光电传感器规划基于NIIRS和GIQE无人机工程侦察

文摘

当无人驾驶飞行器(无人机)支持工兵部队侦察行动,为了收集可见光图像信息应满足任务的需求,我们工程侦察信息解释任务分成10水平通过国家图像解释能力评定量表(NIIRS)。工程目标之间的定量关系,建立了传感器的性能和飞行高度通过一般图像质量方程(GIQE)和地面采样距离的几何属性(德牧)。通过一些模拟,变量的影响光电传感器成像质量的因素进行了分析,以及成像高度传感器的一个工程侦察情况计算。结果表明,本研究可以解决图像质量差的问题造成的飞行高度不满足任务要求。

1。介绍

工程勘察的主要任务是检测或识别地形、地质、水文、交通状况,敌人的工程设施,在战场上本地可用的资源,等。当工程兵部队侦察无人机(UAV)支持的操作,工程部队的任务规划者可能使用无人机传感器知识有限,因为工程临时分配的侦察,其他单位的无人机操作员可能不熟悉的工程目标。这会带来不确定性工程侦察无人机的有效性。在恶劣和危险的环境中,无人机操作员通常愿意做出无人机飞尽可能高;然而,如果只无人机飞在高空,一些较小的目标将超过传感器的功能和可能不会被发现。在这种情况下,无人机操作员必须反复检测某些目标,效率低下,会增加无人机的损失风险。如果无人机侦察高度对应于不同类型的工程目标可以提前计算,在一定程度上可以避免上述问题。

目前,已经有许多研究计划的无人机的飞行高度1- - - - - -4),但这些研究的主要任务是为了避免防空火或导弹、雷达探测、障碍,通过调整飞行高度和其他威胁。这种方法不能专注于传感器成像高度和质量之间的关系。成像高度和质量的研究大多是关于传感器的卫星(5,6),只有一小部分是关于无人机传感器为了为传感器的设计提供理论方法和绩效评估7,8]。乔et al。9]讨论了一个面向任务的无人机路径规划算法,他们指出,图像信息的质量应该考虑在任务规划。然而,如何设置无人机,以满足图像质量要求并没有讨论他们的研究。

本文只关注光电传感器的成像质量和高度支持工程侦察无人机。避免问题的威胁,飞行路径和资源消耗在这里不讨论。主要研究结构如下。部分2是一个通用的NIIRS GIQE,我们组的一系列工程信息解释任务10个NIIRS根据军用和民用可见NIIRS标准。部分3描述了一个方法来构建一个工程目标之间定量关系,传感器性能和飞行高度多高无人机,并提供一个解决方案应该在工程侦察飞行操作。节4,进行一些模拟结果进行了讨论。然后,一个工程侦察情况说明如何实现传感器规划。节5,给出结论。

2。NIIRS和GIQE

2.1。国家形象解释能力评定量表

NIIRS是一组主观图像质量评估标准:0到9的含量比例图像可解释性[10,11]。NIIRS是美国政府的支持下开发的图像分辨率(IRARS)委员会评估和报告标准。每个NIIRS级别从1到9被定义为一系列的解释范围从非常简单的任务(图像质量要求低)非常困难(需要高水平的图像质量)。相关的任务定义NIIRS经验感知图像质量规模。类似的天平已经开发使用雷达,红外,多光谱图像。有大量的描述性的任务在每个规模不能列出;请参考[12- - - - - -14如果需要的话。NIIRS可能是最好的衡量评估图像的质量。它已经被广泛使用的智能社区。无人机的情报侦察监视的性能(ISR)传感器指定NIIRS形式,包括“全球鹰”“暗星”,“捕食者”,和大量的其他平台。

NIIRS是可预测的,是一个主观的测量信息的提取。对于非专业用户的遥感图像,它在技术上是不依赖于大量的数据,和目标的主观评分NIIRS可用标准指南(5,15]。NIIRS值和空间分辨率(地面采样距离和相对边缘响应措施的系统空间分辨率)有一个理想的线性关系16),空间分辨率被定义为传感器可以区分目标的最小尺寸的长度和宽度在同一大小的良好的对比度和类似的背景(17]。不上市的规模,因此,对于标准NIIRS水平大致可以估计根据形状,大小,对比,和其他信息的目标。

