艦載光電偵察設備視頻測距實時修正方法

徐亞飛

(華中光電技術研究所武漢光電國家研究中心，湖北 武漢 430073)

0 引言

光電偵察設備主要由電視、紅外傳感器及伺服系統等組成，光電偵察設備具有圖像清晰直觀，可晝夜工作，不受電子干擾，環境適應性好等優點，大量列裝于港口、島礁與各型艦船等平臺[1]。光電偵察設備一般不配備激光測距儀，無法獲取目標實時距離信息。光電偵察設備傳統的工作方式是利用設備架設高度、設備俯仰角度信息，通過直角三角形關系來計算目標距離[2]。這種距離估算方式受設備安裝條件影響較大，設備安裝平面水平度高、平面高度較高時，估算的距離準確度高，但一般情況下設備安裝的環境很難滿足上述要求[3]。隨著計算機圖像處理、機器視覺技術的發展，陸續出現了多種目標距離估算方法，如基于單目視覺[4]、雙目視覺的實時測距方法[5]，基于目標可見光特性的測距方法[6]，多探測器數據集成的測距方法等[7],均未提及在艦船等動平臺測距產生誤差的問題。本文采用基于目標提取的視頻距離估算方法，當設備安裝在港口等靜平臺上時，采用該測距方法估算速度快且精度較高，但當設備裝在艦船等動平臺上后，由于艦船搖擺導致獲取目標像素高度不穩定，從而導致獲取目標估算距離也不穩定。本文針對此問題，提出了艦載光電偵察設備視頻測距實時修正方法。

1 視頻測距原理及缺陷

1.1 視頻測距原理

視頻測距原理示意圖如圖1所示。

圖1 視頻測距原理示意圖Fig.1 Video ranging principle

在理想光學系統中，處于同一介質中物與像，它們的焦距相等。如圖1中物方焦距與像方焦距相等，用f′表示。圖1中AB=H表示物高，AF=D′，A′B′=h，表示像高，PF=f′。

(1)

式(1)中，D為目標近似距離，H為目標實際高度，h為目標相高，f′為焦距。

當目標距離較遠時，在視頻距離估算中要考慮因地球曲率遮擋目標引起的誤差，在估算過程中需要對地球曲率遮擋進行修正，原理如圖2所示。

圖2 地球視見距離關系圖Fig.2 Earth seeing distance relationship

海上目標視見距離的經驗公式為：

(2)

式(2)中，H1為光電偵察設備頭部瞄準線海拔高度，ΔH為地球曲率遮擋目標高度。

根據式(2)可得由ΔH所引起的距離誤差為：

(3)

式(3)中，D′為目標全部呈現時，估算出的目標的距離，即按測距式(1)計算的近似距離。當目標因地球曲率被部分遮擋時，按式(1)計算的名義距離總是偏大，因此實際距離應為：

(4)

海上光電偵察設備采用視頻測距方法估算距離時，采用式(4)進行計算。

上述距離推導公式中，光電偵察設備的架設高度H1、傳感器當前的焦距值f′可以直接獲取，被測目標的實際高度H可由操作人員根據經驗給定。因此，只要求出目標像高就可以求得目標距離，且目標像高的精度直接影響著目標距離的準確性。

為了準確地獲取提取目標的像高，采取空間域的拉普拉斯變換對圖像進行邊緣增強，同時為了減少噪聲對提取精度的影響，采用了中值濾波對圖像進行預處理[8-9]。邊緣增強與中值濾波本文中不再詳細闡述。

1.2 艦船平臺下視頻測距存在的問題

當光電偵察設備安裝在港口等固定平臺上時，采用該測距方法距離估算速度快且精度較高，但當光電偵察設備裝在艦船等動平臺上后，由于艦船搖擺導致獲取目標像素高度與實際像素高度有誤差，導致估算的目標距離產生誤差[10]，因此在使用上述方法進行距離估算時，需要進行實時修正，即消除船體搖擺對獲取像素高度的影響。

2 視頻測距實時修正方法

通過試驗觀察發現，艦載光電偵察設備獲取的視頻圖像由于艦船的搖擺而晃動。通過進一步分析可知，在設備跟蹤鎖定目標時，目標視頻圖像繞著一個中心點左右旋轉導致獲取的目標像素高度值跳動，為了修正目標像高，需獲取目標圖像繞中心左右旋轉的像旋角θ。因此實時修正方法采用獲取像旋角θ并將其消除，得到修正后的像高取代原像高的方式進行距離估算。求取像旋角θ的具體方法步驟如下所述。

2.1 大地坐標系下物方矢量

首先應獲得大地坐標系下物方矢量，其示意圖如圖3所示。

圖3 大地坐標系下物方矢量示意圖Fig.3 The object vector in the geodetic coordinate system

確定大地坐標系(OXYZ)下，物方矢量為：

2.2 甲板坐標系下物方矢量

船體縱搖角為P和橫搖角R示意圖如圖4所示，縱搖角P是船繞Y′軸旋轉的角度，橫搖角R是船繞X′軸旋轉的角度。

圖 4 甲板坐標系下船體縱搖角P和橫搖角R示意圖Fig.4 Hull pitch angle P and roll angle R in deck coordinate system

甲板坐標系(OX′Y′Z′)下，艦船縱搖角為P、橫搖角為R，艏搖角為船繞Z′旋轉的角度，一般為0。則物方在大地坐標系下的矢量e，轉換為甲板坐標系下的矢量為e′，他們的轉換關系如式(5)：

e′=M·e

(5)

(6)

M是大地坐標系轉換為甲板坐標系的轉換矩陣。

最終計算得：

(7)

2.3 指向器坐標系下物方矢量

指向器安裝在艦船甲板上，如圖5所示。指向器外環方位角q是指向器繞Z″轉動的角度。俯仰角p是指向器繞Y″轉動的角度(指向器指向艦艏時方位為0°。q沿Z″軸逆時針轉動為正，p沿著Y″軸逆時針轉動為正)，由于探測器安裝在指向器內框架俯仰包上，探測器坐標系(OX″Y″Z″)與指向器坐標系一致，從艦船甲板坐標系到探測器坐標系的轉換矩陣N為：

圖5 探測器坐標系下像方矢量示意圖Fig.5 Image side vector in detector coordinate system

(8)

所以在探測器坐標系(OX″Y″Z″)下,像方矢量e轉換為E：

(9)

則可以獲得需要消除的像旋角為：

(10)

則修正后的像素高度為：

(11)

將修正后的像素高度h′替代視頻距離估算公式中的像高h進行運算，即可獲得修正后的距離估算值。

3 實驗驗證

在艦船縱搖8°、橫搖8°、搖擺周期12 s的情況下采用未修正的距離估算方法，修正后的距離估算方法及激光測距方法(獲取的距離值可認為是真值)，對不同目標同時進行測距，獲取了12組實驗數據，如表1所示。

表1 實驗結果對照表Tab.1 Comparison of experimental results

由表1可見，采用修正后距離估算方法測得的距離值與真值的誤差大大減小，單次最大誤差由15.1%減小到了9.2%，平均誤差由8.3%減小到了6.0%。

4 結論

本文提出了艦載光電偵察設備視頻測距實時修正方法。該方法以修正后的像素高度替代視頻距離估算公式的原始像高，得到了穩定的視頻估算距離。仿真實驗結果表明，采用此修正方法很好地解決了由于船體搖擺導致的估算距離不準問題，使視頻距離估算方法在艦載光電偵察設備中得到了很好地應用，提高了艦載光電偵察設備的整體性能。