+1-yn) +nn (zn+「zn)-(ln+1ln+mn+1mn+nn+1nn) [ln+1 (xn+1_xn) +mn+1 (yn+1_yn) +nn+1 (zn+1_zn) ]}(11)根据目标距离比P =rn/rn+1、目标的方向余弦和比例系数H'，计算常数项 系数Dtl:D0 = H' {[In(Xn+1-Xn) +mn(yn+1_yn) +nn(ζη+1_ζη) ]2+(xn+1-xn)2+ (yn+1-yn)2+ (ζη+1_ζη) 2I +ρ 2 {[ln+1 (xn+1-xn) +mn+1 (Υη+ι"Υη) +ηη+ι (ζη+1_ζη) ] 2_(χη+1-χη) 2_ (yn+1-yn)2" (ζη+1-ζη)2}(12)根据二次项系数D2、一次项系数D1和常数项系数Dtl，构建一元二次距离估计 方程
，当成像系统在两次采样间隔内的位移不为ο时，其中的一次项 系数D1和常数项系数Dtl均不为0 ；(13)对构建的一元二次距离估计方程进行求解，得到η+1采样时刻的目标距离
rn+l °本发明具有如下优点1)本发明由于利用DOG或sift算法对η和η+1两个相邻采样时刻的目标图像Img[η]和Img[n+1]，在平行于目标轨迹方向上进行匹配，使得特征线度的获取在特定方向 上进行，因而减小了匹配运算量；2)本发明由于通过η和η+1采样时刻成像系统的焦距fn、fn+1和特征线度Ln、Ln+1 计算比例系数H'，在实现过程中不但适用于定焦成像系统，还适用于变焦成像系统对目标 的跟踪定位，实用性强；3)本发明由于根据目标距离比P =rn/rn+1、目标的方向余弦和比例系数H'，计 算二次项系数D2、一次项系数D1和常数项系数Dtl，由此构建的距离估计方程为阶数低的一 元二次方程，使得距离求解的运算量极大的减小。5)实验证明，利用本发明的方法在缩比模型仿真试验中对目标距离估计的误差小 于现有距离估计方法。
图1为本发明目标距离估计的过程图；图2是本发明使用的目标特征线度示意图。
具体实施例方式参照图1，本发明的实现步骤如下步骤1，利用成像系统获取目标的相关参数。1. 1将成像系统镜头与光电经纬仪镜筒固定在一起，使得它们的光轴同向平行，将 GPS系统固定在光电经纬仪底座上，将光电经纬仪通过底座螺栓固定在移动平台上，安装在 同一移动平台上的计算机与光电经纬仪、GPS系统和成像系统相连接，用于存储和处理所得 到的信息，并实现目标距离估计算法；1. 2通过成像系统拍摄η采样时刻的目标图像Img[n]，同时记录该时刻成像探测 系统的焦距序列fn，随着在各个采样时刻的连续拍摄，形成目标图像序列，并将目标图像 Img[η]和焦距序列4送入计算机保存，其中η ^ 1代表采样时刻序号，η+1采样时刻的目 标图像为Img [η+1]；1.3在各个采样时刻拍摄目标图像的同时，通过光电经纬仪获取该采样时刻目标 的方位角^^和俯仰角βη序列，并通过GPS获取η采样时刻成像系统所处的三维空间坐标 序列(xn，yn，zn)，η+1采样时刻成像系统的三维空间坐标记为(χη+1，yn+1，zn+1)。步骤2，对目标图像进行匹配，得到目标图像的一维特征。从第η+1彡2采样时刻开始，利用DOG或sift算法通过对η和η+1两个相邻采样 时刻的目标图像Img[n]和Img[n+1]，在平行于目标轨迹方向上进行匹配，得到目标图像在 η和η+1时刻的一维特征线度Ln、Ln+1，该特征线度Ln、Ln+1，表现为目标图像中的特征点在平 行于目标轨迹方向的所形成的线段，该特征点是图像角点或sift关键点，如图2所示。图 2中，Xtl为目标在相邻两个采样时刻对摄像机镜头旋转不发生变化的一维尺度，该尺度在摄 像机成像面上的投影即特征线度Ln、Ln+1。以Τ、S分别目标和成像系统，下标η、η+1代表任 意相邻采样时刻，TnTn+1、SnSn+1分别为时刻η、η+1之间目标或成像系统的轨迹，rn、rn+1为观 察时刻上目标与摄像机之间的距离，办、办+1则表示观察时刻上成像观测器视轴与目标轨 迹的夹角，该夹角在图像匹配过程中被消除。
