[发明专利]一种基于合作信标的水下目标全自动识别与跟踪系统和方法

权利要求书

1.一种基于合作信标的水下目标全自动识别与跟踪系统，其特征在于，包括水下目标、搭载在水下目标上的声光合作信标、云台相机、声导引控制云台模块、图像识别控制云台模块，其中：

水下目标为被跟踪观测的水下航行器，

云台相机，搭载相机并能控制相机视场在水平方向、俯仰方向上进行转动；

声光合作信标，用于发射特定频率的水声信号，能被水下声学测量系统接收后解算获得水下目标的空间坐标信息；且集成安装有光源以提高水下目标在水下的可见性；

声导引控制云台模块，为声导引控制模式，用于通过声学系统获取水下目标位置，并能控制云台相机的视场动态跟踪水下目标运动，当目标进入相机视场时快速地捕获水下目标，并将云台相机的控制模式切换至图像识别控制模式；

图像识别控制云台模块，为图像识别控制模式，用于当搭载声光合作信标的水下目标进入云台相机视场后，识别亮点光源，识别和追踪水下目标，并能控制云台相机的视场动态跟踪水下目标运动；当水下目标离开云台相机的最大观测范围后，切换至声导引控制模式。

2.根据权利要求1所述的水下目标全自动识别与跟踪系统，其特征在于，所述声导引控制云台模块，还用于根据水下目标位置解算相机的水平方位角P和俯仰角T，并控制云台转动使相机视场指向当前水下目标所处的方位上进行等待水下目标进入视场。

3.根据权利要求2所述的水下目标全自动识别与跟踪系统，其特征在于，所述声导引控制云台模块，还用于获取云台相机在测量坐标内的布放位置信息，以及水下目标在测量坐标内的位置信息；再以相机布放位置为坐标原点建立相机空间坐标系，将目标位置坐标转换到相机空间坐标系，解算水下目标相对云台相机的空间方位角，将云台相机的水平角0°标校为正北方向，解算当前水下目标的水平方位角P、垂直方位角T，控制云台相机的水平角和俯仰角转动到当前目标方位实现声导引控制云台。

4.根据权利要求1所述的水下目标全自动识别与跟踪系统，其特征在于，所述声光合作信标的光源的蓝绿光源，所述图像识别控制云台模块，还用于利用亮点识别或帧差法识别和追踪水下目标，识别蓝绿光源后，计算亮点与当前云台相机获取的图像中心的偏差，控制云台相机转动将视场中心对准蓝绿光源，实现图像识别控制云台相机追踪水下目标。

5.一种基于合作信标的水下目标全自动识别与跟踪方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、水下目标安装搭载声光合作信标；在水下布放云台相机，标定相机布放位置坐标、水平角和俯仰角参数；声学测量系统，建立云台相机控制数据通信；

S2、水下目标启动光源闪烁或常亮，并发射特定频率的水声信号，水下声学测量系统接收后解算获得水下目标的空间坐标信息，发送至云台相机；

S3、云台相机视场内无水下目标时，为声导引控制模式，获取水下目标位置，并能控制云台相机的视场转动使其接近水下目标运动，等待水下目标进入视场；

S4、水下目标进入视场后，云台相机切换为图像识别控制模式，识别亮点光源，识别和追踪水下目标，并控制云台相机的视场动态跟踪水下目标运动；当水下目标离开云台相机的视场后，切换至声导引控制模式。

6.根据权利要求5所述的水下目标全自动识别与跟踪方法，其特征在于，步骤S3中，还包括：获取云台相机在测量坐标内的布放位置信息，以及水下目标在测量坐标内的位置信息；再以相机布放位置为坐标原点建立相机空间坐标系，将目标位置坐标转换到相机空间坐标系，解算水下目标相对云台相机的空间方位角，将云台相机的水平角0°标校为正北方向，解算当前水下目标的水平方位角P、垂直方位角T，控制云台相机的水平角和俯仰角转动到当前目标方位实现声导引控制云台。

7.根据权利要求6所述的水下目标全自动识别与跟踪方法，其特征在于，步骤S3中，还包括：根据水下目标位置解算相机的水平方位角P和俯仰角T，并基于水下目标的位置和航行轨迹，计算出水下目标经过本云台相机视场时的位置方位，并控制云台转动使相机视场指向当前水下目标所处的方位上进行等待水下目标进入视场。

8.根据权利要求6所述的水下目标全自动识别与跟踪方法，其特征在于，所述解算当前水下目标的水平方位角P、垂直方位角T，包括：当前目标位置坐标为(x,y,shendu)，相机布放位置为(x₀,y₀,shendu₀)，以相机布放位置为坐标原点建立相机空间坐标系，将目标位置坐标转换到相机空间坐标系，

然后解算目标相对云台相机的空间方位角，布放云台相机后，将相机的水平角0°标校为正北方向；

根据三角关系，可以求得目标的水平方位角P为：

(1)当x_cam0且y_cam0时，

P＝arctan(x_cam/y_cam) 公式2

(2)当x_cam0且y_cam0时，

P＝90+arctan(-y_cam/x_cam) 公式3

(3)当x_cam0且y_cam0时，

P＝180+arctan(x_cam/y_cam) 公式4

(4)当x_cam0且y_cam0时，

P＝270+arctan(-y_cam/x_cam) 公式5

而当x_cam＝0或y_cam＝0时，表示目标位于坐标轴上，易求其水平方位角；同理，可求得目标的垂直方位角T为：

根据公式1～公式6，实时从水声测量系统获取目标位置坐标即可解算当前目标的方位角P和T，控制云台的水平角和俯仰角转到当前目标方位即可实现声导引控制云台。