一种多探测器坐标系转化及误差纠正方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及多探测器坐标系转换领域，尤其是一种多探测器坐标系转化及误差纠 正方法。
【背景技术】
[0002] 固定式FOD探测系统的核心设备是在跑道两侧安装的若干探测单元。探测单元可 以是雷达、图像和激光中的一种或几种设备。探测单元发现FOD目标后，在缺乏全局信息的 情况下只能提供自身坐标系下的目标坐标。但是该坐标难以被直观理解，也难以被其他设 备使用，需要转换到可以被直观理解的跑道坐标系。一个准确的坐标系转化方法，是FOD探 测整体方法中关键的一步，是多个探测单元坐标相互转换的标准和桥梁，也是多探测器数 据融合探测的基础。
[0003] 一些系统直接测量探测单元的位置，简单地对探测器自身坐标进行位移得到跑道 坐标。这样的方法易于操作，但是结果往往存在比较大的转化误差，甚至超过探测器的探测 误差。科学的做法是，首先建立坐标系转换的数学模型，然后求解数学模型中的参数，最后 根据计算所得的参数对坐标进行转换。简单的转换模型易于计算参数，但是转换结果误差 较大；反之，复杂的转换模型转换结果误差较小，但是难以计算参数。优秀的转换方法能够 用比较方便的途径计算出转换模型的参数，并且转换结果准确度高。
【发明内容】
[0004] 本发明所要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供一种多探测器坐标系 转化及误差纠正方法，本发明针对FOD探测系统中主要依靠的雷达、图像和激光三种探测 技术提出了探测器自身坐标与跑道全局坐标系的相互转换数学模型，并提出了计算转换模 型参数计算的方法。在此基础上，针对转换结果的误差，提出了一种误差纠正方法，进一步 提尚了坐标转换的精度。
[0005] 本发明采用的技术方案如下：
[0006] -种多探测器坐标系转化方法包括：
[0007] 步骤1 :提出了一种通用的探测坐标系与跑道坐标系的转换原理模型，探测目标 的在探测器极坐标表达形式为（Θ，d，δ )，其中d表示探测器到被探测物体距离，Θ表示被 探测物体与探测器之间的方位角，S表示被探测物体与探测器之间的俯仰角；探测器笛卡 尔坐标系下表达形式为P T(xT，yT，zT):
[0008] xT= d cos δ cos Θ
[0009] yT= d cos δ sin θ
[0010] ζτ= d sin δ
[0011] 将PT"T，yT，ZT)转换到跑道坐标系的坐标P G"G，yG，ZG)的坐标转换模型：
[0012] Pg= R0Pt+P0
[0013] 其中，R。为旋转矩阵，P。(^，7。，2。）为探测器坐标系原点在跑道坐标系中的位置； 该模型中的未知参数为I^Pc，而探测器根据类型的不同获取的坐标信息为三个分量的全部 或其中两个。
[0014] 步骤2 :在跑道路面上，均匀设置N1个被探测物体，即为N if测试点，使用测量仪 测得其在跑道坐标系下坐标分别为（X]，y,，Z]);同时使用探测器测得测试点的探测器坐标 系下对应位置信息；根据对应关系求解步骤1坐标转换模型中的参数；
[0015] 步骤3 :在探测中获取目标坐标后，使用步骤2中坐标转换公式模型中的参数对步 骤1坐标转换模型进行化简，计算出多种探测器的探测坐标与跑道标准坐标进行相互转换 的简化公式。
[0016] 进一步的，当所述探测器是雷达时，测试点经雷达探测所得雷达坐标系中坐标分 布为（Θ P di)，1彡j彡N1，步骤1中坐标转换模型未知参数为δ、R。、P。;即当实际测量中 S i、R。、Ρ。为未知数；其中δ ^为Nl个测试点对应的被探测物体与雷达之间的俯仰角；Θ j 为NI个测试点对应的被测物体与雷达之间的方位角；士为NI个测试点对应的被测物体与 雷达之间的距离；步骤2中求解坐标转换模型中的参数具体包括：
[0019] 根据计算得到P。= (AtA) 1AtB,得到P。；