步骤3，判断是否需要变焦。根据步骤1. 2中所获得的图像进行初步判断，如果目标成像尺寸偏小或过大，则 启动成像系统的变焦机制，将当前时刻的镜头焦距调大或调小。步骤4，确定出目标的仿射变换矩阵。利用DOG或s i ft算法对η和η+1两个相邻采样时刻上目标图像中更多的特 征点进行匹配，该点数> 3对，确定出目标的仿射变换矩阵，并将仿射变换矩阵处理成
为η时刻目标到成像系统之间的距离rn与η+1时刻目标到成像系统之间的距离rn+1之比， 在处理过程中通过调整旋转角θ来保证ρ = rn/rn+1 > 0。步骤5，计算η采样时刻目标的方向余弦。根据步骤1. 3得到的方位角αN俯仰角βn，对n采样时刻目标的方向余弦(1n， mn, nn)进行计算，其计算公式如下
其中ln、mn、nn分别为η采样时刻空间坐标系中成像系统的光心
到目标形心的矢量的单位方向矢量的X、y> Z三个坐标分量。步骤6，计算η到η+1时刻的比例系数H'。利用步骤2得到的η和η+1时刻的一维特征线度Ln、Ln+1，计算η到η+1时刻的比 例系数H'，计算公式为
，其中fn、fn+1分别为η和η+1采样时刻成像系统
的距。步骤7，计算二次项系数D2。利用步骤4中得到的目标距离比P = rn/rn+1、步骤5中得到的方向余弦和步骤6 中得到的比例系数H'，计算二次项系数D2，其计算公式如下D2 = H' [1-(ln+1 ln+mn+1mn+nn+1nn)2]+P 4[(ln+1ln+mn+1mn+nn+1nn)2-l]，其中(ln+1、mn+1、nn+1)为 η+1 采样时刻的方向余= (P4-H' )[(ln+1ln+mn+1mn+nn+1nn)2-l]弦，即 η+1 采样时刻空间坐标系中成 像系统的光心到目标形心的矢量的单位方向矢量的x、y、z三个坐标分量。步骤8，计算一次项系数D1。利用步骤4中得到的目标距离比P = rn/rn+1、步骤5中得到的方向余弦和步骤6 中得到的比例系数H'，计算一次项系数D1，其计算公式如下D1 = 2H' {ln+1 (xn+1-xn) +mn+1 (yn+1_yn) +nn+1 (zn-1-zn)-(
ln+iln+mn+1mn+nn+1nn) [ln(xn+1_xn) +mn(yn+1-yn) +nn(zn+1_zn) ]} +2p 3{ln(xn+i_xn) +mn(yn+i-yn) +nn(zn+「zn)-。(ln+1ln+mn+1mn+nn+1nn) [ln+1 (xn+1_xn) +mn+1 (yn+1_yn) +nn +1 (Zn+l_Zn) ] 1步骤9，计算常数项系数D0。利用步骤4中得到的目标距离比P = rn/rn+1、步骤5中得到的方向余弦和步骤6 中得到的比例系数H'，计算常数项系数Dtl，其计算公式如下
D0 = H' {[In(Xn+1-Xn) +mn(yn+1_yn) +nn(ζη+1_ζη) ]2+(χη+1-χη)2+ (yn+1-yn)2+ (ζη+ι"ζη) 2I +。ρ 2 {[ln+1 (xn+1-xn) +mn+1 (Υη+ι"Υη) +ηη+ι (ζη+1_ζη) ] 2_(χη+1-χη) 2_ (yn+1-yn)2" (ζη+1-ζη)2}步骤10，构建一元二次距离估计方程。根据步骤7 9得到的二次项系数D2、一次项系数D1和常数项系数Dtl，构建一元 二次距离估计方程为 步骤11，求解n+1采样时刻的目标距离rn+1。对步骤9构建的一元二次距离估计方程进行求解，得到n+1采样时刻的目标距离 rn+1，当成像系统在相邻采样时刻有移动时，总能保证一元二次方程可解，在实际应用中通 过对成像系统搭载平台位移的控制，就能保证对目标进行有效的距离估计。步骤12，判断目标距离估计是否需要结束。如果不需要目标距离估计过程继续下去，则终止对目标的跟踪和距离估计，否则， 转入步骤1. 2，开始对下一个时刻的目标距离进行估计。