2.2。可见NIIRS工程侦察行动

对于无人机传感器规划,有必要知道NIIRS水平的工程目标。我们的解决方案是提取相关的标准工程侦察任务的当前版本的军用和民用可见NIIRS和列表相关的一组任务的信息解释常见的工程设施,工程设备、人员、环境的战场,和其他目标根据工程侦察无人机的任务。接下来,我们研究了背景、状态、形状、大小、和其他信息的工程目标通过一个标准的详细比较当前军用和民用NIIRS可见。我们分组工程信息解释任务到相应水平根据尺度和合并之前的提取标准。最后,我们列出了一个粗略的估计可见NIIRS常见工程侦察任务表1。作为本研究的重点是传感器规划而不是图像情报解释,一些工程目标被选为类似功能的目标的原始标准可见NIIRS为了避免重大错误。

2.3。一般图像质量方程

NIIRS可以表达侦察任务的要求。时是有意义的预测NIIRS值的传感器参数无人机侦察目标和信息是已知的。一般的图像质量方程(GIQE)能够完成这样的预测。GIQE开发是一个经验模型,通过统计分析判断的图像分析。它最初预测可见采样图像的可解释性18]。

尽管GIQE是主观的,但它是不可能预测NIIRS由其他方法。在图像统计模型的验证和比较和评估模型,发现这两个相关(13]。例如,一个汽车销售员的能力与汽车,他销售的数量。没有评估他的专业知识,我们可以验证通过他的销售业绩销售人员的能力。图像分析人士预测图像质量好,和GIQE满足他们的需求。更好的方法被开发出来之前,人们将不得不依靠这个实证模型。GIQE提供NIIRS预测规模的感觉特性的函数属性,分辨率、清晰度和对比度和噪声。

GIQE经历了几个修改。当前版本是4.0: 在哪里是地上的几何平均采样距离英寸,是归一化相对边缘的几何平均响应,是几何平均高度由于边缘过度产生的调制传递函数补偿(MTFC),G是一种由贪婪导致的噪声增益MTFC,信噪比信噪比。和NIIRS值的贡献高达92%。其他因素只占8%19]。

参数的定义和是 修改后的GIQE有效期为参数表中列出的范围2(20.]。GIQE精度的有效性是不确定的,如果超出这个范围。

完整的计算参数 , , ,G,信噪比在GIQE涉及复杂的物理过程和密切相关的特定的物理参数传感器。因此,我们不打算在这里讨论计算。目标的影响(方向、大小和对比)反映和隐含的信噪比。反映在大气的影响信噪比,一个标准的目标对比认为对于大多数应用程序。包括传感器的影响和MTFC-related物品(r和lower-impact G和H)。图像处理包括MTFC和灰度变换的影响(动态范围的调整和灰度变换补偿),和GIQE模型假定灰度转换是最优(21]。

3所示。传感器规划方法

根据GIQE NIIRS价值的影响因素可以分为两类:一个由传感器的固有属性,环境,或工程目标,和其他相关的具体使用传感器。传感器规划、内在属性不能改变一部分,所以只有正确使用传感器在工程侦察操作可以满足NIIRS的需要。

相关传感器的参数规划主要体现在 。 是由传感器焦距,无人机的飞行高度,成像距离,和其他因素。这些是无人机的操作参数在一个工程侦察任务,所以他们对传感器规划很重要。从GIQE的数学表达式,的影响在NIIRS是显著的。的影响因素分解和讨论如下。

的几何平均水平和垂直地面样本距离基于投影像素间距的距离在地上。在计算多少英寸X和Y尺寸(18]: 系统的along-scan cross-scan方向并不是正交的,被修改的角度吗在这些方向: CCD-array光电成像传感器的成像范围取决于传感器的焦距和无人机的飞行高度。假设,图1:无人机飞从左到右,无人机的光电传感器载荷有一个焦距f的像素间距、垂直和水平DP和DP的,分别。一个像素的像素间距是中心到中心的距离,相对于像素形状,通常与像素边缘的长度相同。像素是一个梯形区域的投影在地上,梯形的短边x长边 ,斜边是”。成像的高度是 ,直线距离是 ,和传感器之间的角度看,目标线和地面水平线 。

