一種大氣折射修正狀態(tài)下目標(biāo)重建方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于圖像處理技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種大氣折射修正狀態(tài)下目標(biāo)重 建方法，可用于衛(wèi)星導(dǎo)彈的預(yù)警，提高預(yù)警防御的準(zhǔn)確性。
【背景技術(shù)】
[0002] 高技術(shù)條件下的未來戰(zhàn)爭，突發(fā)性強，時間概念高度濃縮，對導(dǎo)彈的預(yù)警顯得格外 重要，需要能夠在第一時間得到導(dǎo)彈彈道、方向、速度、發(fā)射點與彈著點及導(dǎo)彈數(shù)量等重要 信息，以便于防御和反導(dǎo)。衛(wèi)星導(dǎo)彈預(yù)警是國家預(yù)警系統(tǒng)中關(guān)鍵的一部分，具有極其重要的 地位與作用。信息處理是衛(wèi)星導(dǎo)彈預(yù)警系統(tǒng)的核心，主要包括預(yù)警衛(wèi)星紅外成像、弱小目標(biāo) 的檢測與識別、軌跡重建研究等。導(dǎo)彈的軌跡重建是導(dǎo)彈衛(wèi)星預(yù)警中的關(guān)鍵技術(shù)，根據(jù)導(dǎo)彈 目標(biāo)在像面成像位置，相機參數(shù)等信息重建出導(dǎo)彈的軌跡，以便導(dǎo)彈的攔截預(yù)警?，F(xiàn)有的軌 跡重建技術(shù)都是在不考慮大氣折射的影響的情況下，按照光直線傳播原理，根據(jù)目標(biāo)像面 位置，按照直線進行的軌跡重建。但在實際的光線傳輸過程中，由于大氣折射的影響，光線 的傳輸路徑會發(fā)生偏折，光的傳輸路徑并不是直線。所以現(xiàn)有的目標(biāo)重建技術(shù)得到的目標(biāo) 軌跡與目標(biāo)實際的軌跡之間存在著誤差，不能較為準(zhǔn)確地定位目標(biāo)的位置。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 針對現(xiàn)有的目標(biāo)重建技術(shù)的缺陷和改進需求，本發(fā)明提供一種大氣折射修正狀態(tài) 下目標(biāo)重建技術(shù)，與現(xiàn)有的按照光直線傳播原理進行的目標(biāo)重建技術(shù)相比，本發(fā)明考慮了 大氣折射影響，定位的目標(biāo)位置更接近于目標(biāo)實際位置，滿足同步衛(wèi)星導(dǎo)彈預(yù)警的要求，定 位精度準(zhǔn)確、可靠性高。
[0004] 本發(fā)明所提供的一種大氣折射修正狀態(tài)下目標(biāo)重建方法，包括確定目標(biāo)和地心的 直線方程，根據(jù)相機C 1確定目標(biāo)實際位置P /，根據(jù)相機C2確定目標(biāo)實際位置P 2'，確定目標(biāo) 實際位置P'步驟，本發(fā)明包括如下步驟：
[0005] Sl、根據(jù)兩相機位置、由兩相機發(fā)出的初始光線方向確定過目標(biāo)和地心的直線方 程，包括以下子步驟：
[0006] SL 1、已知相機C1的經(jīng)度Lon丨、煒度Lat1、地心高度H1，相機C 2的經(jīng)度Lon 2、煒度 Lat2、地心高度H2，將兩相機(；、(：2的經(jīng)煒度、高度坐標(biāo)分別轉(zhuǎn)換為地心坐標(biāo)系下的坐標(biāo)(^ = (X1, Y1, Z1) '，C2= (X 2, Y2, Z2) '；具體轉(zhuǎn)換公式如下：
[0007] Xi= Hi · cos (Lati · Ji /180) · cos (Loni · Ji /180)
[0008] Yi= H ; · cos (Lati · π/180) · sin (Loni · π/180)
[0009] Zi= H ； · sin (Lati · η /180). . . i = I, 2