权利要求
一种成像探测系统对目标距离的估计方法，包括如下步骤(1)拍摄n时刻的目标图像序列Img[n]，同时记录该时刻成像探测系统的焦距fn，其中n≥1代表采样时刻序号，n+1采样时刻的目标图像为Img[n+1]；(2)利用光轴与成像探测系统的光轴平行安装与成像探测系统镜头联动的光电经纬仪，确定目标的方向信息，包括每一个采样时刻目标的方位角αn、俯仰角βn；(3)利用全球定位系统GPS或北斗星等定位系统，获取n采样时刻成像系统所处的三维空间坐标(xn，yn，zn)，n+1采样时刻成像系统的三维空间坐标记为(xn+1，yn+1，zn+1)；(4)从第n+1≥2采样时刻开始，利用DOG或sift算法通过对n和n+1两个相邻采样时刻的目标图像Img[n]和Img[n+1]，在平行于目标轨迹方向上进行匹配，得到目标图像的一维特征线度Ln、Ln+1；(5)通过对n和n+1两个相邻采样时刻上目标图像中更多的特征点的匹配，确定出目标的仿射变换矩阵其中点数≥3对，θ为目标从n到n+1采样时刻对成像系统视轴的旋转角，ρ为n时刻目标到成像系统之间的距离rn与n+1时刻目标到成像系统之间的距离rn+1之比，通过调整旋转角θ保证ρ＝rn/rn+1＞0；(6)根据步骤(2)中得到的方位角αn、俯仰角βn，利用公式计算n采样时刻目标的方向余弦(ln，mn，nn)，其中ln、mn、nn分别为n采样时刻空间坐标系中成像系统的光心到目标形心的矢量的单位方向矢量的x、y、z三个坐标分量；(8)根据步骤(4)中得到的一维特征线度Ln、Ln+1，计算比例系数H′，计算公式为其中fn、fn+1分别为n和n+1采样时刻成像系统的焦距；(9)根据目标距离比ρ＝rn/rn+1、目标的方向余弦和比例系数H′，计算二次项系数D2D2＝H′[1-(ln+1ln+mn+1mn+nn+1nn)2]+ρ4[(ln+1ln+mn+1mn+nn+1nn)2-1]，＝(ρ4-H′)[(ln+1ln+mn+1mn+nn+1nn)2-1]其中(ln+1，mn+1，nn+1)为n+1采样时刻的方向余弦；(10)根据目标距离比ρ＝rn/rn+1、目标的方向余弦和比例系数H′，计算一次项系数D1D1＝2H′{ln+1(xn+1-xn)+mn+1(yn+1-yn)+nn+1(zn+1-zn)-(ln+1ln+mn+1mn+nn+1nn)[ln(xn+1-xn)+mn(yn+1-yn)+nn(zn+1-zn)]}+；2ρ3{ln(xn+1-xn)+mn(yn+1-yn)+nn(zn+1-zn)-(ln+1ln+mn+1mn+nn+1nn)[ln+1(xn+1-xn)+mn+1(yn+1-yn)+nn+1(zn+1-zn)]}(11)根据目标距离比ρ＝rn/rn+1、目标的方向余弦和比例系数H′，计算常数项系数D0D0＝H′{[ln(xn+1-xn)+mn(yn+1-yn)+nn(zn+1-zn)]2+(xn+1-xn)2+(yn+1-yn)2+(zn+1-zn)2}+；ρ2{[ln+1(xn+1-xn)+mn+1(yn+1-yn)+nn+1(zn+1-zn)]2-(xn+1-xn)2-(yn+1-yn)2-(zn+1-zn)2}(12)根据二次项系数D2、一次项系数D1和常数项系数D0，构建一元二次距离估计方程当成像系统在两次采样间隔内的位移不为0时，其中的一次项系数D1和常数项系数D0均不为0；(13)对构建的一元二次距离估计方程进行求解，得到n+1采样时刻的目标距离rn+1。FSA00000036512200011.tif,FSA00000036512200012.tif,FSA00000036512200013.tif,FSA00000036512200021.tif
1. 一种成像探测系统对目标距离的估计方法，包括如下步骤(1)拍摄η时刻的目标图像序列Img[n]，同时记录该时刻成像探测系统的焦距fn，其中 η彡1代表采样时刻序号，η+1采样时刻的目标图像为Img[n+1]；(2)利用光轴与成像探测系统的光轴平行安装与成像探测系统镜头联动的光电经纬 仪，确定目标的方向信息，包括每一个采样时刻目标的方位角αη、俯仰角βη;(3)利用全球定位系统GPS或北斗星等定位系统，获取η采样时刻成像系统所处的三维 空间坐标(xn，yn，zn)，η+1采样时刻成像系统的三维空间坐标记为(χη+1，yn+1，zn+1)；(4)从第η+1彡2采样时刻开始，利用DOG或sift算法通过对η和η+1两个相邻采样 时刻的目标图像Img[n]和Img[n+1]，在平行于目标轨迹方向上进行匹配，得到目标图像的 一维特征线度Ln、Ln+1 ；(5)通过对η和η+1两个相邻采样时刻上目标图像中更多的特征点的匹配，确定出目标 像系统视轴的旋转角，P为η时刻目标到成像系统之间的距离^与η+1时刻目标到成像系 统之间的距离rn+1之比，通过调整旋转角θ保证ρ = rn/rn+1 > 0 ； 样时刻目标的方向余弦(ln，mn, nn)，其中ln、mn、nn分别为η采样时刻空间坐标系中成像系 统的光心到目标形心的矢量的单位方向矢量的x、y、z三个坐标分量；(8)根据步骤⑷中得到的一维特征线度Ln、Ln+1，计算比例系数H'，计算公式为 ，其中fn、fn+1分别为η和η+1采样时刻成像系统的焦距； (9)根据目标距离比P=rn/rn+1、目标的方向余弦和比例系数H'，计算二次项系数D2 ] 其中(1η+1，mn+1, ηη+1)为η+1采样时刻的方向余弦；(10)根据目标距离比P=rn/rn+1、目标的方向余弦和比例系数H'，计算一次项系数D1: (11)根据目标距离比P=rn/rn+1、目标的方向余弦和比例系数H'，计算常数项系数 (12)根据二次项系数仏、一次项系数D1和常数项系数Dtl，构建一元二次距离估计方程 ，当成像系统在两次采样间隔内的位移不为0时，其中的一次项系数D1和常数项系数Dtl均不为0;(13)对构建的一元二次距离估计方程进行求解，得到η+1采样时刻的目标距离rn+1。
2.根据权利要求1所述的目标距离的估计的方法，其中步骤(4)所述的特征线度Ln、 Ln+1，来自平行于目标轨迹方向的目标图像中的特征点张成的线段，该特征点是图像角点或 sift关键点；
3.根据权利要求1所述的目标距离的估计的方法，在应用中通过对成像系统搭载平台 位移的控制，就能保证对目标进行有效的距离估计。
全文摘要
本发明提出了一种基于成像探测系统对目标距离的估计方法，主要解决现有目标距离估计运算量大、可靠性差的问题。其实现步骤是利用光电经纬仪获得目标的方位角、俯仰角序列(αn，βn)；通过GPS定位系统获得成像系统的空间位置坐标(xn，yn，zn)，通过摄像机获得目标的图像序列Img[n]；根据方位角、俯仰角确定目标的方向余弦，通过对n和n+1两相邻采样时刻目标图像的匹配得到特征线度Ln、Ln+1和目标距离比ρ＝rn/rn+1，在此基础上计算比例系数H′、二次项系数D2、一次项系数D1和常数项系数D0；利用这些系数构建目标距离估计方程求解该距离估计方程得到n+1时刻目标与成像系统的距离rn+1。本发明具有距离估计耗时少、不易出现病态解的优点，适用于变焦成像系统对目标距离的估计。
文档编号G01C3/00GK101881612SQ20101010720
公开日2010年11月10日 申请日期2010年2月5日 优先权日2010年2月5日
发明者付小宁, 汪大宝, 高文井 申请人:西安电子科技大学