專利名稱:用于獲取有關(guān)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的精確背景紅外特征的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及跟蹤運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的紅外特征的系統(tǒng)。
技術(shù)背景
術(shù)語(yǔ)“紅外特征”通常由國(guó)防科學(xué)家中軍事人員使用，描述物體對(duì)于紅外傳感 器的外觀。紅外特征取決于眾多因素，包括物體的形狀和尺寸、溫度和輻射率、與其對(duì) 比來(lái)觀察物體的背景、以及檢測(cè)傳感器的波段。例如，對(duì)比田野來(lái)觀察的卡車的紅外特 征將隨著天氣變化、一天中的時(shí)間變化以及發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載而顯著變化。
研究紅外特征有兩個(gè)主要目的一是理解特定威脅的可能紅外特征，以便可以 開(kāi)發(fā)設(shè)備來(lái)檢測(cè)這種威脅；二是減少己方資產(chǎn)對(duì)敵方威脅傳感器的紅外特征。實(shí)踐中， 這樣可能意味著為軍艦裝備檢測(cè)來(lái)襲反艦導(dǎo)彈尾煙流的傳感器，同時(shí)具有低于導(dǎo)彈制導(dǎo) 紅外傳感器的檢測(cè)閾值的紅外特征。
需要對(duì)軍用飛行器進(jìn)行紅外(IR)特征測(cè)量來(lái)評(píng)估對(duì)IR導(dǎo)彈的易損性，并估算降 低這種易損性的工作，但是，IR特征較低的現(xiàn)代軍用飛行器尤其是旋翼飛行器，是主要 的測(cè)量難點(diǎn)。IR特征測(cè)量結(jié)果通常噪聲非常多并且不可再現(xiàn)。
IR特征是反差量。需要兩個(gè)IR輻射測(cè)量值來(lái)確定飛行器的IR特征(1)飛行 器的:[R特征，通常稱為目標(biāo)測(cè)量值；和(2)飛行器周圍環(huán)境的:[R特征，通常稱為背景測(cè) 量值。通過(guò)在兩個(gè)測(cè)量值之間求差來(lái)計(jì)算IR特征。結(jié)果的不確定性取決于背景測(cè)量值 的精度以及目標(biāo)測(cè)量值的精度。重要的是讓兩個(gè)測(cè)量值都盡可能精確。
在通常IR特征測(cè)量中，跟蹤器，通常為馬達(dá)化的掃調(diào)-俯仰平臺(tái)，用于保持:[R 傳感器瞄準(zhǔn)飛行中的目標(biāo)飛行器。在獲取目標(biāo)數(shù)據(jù)之后，停止跟蹤器。在目標(biāo)飛行器飛 出傳感器視場(chǎng)之后，在最終場(chǎng)景中測(cè)量背景的IR特征。這種技術(shù)的主要問(wèn)題在于，背景 數(shù)據(jù)僅對(duì)于目標(biāo)測(cè)量的最終場(chǎng)景有效。但是，在目標(biāo)測(cè)量過(guò)程中，飛行器在移動(dòng)并且背 景場(chǎng)景在變化。
雖然在跟蹤運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的紅外特征領(lǐng)域已經(jīng)取得了巨大進(jìn)步，但是仍然存在明顯 的不足。


被認(rèn)為是本發(fā)明獨(dú)特之處的新穎特征在說(shuō)明書中論述。但是，本發(fā)明本身以及 優(yōu)選使用模式以及本發(fā)明進(jìn)一步的目標(biāo)和優(yōu)勢(shì)，在結(jié)合附圖閱讀時(shí)，通過(guò)參照以下詳細(xì) 描述，將得到最清楚的理解，附圖中
圖1是根據(jù)本申請(qǐng)，用于跟蹤運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的紅外特征的系統(tǒng)的優(yōu)選實(shí)施方式的透 視圖。
雖然本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)各種改型和替代形式，但是作為示例在附圖中示出了本發(fā) 明的具體實(shí)施方式
并在文中詳細(xì)描述。但是，應(yīng)該理解，文中具體實(shí)施方式
