一种机场跑道异物探测图像采集和视频引导方法与流程

本发明属于机场跑道外来物探测，尤其涉及一种机场跑道异物探测图像采集和视频引导方法。

背景技术：

1、机场跑道异物是当前飞行器所面临的主要安全威胁之一。随着全球民航行业的复苏与快速发展，fod(外来物，foreign object debris)对飞行器构成严重的安全威胁，每年都会导致机场和航空公司的高昂的经济损失，同时也严重威胁飞行安全和人员安全。因此国际民航组织制定了机场fod检测系统的国际标准，也确定了适用于机场实际操作的标准。目前世界上一些大型机场引入了fod检测系统。

2、塔架式光电相机的探测距离相对较远，一般有效探测半径在500m左右，通过光电相机对跑道进行快速全覆盖图像采集，由fod探测系统对采集到的图像进行fod检测，以及使用视频引导对fod进行二次确认，但目前的边灯式探测设备往往探测范围较小，需要大量设备冗余，而塔架式探测设备中，采用雷达探测方式的价格昂贵，而纯光电探测方式价格低且在国内外应用较少，要达到小目标图像检测要求有较多技术难点。

技术实现思路

1、发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种机场跑道异物探测图像采集和视频引导方法。

2、为了解决上述技术问题，本发明公开了一种机场跑道异物探测图像采集和视频引导方法，包括如下步骤：

3、步骤1，在机场安装塔架式光电相机，并获取相机的经纬度和相机型号参数，计算相机和拍摄目标的距离与焦距关系；

4、步骤2，设置覆盖机场跑道的点位，根据相机和拍摄目标的距离焦距关系，计算相机从左到右覆盖机场跑道的各个点位的转台方位角度和焦距参数；

5、步骤3，选取机场跑道上均匀分布的多个点，获取每个点的转台方位角度和转台俯仰角度，将这些点进行曲线拟合获得曲线拟合函数，根据曲线拟合函数计算步骤2中各个点位的转台俯仰角度；

6、步骤4，根据各个点位的转台方位角度、转台俯仰角度和焦距参数，驱动相机运行到各个点位拍摄对应点位实时高清图像，fod检测系统对所述实时高清图像进行fod检测；

7、步骤5，当存在fod时，计算fod与相机的距离以及fod在相机转台坐标系中的转台方位角度；

8、步骤6，计算fod的转台俯仰角度和焦距参数，驱动相机运动到fod指定位置。

9、进一步地，步骤1中使用如下公式计算相机和拍摄目标的距离焦距关系：

10、

11、其中，f为镜头的焦距，x为目标在画面中的像素大小，wr为目标宽度，w为成像分辨率，d为相机与目标的距离，w为镜头靶面宽。

12、进一步地，步骤2计算相机从左到右覆盖机场跑道的各个点位的转台方位角度和焦距参数包括：

13、步骤2-1，记从左到右覆盖机场跑道的点位个数为p+1个，第1个点位位于机场跑道左尽头，第p+1个点位位于机场跑道右尽头；获取相机与机场跑道边线垂直点的转台角度∈和距离r1，获取机场跑道左右尽头的起始转台方位角度θ1＝θmin和终止转台方位角度θp+1＝θmax；

