一種海面目標自動檢測裝置及目標檢測方法與流程

本發明涉及一種海面目標自動檢測裝置及目標檢測方法，其屬于艦船航海的應用領域。

背景技術：

目前，艦艇上實施目標方位測量的方法是通過方位儀和方位分羅經組合使用來實現的。方位儀是艦艇上電羅經配備的必要組件，與安裝在艦橋外部左右兩側以及視野開闊的方位分羅經組合使用，用來觀測目標方位。使用時將方位儀底部的短軸插入分羅經玻璃蓋的軸孔中之后，方位儀即可自由地繞羅經度盤的中心轉動。當目鏡物鏡構成的瞄向線對準目標時，方位讀數即可在目鏡中讀出，舷角讀數由目鏡下方的指標從舷角刻度圈讀取。

目前艦艇上普遍配備的是HGF―239型光學方位儀，如附圖1所示。該光學方位儀固定安裝于艦艏固萬向支架上，包括：目鏡焦距調節器，用以調節目標的清晰度；方位刻度放大鏡調節器，用以使讀數清晰；濾光鏡調節（轉換）器，用以選用顏色合適的濾光鏡，使光線強烈的目標輪廓清楚又不刺眼睛；反射鏡，用以觀測高仰角的目標；水平泡，測方位時借以保持方位儀水平；概略瞄向器，用以先概略瞄向目標再用望遠鏡準確觀測。使用時，使用人員站在甲板上通過肉眼觀測目鏡，調整光學方位儀對準觀測目標，通過方位刻度放大鏡讀取刻度盤上的方位讀數確定目標方位。

還有一種使用中的數字方位儀(HSF-001),該方位儀瞄準目標時的觀測結果不是讀取刻度盤讀數，而是直接讀取顯示屏方位數字量，在瞄準目標的瞬間還可鎖定目標方位顯示值。目標舷角的生成：定圈與艦艇艏艉線固連，零位方向與艦艇艏艉線平行，動圈與望遠鏡固連，這樣望遠鏡轉向目標時，將帶動舷角發生器轉動，形成舷角α并顯示。HSF-001數字方位儀與HGF-239光學方位儀的主要區別在于，還包括了舷角發生器、計算模塊及顯示屏，測量目標方位時，在望遠鏡物鏡轉動時帶動舷角發生器，產生精度為0.05°的數字舷角信號給計算模塊，計算模塊將輸入的航向信號與舷角信號相加得到目標方位信號，方位角以數字量在顯示屏顯示，以供觀測者隨時讀出目標方位角。

傳統的方位儀在實際使用中具有以下三個局限性：一是需要人工在甲板上進行操作，對使用者的觀測水平要求較高，在艦艇搖擺的情況下對正被測目標難度較大，特別是在大雨、寒冷等惡劣條件下，人員難以在艙外對目標方位進行有效測量；二是對測量準確性無法確定，由于目標方位是在光學方位儀和目標重合的瞬間讀取的數值，正確與否無法考證；三是不能滿足海軍裝備現代化的要求，“全封閉艦艇”、“隱形艦艇”是我海軍艦艇的發展方向，這就意味著要盡量減少艙面裝備及艙面的人員活動。

技術實現要素：

針對傳統光學方位儀存在的在艦艇搖擺的情況下操作困難，難以穩定方位儀、難以對正被測目標、難以進行有效測量等問題，本發明提供了一種海面目標自動檢測裝置，把舷外360度視景信息傳送到艙內“信息處理機”，并采取數字圖像處理技術，從而實現艙外的全景監視的技術方案。不僅能夠實現被觀測方位目標的實時解算，而且能夠彌補航行時雷達的近距離盲區，使駕駛人員清晰查看近距離小目標，為電子化測量艦艇運動要素提供物質基礎，并且解決了現代全封閉艦艇的目標方位測定問題，具有自主化、智能化的特點。

