Способ определения угловых координат объектов оптико-электронными средствами на основе пространственно-временной обработки

В настоящее время при определении угловых координат объектов широко используются оптико-электронные средства активной локации, которые состоят из лазерного передающего устройства, приемника оптического излучения, подсистем анализа и управления. Лазерная локационная станция осуществляет сканирование пространства по углу места и азимута за счёт механического перемещения элементов локатора. По величине этого перемещения определяются угловые координаты. В этом случае среднеквадратические ошибки углов измерения существенно зависят от конструкции механической части оптической системы [1].

Для повышения точности определения угловых координат необходимо использовать принципиально новые способы, основанные на пространственно-временной обработке регистрируемых изображений. Предпосылками использования таких способов являются существенное развитие фотоприемных матричных приборов, а также использование методов цифровой обработки сигналов [2] и существующих алгоритмов повышения разрешения [3].

Таким образом, целью статьи является разработка способа определения угловых координат объектов оптико-электронными средствами на основе пространственно-временной обработки последовательности получаемых изображений.

Суть способа заключается в следующем. Лазерная локационная станция сканирует сектор обзора, при этом передающий канал работает в импульсном режиме. В качестве приемной части лазерной локационной станции будем использовать матричный фотоприемник, который, регистрируя отраженное излучение, формирует изображение участка обозреваемого пространства.

От кадра к кадру средство локации перемещает свое поле зрения, два последовательно сформированных изображения будут иметь прямоугольную общую часть, размеры и положе -ние которой пропорциональны изменению углового положения передающего канала. Область перекрытия соседних изображений в двумерной координатной плоскости представлена на рис. 1, где d и h – размеры матричного фотоприемника; Δ y , Δ x – размеры области перекрытия.

Рис. 1. Геометрия задачи

Рис. 2. Вычислительная схема

Для определения углового смещения последовательности изображений относительно друг друга разработана вычислительная схема пространственно-временной обработки двух изображений, показанная на рис. 2.

Схема работает следующим образом. С выхода матричного фотоприемника на каждом такте получаем матрицу яркостей, соответствующих получаемому изображению. Блок запоминания осуществляет запись в память текущей матрицы яркостей и хранение полученной на предыдущем шаге. После записи данных в память в процессе получения следующего кадра изображения происходит определение углового перемещения текущего кадра относительного предыдущего. Для этого блок поэлементного перебора и индексации осуществляет поэлементное сравнение текущей матрицы m i,j со всеми элементами предыдущей n_x,y и исследуется их сходство. Учитывая, что полного совпадения элементов участка перекрытия, как правило, не бывает из-за шумов и искажений, введем в рассмотрение некую меру различения, которая показывает допустимый уровень похожести элементов по формуле

е( m , n_X y ) <  L e , (1)

где L_e – некоторый порог, зависящий от интенсивности шумов и чувствительности элементов матричного фотоприемника.

Далее осуществляется процедура бинаризации, где при выполнении на текущем шаге условия (1) элементу т_ц присваивам значение «единица», а по окончании сравнения элементам, не удовлетворившим условию (1), присваиваем «ноль».

Полученная матрица, элементы которой имеют нулевые и единичные значения, поступает в блок определения положения перекрывающихся участков. Данный блок осуществляет нахождение значений координат ячеек через определение положения единичных строк и столбцов. Условием нахождения перекрывающейся области считается наличие четырех единичных ячеек в виде локальной матрицы размерностью 2х2 элемента.

Полученные значения координат элементов матрицы, являющиеся вершинами прямоугольной области перекрытия, поступают в блок расчета углового смещения последовательности изображений относительно друг друга.

Таким образом, вычислительная схема позволяет в двумерной системе координат XOY текущего изображения определить размеры зоны перекрытия в виде координат начала и конца соответствующих строк и столбцов, по которым, с учетом проекций на соответствующие координатные оси ОХ и OY, определяют азимут и угол места на объект по следующим формулам:

BO = d - А у

OB h - А х ’

AO = h - А х

OA d - А у "

Размеры области перекрытия рассчитывают выражениями:

А Х = ⁽ X тек , нач ^- X_ , кон ⁺ 1) ^h x_C ,                                        (⁴)

Аy = (Y y      нач, тек

—

Y    +1) h кон, тек         у ,

где ^X тек , нач , ^X тек , кон , ^Y нач , тек и ^Y кон , тек ^- номера ^{элемента}р^{ных фотоп}р^{иемников}, соответствующие началу и окончанию области перекрытия по двум осям. Текущее значение номера фотоприемника, с учетом прямоугольности области перекрытия, выбирается как среднее между крайними точками.

Рис. 3. Выбор знака углов азимута и места на объект

Выбор знака углов α и ε осуществляется исходя из четверти сравниваемых изображений исходной системы координат, как показано на рис. 3. Номер четверти определяется исходя из полученных координат перекрывающейся области текущего изображения.

Таким образом, на основе пространственно-временной обработки последовательности регистрируемых изображений разработан способ, позволяющий определять угловые координаты объекта и исключающий влияние ошибок позиционирования механической части оптической системы на точность измерения угловых координат.