的描述目的 并不是將本發(fā)明限制到所公開(kāi)的特定形式，而是相反，本發(fā)明應(yīng)該覆蓋落入文中所述本發(fā)明精神和范圍內(nèi)的全部改型方案、等同方案和替代方案。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明的例述實(shí)施方式在以下描述。為了清楚，在本說(shuō)明書中并未描述實(shí)際實(shí) 施方案的全部特征。當(dāng)然應(yīng)該理解，在開(kāi)發(fā)任何所述實(shí)際方式時(shí)，必須針對(duì)具體實(shí)施方 案作出眾多決策以實(shí)現(xiàn)開(kāi)發(fā)者的具體目標(biāo)，諸如滿足與系統(tǒng)相關(guān)和與商業(yè)相關(guān)的約束， 而這些約束從一種方案到另一種方案會(huì)發(fā)生變化。此外，應(yīng)該理解，這種開(kāi)發(fā)工作可能 復(fù)雜且耗費(fèi)時(shí)間，但是仍然是從本公開(kāi)內(nèi)容受益的本領(lǐng)域技術(shù)人員所從事的常規(guī)工作。
參照附圖中的圖1，示出了根據(jù)本申請(qǐng)的跟蹤器系統(tǒng)10的優(yōu)選實(shí)施方式的透視 圖。跟蹤器系統(tǒng)10優(yōu)選包括掃調(diào)-俯仰(pan-and-tilt)跟蹤器平臺(tái)12和跟蹤器組件32。 跟蹤器平臺(tái)12允許跟蹤器組件32沿著路徑(未示出)跟蹤運(yùn)動(dòng)物體(未示出)。跟蹤器 平臺(tái)12經(jīng)由軸30樞轉(zhuǎn)耦接到接地基座(未示出)。促動(dòng)器系統(tǒng)11與接地基座可操作地 關(guān)聯(lián)，用于圍繞軸線26和28旋轉(zhuǎn)軸30、跟蹤器平臺(tái)12和跟蹤器組件32。促動(dòng)器系統(tǒng) 11可以包括一個(gè)或多個(gè)馬達(dá)14和用于根據(jù)選定的輸入精確且準(zhǔn)確地移動(dòng)跟蹤器平臺(tái)12的 其他部件。
跟蹤器組件32優(yōu)選包括各種紅外、視頻和激光傳感器，包括至少一個(gè)中波 Hl(MWIR)成像器16，至少一個(gè)長(zhǎng)波Hl(LWIR)成像器22 ；至少一個(gè)激光測(cè)距儀18 ；至 少一個(gè)視頻相機(jī)20;和至少一個(gè)分光計(jì)24。應(yīng)該理解，跟蹤器系統(tǒng)10與遠(yuǎn)程控制站可 操作地關(guān)聯(lián)，并可以連接到有線或無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)，用來(lái)接收和傳送數(shù)據(jù)。遠(yuǎn)程控制站優(yōu) 選是建筑物、拖車或類似結(jié)構(gòu)，但是，應(yīng)該理解遠(yuǎn)程控制站可以是便攜式計(jì)算設(shè)備，諸 如膝上計(jì)算機(jī)、個(gè)人數(shù)字助理、蜂窩電話或者任何其他適當(dāng)?shù)挠?jì)算設(shè)備。
在操作中，跟蹤器系統(tǒng)10記錄并重復(fù)其運(yùn)動(dòng)。這種特征允許跟蹤器系統(tǒng)10對(duì) 運(yùn)動(dòng)目標(biāo)諸如飛行器進(jìn)行測(cè)量，然后回掃飛行器的飛行路徑，以精確測(cè)量實(shí)際背景的IR 特征。通過(guò)沿著飛行器的路徑測(cè)量實(shí)際背景的IR特征，跟蹤器系統(tǒng)10能對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn) 行非常敏感和非常精確的IR特征計(jì)算和測(cè)量。
步驟1:目標(biāo)測(cè)量——對(duì)于目標(biāo)測(cè)量而言，運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，即飛行器經(jīng)由至少一個(gè)顯 示設(shè)備(未示出)被自動(dòng)或手動(dòng)跟蹤，所述顯示設(shè)備用于顯示來(lái)自至少一個(gè)視頻和/或紅 外相機(jī)諸如MWIR成像器16、LWIR成像器22和/或視頻相機(jī)20的現(xiàn)場(chǎng)視頻信號(hào)。