СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННОГО ПОЛОЖЕНИЯ, СКОРОСТИ И УСКОРЕНИЯ ОБЪЕКТА В ПАССИВНОЙ СКАНИРУЮЩЕЙ СИСТЕМЕ ВИДЕНИЯ Российский патент 2019 года по МПК G01S11/12 

Изобретение относится к пассивным сканирующим системам видения оптического, инфракрасного и миллиметрового диапазонов длин волн [1, 2], предназначенным для наблюдения за движущимися объектами. Система состоит из нескольких приемных устройств - приемников, взаимно удаленных и ориентированных в пространстве. Сканирование осуществляется изменением углового положения линии визирования приемников во времени по определенному правилу. При каждом положении линии визирования принимаемый сигнал излучения в направлении линии визирования преобразуется в тракте первичной обработки и преобразуется в цифровую форму. При определенной мощности сигнала, превышающей порог обнаружения, фиксируются углы направления на объект и момент времени образования сигнала при данном направлении. Для определения пространственного положения объекта требуется наличие двух наблюдателей, образующих стереопару [1].

Известен способ определения пространственного положения объекта [1, с. 174-176], который применительно к сканирующим системам можно интерпретировать следующим образом.

1. Размещаются два приемника, сканирующих зону обзора и взаимно ориентированные базовым вектором b₂=(b_2x,b_2y,b_2z)^T, соединяющим центры прямоугольных систем координат, и матрицей Р₂ поворота осей координат второго наблюдателя относительно первого (T - символ транспонирования).

2. Формируются в одном периоде сканирования орты а₁=(a_1x,a_1y,a_1z) и a₂=(a_2x,a_2y,a_2z)^T векторов М₁=(x₁,y₁,z₁)^T и М₂=(x₂,y₂,z₂)^T направлений на объект в системах координат наблюдателей на моменты времени t₁ и t₂. В общем случае t₁≠t₂ из-за различной ориентации приемников в пространстве и различии в правилах сканирования. Пространственное положение объекта определяется координатами векторов М₁ и М₂, связанных с ортами а₁ и а₂ через наклонные дальности до объекта r₁ и r₂:

3. Записывается достаточное условие сопряжения векторов М₁ и М₂, то есть направления на один и тот же объект в виде уравнения связи координат с точностью до ошибок сопряжения:

где е₂=(e_2x,e_2y,e_2z) - вектор ошибок сопряжения. С учетом (1) уравнение (2) принимает вид:

После обозначения уравнение (3) представляется в матричном виде как запись трех уравнений с двумя неизвестными r₁ и r₂:

4. По критерию минимума квадрата нормы вектора ошибок сопряжения (метода наименьших квадратов - МНК):

Находится вектор МНК-оценок дальностей

где Н_А=(A^TA)^-1A^T - матрица весовых коэффициентов, и соответственно находятся оценки пространственных координат объекта на моменты времени t₁ и t₂ в системах координат наблюдателей:

5. Оценки положения объекта обновляются в последовательности периодов сканирования путем повторения операций пп. 2-4.

Однако данный способ обладает следующим недостатком - он справедлив только для неподвижного объекта. В случае движущегося объекта происходит смещение вектора М₁ на промежутке времени [t₁, t₂], вследствие чего нарушается условие сопряжения (2). Объект, движущийся по линейному закону со скоростью V₁=(ν_1x,ν_1y,ν_1z)^T на момент времени t₁ в системе координат первого приемника, получает приращение ΔМ₁=V₁Δt за время Δt=t₂-t₁. С учетом этого условие сопряжения (2) запишем как:

Уравнение (4) представляет систему трех уравнений (по числу координат векторов) с пятью неизвестными r₁, r₂, ν_1x, ν_1y, ν_1z и не имеет точного решения.

Объект, движущийся также с ускорением на момент времени t₁, получает приращение При этом уравнение (4) будет содержать восемь неизвестных и также не имеет решения.

Предлагаемое техническое решение направлено на устранение этого недостатка, а именно на определение пространственного положения, скорости и ускорения движущегося объекта на момент времени t₁.

Технический результат предлагаемого технического решения достигается применением способа определения пространственного положения, скорости и ускорения объекта в пассивной сканирующей системе видения, который заключается в размещении двух приемников, сканирующих зону обзора и взаимно ориентированных базовым вектором b₂ и матрицей поворота осей Р₂, формировании в одном периоде сканирования ортов векторов направлений на объект а₁, а₂ в системах координат приемников на моменты времени t₁, t₂, составлении матрицы А из координат векторов а₁ и вычислении матрицы Н_А=(A^TA)^-1A^T и умножении ее слева на вектор b₂, получении вектора оценок дальностей до объекта умножении оценок дальностей на орты и получении оценок пространственных координат объекта на моменты времени t₁ и t₂, повторении всех операций в последовательности периодов сканирования, отличающийся тем, что размещают третий приемник, сканирующий зону обзора, ориентированный относительно первого приеника базовым вектором b₃ и матрицей поворота осей Р₃, формируют орт а₃ в момент времени t₃ в направления на объект в третьей системе координат, составляют матрицу А из координат векторов а₁, и приращений времени Δt₂=t₂-t₁, Δt₃=t₃-t₁, вычисляют матрицу Н_А=(A^TA)^-1A^T, умножают ее слева на блочный вектор В, составленный из векторов b₂ и b₃, в результате получают вектор оценок дальностей и координат вектора V₁ скорости движения объекта на момент времени t₁ в системе координат первого приемника, затем умножают оценку дальности на орт а₁ и получают оценку вектора пространственного положения объекта который вместе с вектором скорости движения объекта передают на сопровождение,