該方案包括：視頻采集單元、設備控制單元、信息解算單元；其中視頻采集單元由高清攝像機、云臺、視頻采集卡組成，高清攝像機架設在高精度云臺上，實現高清攝像機的360度旋轉，視頻采集卡一端與高清攝像機相連另一端與信息解算單元相連，實時地將高清攝像機采集的視頻圖像進行解碼，將觀測目標信號送給信息解算單元；設備控制單元由云臺控制模塊和轉角解算模塊組成，與云臺和信息解算單元相連接，一方面接收信息解算單元來的旋轉指令，控制云臺的旋轉，另一方面則將云臺旋轉的角度實現數字化，并傳輸給信息解算單元；信息解算單元包括航向解算模塊、視頻顯示模塊、嵌入式系統、鍵盤輸入模塊、數字顯示模塊和電源模塊，與視頻采集卡、設備控制單元相連接，同時還與艦船電羅經相連，根據從所述視頻采集單元接收的觀測目標信號和從所述設備控制單元接收的云臺轉角信號，結合從艦船電羅經接收的航向信號，解算出被觀測目標的方位信號，并送給顯示器顯示。

所述的海面目標自動檢測裝置的使用方法：高清攝像機實現對艦艇舷外觀測目標的搜索，一旦鎖定觀測目標，則云臺轉過的角度就是目標的舷角；將舷角數字化之后送給電子方位儀的方位解算中心；艦船上的電羅經實時給出當前的航向信息，其中一路航向信息經過數字化之后送給電子方位儀的方位解算中心；電子解算中心根據目標舷角信息和當前航向信息，依據則真航向、真方位和舷角之間的關系就能夠實時的計算出觀測目標的實時方位信息。

采用上述技術方案的指導思想是：充分利用光電成像技術和步進電機角位移測量技術，將海上目標影響信息顯示在駕駛室屏幕上，實現目標方位的實時解算，并通過攝像頭的焦距變化，清晰顯示能見度范圍以內的小目標影響，為駕駛員提供準確可查的目標信息。

針對艦艇平臺在海面上不斷搖擺，造成攝像頭拍攝時難以穩定瞄準目標的問題，本發明還進一步對上述方案進行了改善，即所述信息解算單元還包括船舶姿態監測模塊和視窗鏡像穩定模塊，船舶姿態監測模塊實時檢測船舶的橫搖角和縱搖角發送給視窗鏡像穩定模塊，視窗鏡像穩定模塊根據電壓轉換模型，將橫搖角和縱搖角信號分別轉換為兩路電壓信號，并將這兩路電壓信號發送給云臺的控制單元，使攝像頭進行船舶橫搖角和縱搖角的反向轉動，從而達到攝像頭視窗鏡像的穩定。

本發明的有益效果是：通過綜合運用數字圖像處理技術、數字視頻處理技術、航向模擬信號數字化技術和步進電機角位移測量技術研發的“電子方位儀”，有效解決了傳統光學方位儀存在的對使用者的觀測水平要求較高、測量準確性無法確定、不能滿足海軍裝備現代化的要求等固有問題，不僅能夠實現目標方位的高精度測量，而且能夠有效彌補航行時雷達的近距離盲區，實現艙外的全景監視較好地提高了裝備使用性能。通過對“電子方位儀”的實際使用，該設備能夠在不同海況條件下和天氣條件下，都能夠穩定、準確的測量出被觀測目標的方位信息，測量范圍在能見度良好的情況下可以達到5海里以上，目標的實時測量精度可以達到1/6度。

