[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

说明书

本发明公开了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，核心是基于目标搭载的声光合作信标，以水下图像目标识别和声导引技术的配合使用实现水下目标识别与全自动跟踪，可以应用于水中兵器试验领域及其他水下目标的探测、观察和跟踪领域。本发明专利公开的技术特征在于：提出了一种基于声光合作信标的水下目标示位方法，通过声信标和光信标提高了水下目标的可跟踪性和可见性；基于声光合作信标，设计了声导引控制云台相机和图像识别控制云台相机的方法；提出了声导引控制云台相机和图像识别控制云台相机技术的无缝衔接与配合使用策略，设计并实现了一种基于合作信标的水下目标识别与全自动跟踪技术，对水下目标的识别与光学跟踪技术有创新性突破。

技术领域

本发明涉及水下目标的识别跟踪技术领域，应用于水中兵器试验领域及其他水下目标的探测、观察和跟踪领域，具体为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。

背景技术

随着鱼雷、ROV、UUV等水下航行器技术的发展，在试验考核与实际应用中越来越关注航行器完成精细任务的能力，工程应用对航行器工作状态的高精度测量与探测、跟踪、观察等技术的需求越来越急迫。然而，受制于水下环境的特殊性，水下目标的光学识别与目标作业图像的获取面临着极大的挑战。其技术瓶颈主要在于水声探测技术精细度低及水下光学作用距离短等问题。

一方面，由于声波是唯一能在水下远距离传播的信号，水下目标的识别与跟踪通常采用声呐、水听器等水声装备。然而，受水声信号波长较大、自然环境水声信道复杂等客观因素限制，基于水声的目标探测难以解决探测精度低、数据的直观性差等问题，特别是难以获得水下目标的姿态、横滚等细节信息。

另一方面，基于光学的视频、图像等具有高分辨率、直观、易解读和分析等优势，但受制于水体对电磁波的强衰减特性，水下光学作用距离短，自然环境下水体的可视距离一般只有10米左右，通常只有在4～5米的距离范围内水下光学图像才能反映目标的轮廓、纹理及颜色等常用的图像特征。

受水体可视距离短、水下相机的视场角小等客观因素限制，通过相机等水下光学设备拍摄水下活动目标具有很大的技术挑战，特别是拍摄鱼雷、UUV等具有大范围快速航行能力的目标时，水下光学系统抓拍到目标的概率大大降低，拍摄系统很难捕获目标。

发明内容

为解决上述现有技术中存在的不足和缺陷，申请人经过研发设计，提供了一种基于合作信标的水下目标识别与全自动跟踪技术，通过水声测量和图像识别无缝衔接控制水下云台相机自动跟踪拍摄水下目标，其核心是以水声测量作为声导引控制云台对准目标方位，当目标进入相机视场后通过图像识别技术识别水下目标，以图像识别结果控制云台相机跟踪拍摄目标。水声导引可以为云台相机提供目标的大致方位等信息，提高了水下相机捕获目标的概率。当目标进入视场后，图像识别技术能可靠地识别和跟踪目标，避免了由声学测量误差和数据飞点导致目标丢失等问题。本发明专利的技术内容包括声光合作信标、声导引控制云台、图像识别控制云台和控制策略四个方面的内容。

具体的，本发明是这样实现的：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。