基于光学相控阵的运动目标捕获与跟踪研究

论文摘要

激光雷达在保障空间安全中扮演重要角色,主要用于对空间运动目标的搜索、捕获与跟踪。光学相控阵作为一种激光束控制装置,能够实时、无惯性、高精度地控制多束激光束,故使用光学相控阵的激光雷达与常规激光雷达相比,能够以更灵活的方式、更高效率、更高精度地跟踪运动目标,本文研究基于光学相控阵的运动目标捕获与跟踪方法。光学相控阵的优势之一是可以灵活、敏捷地改变光束的形状和能量分布,并与图像实时采集系统组成主动照明闭环跟踪系统。系统通过光学相控阵发射的激光网搜索目标,一旦发现运动目标,光学相控阵即自适应改变光束形状,将光能量集中于目标,在该系统内,运动目标捕获与跟踪软件系统首先要快速从激光网图像中发现并分离出目标,其次要能预测目标运动轨迹,向光学相控阵给出控制光束方位的指令,使激光束精确跟踪目标,实现对运动目标的主动照明快速、稳定跟踪。本文的主要研究内容如下:(1)研究在激光网照明条件下研究捕获运动目标的理论方法。理论上,运动目标的捕获方法由运动目标检测、图像阈值分割和图像滤波三部分构成。在运动目标图像灰度特性的基础上,分别研究了运动目标检测、图像阈值分割和图像滤波的不同方法,然后就其所组成的多种捕获方法进行了仿真对比,通过对比结果确定快速、稳定的捕获方法。该捕获方法首先采用背景差分法检测到运动目标,然后对运动目标图像进行中值滤波以减弱噪声影响,接着采用最大类间方差法分割图像,最后进行形态学滤波消除目标内的孔洞。(2)在捕获到运动目标的基础上研究跟踪运动目标的方法。运动目标的跟踪方法由运动目标图像跟踪和运动目标空间位置变换两部分构成。其中,运动目标图像跟踪采用波门形心跟踪法,该方法不但可计算当前帧图像目标的形心位置,还可预测下一帧图像目标的形心位置。通过运动目标空间位置变换将图像目标的形心位置变换为目标的实际空间位置,以控制激光网指向,从而主动照亮运动目标,以达到跟踪目标的目的。(3)通过跟踪实验验证运动目标捕获与跟踪方法的可行性。设计并实现了基于光学相控阵的运动目标捕获与跟踪实验平台,完成了软件编写工作,最终实现了基于光学相控阵运动目标的捕获与跟踪实验。实验结果表明上述捕获与跟踪方法在主动照明条件下,可快速、稳定地跟踪运动目标。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 本文的工作和内容安排
• 第2章 运动目标捕获
• 2.1 引言
• 2.2 运动目标搜索
• 2.2.1 光学相控阵原理
• 2.2.2 激光网产生技术
• 2.2.3 目标图像灰度分析
• 2.3 运动目标检测算法
• 2.3.1 背景差分法
• 2.3.2 帧间差分法
• 2.3.3 实验效果与分析
• 2.4 阈值分割
• 2.4.1 基本全局阈值
• 2.4.2 基本自适应阈值
• 2.4.3 最大类间方差法
• 2.5 图像滤波
• 2.5.1 形态学滤波
• 2.5.2 邻域滤波
• 2.6 本章小结
• 第3章 运动目标跟踪
• 3.1 引言
• 3.2 运动目标图像跟踪
• 3.2.1 金子塔迭代Lucas Kanade 光流法
• 3.2.2 模板相关匹配法
• 3.2.3 波门形心跟踪法
• 3.3 运动目标空间位置变换
• 3.3.1 摄像机成像模型
• 3.3.2 三个坐标系
• 3.3.3 坐标系变换
• 3.4 本章小结
• 第4章 系统实现及跟踪实验
• 4.1 引言
• 4.2 系统平台构成
• 4.2.1 发射系统
• 4.2.2 接收系统
• 4.2.3 运动目标捕获与跟踪软件系统
• 4.2.4 模拟目标运动台
• 4.3 跟踪实验
• 4.3.1 跟踪系统模型
• 4.3.2 实验结果
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