附圖說明

圖1 目前艦艇上普遍配備的HGF―239型光學方位儀；

圖2 海面目標自動檢測裝置的組成示意圖；

圖3 海面目標自動檢測裝置各部分連接關系示意圖。

具體實施方式

以下結合附圖和實施例對本發明創新的技術方案作進一步描述。

實施例1：

一種海面目標自動檢測裝置，包括視頻采集單元、設備控制單元、信息解算單元；其中視頻采集單元由高清攝像機、云臺、視頻采集卡組成，高清攝像機架設在高精度云臺上，實現高清攝像機的360度旋轉，視頻采集卡一端與高清攝像機相連另一端與信息解算單元相連，實時地將高清攝像機采集的視頻圖像進行解碼，將觀測目標信號送給信息解算單元；設備控制單元由云臺控制模塊和轉角解算模塊組成，與云臺和信息解算單元相連接，一方面接收信息解算單元來的旋轉指令，控制云臺的旋轉，另一方面則將云臺旋轉的角度實現數字化，并傳輸給信息解算單元；信息解算單元包括航向解算模塊、視頻顯示模塊、嵌入式系統、鍵盤輸入模塊、數字顯示模塊和電源模塊，與視頻采集卡、設備控制單元相連接，同時還與艦船電羅經相連，根據從所述視頻采集單元接收的觀測目標信號和從所述設備控制單元接收的云臺轉角信號，結合從艦船電羅經接收的航向信號，解算出被觀測目標的方位信號，并送給顯示器顯示，其特征在于，所述信息解算單元還包括船舶姿態監測模塊和視窗鏡像穩定模塊，船舶姿態監測模塊實時檢測船舶的橫搖角和縱搖角發送給視窗鏡像穩定模塊，視窗鏡像穩定模塊根據電壓轉換模型，將橫搖角和縱搖角信號分別轉換為兩路電壓信號，并將這兩路電壓信號發送給云臺的控制單元，使攝像頭進行船舶橫搖角和縱搖角的反向轉動，從而達到攝像頭視窗鏡像的穩定。

安裝時，云臺中心軸線要與艦船中心線平行，安裝在艦橋上方的甲板上視野開闊的地方。設備控制單元和信息解算單元安裝在駕駛室內部便于安裝的地方。按要求連接電纜后，就可以正常使用。

使用時操作人員通過設備控制單元的鍵盤輸入模塊調整攝像機的焦距和云臺的方位、俯仰角，將被觀測目標清晰地顯示在信息處理中心的液晶屏幕上，此時信息解算單元可以實時解算出目標方位，同時顯示當前的日期、時間、經度、緯度、艦船航向、航速等信息。

為了更好的瞄準目標，可以在視頻顯示模塊的液晶顯示屏上設置一個以其中心為交叉點的“十”字形瞄準線，用于控制攝像頭瞄準目標。

實施例2：

在實施例1的基礎上，在所述信息解算單元中增加目標自動檢測模塊，對接收的視頻信號進行自動檢測，自動識別目標，并將目標進行高亮顯示。

自動監測模塊實現目標自動檢測的方法包括以下步驟：

（1）首先利用海天線檢測算法，實現海天劃分。海天線為連續的近似直線，準確地檢測出海天線，可以濾除天空部分，例如云彩等對后續工作的影響，從而降低后續算法的難度，另一方面也可以提升系統的處理速度。目前，可以利用Hough變換等成熟算法為基礎，達到海天線檢測的目的。

（2）利用背景建模技術，建立海面背景模型。海面背景具有其特殊性，一般情況下，遠處目標的亮度與背景的亮度近似。一方面，海面圖像中像素亮度動態變化范圍非常大，給背景建模技術帶來重大挑戰。另一方面，海上環境情況具有其特殊性，即背景模式的可估計性比較好，目前有混合高斯模型、CODE BOOK、VIBE等用于動態背景建模的成熟技術，結合海面環境，研究這些模型可以有效地描述動態變化的海面環境。

（3）基于背景模型的海上目標檢測。利用背景模型，可以有效地檢測出非背景運動信息，但通常情況下，目標前景像素比較分散，并包含大量的散點噪聲，為后續目標跟蹤的穩定性和速度帶來困難。通常情況下，通過背景模型檢測得到的目標前景像素值比較集中，且附近像素點的前景概率值也較高，而噪聲像素通常比較稀疏，因此可以利用隨機場建模等信息分析技術有效地增強目標信息，抑制背景信息，從而達到有效檢測出目標的目的。

（4）最后進行目標驗證，完成目標鎖定。

實施例3：

由于目標檢測裝置有時需要人工搜索，有時需要無人值守情況下工作，為了滿足不同工作狀態的需要，可以在海面目標自動檢測裝置上設置手動和自動兩個檔位，裝置處于手動檔位時，由控制者根據需要對攝像頭的方位、俯仰、焦距進行手動精確控制，人工進行對目標的識別；裝置處于自動檔位時，攝像頭自動在艦船航向（-90°~+90°）180°范圍內巡回搜索，由目標自動檢測模塊進行目標自動識別，發現小目標時自動鎖定，并通過聲光報警提示使用者。