專利名稱：無需大氣消光系數的紅外小目標距離估計方法
技術領域：
本發明屬于光電探測技術領域，涉及對成像面積小于20像素的目標，即紅外小目標的距離估計，可用于對小目標的被動紅外距離探測。
背景技術：
隨著光電對抗技術的迅速發展以及它在現代戰爭中的廣泛使用，作戰雙方對武器系統的隱蔽性要求越來越高。機載或彈載被動紅外探測系統，由于不向外界輻射能量，極大地增強了隱身能力和突防能力，成為目前研究的熱點之一。但對成像面積小于20像素的紅外小目標來說，由于距離信息難以獲取，降低了光電對抗系統的性能，限制了光電對抗的應用和發展。因此，被動探測技術成為機載或彈載被動探測系統的關鍵技術之一，而基于目標輻射傳輸特性的被動測距成為有關研究的主攻方向。當前有代表性的研究成果主要有以下三篇文獻文獻1，《基于紅外輻射特性的單波段紅外圖像被動測距》(楊德貴，肖順平.紅外與激光工程，2009，38 (6) =946-950+1013)。這篇文獻給出了一個單波段被動測距公式，可以在預知大氣消光系數的情況下對目標距離進行估計。實際上，大氣消光系數很難準確預知， 因此實際應用中該方法的準確度不夠好；文獻2，《基于紅外搜索系統的被動測距技術研究》(徐志弘，鄭猛.艦船電子工程， 2005，25 (2) 127-130)。這篇文獻提出了一種對目標距離的估計方法，該方法通過對接收到的目標輻射功率及其變化的處理，結合對目標速度的估計值，估計出目標的距離。該方法盡管避免了對大氣消光系數的先驗知識，但受到需要對目標速度進行估計的影響，其最終對距離的估計誤差較大，高達30%。此外該方法也不適用于目標在角度上做較大機動的情況， 因此其實用性差；文獻3，《彈載被動系統測距算法》(伍友利，方洋旺，蔡文新，王洪強.系統工程與電子技術，2009，31(7) 1684-1688)。這篇文獻提出利用復雜的擾動濾波算法實現對目標的距離估計。這種方法雖說有較好的仿真結果，但其實現需要假定目標在運動過程中向外的能量輻射出射度始終保持恒定，而在實際應用中這種假定是不合理的。因此這種方法也難以實用化。綜上所述，現有方法的不足首先是需要先驗知識，如文獻1中的大氣消光系數和文獻2中的目標速度；其次是需要對目標進行條件限制，如文獻3中假設目標輻射出射度始終保持恒定，因此在實際應用中現有方法受到的限制條件多，估計準確度和實用性差。
發明內容
本發明的目的在于針對上述已有技術的問題，提出一種無需大氣消光系數的紅外小目標距離估計方法，以在無需要求目標的先驗知識和其他限制條件下，提高估計結果的準確度和實用性。實現本發明的目的的技術思路是通過探測器的單波段紅外傳感器接收紅外小目標的輻照度，并設置專門的空間坐標系來獲取探測器的空間坐標，通過探測目標相對探測器的方位角和俯仰角估計出目標到探測器的距離。其步驟包括如下(1)設定由單波段紅外傳感器、光電經緯儀和定位系統構成的探測器的觀測坐標系x-y-z，其χ-y平面為探測器平臺所在平面，其χ坐標軸的負向為探測器的運動方向在 χ-y平面的投影方向，ζ坐標軸的正向為χ-y平面向上的垂線方向，y坐標軸的方向按照右手坐標系規則設置；(2)設采樣時刻序號η = 1,2,3,……，利用單波段紅外傳感器獲取紅外小目標在 η-1采樣時刻上的輻照度E [η-1]和η采樣時刻上的輻照度E [η]；(3)利用與單波段紅外傳感器平行聯動安裝的光電經緯儀，獲取目標的方向信息， 該方向信息包括目標在η-1采樣時刻上的方位角Cilri、俯仰角β 和η采樣時刻上的方位角αη、俯仰角βη;(4)利用GPS全球定位系統或北斗星定位系統，根據步驟(1)中設置的探測器觀測坐標系，分別獲取探測器在η-1采樣時刻上的三維空間坐標Ulri，Yn^1, Zn^1)和η采樣時刻上的坐標(xn，yn，zn)；(5)根據步驟(2)中獲得的目標輻照度E[n-1]和E[η]，從第η彡2采樣時刻開始，