在图1像素投影的大小变化与地面起伏,以及一些军事系统,它不是有意义的计算值在地上。因此,通常的做法是计算值在一个平面垂直于传感器,传感器的投影的变化从一个梯形在地上一个矩形或正方形,和y '就变成了y。此外,直线距离是kilometer-level,德牧是厘米级,和投影效果从地平面垂直的直线距离可以忽略。因此,距离传感器的平面垂直视线仍然可以计算r在这里。如果一个光电传感器的像素是矩形,这就是所谓的几何关系 矩形的面积是 根据(3)的价值是根号矩形区域,更加直接和方便使用成像高度计算。在这里,我们使用 来代替r,因为单位是英寸,它需要转换成米计算: 因此, 此外,带进(1)建立与传感器: 使 ,并把这个(9): 然后, 总之,当NIIRS水平众所周知侦察操作之前,先生规划模型基于NIIRS无人机和GIQE如图2。

4所示。仿真和结果讨论

光电设备的“全球鹰”和“捕食者”被选为例,进行模拟。部分性能参数列表(7,13EO相机)的“全球鹰”和“捕食者”表所示3。当传感器规划其他类型的无人机,只需用光电传感器的参数替换这些载荷的无人机。

EO的相机,的值 , ,和有以下典型的数据(8,22]:= 0.75,= 1.4,= 10,信噪比= 66。等参数 ,H_通用汽车,G,信噪比一般都是固定值,通常被认为是在设计新的光电设备。因为= 0.75,然后一个= 3.16,b据(= 2.8171)。

假设along-scan和cross-scan方向是正交的。传感器阵列的像素选择测试的广场,这==德牧。在下面,飞行高度之间的关系,焦距的传感器、角度来看,NIIRS将分析,传感器的例子计划支持的工程侦察无人机将解释如何使用NIIRS和GIQE传感器规划。

4.1。飞行高度和NIIRS水平之间的关系

光电传感器的“全球鹰”是旨在提供一个最低NIIRS 6.5 (13可见光图像(视角45°和sensor-to-target 28公里的距离)。的成像高度19802米可以通过计算三角关系,也就是说,“全球鹰”的最大飞行高度的计算到19800米。光电传感器的“捕食者”被设计成45°角来看,高15000英尺(4570米),提供一个最低NIIRS 6可见光图像(23]。

为了学习飞行高度之间的关系和NIIRS EO水平传感器,来验证(9)NIIRS要求传感器设计,并验证的可靠性计算了DP f,θ,h,一系列的11000米到19800米的飞行高度的“全球鹰”是选定的模拟。因为传感器设计要求规定成像质量应达到一定级别后在一定高度,焦距参数值被设定的最大焦距1.75。一系列的巡航高度4570米的最大高度7620米的“捕食者”被选中,和0.16米的焦距是集。成像高度和成像质量之间的关系进行了计算模拟,如图3。

结果显示,“全球鹰”的成像高度从11000增加到19800,和NIIRS水平改变了从7.4到6.6。“捕食者”的成像高度从4570增加到7620,和NIIRS水平改变了从6.1到5.4。直接从图可以看出3NIIRS值随着成像高度的增加,减少和价值减少的趋势放缓。

当“全球鹰”的成像高度19800米,NIIRS值为6.6(保留小数点后两位数字,值为6.55,结果被标识为一个红色的圈图3),它遇到了NIIRS > 6.5的设计要求。当“捕食者”的成像高度4570米,NIIRS值为6.1(保留小数点后两位数字,值为6.08,也标识为一个红色的圈图3)。这也符合设计要求的NIIRS > 6。计算结果可以进一步解释,(9)是正确的和可靠的计算NIIRS通过使用DP,f,θ,h建立关系 。

4.2。焦距的传感器和NIIRS水平之间的关系

瞬时视场(IFOV)可以通过改变调整焦距的光电传感器。当焦距短,IFOV宽,和一个大区域能被探测到,但该决议通常是低的。当焦距长,IFOV狭窄,和检测器覆盖一个小的区域,所以分辨率提高。然而,这种牺牲地面覆盖,很像“一瞥”,目标探测更加困难。

因此,有必要设置焦距参数合理为了得到图像,以满足任务需求的覆盖率,提高IFOV工程勘察业务开始之前。仿真参数的成像无人机高度设置为他们的巡航高度:18000米,“全球鹰”“捕食者”是4570米,视角设置为45°。结果如图所示4。

