[发明专利]基于红外与可见光融合跟踪的舰船水炮控制系统及方法

权利要求书

1.一种基于红外与可见光融合跟踪的舰船水炮控制方法，其特征在于，该方法基于舰船水炮控制系统实现，所述系统包括光电跟踪系统、控制计算机和水炮伺服控制系统；所述光电跟踪系统包括红外与可见光相机和激光测距仪，红外与可见光相机用于获得海上舰船目标的双通道图像信息，激光测距仪用于获取海上舰船目标的距离信息；所述控制计算机包括目标检测与识别模块和射击诸元计算模块，所述目标检测与识别模块用于利用可见光图像的目标颜色特征和红外图像的目标轮廓特征进行目标检测与识别；所述射击诸元计算模块用于对海上舰船目标进行目标建模和数字滤波，求解命中方程，计算射击诸元；所述水炮伺服控制系统用于根据射击诸元控制水炮指向目标；所述控制方法包括以下步骤：

步骤1、获取海上舰船目标的双通道图像信息和距离信息；

步骤2、利用可见光图像的目标颜色特征和红外图像的目标轮廓特征，进行目标检测与识别；进行目标检测与识别的具体过程为：

步骤2-1，基于颜色特征的均值漂移迭代定位

均值漂移算法采用核函数加权的特征直方图描述目标，在每帧中对目标模板模型和候选目标模型进行相似性度量，并沿着核直方图相似性的梯度方向迭代搜索目标位置；

目标模板模型q＝{q_u}_u＝1,…,m和以y为中心的候选目标模型p＝{p_u(y)}_u＝1,…,m如下式所示：

式中m表示特征直方图的量化级数，q_u和p_u分别表示目标模板和候选目标核直方图各级概率密度，C和C_h为归一化函数，δ为Kronecker delta函数，b为像素在直方图中的索引值，为目标模板区域像素的归一化位置，x_i为候选目标像素当前帧的位置，h为目标尺度，即核窗宽，k为Epanechnikov核函数，n为目标模板的像素个数，n_h为候选目标的像素个数，u是模板像素均值，y是像素位置；

获得目标模板和候选目标的核直方图模型后，计算两个离散概率分布q和p(y)之间的相似性：

目标定位在当前帧中，根据目标的初始化位置y₀寻找相似性系数ρ取最大位置y₁，将ρ(y)在y₀处泰勒展开，求取最大值，可得位置y₁的计算如下式：

式中g(x)＝-k′(x)；

通过反复迭代上式，使候选目标不断沿着相似性度量的梯度方向移动到新的位置y₁，直到相似性系数ρ达到最大，从而得到目标最优位置y₁；

步骤2-2，基于水平集的目标轮廓提取

将轮廓隐含的表达为2维曲面函数φ的零水平集，建立关于轮廓的能量函数：

式中，Ω为图像定义域；w为距离规则化函数；μ，λ，α为各项加权系数；z为边缘指示化函数；H_ε为Heaviside函数；为梯度，δ_ε(φ)为Dirac delta函数；

采用变分方法最小化该能量函数，最终得到轮廓的进化方程：

式中，d_p为设备独立像素；

通过给定轮廓初始位置φ₀，进行曲线演化，从而得到目标的终极轮廓，根据目标轮廓计算得到目标尺度；

步骤2-3，目标尺度与模型更新

利用水平集轮廓提取的结果估计目标尺度，将尺度更新的结果用于下一帧的均值漂移定位，尺度更新结果如下式：

h_new＝(1-ξ)h+ξh_contour

式中h表示可见光当前帧用于均值漂移定位的目标尺度；h_contour表示当前帧根据水平集轮廓提取结果得打的目标尺度；h_new表示尺度更新成果，用于下一帧跟踪；ξ为尺度更新速度因子，表示轮廓提取结果权重，其取值范围为ξ∈[0,1]；

在可见光图像第t帧位置y₂处，计算候选目标模型p，更新目标模板模型q，然后更新目标位置和尺度参数，最后进行下一帧；

设图像中心为图像坐标原点(0，0)，以过图像中心的横轴、纵轴分别建立x轴，y轴；假设经过上述步骤得到的目标在图像中的像素位置为(x,y)，则目标相对于相机的方位角和俯仰角为tanβ＝x/f和f为相机焦距，假设相机的方位角为χ，俯仰角为以顺时针方向为正，则目标当前的方位角为χ+β，俯仰角为结合激光测距得到的距离，即可得出目标在甲板直角坐标系上的位置(x,y,z)；

步骤3、对海上舰船目标进行数学建模，获得目标运动模型；

对海上舰船目标进行目标建模前对目标信息进行甲板直角坐标系到大地坐标系的转换，计算射击诸元前对目标命中点信息进行大地坐标系到甲板直角坐标系的转换；

步骤4、根据流体动力学方程解算水炮目标命中点，并对输出延迟时间进行命中函数修正；求解目标命中点的具体过程为：

解算水炮命中点，设目标当前当前位置为M(x，y，z)，目标命中点的位置为Mq(x_q，y_q，z_q)，舰炮的位置为坐标原点O，目标的速度和加速度分量分别为v_mx、v_my、v_mz、a_mx、a_my、a_mz，t_f为根据流体动力学得到的水炮到达目标点的时间，可得在正交投影坐标系下的命中方程为：

考虑到控制计算机的计算时间，对输出延迟时间T_d进行修正，用v_mx、v_my表示舰艇航速在坐标系中的分量，得：

进一步的，可得修正后的命中点函数为：

根据流体动力学方程，设水炮击中目标的时间为：

t_f＝G(D_q,z_q)

G(D_q,z_q)为流体动力学方程；

目标D_q为：

控制计算机求解下式：

F(t_f)＝G(D_q(t_f),z_q(t_f))-t_f＝0

即可得到命中方程解，F(t_f)为解命中问题方程，由此得到水炮应到达位置，确定水炮射击装置的方位和高低瞄准角；

步骤5、结合船体位姿校正计算射击诸元，控制水炮进行射击；计算射击诸元的具体过程为：

考虑到舰船水炮控制系统随着舰艇纵向或横向摇晃，将在稳定坐标系下得到的诸元数据转换到不稳定坐标系下，设舰艇纵摇角为横摇角为θ，将稳定诸元转换为不稳定诸元的方法如下：

式中，η为稳定方向瞄准角，E为稳定俯仰瞄准角；η′为不稳定方向瞄准角，E′为不稳定俯仰瞄准角。