[0020] 步骤 22 :因为 R。1 (PG-P。）= Ρτ，记（X.厂X。，y.厂y。，z.厂z。）为（vx.j，vy." VZ.)，记 R。1 为
[0022] 并对tempTtemp进行特征值分解或者奇异值分解，取最小非零特征值对应的特征 向量，并将该向量记为（r n'，r12'，r13'，r22'，r23'），执行步骤23 ;
[0023] 步骤23 :计算：
[0030] 得到R。1中所有参数的值，执行步骤24 :
[0031] 步骤24 :对R。1求逆矩阵，得到R。的值；
[0032] 步骤25 :对于任意跑道平面上目标均有Zs~0,且
[0038] 算出 yG为二元一次方程（1+k J) 丫^+〗!^；^+!^2-#+?。2= 0 的正解，而 X G= k Jdk2
[0039] 从而在无需知道参数δ的情况下实现雷达坐标向跑道坐标的转换。
[0040] 进一步的，当所述探测器是雷达时，步骤3分别通过步骤31或步骤32具体实现：
[0041] 步骤31:给定目标跑道坐标系下坐标？(；〇^，5^，2(；)，其雷达探测坐标（0，(1)计算 方法为：
[0045] 步骤32 :给定目标雷达探测坐标（Θ，d)，其跑道坐标系下坐标PS(X(；，y,，Zs)的计
[0047] 得到 yG 为二元一次方程：（1+〇 0 的正解，而 Xg= kjtj+k；；， Zg= 0〇
[0048] 进一步的，当所述探测器是图像探测器时，步骤1中坐标转换模型未知参 数为d、R。、P。；图像坐标系下，测试点经过相机探测所得图像坐标系中坐标分布为 (Θ j，δ j)，1彡j彡N1;即实际测量中d pRpP。为未知数；其中δ ^为Nl个测试点对应的被 探测物体与图像探测器之间的俯仰角；Θ ^为Nl个测试点对应的被测物体与图像探测器之 间的方位角；士为Nl个测试点对应的被测物体与图像探测器之间的距离；步骤2中求解坐 标转换模型中的参数具体包括：
[0049] 经图像探测所得图像坐标系中坐标分布为（θ ]; δ^,Ι彡j ^N1，测量探 测器在跑道坐标系下坐标为芎=(七,丸,知）；在P。'为中心σ为半径，2 σ X 2 σ X 2 σ 的正方体空间内，取均匀分布间距为τ的点Ρ。' = (X(；，y(；，z。'）作为Ρ。估算值，
〇的取值为〇. 1米到5 米，τ的取值为对所有的Ρ。'执行以下计算：
[0050] 步骤21 :对每一个测试点计算Vj= (X「χ。'，yfy。'，ZfZ。'），并将向量Vj缩放为单 位向量（除以自身的模）
[0051] 步骤 22 :对每一个测试点计算 Wj= (cos δ fos Θ』，cos δ pin Θ』，sin δ ;
[0052] 步骤23 :计算向量Kj为Wj和Vj的叉乘K」=W」X Vj,记为Kj= (kx .j, ky.j，kzj，并 计算 Φ j = ar sin(kz)，ζ s= ar tan (ky /kxj)；
[0053] 步骤24 :计算向量Wj和Vj之间的夹角炉/ =);
[0054] 步骤25 :对所有的测试点计算Φ,，ζ,，％?数值分布的标准样本差的和ε， 表示计算从^到X N1* NI个数值分布的标准样本差。
[0056] 在所有的P。'中，选取ε值最小的一组，令
[0064] 得到R。、P。，其中^說(5)表示计算从~到X NI个数值的平均值；
[0065] 步骤26 :令.
> 由Pg= R QPT+P。可知跑道面上目标满足关系t 13dco
[0067] 进一步的，当所述探测单元是图像探测器时，步骤3具体包括：
[0068] 步骤31 :给定目标跑道坐标系下坐标？(；(知，7(；，2(；)，其图像探测坐标（0，5)计算 方法为
[0072] 给定图像探测目标坐标（θ，δ)，其跑道坐标系下坐标Ze)计算方法为
[0078] 进一步的，当所述探测单元是激光扫描器时，步骤1中坐标转换模型 未知参数为私、Pc;经激光探测被探测物体，测试点在激光坐标系中坐标分布为 (Θ j，δ & Clj), I < j < N1;其中δ ;为Nl个测试点对应的被探测物体与探测