дополнительно размещают еще два приемника, сканирующих зону обзора, ориентированных относительно первого приемника базовыми векторами b₄, b₅ и матрицами поворота осей Р₄, Р₅, формируют орты направлений на объект а₄, а₅ в моменты времени t₄, t₅, составляют матрицу А из координат векторов а₁, и приращений времени Δt₂, Δt₃, Δt₄=t₄-t₁, Δt₅=t₅-t₁, вычисляют матрицу Н_А=(А^ТА)^-1А^Т, умножают ее слева на блочный вектор В, составленный из векторов b₂, b₃, b₄, b₅, в результате получают вектор оценок дальностей и координат векторов V₁, скорости и ускорения движения объекта на момент времени в системе координат первого наблюдателя, затем умножают оценку дальности на орт а₁ и получают оценку вектора пространственного положения объекта который вместе с оценками вектора скорости и ускорения движения объекта передают на сопровождение.

Алгоритмически способ осуществляется следующим образом.

1. Размещаются три приемника, сканирующих зону обзора и ориентированных относительно первого основного приемника базовыми векторами b₂=(b_2x,b_2y,b_2z)^T, b₃=(b_3x,b_3y,b_3z)^T и матрицами поворота осей координат Р₂ и Р₃ относительно первого приемника.

2. Формируются в одном периоде сканирования орты а₁=(a_1x,a_1y,a_1z)^T, a₂=(a_2x,a_2y,a_2z)^T, a₃=(a_3x,a_3y,a_3z)^T векторов направлений на объект М₁=(x₁,y₁,z₁)^T, М₂=(x₂,y₂,z₂)^T, М₃=(x₃,y₃,z₃)^T в системах координат приемников в моменты времени t₁, t₂, t₃. Неизвестные векторы пространственного положения объекта М₁, М₂, М₃ связанны с наблюдаемыми ортами через наклонные дальности r₁, r₂, r₃:

3. Записывается достаточное условие сопряжения векторов М₁, М₂ и М₁, М₃ в виде системы уравнений связи координат:

где ΔM_1,2=V₁Δt₂ и ΔM_1,3=V₁Δt₃ - приращения вектора М₁ за счет изменения его координат за время Δt₂=t₂-t₁ и Δt₃=t₃-t₁ (Δt₂≠0, Δt₃≠0); V₁=(ν_1x,ν_1y,ν_1z)^T - вектор скоростей изменения координат объекта в системе первого приемника на момент времени t₁; е₂=(e_2x,e_2y,e_2z)^T и е₃=(e_3x,e_3y,e_3z)^T - векторы ошибок сопряжения. С учетом (5) система уравнений (6) принимает вид:

После обозначений система (7) представляется как запись шести уравнений с шестью неизвестными r₁, r₂, r₃, ν_1x, ν_1y, ν_1z в матричной форме:

4. По критерию минимума квадрата нормы ошибок сопряжения:

находятся МНК-оценки дальностей и скоростей:

где Н_А=(A^TA)^-1A^T - матрица весовых коэффициентов.

5. Оценка дальности умножается на орт а₁, получаются оценки вектора пространственного положения объекта и скорости его движения на момент времени t₁ в первой системе координат.

6. Полученные оценки положения и скорости объекта передаются на сопровождение объекта и обновляются в последовательности периодов сканирования путем повторения операций пп. 2-4.

7. Для повышения точности оценок (10) дальности и скорости предусматривается увеличение числа наблюдателей. При этом в матрице А выражения (8) появляются дополнительные строки и столбцы, а в векторах X, В и Е дополнительные строки. Так, при числе наблюдателей n=4 имеем систему 9 уравнений с 7 неизвестными, а при n=5 систему 12 уравнений с 8 неизвестными.

8. Дополнительно для получения оценки вектора ускорения движения объекта в системе координат первого приемника на момент времени t₁ размещаются еще два приемника, сканирующих зону обзора и ориентированных относительно первого наблюдателя базовыми векторами b₄, b₅ и матрицами поворота осей Р₄, Р₅. Формируются орты направлений на объект а₄, а₅ на моменты времени t₄, t₅.