這 是通過(guò)操作者在飛行器通過(guò)目標(biāo)區(qū)域移動(dòng)時(shí)將瞄準(zhǔn)器放置并保持在飛行器上來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 MWIR成像器16、LWIR成像器22和/或視頻相機(jī)200優(yōu)選安裝在跟蹤器組件32上，而 顯示設(shè)備優(yōu)選位于遠(yuǎn)程控制站中。從“開(kāi)始”位置到“結(jié)束”位置記錄跟蹤器組件32 的運(yùn)動(dòng)。在飛行器位于瞄準(zhǔn)器中的同時(shí)，操作者有選擇地觸發(fā)傳感器來(lái)記錄目標(biāo)數(shù)據(jù)， 包括IR輻射數(shù)據(jù)。由操作者發(fā)送的觸發(fā)信號(hào)在“啟動(dòng)”模式、“禁用”模式或其他模 式之間切換傳感器。隨著記錄目標(biāo)數(shù)據(jù)，產(chǎn)生記錄跟蹤器組件32的運(yùn)動(dòng)連同觸發(fā)信號(hào)狀 態(tài)即傳感器是處于“啟動(dòng)”模式、“禁用”模式或任何其他模式的時(shí)序記錄文件。在完 成通常持續(xù)幾秒鐘的目標(biāo)測(cè)量時(shí)，操作者指令傳感器停止記錄數(shù)據(jù)并關(guān)閉記錄文件。
步驟2 背景測(cè)量——在飛行器飛出傳感器視場(chǎng)并且已經(jīng)記錄了目標(biāo)測(cè)量值之 后，操作者指令跟蹤器組件32返回“開(kāi)始”位置，重復(fù)跟蹤器的運(yùn)動(dòng)，并根據(jù)先前產(chǎn)生 的記錄文件重新發(fā)送觸發(fā)信號(hào)。這種過(guò)程在文中稱為“數(shù)字跟蹤器回放”。這種數(shù)字跟蹤器回放是跟蹤器系統(tǒng)10記錄并重復(fù)其運(yùn)動(dòng)的能力。在數(shù)字跟蹤器回放過(guò)程中，在不 存在運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的情況下測(cè)量背景的IR輻射數(shù)據(jù)。然后通過(guò)比較運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的IR輻射數(shù)據(jù) 與不存在運(yùn)動(dòng)目標(biāo)情況下背景的IR輻射數(shù)據(jù)，可以計(jì)算和/或確定運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的精確IR特 征。
這種數(shù)字跟蹤器回放能力的結(jié)果是一組完整的隨時(shí)間變化的背景數(shù)據(jù)，包括IR 輻射，與步驟1中記錄的隨時(shí)間變化的目標(biāo)數(shù)據(jù)相對(duì)照。這種特征允許跟蹤器系統(tǒng)10測(cè) 量運(yùn)動(dòng)飛行器，然后回掃飛行路徑以便沿著飛行路徑測(cè)量背景。本申請(qǐng)系統(tǒng)的數(shù)字跟蹤 器回放能力允許操作者數(shù)字精確地記錄有關(guān)運(yùn)動(dòng)飛行器的真實(shí)背景IR數(shù)據(jù)。這種新發(fā)明 提高了 IR特征測(cè)量的精度，并且允許對(duì)飛行器熱特征的測(cè)量達(dá)到非常低的水平。此外， 本申請(qǐng)系統(tǒng)的數(shù)字跟蹤器回放能力支持具有甚至更低紅外特征的下一代飛行器的研發(fā)。
應(yīng)該理解，在一些實(shí)施方式中，可以并且希望跟蹤器系統(tǒng)10記錄背景IR數(shù)據(jù)同 時(shí)跟蹤器組件從“結(jié)束”位置到“開(kāi)始”位置反向回掃其運(yùn)動(dòng)。
顯然，已經(jīng)描述并例示清楚具有顯著優(yōu)勢(shì)的本發(fā)明，優(yōu)勢(shì)包括(1)實(shí)現(xiàn)精確 和準(zhǔn)確測(cè)量背景IR的能力；和(2)可以記錄器運(yùn)動(dòng)并借助數(shù)字跟蹤器回放來(lái)再現(xiàn)運(yùn)動(dòng)目 標(biāo)路徑的系統(tǒng)。
