СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТРАЕКТОРИЙ ДВИЖЕНИЯ ОБЪЕКТОВ В РАДИОМЕТРИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ ВИДЕНИЯ
METHOD FOR DETERMINING TRAJECTORIES OF MOVEMENT OF OBJECTS IN RADIOMETRIC VISION SYSTEM

Изобретение относится к пассивным радиометрическим системам наблюдения за движущимися малоразмерными объектами [1]. Радиометрическая система состоит из нескольких взаимно удаленных и последовательно расположенных на местности радиометров, работающих с перекрытием соседних зон обзора. Синхронно сканирующие антенны принимают радиосигналы электромагнитных полей излучения от нескольких объектов в миллиметровом диапазоне длин волн, по результатам сканирования формируются матрицы радиотеплового изображения РТИ зоны обзора. Объекты при своем движении пересекают перекрывающиеся зоны обзора радиометров.
Матрицы РТИ подвергаются операциям сегментации, результатом которых являются однородные по амплитуде подобласти. Каждая представлена вектором параметров, включающим координаты центра сегмента, среднюю амплитуду и его геометрические характеристики. Векторы, прошедшие идентификацию на принадлежность малоразмерным объектам, передаются в центр обработки информации для определения пространственных координат объектов и построения траекторий их движения по совокупности наблюдаемых векторов параметров в последовательности периодов сканирования.
Задача состоит в определении траекторий движения объектов, необходимых для их дальнейшего сопровождения.
Известны способы завязки траекторий движущихся объектов в последовательности периодов радиолокационного обзора [2-4]. Результатом периода обзора являются отметки (векторы), формируемые в элементах разрешения дальности в процессе первичной обработки информации, которые в последовательности периодов обзора классифицируются по принадлежности траекториям. По результатам классификации оцениваются параметры траекторий с учетом возможных пропусков отметок.
Рассмотрим в качестве прототипа способ завязки траекторий [2], который применительно к радиометрической системе наблюдения заключается в следующем.
1. Нескольких взаимно удаленных и последовательно расположенных в пространстве (на местности) радиометров, работают с перекрытием соседних зон обзора при синхронном сканировании антенн.
2. В каждом периоде сканирования формируются матрицы РТИ, которые подвергаются операциям сегментации с определением векторов параметров сегментов.
3. В первом периоде сканирования радиометров фиксируются все векторы, прошедшие идентификацию на принадлежность объектам. Они передаются в центр обработки информации и образуют начальные траектории.
4. Во втором и последующих периодах каждой полученной в предыдущем периоде траектории ставятся в соответствие вновь полученные векторы, попадающие в доверительную область, построенную относительно экстраполированных параметров каждой траектории. Экстраполяция осуществляется с учетом одинаковой длительности периодов сканирования.
5. Из всех векторов, попавших в доверительную область, выбирается один вектор, наиболее близкий к экстраполированным значениям параметров. Такой вектор включается в состав траектории и для него корректируются оценки параметров траектории.
6. Если в доверительной области не оказывается ни одного вектора, то для траектории фиксируется пропуск. Для такой траектории строится доверительная область на следующий цикл с учетом ошибки экстраполяции. При заданном числе пропусков подряд траектория сбрасывается с рассмотрения как ложная или делается заключение о выходе объекта из зоны видимости.
7. Векторы, не вошедшие в состав траекторий, рассматриваются как начальные векторы вновь образованных траекторий. Для них продолжается анализ в последующих периодах сканирования по схеме пп. 2-4.
8. При наличии определенного количества присоединенных к траектории векторов принимается решение о завязке траектории. Параметры такой траектории передаются на сопровождение.
Данный способ обладает следующими недостатками.
1. Время периода механического сканирования в радиометре занимает несколько минут. Поэтому векторы имеют различные моменты времени своего образования, что должно учитываться при экстраполяции и оценивании параметров траекторий.
2. Изображение в плоской матрице РТИ не дает информации о дальностях до объектов и их пространственных координатах, что не позволяет увеличить вероятность обнаружения всех объектов.
3. Привязка к траектории в текущем периоде сканирования одного вектора, наиболее близкого к экстраполированным параметрам траектории, не отвечает критерию оптимальности - выбора наилучших в определенном смысле траекторий по истечении определенного числа периодов обзора.
Предлагаемое техническое решение направлено на устранение этих недостатков в радиометрической системе, а именно на учет времени образования каждого вектора, измерение пространственных координат объектов и введение критерия оптимальности при выборе наилучших траекторий на этапе их формирования.