结果表明,“全球鹰”的焦距是1 - 1.75米,NIIRS值的范围是5.9 - -6.7,当“捕食者”的焦距是0.016 - -0.16 m, NIIRS值的范围从2.9增加到6.1。NIIRS值增加焦距的传感器,和增加NIIRS速度减慢的趋势与焦距的增加。因为“全球鹰”的光电传感器只有1.75的放大 ,NIIRS整体增加价值很小,但因为它的焦距长,它可以获得高质量的图片对于宽IFOV。“捕食者”的光电传感器的放大10 ;因此,NIIRS价值波动很大时,焦距变化。因为短焦距的传感器,广泛的图像分辨率IFOV可以更低。

4.3。关系视角和不同IFOVs NIIRS水平

在这里,成像高度巡航高度。根据IFOV,焦距计算的最小和最大值,和视角的范围设置为45°-90°。结果如图所示5。

对于宽IFOV,视角从45°- 90°,增加的范围的NIIRS价值5.9 - -6.4“全球鹰”,和“捕食者”的NIIRS值的范围是2.9 - -3.4。对于窄IFOV, NIIRS值的范围的“全球鹰”是6.7 - -7.2,和“捕食者”的NIIRS值的范围是6.1 - -6.6。从曲线在图5,我们可以看到,NIIRS值增加而增加的角度来看,经济增长逐渐放缓,而最后往往是水平的。

4.4。传感器规划场景的解决方案

采取工程侦察支持的着陆攻击无人机为例,本文展示了如何计划的成像高度传感器在工程侦察行动。根据操作方法支持的工程侦察无人机着陆攻击和估计可见NIIRS常见工程侦察任务(表1),主要侦察任务和所需NIIRS水平排序如表所示4。其中,如果多个细节需要检测到一个任务,需要对图像质量计划根据NIIRS最高水平。

参数设置的无人机的光电传感器,仍然是45°的角度视图,这是规定NIIRS的传感器设计标准。因为工程侦察任务需要发现更多的目标,广泛IFOV应该尽量选择。的焦距光电传感器的“全球鹰”设置为1米。的“捕食者”的IFOV 2.3°1.7°-23°×17°。因为它的短焦距,无人机的飞行高度将下降到数百米如果IFOV太宽,这并不符合实际应用。因此,一个5选择缩放的IFOV为16.5°8.5°和焦距是0.08米。的值 , , , , ,和符合之前的文本。光电传感器规划的结果如表所示5,和一个成像高度要求的比较两种类型的无人机图所示6。

任务需求NIIRS水平高,其他参数的传感器是固定的,所以必须降低无人机的飞行高度满足成像质量的要求。NIIRS任务需求较低的水平,“全球鹰”的巡航高度接近上限,增加部分的高度几乎没有影响图像质量和检测范围。因此,无人机在巡航高度应该继续侦察。相比之下,“捕食者”有不同的巡航高度和最大飞行高度,虽然它可以很容易地获得低级NIIRS工程目标图像不改变高度。然而,大量增加成像高度可以增加传感器的探测范围,从而将检测到更多的目标和侦察的效率将会提高。

5。结论

针对的问题如何获得可见光图像情报工程侦察无人机支援作战,NIIRS和GIQE进行了研究。根据NIIRS标准和工程的属性目标,可见NIIRS水平为工程侦察任务,指定和NIIRS水平之间的关系工程侦察任务,光电传感器性能,并通过GIQE地面采样距离成立。然后,地面采样距离GIQE进一步分解为传感器像素间距等参数,焦距,视角,成像高度。模型建立了传感器规划利用几何方法。最后,进行了模拟,检查工程侦察操作的场景。

结果表明,NIIRS水平降低和增加成像高度和增加而增加视角和焦距。结果的价值高度最高,无人机能飞在一个工程侦察任务,和很难满足成像质量要求如果飞行高度超过。超过了飞行高度可能导致re-reconnaissance,增加时间。此外,在传感器的模型规划,几个变量与彼此互动。飞行高度时不同的视角和焦距相同的任务是不同的。因此,合理的传感器规划应该结合具体工程侦察行动的要求。

确定无人机的飞行高度是复杂的军事行动。威胁回避,飞行路径,并在任务规划应考虑资源消耗。上述问题将在未来的研究。

数据可用性

这些之前的研究都是在相关地方引用文本中引用(1- - - - - -23]。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

本研究支持的军事科学项目的国家社会科学基金(没有。15 gj003 - 141)和中国人民解放军的军事研究生资助项目(没有。2016 jy370)。

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