以上公開(kāi)的特定實(shí)施方式僅僅為例述性質(zhì)，因?yàn)楸景l(fā)明可以采用從本文教導(dǎo)受 益的本領(lǐng)域技術(shù)人員顯然明白的不同但等同的方式進(jìn)行改動(dòng)并實(shí)施。因此，顯然以上公 開(kāi)的特定實(shí)施方式可以替換或改動(dòng)，并且所有這些變形方案應(yīng)該認(rèn)為落入本申請(qǐng)的范圍 和精神內(nèi)。雖然本申請(qǐng)以數(shù)量有限的形式示出，但是本申請(qǐng)并不僅限于這些形式，而是 在不脫離本申請(qǐng)精神的前提下，容易進(jìn)行各種變化和改動(dòng)。
權(quán)利要求
1.一種測(cè)量運(yùn)動(dòng)目標(biāo)紅外特征的方法，包括 提供能移動(dòng)的掃調(diào)-俯仰跟蹤器平臺(tái)；將跟蹤器組件與掃調(diào)_俯仰跟蹤器平臺(tái)可操作地關(guān)聯(lián)，用于跟蹤所述運(yùn)動(dòng)目標(biāo)； 通過(guò)移動(dòng)所述掃調(diào)-俯仰跟蹤器平臺(tái)利用所述跟蹤器組件跟蹤所述運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的路徑；作為時(shí)間的函數(shù)記錄所述掃調(diào)_俯仰平臺(tái)在開(kāi)始位置和結(jié)束位置之間的運(yùn)動(dòng)； 將至少一個(gè)紅外傳感器與所述跟蹤器組件可操作地關(guān)聯(lián)，用于獲取紅外輻射數(shù)據(jù)； 在所述運(yùn)動(dòng)目標(biāo)移動(dòng)并限定所述路徑的同時(shí)，觸發(fā)至少一個(gè)紅外傳感器在期望的觸 發(fā)點(diǎn)從所述運(yùn)動(dòng)目標(biāo)測(cè)量紅外輻射數(shù)據(jù)； 作為時(shí)間的函數(shù)記錄觸發(fā)狀態(tài)； 將掃調(diào)_俯仰跟蹤器平臺(tái)重新定位到所述開(kāi)始位置； 回掃所述掃調(diào)_俯仰平臺(tái)在所述開(kāi)始位置和所述結(jié)束位置之間的運(yùn)動(dòng)； 在所述掃調(diào)-俯仰平臺(tái)沿著所述路徑移動(dòng)的同時(shí)，觸發(fā)至少一個(gè)紅外傳感器在所述 目標(biāo)跟蹤步驟中限定的所述觸發(fā)點(diǎn)從所述背景測(cè)量紅外輻射數(shù)據(jù)；通過(guò)比較來(lái)自所述運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的紅外輻射數(shù)據(jù)與來(lái)自所述背景的紅外輻射數(shù)據(jù)來(lái)確定 所述運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的所述紅外特征。
2.如權(quán)利要求
1所述的方法，進(jìn)一步包括提供遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，用于遠(yuǎn)程控制所述 跟蹤器組件的掃調(diào)和俯仰角度。
3.如權(quán)利要求
1所述的方法，其特征在于，將至少一個(gè)紅外傳感器與所述跟蹤器組件 可操作地關(guān)聯(lián)的步驟通過(guò)將至少一個(gè)中波紅外成像器與所述跟蹤器組件可操作地關(guān)聯(lián)來(lái) 實(shí)現(xiàn)。
4.如權(quán)利要求
1所述的方法，其特征在于，將至少一個(gè)紅外傳感器與所述跟蹤器組件 可操作地關(guān)聯(lián)的步驟通過(guò)將至少一個(gè)長(zhǎng)波紅外成像器與所述跟蹤器組件可操作地關(guān)聯(lián)來(lái) 實(shí)現(xiàn)。
5.如權(quán)利要求
1所述的方法，其特征在于，跟蹤所述運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的路徑的步驟通過(guò)采用 至少一個(gè)激光測(cè)距儀來(lái)實(shí)現(xiàn)。
6.如權(quán)利要求
1所述的方法，其特征在于，跟蹤所述運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的路徑的步驟通過(guò)采用 至少一個(gè)視頻相機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
7.如權(quán)利要求