14、步骤2-2，计算第k个点位与相机的距离dk,1≤k≤p；

15、步骤2-3，根据相机和拍摄目标的距离焦距关系，计算相机驱动至第k个点位的焦距参数fk；

16、步骤2-4，根据相机驱动至第k个点位的焦距参数fk计算第k个点位的水平视场角θhk；

17、步骤2-5，根据第k个点位的水平视场角θhk计算第k+1个点位的转台方位角度θk+1；

18、步骤2-6，重复步骤2-2至步骤2-5递归计算，最终获得第1个点位至第p个点位的转台方位角度和焦距参数，终止条件为：

19、θp-θmax<θhp

20、根据所述终止条件能够计算p的取值；

21、步骤2-7，计算第p+1个点位与相机的距离dp+1，根据相机和拍摄目标的距离焦距关系，计算相机驱动至第p+1个点位的焦距参数fp+1。

22、进一步地，步骤2-2计算第k个点位与相机的距离dk,1≤k≤p，以及步骤2-7计算第p+1个点位与相机的距离dp+1包括：

23、

24、其中r2为跑道宽度，θk为第k个点位的转台方位角度。

25、进一步地，步骤2-4根据相机驱动至第k个点位的焦距参数fk计算第k个点位的水平视场角θhk包括：

26、

27、进一步地，步骤2-5根据第k个点位的水平视场角θhk计算第k+1个点位的转台方位角度θk+1包括：

28、θk+1＝θk+α*θhk

29、其中α为补偿系数。

30、进一步地，步骤3包括：

31、步骤3-1，选取跑道左右均匀分布的n个点，记为(θi,βi),1≤i≤n，其中θi为第i个点的转台方位角度，βi为第i个转台俯仰角度，使用最小二乘法进行曲线拟合，计算如下：

32、假设拟合m次多项式，m≥0：

33、

34、其中a0，a1，…,am为m次多项式的系数；

35、残差平方和sr计算为：

36、

37、对am求偏导如下：

38、

39、

40、

41、并令其为0，整理后得到：

42、

43、得到m+1个线性方程的方程组，根据(θi,βi),1≤i≤n的取值联立解线性方程获得系数a0，a1，…,am的值；

44、步骤3-2，利用得到的曲线拟合函数计算出步骤2中各个点位的转台俯仰角度。

45、进一步地，步骤5包括：

46、步骤5-1，fod检测系统调用视频引导指令，所述视频引导指令包含fod经纬度坐标信息；

47、步骤5-2，通过utm(universal transverse mercator grid system，通用横墨卡托格网系统)坐标系投影法获得fod和相机本身在平面直角坐标系的坐标，记fod坐标为(c,d)，相机坐标为(a,b)；

48、步骤5-3，计算fod在相机转台坐标系中的转台方位角度θc-fod和相机与fod的距离dc-fod，计算方法如下：

49、

50、其中σ为相机转台坐标系和直角坐标系的方位角度差。

51、进一步地，步骤6包括：

52、步骤6-1，fod在相机转台坐标系中的转台方位角度θc-fod，利用步骤3中得到的曲线拟合函数，计算出转台俯仰角度；

53、步骤6-2，相机与fod的距离dc-fod，依据相机和拍摄目标的距离焦距关系计算出相机与fod的焦距参数。

54、步骤6-3，根据fod的转台方位角度、转台俯仰角度和焦距参数，驱动相机运动到fod指定位置。

55、进一步地，步骤1中通过差分gps定位设备获取相机的经纬度。

56、有益效果：本发明解决了机场跑道异物探测图像采集和视频引导问题，通过在机场合适位置安装塔架式光电相机时，通过差分gps获取相机的高精度经纬度，考虑跑道地理变化和相机转台转动误差，通过三角函数近似、拟合曲线函数计算出图像覆盖跑道时的相机点位列表信息，包括转台角度、焦距参数，将点位列表预置到程序中并驱动相机到指定点位，获取相机实时高清图像并上传到服务器中，然后通知fod检测系统进行fod检测。在跑道图像中存在fod的情况下，系统调用视频引导指令，视频引导指令包含fod的经纬度信息，通过utm坐标系投影法得到fod在平面直角坐标系的坐标，再计算得到在相机转台坐标系中的方位角，以及通过曲线拟合函数计算出转台俯仰角，再结合距离-焦距关系计算焦距参数，驱动相机运动到fod位置。本发明在多种场景下进行了性能测试，可对机场跑道进行快速全覆盖图像采集，由fod探测系统对采集到的图像进行fod检测，以及使用视频引导对fod进行二次确认，充分验证了本发明的有效性。