一种飞机对地激光照射精度实时处理系统和方法与流程

1.本发明涉及一种飞机对地激光照射精度实时处理系统和方法，属于民用试验机、直升机航空电子技术领域。


背景技术：

2.光电吊舱目前已经成为民用无人机、直升机最常见载荷，具有探测、识别、定位、测距等功能，飞行试验中需要对这些平台的试验机进行试验验证。其中试验机激光照射精度是执行部分重要任务的决策依据之一，传统的飞行试验均是飞行后进行处理，根据照射精度决策后续重要任务是否执行，该方式效率较低。效率低的原因：一方面是需要一个试飞架次进行照射精度判断，到第二个架次才能决策是否执行重要任务；另一方面是当前试飞中大部分由人工操作视频判读软件，逐帧寻找视频中的光斑图像中心，而一次照射可持续数秒至数十秒，每秒照射20-30次，一次需要处理数百帧视频图像，人工处理时间较长，尤其是一个试飞架次进行多次照射的情况，严重影响了数据处理效率，不利于后续试验计划的安排。


技术实现要素：

3.本发明的目的：本发明提供一种飞机对地激光照射精度实时处理系统和方法，利用此方法能在试验机飞行中即完成每次激光照射精度的处理，作为后续任务执行与否的依据，能够科学、公正的评判光电吊舱、激光照射器性能。
4.本发明的技术方案：
5.为了实现上述发明目的，根据本发明的第一方面，提出一种飞机对地激光照射精度实时处理系统，适用于试验机向地面靶标进行激光照射场景，其特征在于，包括光斑监测器、地面飞行监控中心；
6.所述光斑监测器设置于地面靶标斜前方；
7.所述地面飞行监控中心设置有激光照射精度处理系统、试验机状态监控系统；
8.所述光斑监测器与所述地面监控中心通讯连接；所述激光照射精度处理系统与试验机状态监控系统通信连接；
9.所述光斑监测器用于记录试验机照射在地面靶标上的激光照射光斑数据，并将数据传输到所述飞行监控中心的所述激光照射精度处理系统；
10.所述试验机状态监控系统与试验机通讯连接；接收试验机传输的飞行状态数据，并将飞行数据中的位置、时间数据传输至所述激光照射精度处理系统；
11.所述激光照射精度处理系统利用所接收的激光照射光斑数据以及飞行数据中的位置、时间数据实现实时图像预处理、光斑照射中心点定位、照射精度计算与评估。
12.在一个可能的实施例中，所述光斑监测器布置在地面靶标斜前方1.5-2km处，与地面靶标正前方夹角为30
°‑
45
°
。
13.根据本发明的第二方面，提出一种飞机对地激光照射精度实时处理方法，采用上
述一种飞机对地激光照射精度实时处理系统，总体方案是光斑监测器记录试验机的激光照射光斑视频，并通过数据链传输到飞行监控中心，飞行监控中心的光斑照射精度处理系统根据试验机位置数据、光斑视频计算光斑照射精度，并将其与指标进行比对分析，作为后续重要任务是否执行的依据之一。
14.具体地，一种飞机对地激光照射精度实时处理方法，适用于试验机向地面靶标进行激光照射场景，包括光斑监测器、地面飞行监控中心飞行试验前；
15.在试验机起飞前，获取地面靶标坐标及尺寸；
16.在试验机起飞前，将光斑监测器的时间与试验机的时间调成一致；将光斑监测器布设至地面靶标斜前方；
17.试验机飞行中根据试验任务要求对地面靶标进行一次激光照射；
18.光斑监测器记录光斑视频，并在完成一次照射后将激光照射光斑视频传输到飞行监控中心的激光照射精度处理系统；同时试验机将位置数据、时间数据传输到飞行监控中心的试验机状态监控系统；
19.激光照射精度处理系统对激光照射光斑视频进行光斑中心处理，计算得到激光照射光斑视频上的各光斑的照射中心的像素坐标；
20.激光照射精度处理系统根据地面靶标的尺寸，计算像素所代表的坐标距离；
21.激光照射精度处理系统根据计算得到的各光斑的照射中心的像素坐标、以及计算得到的坐标距离，计算各光斑的照射中心的像素坐标与地面靶标中心的距离偏差；
22.激光照射精度处理系统根据试验机状态监控系统接收的试验机位置数据、时间数据，以及地面靶标坐标，计算试验机与地面靶标的实时距离；