1所述的方法，其特征在于，跟蹤所述運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的路徑的步驟通過(guò)采用 至少一個(gè)分光計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
8.如權(quán)利要求
2所述的方法，其特征在于，跟蹤所述運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的路徑的步驟通過(guò)采用 所述遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
9.一種用于測(cè)量運(yùn)動(dòng)目標(biāo)紅外特征的裝置，包括 能移動(dòng)的掃調(diào)-俯仰跟蹤器平臺(tái)；跟蹤器組件，所述跟蹤器組件與所述掃調(diào)-俯仰跟蹤器平臺(tái)可操作地關(guān)聯(lián)，用于跟 蹤所述運(yùn)動(dòng)目標(biāo)；促動(dòng)器系統(tǒng)，所述促動(dòng)器系統(tǒng)用于移動(dòng)所述掃調(diào)-俯仰跟蹤器組件，從而利用所述 跟蹤器組件跟蹤所述運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的路徑；控制系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)用于記錄所述掃調(diào)-俯仰平臺(tái)在開(kāi)始位置和結(jié)束位置之間的運(yùn)動(dòng)；至少一個(gè)紅外傳感器，所述紅外傳感器與所述跟蹤器組件可操作地關(guān)聯(lián)，用于 首先獲取目標(biāo)紅外輻射數(shù)據(jù)然后獲取背景紅外輻射數(shù)據(jù)；和通過(guò)比較所述目標(biāo)紅外輻射數(shù)據(jù)與所述背景紅外輻射數(shù)據(jù)來(lái)確定所述運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的紅 外特征的部件。
10.如權(quán)利要求
9所述的裝置，其特征在于，所述至少一個(gè)紅外傳感器是中波紅外成像器。
11.如權(quán)利要求
9所述的裝置，其特征在于，所述至少一個(gè)紅外傳感器是長(zhǎng)波紅外成像器。
12.如權(quán)利要求
9所述的裝置，進(jìn)一步包括至少一個(gè)激光測(cè)距儀。
13.如權(quán)利要求
9所述的裝置，進(jìn)一步包括至少一個(gè)視頻相機(jī)。
14.如權(quán)利要求
9所述的裝置，進(jìn)一步包括至少一個(gè)分光計(jì)。
15.如權(quán)利要求
9所述的裝置，其特征在于，所述控制系統(tǒng)相對(duì)于所述跟蹤器平臺(tái)位 于遠(yuǎn)程。
專利摘要
一種用于測(cè)量運(yùn)動(dòng)目標(biāo)紅外特征的方法，包括利用跟蹤器系統(tǒng)沿著從開(kāi)始位置到結(jié)束位置的路徑跟蹤所述運(yùn)動(dòng)目標(biāo)；沿著所述路徑測(cè)量所述運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的紅外輻射數(shù)據(jù)；將所述跟蹤器系統(tǒng)重新定位到所述開(kāi)始位置；回掃所述路徑以測(cè)量背景的紅外輻射數(shù)據(jù)；和通過(guò)比較所述運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的紅外輻射數(shù)據(jù)與不存在所述運(yùn)動(dòng)目標(biāo)時(shí)所述背景的紅外輻射數(shù)據(jù)來(lái)確定所述運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的紅外特征。
文檔編號(hào)F41G7/00GKCN102016488SQ200980115025
公開(kāi)日2011年4月13日 申請(qǐng)日期2009年2月2日
發(fā)明者戴維·R·施里克特, 理查德·A·謝潑德, 羅伯特·A·謝潑德, 肯達(dá)爾·E·古德曼 申請(qǐng)人:貝爾直升機(jī)泰克斯特龍公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan