在惯性成像坐标系 Op Zp Yp 的投影点 χP| k 的坐标
为 (χP| y , k ,χP| z , k ) . 依据中心投影成像原理 , 可建
立如下等式关系 :
fe
1 fe
χP| y , k χP| z , k
=
TBI -
Y(
-
Ψk) TBI - Z ( - θk) TBI S IB (χS| y , k ,χS| z , k)
Research on Correlation Tracking Algorithm f or Strap2do wn Imaging Seeker
L IN Zhe1 , YAO Yu1 , D I Xiao2guang1 , FU Xiao2wei2
(11Control and Simulation Center , Harbin Institute of Technology , Harbin 150080 , Heilongjiang , China ; 21Chinese Academy of Space Technology , Beijing 100086 ,China)
兵 工 学 报
第 30 卷
不妨设在惯性成像坐标系内目标的运动速度为
(
v
t P|
y,
k
,
v
t P|
z , k)
,则在
k
+ 1 时刻 , 目标位置的偏移
量可表示为 :
Δyk + 1| k Δz k + 1| k
=
T·
v
t P|
y,k
v
t P|
z,k
+
1 2
T2
atP| y , k atP| z , k
O XB YB ZB , 它是由惯性坐标 O X I Y I Z I 先后经过弹 体偏航角 Ψ、俯仰角θ和滚转角γ 3 次坐标旋转得 到 。如图 1 所示 , 惯性坐标到弹体坐标的转换矩阵 可表示为 : TBI (γ,θ, Ψ) = TBI - X (γ) ·TBI - Z (θ) ·TBI - Y ( Ψ) ,
0
S IB (χS| y , k ,χS| z , k)
fe
Δyk + 1| k Δz k + 1| k
.
将其变换到 k + 1 时刻弹体坐标系下进行观测得到 :
fe
χS| y , k + 1 = χS| z , k + 1
fe
TBI - X (γk + 1) TBI - Z (θk + 1) TBI -
然而 ,对于捷联成像导引系统 ,成像探测器的观 测基准随弹体姿态而实时变化[3 ] , 弹体姿态运动的 耦合使目标运动形式呈现复杂的非线性时变特性 , 传统 E KF 方法在应用中存在雅克比矩阵难于求取 、 线性化误差大等缺点 。此外 ,在跟踪过程中 ,目标图 像的尺寸 、灰度和几何形状会随着弹目相对距离 、目 标辐射强度和弹体姿态的变化而变化 , 传统方法中 固定模板尺寸的方法往往会造成跟踪不稳定甚至丢 失目标 。近年来虽涌现出许多新颖的模板更新策 略 ,如线性组合更新法 、最佳匹配更新法和动态加权 更新法等 ,并在各自不同应用领域中取得了较好的 实验 效 果[4 - 6 ] , 但 均 未 从 本 质 上 解 决 模 板 漂 移 问 题 。文献[7 ]提出基于再分割的模板变尺度方法 ,应 用再分割结果来更新匹配模板 , 但其模板更新效果 亦受到探测视场内背景复杂程度和目标分割结果的 限制 。
SBI (χS|
k
,
v
t P|
y,k
,
v
t P|
z,k
,
atP|
y,k
,
Y ( Ψk + 1)
第 30 卷第 5 期 2 0 0 9年5月
兵工学报 ACTA ARMAMEN TARII
Vol. 30 No. 5 May 2009
捷联成像导引头相关跟踪算法研究
林 1 , 姚郁1 , 晓光1 , 富小薇2
(11 哈尔滨工业大学 控制与仿真中心 , 黑龙江 哈尔滨 150080 ; 21 中国空间技术研究院 , 北京 100086)
d ,在探测器采样时刻 k , 弹体的姿态为 Φk = ( Ψk ,
θk ,γk ) T. 如 图 1 所 示 , 此 时 目 标 在 成 像 坐 标 系
O S ZS Y S 的 投 影 点 χS| k 点 的 坐 标 为 ( χS| y , k ,
χS| z , k) ,若在惯性坐标基准下对目标进行观测 , 其
.
(2)
其中 : T 为导引头采样周期 ; ( atP| y , k , atP| z , k) 为惯性 成像坐标系内目标在 Op Yp 和 Op Zp 方向上的等效 加速度 。由 (1) 式可知 , k + 1 时刻视线方向在惯性
坐标系下可表示为 :
Lk+1 =
fe
TBI - Y ( - Ψk) TBI - Z ( - θk) TBI - X ( - γk) χS| y , k + χS| z , k
0 引言
相关跟踪算法无需对图像进行分割和特征提取
处理 ,具有对图像质量要求不高 ,抗干扰能力强等优 点 ,因此在成像制导领域中 ,特别是在复杂背景环境 下获得了广泛的应用 。相关跟踪的主要缺点是计算
收稿日期 : 2007 - 04 - 24 基金项目 : 国家自然科学基金资助项目 (60674043) 作者简介 : 林 (1978 —) ,男 ,博士 ,工程师 。E2mail :zhe - lin - hit @yahoo . com. cn
基于此 , 本章结合 CD KF 非线性估值理论 , 在 导出目标帧间运动模型的基础上 , 提出基于 CD KF 的相关跟踪方案 , 有效解决了捷联成像跟踪系统中 的波门设置与视线估值问题 。同时 , 为了提高系统
图 1 捷联成像寻的器几何图 Fig. 1 Geometry of strap2down imaging seeker
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第 5 期
捷联成像导引头相关跟踪算法研究
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量大[1 ] ,故往往需要结合目标的运动模型 , 通过卡 尔曼滤波或扩展滤波 ( E KF) 算法预报出下一帧图像 中目标像素出现位置的概率分布区域 , 建立搜索波 门 ,这样跟踪系统只需在小的波门子区域内进行相 关运算 ,从而达到缩减算法计算量的目的 ,同时又可 应用相关匹配的结果作为量测信息 , 实现对目标位 置的估计 ,提高视线确定的精度[2 ] 。
X(
-
γk) ·
fe
χS| y , k .
(1)
χS| z , k
式中 : f e = f / d 为成像器等效焦距 ;投影尺度变换因 子可计算为 :
S IB (χS| k| Φk) = f ecosθkcosΨk +
( - cosγksinθkcosΨk + sinγksinΨk) χS| y , k +
摘要 : 捷联式成像导引头的光学探测基准随弹体姿态运动而动态变化 ,其目标图像的运动形 式呈现复杂的非线性时变特性 ,传统扩展卡尔曼滤波 ( E KF) 方法难以有效地针对目标运动模型进 行波门设置及视线估计 。为此 ,本文首先建立了以目标机动在惯性成像坐标系内的投影为输入 ,弹 体姿态信息作为时变参数的目标帧间运动模型 ,并在此基础上提出了一种新的相关跟踪算法 。该 算法通过应用中心差分卡尔曼滤波 ( CD KF) 理论有效解决了成像跟踪中的波门设置问题 ,提高了 目标位置的估值精度 ,同时提出一种改进的变尺寸模板更新策略 ,抑制了目标图像的形变和模板漂 移对匹配精度的影响 ,进一步提高了系统的跟踪的精度 ,并通过仿真验证了算法的良好跟踪性能 。 关键词 : 飞行器控制 、导航技术 ; 捷联成像制导 ; 相关跟踪 ; 中心差分卡尔曼滤波 ; 模板更新 中图分类号 : V249132 ; V55618 文献标志码 : A 文章编号 : 100021093(2009) 0520572208
跟踪精度 ,本文针对捷联成像寻的系统的应用环境 , 在文献[8 ]的基础上 ,提出了一种改进的变尺寸模板 更新策略 ,如图 1 所示 ,有效克服了模板更新过程中 存在的模板漂移问题 ,确保了目标跟踪点的一致性 。 仿真验证了文中算法的有效性 。
1 目标帧间运动模型
捷联 成 像 导 引 头 的 观 测 基 准 为 弹 体 坐 标 系
Abstract : It is difficult t hat gate setting and target line2of2sight estimation are performed effectively by t he t raditional extended Kalman filter ( E KF) according to a target motion model , because t he optical detection base of st rap2down imaging seeker changes wit h missile atlit ude and it s target imaging motion model present s nonlinear and time varying characteristics. To solve t he mentioned above problem , t he f rame interval target motion model in t he field of view of t he seeker was established by taking t he tar2 get maneuvering projection in inertial imaging coordinate system and t he missile attit ude as t he input and t he time2varying parameters respectively. A novel image correlation t racking algorit hm was pro2 posed by t he cent ral difference Kalman filter (CD KF) used for gate setting and precise target position estimating , and t he improved template update st rategy used for overcoming t he influences of target size variety and template drifting on matching accuracy to improve t he systematic t racking accuracy. The simulated result s show t hat t he algorit hm has a good t racking performance. Key words : cont rol and navigation technology of aerocraft ; st rap2down imaging guidance ; correlation t racking ; cent ral difference Kalman filter ; template updating