9. Записывается система уравнений

где - приращения вектора М₁ за счет изменения его координат за время Δt_k=t_k-t₁ (Δt_k≠0); - вектор ускорений изменения координат объекта в системе первого приемника на момент времени t₁. После преобразования (11) к виду:

при n=5 имеем систему 3(n-1)=12 уравнений с n+6=11 неизвестными, которая записывается в матричной форме АХ-В=Е подобно (8), где матрица A имеет 3(n-1) строк и n+6 столбцов. Решение системы (12) дает вектор

10. Для сопровождения объекта в каждом периоде сканирования выдаются векторы оценок его пространственного положения скорости и ускорения на момент времени t₁.

Предложенный способ определения пространственного положения, скорости и ускорения объекта в пассивной сканирующей системе может найти применение в существующих оптических и радиометрических системах пассивного видения при наблюдении за объектами.

При этом в радиометрической системе, состоящей из k-х радиометров с антеннами, сканирующими в направлении угловых координат азимута ϕ и угла места θ, при ориентации осей Ох, Оу в вертикальной плоскости и оси Oz в горизонтальной орты векторов направлений на объект имеют вид: a_k=(x_k,y_k,z_k)^T=(cosθ_k sinϕ_k, sinθ_k, cosθ_k cosϕ_k)^T.

В оптической системе, состоящей из k-х видео приемников с фокусным расстоянием ƒ_k, наблюдающих объект в кадрах видео изображений в координатах x_k, y_k, орты векторов направлений на объект имеют вид:

Литература

1. Цифровая обработка изображений в информационных системах: учеб. пособие / И.С. Грузман, B.C. Киричук и др. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2002. 352 с.

2. Пассивная радиолокация: методы обнаружения объектов / Под ред. Р.П. Быстрова и А.В. Соколова. М.: Радиотехника, 2008. 320 с.

Изобретение относится к пассивным сканирующим системам видения оптического, инфракрасного и миллиметрового диапазонов длин волн, предназначенным для наблюдения за движущимися объектами. Достигаемый технический результат – определение пространственного положения, скорости и ускорения объекта в пассивной сканирующей системе видения. Система состоит из нескольких приемников, взаимно удаленных и ориентированных в пространстве. Сканирование осуществляется изменением углового положения линии визирования приемника во времени по определенному правилу. По результатам сканирования формируются орты направлений на объект в системах координат приемников и фиксируются моменты времени их образования. Предложенный способ позволяет в каждом периоде сканирования находить векторы пространственных координат положения объекта, скорости и ускорения его движения. Для этого из координат ортов и разностей моментов времени их образования составляется матрица системы уравнений и находится ее решение матричным методом.

Способ определения пространственного положения, скорости и ускорения объекта в пассивной сканирующей системе видения, заключающийся в размещении двух приемников, сканирующих зону обзора и взаимно ориентированных базовым вектором b₂ и матрицей поворота осей Р₂, формировании в одном периоде сканирования ортов векторов направлений на объект а₁, а₂ в системах координат приемников на моменты времени t₁, t₂, составлении матрицы А из координат векторов а₁ и вычислении матрицы Н_А=(А^ТА)^-1А^Т и умножении ее слева на вектор b₂, в результате получении вектора оценок дальностей до объекта и умножении оценок дальностей на орты и получении оценок пространственных координат объекта на моменты времени t₁ и t₂, повторении всех операций в последовательности периодов сканирования, отличающийся тем, что размещают третий приемник, сканирующий зону обзора, ориентированный относительно первого приемника базовым вектором b₃ и матрицей поворота осей Р₃, формируют орт а₃ в момент времени t₃ в направлении на объект в третьей системе координат, составляют матрицу А из координат векторов а₁, и приращений времени Δt₂=t₂-t₁, Δt₃=t₃-t₁, вычисляют матрицу H_A=(A^TA)^-1А^Т, умножают ее слева на блочный вектор В, составленный из векторов b₂ и b₃, в результате получают вектор оценок дальностей и координат вектора V₁ скорости движения объекта на момент времени t₁ в системе координат первого приемника, затем умножают оценку дальности на орт a₁ и получают оценку вектора пространственного положения объекта который вместе с вектором скорости движения объекта передают на сопровождение, дополнительно размещают еще два приемника, сканирующих зону обзора, ориентированных относительно первого приемника базовыми векторами b₄, b₅ и матрицами поворота осей Р₄, Р₅, формируют орты направлений на объект а₄, а₅ в моменты времени t₄, t₅, составляют матрицу А из координат векторов а₁, и приращений времени Δt₂, Δt₃, Δt₄=t₄-t₁, Δt₅=t₅-t₁, вычисляют матрицу Н_А=(А^ТА)^-1А^Т, умножают ее слева на блочный вектор В, составленный из векторов b₂, b₃, b₄, b₅, в результате получают вектор оценок дальностей и координат векторов V₁, скорости и ускорения движения объекта на момент времени t₁ в системе координат первого приемника, затем умножают оценку дальности на орт a₁ и получают оценку вектора пространственного положения объекта который вместе с оценками вектора скорости и ускорения движения объекта передают на сопровождение.