[发明专利]一种点斑状目标姿态估计方法及系统

说明书

技术领域

本发明属于目标姿态估计技术领域，具体涉及一种点斑状目标姿态估计方法及系统。

背景技术

三维目标的姿态估计是计算机视觉领域的一个热点研究课题，是三维目标运动估计的重要部分，在人脸识别、飞行器的操作与控制等方面都有广泛的研究。并且，三维姿态是反映空间目标运动状态的重要参数，有利于对目标的优化设计和故障分析，在目标跟踪、目标被动定位和目标识别等应用方面也具有重要的意义。

当目标在空间分辨率很低、成像为点斑状目标的情况下，此时仅根据点斑状目标无法准确知道目标的三维姿态信息。因此，如何进行快速准确地估计出点斑状目标的姿态已成为人们迫切需要解决的难题。

目前，在国内外也有一些针对三维目标的姿态估计。已有的测定空间目标姿态的常用方法主要分为空间目标姿态内侧和空间目标姿态外侧两种。它是通过设备进行跟踪录像，分析在时间序列上的目标信息，从而估计三维姿态参数，显然这种方式成本太高。另外大都是针对能够反映出目标形状信息的面目标进行估计，并未对点斑状目标进行姿态估计。而且所处理的方式均是针对目标本身物理信息，未考虑目标的红外辐射特性曲线随着姿态变化的关系。

发明内容

针对现有技术的迫切技术需求，本发明提出了一种点斑状目标姿态估计方法，该方法建立光谱与姿态对应的特性数据库，分析目标在不同姿态下各组成部分的辐射特性，然后根据所测红外谱的形态不同从而粗略估计点斑状目标的姿态，解决了如何根据红外光谱信息估计点斑状目标姿态的难题。

一种点斑状目标姿态估计方法，包括离线训练部分和在线估计部分；

所述离线训练部分包括以下步骤：

(1)建立目标三维几何模型并依据目标结构划分区域；

(2)针对目标的各区域建立物方温度分布模型；

(3)建立探测系统观测大气层内目标在六种典型姿态下的红外辐射传输模型；所述六种姿态包括顶视、俯视、迎头、追尾、左右、侧面；

(4)利用已建的物方温度分布模型和红外辐射传输模型构建目标在六种典型姿态下的像方辐射能量模型；

(5)分别在六种典型姿态下，结合目标像方辐射能量模型，仿真计算得到关于波长-目标像方辐射能量的点斑状目标红外光谱曲线，从而建立目标姿态与光谱的映射数据库；

所述在线估计部分包括以下步骤：

(6)探测点斑状目标；

(7)实时采集点斑状目标像方辐射能量，绘制关于波长-目标像方辐射能量的点斑状目标红外光谱曲线；

(8)将步骤(7)所得的关于波长-目标像方辐射能量的点斑状目标红外光谱曲线在目标姿态与光谱的映射数据库内进行匹配，确定目标姿态。

进一步，所述步骤(4)的具体实现过程为：

(41)根据物方温度分布模型构建目标物方的辐射特性表达式L(T_(x,y,z))：

已知在波段λ₁～λ₂、温度为T的等效黑体辐射亮度L_b(T_(x,y,x))为：

则目标表面红外辐射亮度L(T_(x,y,z))为：

式中：λ为波长，T_(x,y,z)为在位置(x,y,z)处的目标物方温度，黑体发射率ε＝1，为目标表面材料的红外发射率；

(42)在目标物方的辐射特性表达式的基础上考虑大气影响构建在目标像方的辐射特性表达式：

ρθ为透过率，L_θ为大气程辐射。

进一步，所述目标为飞机，飞机的辐射亮度主要分为飞机蒙皮、发动机、尾焰三部分分别计算。

进一步，计算飞机蒙皮辐射亮度时首先对在位置(x,y,z)处的目标物方温度T_(x,y,z)进行处理，得到考虑速度后的目标物方温度：

式中，k为恢复系数，γ为空气的定压热容量和定容热容量之比，M为速度。

进一步，所述步骤(8)的具体实现方式为：首先根据步骤(7)所得的关于波长-目标像方辐射能量的点斑状目标红外光谱曲线初步判定飞机姿态，从所述映射数据库中提取该姿态对应的光谱曲线集合；然后在光谱曲线集合中进行精确匹配，确定目标姿态。

进一步，所述目标为飞机，对步骤(7)所得的关于波长-目标像方辐射能量的点斑状目标红外光谱曲线进行分析：

若以长波红外辐射为主，则初步判定姿态为迎头；

若短/中/长波辐射均存在，则初步判定姿态为侧面；