[0010] SI. 2、根據(jù)目標(biāo)在相機C1成像的像面位置P i= (u i，V1) '，相機光軸指向
相機在地心坐標(biāo)系下的坐標(biāo)C1= (XuY11Z1V及相機內(nèi)部參數(shù)，求 得由相Wc1發(fā)出并最終到達(dá)目標(biāo)的光線在地心坐標(biāo)系下的初始方向向量F1。具體包括以 下步驟：
[0011] SI. 2. 1、對相機C1，根據(jù)C1在地心坐標(biāo)系下的坐標(biāo)(^= (X11Y1J1V，相機光軸的指
，求得相機坐標(biāo)系到地心坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣Mci。
[0012] SI. 2. 2、根據(jù)目標(biāo)在相機C1成像的像面位置p i= (u V1V，相機C1內(nèi)部參數(shù)：相 機所成圖像的行數(shù)row、列數(shù)col，相機的像源瞬時視場角λ。計算由相機C 1發(fā)出并最終到 達(dá)目標(biāo)的光線在相機坐標(biāo)系下的初始方向向量Pn。
[0013] SI. 2. 3、由相機坐標(biāo)系到地心坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣Ma，由相機C1發(fā)出并最終到達(dá)目 標(biāo)的光線在相機坐標(biāo)系下的初始方向向量P a，求得由相機C1發(fā)出并最終到達(dá)目標(biāo)的光線 在地心坐標(biāo)系下的初始方向向量P1，即
[0014] SI. 3、同步驟SI. 2的方法，根據(jù)目標(biāo)在相機C2成像的像面位置p 2= (u 2, V2) '，相 機光軸指向
，相機在地心坐標(biāo)系下的坐標(biāo)(：2= (X2, Y2, Z2) '及相機 內(nèi)部參數(shù)，求得由相機C2發(fā)出并最終到達(dá)目標(biāo)的光線初始方向在地心坐標(biāo)系下的向量h。
[0015] SI. 4、因為大氣在水平方向視為均勻分布，大氣折射只發(fā)生在垂直方向上，所以， 由初始方向向量€、地心到相機C1的向量所組成的平面，即為相機C 1和目標(biāo)實際位 置P'所在的過地心的平面。根據(jù)方向向量P1、相機C1坐標(biāo)C i= (X Y1, Z1V、地心0坐 標(biāo)0 =(0,0,0)'，求得相機(；、目標(biāo)實際位置P'以及地心所組成的平面0C，的法向量
[0016] SI. 5、同步驟SI. 4的方法，根據(jù)相機C2、方向向量、地心〇的坐標(biāo)，求得相機c2， 目標(biāo)實際位置P'以及地心所組成的平面〇C2P'的法向量
,
[0017] SI.6、由成像原理可知，目標(biāo)實際位置P'既在平面0C，上，又在平面0C2P' 上，因此目標(biāo)位于兩平面的交線上。根據(jù)兩平面求得交線0P'的直線方程，該方程即 為目標(biāo)和地心的直線方程，交線0P'的方向向量.可由兩平面法向量的叉積求得，即
[0018] S2、根據(jù)相機(；、過目標(biāo)和地心的直線方程，確定目標(biāo)實際位置P1 '；，包括以下子 步驟：
[0019] S2. 1、對于相機C1所在的平面OC，，由直線0P'方程、相機C1W及地心0,求得目 標(biāo)實際位置P'與相機C1間的地心夾角Θ i，
。將地心夾角S1分為 Mim1 (100彡Mim1S 300)個相等的小夾角，對應(yīng)的目標(biāo)和相機間的大氣被劃分為num^，每 層地心夾角大小為d0，d0 = Q1Aium1。因為每層地心夾角很小，這使得每層大氣的厚度 很薄，所以可以取每層入射點位置對應(yīng)的大氣折射率作為該層大氣的折射率。
[0020] S2.2、求地心坐標(biāo)系與平面坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換矩陣。具體包括如下步驟：由 相機C1在地心坐標(biāo)系下坐標(biāo)C i= (X u Y1, Z1V，交線0P'的方向向量Jq^叉積求得相 機、目標(biāo)、地心所組成的平面坐標(biāo)系Yp軸的方向向量，即
Xp軸的方向向量由Yp軸的方向向量與地心坐標(biāo)系下的Z軸的方向向量的叉積得到，即
根據(jù)右手螺旋定則，由Xp軸的方向向 量與Yp軸方向向量的叉積可求得Zp軸的方向向量，
，從而求 得的地心坐標(biāo)系到平面坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣M_th plan:
[0022] 平面坐標(biāo)系到地心坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣Mplan _th為：
[0024] S2. 3、根據(jù)地心坐標(biāo)系到平面坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣凡3_ plan，將相機(；在地心坐標(biāo)系 下的坐標(biāo)(^= (XuY11Z1V轉(zhuǎn)換為平面坐標(biāo)系下的坐標(biāo) Cplanl (X plan ⑴ J Yplan ⑴ J Zplan ⑴)' 轉(zhuǎn)換公式，
因為平面0C，中任意點坐標(biāo)的Yp軸坐標(biāo)始終為 0,為了方便計算，在平面坐標(biāo)系中，將平面0C，內(nèi)點的坐標(biāo)視為二維平面坐標(biāo)的形式，即
[0025] S2. 4、根據(jù)地心坐標(biāo)系到平面坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣M_th plan，將地心坐標(biāo)系下光線初 始方向向量g轉(zhuǎn)換為平面坐標(biāo)系中的向S
[0026] S2. 5、在平面0C，中，以相機(^所在的位置為光線由第0層大氣射向第1層大氣 時，在第1層的入射點位置。根據(jù)光線的初始方向向量匕^.，相機坐標(biāo)Cplanl，計算光線由第 〇層大氣射向第1層大氣時，第1層出射光線的方向向量，以及第2層入射光線的入射點位 置。具體包括以下步驟：
[0027] S2. 5. 1、相機C1所在位置為光線由第0層射向第1層時的入射點位置T 1;光線初 始方向向量，即為光線由第〇層大氣射向第1層大氣時，第1層的入射光線方向向量
>根據(jù)相機C1的經(jīng)煒度坐標(biāo)將相機C i對應(yīng)的地面位置的海 拔高度、地面溫度、地面壓強、地面相對濕度、季節(jié)、以及C1處地心高度H i參數(shù)，代入大氣折 射率Hopfiled模型，計算C1處的大氣折射率N i，根據(jù)大氣折射指數(shù)公式n = NX 10 6+1，計 算第1層大氣折射指數(shù)Ill。考慮實際情況，第0層大氣折射指數(shù)η。和第1層大氣折射指數(shù) H1取相同值，n C= n i。光線由第0層大氣射向第1層大氣時不發(fā)生折射，第1層的出射光 線方向向量等于第1層的入射光線方向向量巧，所以求得第1層出射光線方向的單位向量
[0028] S2. 5. 2、由第1層的入射光線方向向量$和入射點位置T1處的法線向量
，計算第1層入射光線的入射角a i，第1層 出射光線的出射角P1等于入射角α 1<3
[0029] S2. 5. 3、在由地心0、第1層的入射點位置T1、第2層的入射點位置T2組成的三角 形〇TJ#，由正弦定理，計算光線在第1層中的路徑長度L i，具體公式為：
[0031] S2. 5. 4、進而求得第1層出射光線方向向量洱= 該向量即為第2層 入射光線方向向量A。根據(jù)向量間的關(guān)系T2 -7； ，求得第2層入射點位置T2，
[0032] S2. 6、當(dāng)光由第i(i = 1，2, 3, · · ·，Iium1-I)層大氣射向第i+1層大氣時，計算第i+1 層出射光