23.根据计算得到的各光斑的照射中心的像素坐标与地面靶标中心的距离偏差、以及计算得到的试验机与地面靶标的实时距离，计算实时激光照射精度。
24.本发明的优点：
25.本发明能将飞行后处理变为飞行中准实时处理，每次照射后都能快速给出结果，而不是传统的飞行后再给结果，提高了处理效率和决策效率。
26.处理过程自动化程度高，同样的数据，相比传统的人工手动处理所需要的30分钟时间缩短到1分钟以内。
27.该方法可以适用于我国各类型民用无人机、直升机光电传感器试飞和质量检验，适用性广，市场前景广阔。
附图说明
28.图1为本发明优选实施例的系统组成示意图。
29.图2为典型激光照射光斑
具体实施方式
30.下面结合附图对本发明进一步进行详细描述。
31.一种飞机对地激光照射精度实时处理系统和方法，其系统布置示意图如图1所示，处理的典型光斑如图2所示。
32.步骤1获取地面靶标坐标及尺寸。利用与试验机导航系统定位精度一致的gps测量
设备测量地面靶标坐标，使用测量精度达到0.01米的尺子对靶标横、纵尺寸进行测量，并将测量结果告知飞行监控中心人员录入激光照射精度处理系统内，用于后续照射精度处理。
33.步骤2在试验机起飞前，光斑监测器与试验机采用同一时标系统，将光斑监测器的时间与试验机的时间调成一致，确保二者在统一时间坐标内，以便于后续数据处理。
34.步骤3将光斑监测器布设至地面靶标斜前方1.5-2km处，与地面靶标正前方夹角为30
°‑
45
°
。
35.步骤4试验机起飞，在空中根据试验任务要求对地面靶标进行一次激光照射。
36.步骤5光斑监测器记录光斑视频，并在完成一次照射后将激光照射光斑视频传输到飞行监控中心的激光照射精度处理系统；同时试验机将位置数据、时间数据传输到飞行监控中心的试验机状态监控系统。
37.步骤6激光照射精度处理系统对激光照射光斑视频进行光斑中心处理。具体分为2步，首先进行预处理，然后进行光斑中心定位，从而计算得到激光照射光斑视频上每一帧光斑的中心的像素坐标。预处理算法可选择伽马变化、分段线性变化或局部对比度增强算法中的一种或多种。光斑中心定位算法可采用灰度质心法或椭圆拟合法或高斯拟合法定位每一帧光斑的中心的像素坐标。
38.分段线性增强的数学表达式如下：
[0039][0040]
如果|c'-a'|《|c-a|，则是压缩第一区间[a,c]，|d'-c'|＝|d-c|，维持第二区间[c,d]，|b'-d'|》|b-d|，扩展第三区间[d,b]。根据图像的特性，选取合适的分段点，即可实现小目标增强，同时抑制背景杂波。
[0041]
伽马变换具有改善图像视觉效果、可对图像光照进行校正并且运算简单的优点，被广泛应用于低质量图像的增强。通过非线性变换，可以让图像中较暗的区域的灰度值得到增强，较亮区域的灰度值得到降低，其原理为：
[0042]
s＝cr
γ
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0043]
其中r为灰度图像的输入值，s为经过伽马变换后的灰度输出值。c为灰度缩放系数，通常取1；γ为伽马因子大小，控制变换的缩放程度。
[0044]
局部对比度增强算法是通过对原图像的亮度值分布进行重新调整，从而获得清晰的图像，其目的是提高图像清晰度，改善图像的视觉效果。首先将图像分割为一系列的图像子块，然后分别对各个子块单独进行直方图均衡化处理，最后合并各个子块的处理结果得到最终结果。
[0045]
灰度质心法步骤如下：1)对图像通过灰度化和反色后阈值选择得到光斑特征区域；2)模糊去噪，消除噪声以及像素不均匀产生的噪声；3)再次进行阈值选择，得到更清晰的光斑区域；4)形态学处理，选择合适的模板，对图像进行腐蚀和填充处理，以得到连通域的规则形状图形；5)边缘检测得到图像边缘，采用canny等检测算子得到；6)对边缘检测结
果进行形态学相关运算得到更连通的边缘曲线，通过边缘曲线函数计算质心。
[0046]
椭圆拟合法是根据边缘检测结果，通过最小二乘法对边缘进行椭圆拟合，求出椭圆的中心代替图像中光斑的质心。一般椭圆公式如下：
[0047]
ax2+bxy+cy2+dx+ey+f＝0
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0048]
利用差值最小的原理求出参数a,b,c,d,e,f的最优解，得到椭圆的一般方程，通过最优解，计算出质心点坐标。质心的表达式如下：
[0049][0050][0051]
高斯拟合法假设激光光斑在一维空间(x)的光强分布符合高斯分布，对于大多数需要分析的激光光束而言，其理想的光斑光强分布应该满足高斯分布，即在任意一个垂直于光束的截面(x,y)上，光强分布是符合高斯型的。取其高斯函数为：
[0052][0053]
式中：i(x,y)为激光光束在该截面(x,y)处的光强；h为该截面的光斑光强幅值；(x0,y0)为光斑中心位置；σ1，σ2为2个方向上的标准差。由上式可以看出，光强幅值位置即为光斑中心位置，因而在本文中采用光强幅值所在的位置作为光斑中心位置。对上式两边取对数并将其简化为多项式可得：
[0054]
z＝ax2+by2+cx+dy+f
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0055]
根据最小二乘原理(残差平方和最小)，a,b,c,d,f可由下式确定：
[0056][0057]
由于图像采集设备的有效位数通常为8位，当光强比较大或曝光时间过长时，容易导致数据饱和(灰度值超过255)，不能够反映出光斑的真实光强，如果把这些点也用于高斯拟合，则容易产生较大的误差，因此要去掉这些饱和点。e的取值范围应该为i
th
《i(x
′i,y
′i)《255，其中i
th
为图像中光斑与背景的分割阈值，将图像中所有满足此条件的点代入上式即可求得参数a,b,c,d,f，进而根据下式得到光斑中心位置(x0,y0)及光强幅值h：
[0058][0059]
对于大多数需要分析的光束而言，其理想的光斑强度分布都满足高斯分布。
[0060]
步骤7计算像素所代表的坐标距离。飞行监控中心人工在光斑视频中标定靶标4个角、中心标志点的像素坐标，由靶板左上角(x
l1
,y
l1
)和右下角)(x
r2
,y
r2
)的像素坐标可计算
得到靶板的像素宽w和高h：
[0061][0062]
根据输入的靶板实际高h和宽w，可以计算得出水平方向和竖直方向实际距离和像素距离之间的比例ε
x
、εy分别为：
[0063][0064]
步骤8激光照射精度处理系统根据步骤6计算得到的各光斑的照射中心的像素坐标、以及步骤7计算得到的坐标距离，计算各光斑的照射中心的像素坐标与地面靶标中心的距离偏差，具体的每一帧光斑中心与靶板中心的实际水平距离xn和实际垂直距离分别yn为：
[0065][0066]
其中，(xn,yn)为第n帧光斑的中心像素坐标，(x,y)为靶板的中心像素坐标，。
[0067]
因此每一帧光斑中心与靶板中心实际距离差为：
[0068][0069]
步骤9激光照射精度处理系统根据试验机状态监控系统接收的试验机位置数据、时间数据，以及地面靶标坐标，计算试验机与地面靶标的实时距离ln。
[0070]
步骤10根据步骤8计算得到的各光斑的照射中心的像素坐标与地面靶标中心的距离偏差、以及步骤9计算得到的试验机与地面靶标的实时距离，计算实时激光照射精度，得到各个时刻的照射精度：
[0071][0072]
最终由均方根误差公式计算出光斑照射精度为：
[0073][0074]
其中，n为一次激光照射过程中光斑图像的总帧数，照射精度单位mrad。
[0075]
实施例
[0076]
以2021年基于一型民用试验机光电吊舱试飞数量为例，对上述步骤进行举例说明：
[0077]
步骤1获取地面靶标坐标及尺寸。利用与该无人机导航系统定位精度一致的gps测量设备测量地面靶标坐标，使用测量精度达到0.01米的尺子对靶标横、纵尺寸进行测量，得到靶标尺寸为横宽为6m，纵向高度5m，并将测量结果告知飞行监控中心人员录入激光照射精度处理系统内，用于后续照射精度处理。
[0078]
步骤2在试验机起飞前，在跑道上，将光斑监测器与试验机放在一处，采用试验机的授时系统对光斑监测器进行统一授时，将光斑监测器的时间与试验机的时间调成一致，
确保二者在统一时间坐标内，以便于后续数据处理。
[0079]
步骤3将光斑监测器布设至地面靶标斜前方2km处，与地面靶标正前方夹角为30
°
，光斑监测器与飞行监控中心间隔20km，光斑监测器、试验机与飞行监控中心均通过c频段数据链路进行数据传输。
[0080]
步骤4试验机起飞，执行任务，在高度3km，距离靶标斜距7km处开始发射激光对靶标进行照射，1次照射持续了5s，每秒照射了20次。试验机实时将位置数据、时间数据传输到飞行监控中心的试验机状态监控系统。
[0081]
步骤5光斑监测器探测到光斑后触发记录，记录光斑视频，连续3个周期未探测到光斑后停止记录，操作员选取记录的光斑视频，通过无线链路发送到飞行监控中心的激光照射精度处理系统。
[0082]
步骤6激光照射精度处理系统对激光照射光斑视频进行光斑中心处理。具体分为2步，首先进行预处理，然后进行光斑中心定位，从而计算得到激光照射光斑视频上每一帧光斑的中心的像素坐标。预处理算法选择了分段线性变化，光斑中心定位算法采用椭圆拟合法定位每一帧光斑的中心的像素坐标。
[0083]
分段线性增强的数学表达式如下：
[0084][0085]
如果|c'-a'|《|c-a|，则是压缩第一区间[a,c]，|d'-c'|＝|d-c|，维持第二区间[c,d]，|b'-d'|》|b-d|，扩展第三区间[d,b]。根据图像的特性，选取合适的分段点，即可实现小目标增强，同时抑制背景杂波。
[0086]
椭圆拟合法是根据边缘检测结果，通过最小二乘法对边缘进行椭圆拟合，求出椭圆的中心代替图像中光斑的质心。一般椭圆公式如下：
[0087]
ax2+bxy+cy2+dx+ey+f＝0
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(16)
[0088]
利用差值最小的原理求出参数a,b,c,d,e,f的最优解，得到椭圆的一般方程，通过最优解，计算出质心点坐标。质心的表达式如下：
[0089][0090][0091]
步骤7计算像素所代表的坐标距离。飞行监控中心人工在光斑视频中标定靶标4个角、中心标志点的像素坐标，由靶板左上角、右下角的像素坐标(550,1300)、(1100,210)可计算得到靶板的像素高h和宽w：
[0092][0093]
根据输入的靶板实际长h和宽w，可以计算得出水平方向和竖直方向实际距离和像
素距离之间的比例ε
x
、εy分别为：
[0094][0095]
步骤8激光照射精度处理系统根据步骤6计算得到的各光斑的照射中心的像素坐标、以及步骤7计算得到的坐标距离，计算各光斑的照射中心的像素坐标与地面靶标中心的距离偏差，具体的每一帧光斑中心与靶板中心的实际水平距离xn和实际垂直距离分别yn为：
[0096][0097]
其中，(xn,yn)为第n帧光斑的中心像素坐标，(x,y)为靶板的中心像素坐标，本次为(825,755)。
[0098]
因此每一帧光斑中心与靶板中心实际距离差为：
[0099][0100]
步骤9激光照射精度处理系统根据试验机状态监控系统接收的试验机位置数据、时间数据，以及地面靶标坐标，计算试验机与地面靶标的实时距离ln。
[0101]
步骤10根据步骤8计算得到的各光斑的照射中心的像素坐标与地面靶标中心的距离偏差rn，根据步骤9计算得到的试验机与地面靶标的实时距离ln，将二者相除，得到各个时刻的照射精度。每一时刻的照射精度为：
[0102][0103]
最终由均方根误差公式计算出光斑照射精度为：
[0104][0105]
其中，n为一次激光照射过程中光斑图像的总帧数，本次为100，最终计算的照射精度为0.077mrad。