Технический результат предлагаемого технического решения достигается применением способа определения траекторий движения объектов в радиометрической системе видения, который заключается в пространственном расположении нескольких радиометров с перекрытием соседних зон обзора, формировании в каждом периоде сканирования антенн матриц РТИ, сегментации этих матриц и определении векторов параметров сегментов изображений объектов, привязке векторов к начальным траекториям в первом периоде сканирования, экстраполяции ранее образованных траекторий в последующих периодах сканирования, привязке к экстраполированным траекториям вновь полученных векторов и сбросе ложных траекторий, имеющих определенное количество пропусков подряд, отличающийся тем, что экстраполяцию и оценивание параметров траекторий осуществляют с учетом моментов времени образования векторов, для чего вводят дополнительный массив для запоминания моментов времени, кроме того для каждой пары радиометров с перекрывающимися зонами обзора измеряют дальности до объектов методом стереопары, а также устанавливают показатель правдоподобия, по которому проверяют принадлежность вновь образованных векторов экстраполированным траекториям, фиксируют пропуск и осуществляют отбор наилучших непересекающихся траекторий на последнем этапе их формирования, для чего вводят дополнительные массивы для запоминания показателей правдоподобия и присоединенных к траекториям векторов.
Алгоритмически способ осуществляется следующим образом.
1. В каждом n-м периоде сканирования антренн ( где N - заданное количество периодов) выполняются следующие операции.
kn
1.1. Осуществляется сегментация изображений, например [5], в матрицах РТИ каждого k-го радиометра (, где K - количество радиометров) и определяются векторы параметров i-x сегментов  где m - количество сегментов;  - координаты i-го орта вектора направления на центр объекта:
i
i
i
i
i
вычисляемого на основе известных угловых координат ϕ, θ (азимута и угла места) направления линии визирования при сканировании антенны и запоминаемых в элементах матрицы РТИ; u - амплитуда; s - площадь сегмента (возможны дополнительно другие характеристики); t - момент времени образования i-го вектора, привязанный к центру сегмента.
k,n
i
i
1.2. Для каждой пары k-го и (k+1)-го радиометров  с перекрывающимися зонами обзора путем перебора вариантов соединения векторов  выбирают m наилучших сопряженных пар  по определенному критерию сопряжения и определяют методом стереопары [6] оценки дальностей r(k, n) до центров объектов, а также их пространственные координаты - точки A(k, n):
в системе координат k-го радиометра, которые замещают координаты ортов  в составе векторов
1.3. Для вторичной классификации векторов  по принадлежности движущимся объектам (объекты могут менять взаимное положение во времени) эти векторы передаются в центр обработки информации.
2. В центре обработки информации выполняются следующие операции.
1
i
i
2.1. По окончании 1-го периода сканирования (n=1) вычисляются начальные значения показателей правдоподобия:  где М - количество векторов, образованных в 1-м периоде сканирования всех радиометров. Также на основе векторов параметров сегментов устанавливаются начальные оценки траекторных параметров - векторов состояния по каждой координате:  включающих саму координату и скорость ее изменения; начальные значения оценок амплитуды U(1), площади: S(1) и моментов времени образования векторов:  Запоминаются номера векторов, вошедших в состав начальных траекторий
Во втором и последующих n-х периодах сканирования  выполняются следующие операции.
j
2.2. Образованные по окончании n-го периода во всех радиометрах векторы  ставятся в соответствие i-м траекториям  полученным в предыдущем (n - 1)-м периоде, с учетом моментов времени t(n) их образования.
j
j(n)
2.3. Для каждого j-го вектора_V(n) вычисляется показатель правдоподобия j-го продолжения i-й траектории [включения в состав i-й траектории вектора V]:
n
n
- экстраполированные значения координат; D и G - дисперсии ошибок экстраполяции.
j
n
j
j
n
2.4. Показатели I сравниваются с порогом α, установленным как квантиль хи-квадрат распределения случайной величины I. Если I(j)≤α, то i-я траектория получает подтверждение для вектора Vj (n). Для нее устанавливаются и запоминаются оценки траекторных координат и параметров:
n
n
n
i
j
i
j
i
где Λ и λ - соответственно векторный и скалярный коэффициенты, вычисляемые, например, по методу калмановских фильтров, причем при вычислении Λ учитывается длина временного промежутка Δt. Также запоминаются: значение показателя I(n)=I; моменты времени T(n)=t(n); номер вектора, вошедшего в состав i-й траектории, L(n)=i.