計算目標在η-1和η相鄰兩次采樣時刻上到探測器的距離之比P
3 13 101如果Ε[η]彡 Ε[η-1]，則 ρ = 0.6316(Λ + Λ2+7Λ3+了 Ρ-^Λ6)，其中 k 為中間變
權利要求
1.一種無需大氣消光系數的紅外小目標距離估計方法，包括如下步驟(1)設定由單波段紅外傳感器、光電經緯儀和定位系統構成的探測器的觀測坐標系 x-y-z，其x-y平面為探測器平臺所在平面，其χ坐標軸的負向為探測器的運動方向在x_y 平面的投影方向，ζ坐標軸的正向為x-y平面向上的垂線方向，y坐標軸的方向按照右手坐標系規則設置；(2)設采樣時刻序號n=1,2,3,……，利用單波段紅外傳感器獲取紅外小目標在η-1 采樣時刻上的輻照度Ε[η-1]和η采樣時刻上的輻照度E[η]；(3)利用與單波段紅外傳感器平行聯動安裝的光電經緯儀，獲取目標的方向信息，該方向信息包括目標在η-1采樣時刻上的方位角Cilri、俯仰角^lri和η采樣時刻上的方位角 α η、俯仰角βη；(4)利用GPS全球定位系統或北斗星定位系統，根據步驟⑴中設置的探測器觀測坐標系，分別獲取探測器在η-1采樣時刻上的三維空間坐標Ulri，yn_i，Zn^1)和η采樣時刻上的坐標(Xn' Yn' Zn)；(5)根據步驟(2)中獲得的目標輻照度E[n-1]和E[n]，從第η> 2采樣時刻開始，計算目標在η-1和η相鄰兩次采樣時刻上到探測器的距離之比P 如果
2.根據權利要求1所述的目標距離估計方法，其中步驟(6)所述的計算目標在η-1采樣時刻上的方向余弦Ilri，是通過以下公式所求得Ilri = cosa^cose^。其中Ciiri和β ^是步驟(3)中得到的目標在η_1采樣時刻上的方位角和俯仰角。
3.根據權利要求1所述的目標距離估計方法，其中步驟(6)所述的計算目標在η采樣時刻上的方向余弦In，是通過以下公式所求得In= cosancos^n0其中％和βη是步驟(3)中得到的目標在η采樣時刻上的方位角和俯仰角。
4.根據權利要求1所述的目標距離估計方法，其中步驟(4)中所述的探測器的空間坐標(Xlri，yn-i，Zlri)和Un，yn，Zn)，是先利用GPS全球定位系統或北斗星定位系統獲得探測器的位置信息，再將該位置信息轉換到步驟(1)中所設定的探測器觀測坐標系中。
全文摘要
本發明提出了一種無需大氣消光系數的紅外小目標距離估計方法，屬于光電探測技術領域，主要解決現有小目標距離估計準確度和實用性差的問題。其實現步驟是先利用紅外傳感器測量目標的輻照度E[n]；利用光電經緯儀獲得目標的方位角αn和俯仰角βn；利用定位系統獲得探測器的空間坐標(xn-1，yn-1，zn-1)；根據方位角αn、俯仰角βn確定目標的方向余弦ln；再利用n-1和n相鄰兩次采樣時刻上的目標輻照度E[n-1]和E[n]計算目標距離比ρ；然后對目標的距離進行估計。本發明對距離的估計無需大氣消光系數，無需要求目標的先驗知識和其他限制條件，適用于單波段紅外傳感器對紅外小目標的距離估計。
文檔編號G01C3/00GK102331250SQ20111016440
公開日2012年1月25日 申請日期2011年6月17日 優先權日2011年6月17日
發明者付小寧, 喻睿, 楊琳, 王陸 申請人:西安電子科技大學