i
n
2.5. Если i-я траектория не получает подтверждения в n-м периоде (I(j)>α), то фиксируется пропуск наблюдения и проверяется подтверждение траектории в следующем (n+1)-м периоде. При этом используется определенная логика сброса неподтвержденных траекторий [2].
j
n
2.6. Нумераций подтвержденных траекторий в каждом периоде осуществляется заново из-за возможного увеличения продолжений траектории. Векторы V(n), не вошедшие в состав подтвержденных траекторий, рассматриваются как начальные данные для вновь появляющихся объектов. Для них устанавливаются начальные оценки траекторных параметров в соответствии с п. 2.1 и осуществляется анализ на подтверждение в последующих периодах сканирования. По завершению n-го периода фиксируется число M траекторий.
N
i
3. После завершения операций п. 2 по окончании N-го периода из всех M траекторий выделяются m наилучших траекторий с наименьшими значениями показателей I(N), нормированных по числу присоединенных векторов, и не имеющих общих номеров векторов в массиве Число m представляет оценку числа обнаруженных объектов, траекторные параметры которых хранятся в соответствующих массивах и далее передаются на сопровождение.
Результаты моделирования
При моделировании одна пара радиометров осуществляла наблюдение за тремя объектами (m=3) при синхронном сканировании антенн. Перекрытие зон обзора по азимуту и углу места составляло 30°×30°. В матрицах РТИ формировались радиотепловых изображения объектов с разными температурами (амплитудами). Объекты двигались в последовательности N=10 периодов сканирования в соответствии с калмановскими моделями движения, траектории объектов пересекались. При классификации векторов учитывались координаты центра сегмента и амплитуда. Время одного цикла сканирования составляло 5 мин.
изм
ср
об
В табл. 1 в зависимости от среднеквадратического отклонения (СКО) ошибок измерения координат центра сегментов σ представлены: d - среднее значение удаления оценок центра объектов (по евклидову расстоянию в долях градуса), переданных на сопровождение, относительно моделируемых центров; Р - оценка вероятности обнаружения всех m объектов. Данные получены с применением двух алгоритмов. Алгоритм 1 соответствует представленному выше описанию и основан на привязке к экстраполированной траектории всех векторов, удовлетворяющих порогу критерия правдоподобия, что приводит к размножению траекторий. Алгоритм 2 основан на привязке одного вектора с наименьшим значением показателя правдоподобия. Из-за отсутствия разветвления быстродействие алгоритма 2 на порядок выше, чем алгоритма 1.
Дополнительно рассматривался случай, когда радиометры работали в двух частотных диапазонах при совместной (двухканальной) обработке измерений при наблюдении за теми же объектами. В табл. 2 показаны результаты, полученные для данного случая. Точность оценок алгоритма 1 при наличии двух каналов информации повышается на 25-30% по сравнению с одним каналом, а вероятность обнаружения всех объектов в алгоритме 2 повышается в среднем на 25% при близкой точности оценок с алгоритмом 1.
Предложенный способ может найти применение в существующих радиометрических системах наблюдения за движущимися объектами, что позволяет в пассивном режиме наблюдения обнаруживать и определять траектории движения нескольких объектов.
Литература
1. Пассивная радиолокация: методы обнаружения объектов / Под ред. Р.П. Быстрова и А.В. Соколова. М.: Радиотехника, 2008. 320 с.
2. Кузьмин С.З. Основы проектирования систем цифровой обработки радиолокационной информации. М: Радио и связь, 1986. 352 с.
3. Фарина А., Студер Ф. Цифровая обработка радиолокационной информации. Сопровождение целей: пер. с англ. / Под ред. А.Н. Юрьева, A.M. Бочкарева. М.: Радио и связь, 1993. 319 с.
4. Пассивная радиолокация: методы обнаружения объектов / Под ред. Р. 5. Бакулев П.А. Радиолокационные системы. Учеб. для вузов. М.: Радиотехника, 2007. 376 с.
5. Гонсалес Р., Вудс Р., Эддинс С. Цифровая обработка изображений в среде MATLAB. М.: Техносфера, 2006. 616 с.
6. Цифровая обработка изображений в информационных системах: учеб. пособие / И.С. Грузман, B.C. Киричук и др. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2002. 352 с.