CN103217143A - 雷达装置及目标物体跟踪方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种雷达装置及目标物体跟踪方法，包括：凸透镜；设置于凸透镜的主光轴上的成像板，用于获取目标物体的像，所述成像板恒垂直于主光轴，所述成像板的中心恒在主光轴上，所述成像板只能沿主光轴移动且不能绕着主光轴旋转；处理单元，用于根据成像板上目标物体的像确定所述目标物体的位置、大小、速度大小和速度方向。本发明能够提供一种高可靠性、操作简单、价格便宜的目标物体跟踪装置。

Description

雷达装置及目标物体跟踪方法

技术领域

本发明涉及一种雷达装置及目标物体跟踪方法。

背景技术

现有的雷达装置通常包括激光雷达装置和相控阵雷达装置：

激光雷达装置的激光器产生的激光束经光束装置（有的情况下需要扩束）后发射到大气中，激光在大气中传输遇到空气分子、气溶胶等成分便会发生散射、吸收等作用。散射中的小部分能量——后向散射光落入接收望远镜视场被接收。被接收到的后向散射光传输到光电探测器（通常为PMT，光电倍增管）被转换成电信号（一般为电流信号），实现光-电转换，再经一系列的运算放大，最终被显示、记录。对于不同高度的信号，利用激光信号传输时间间隔来记录，光速c已知，便可换算成距离。如果接收到的是回波点数，乘以系统距离分辨率即得高度。这样就获得了激光雷达P-z数据，利用激光雷达方程结合相关算法便可反演出相关大气特性，如大气垂直消光廓线、气体浓度、成分以及温度廓线等。

相控阵雷达装置是由许多辐射单元排成阵列形式构成的走向天线，各单元之间的辐射能量和相位关系是可以控制的。典型的相控阵是利用电子计算机控制移相器改变天线孔径上的相位分布来实现波束在空间扫描，即电子扫描，简称电扫。相位控制可采用相位法、实时法、频率法和电子馈电开关法。在一维上排列若干辐射单元即为线阵，在两维上排列若干辐射单元称为平面阵。辐射单元也可以排列在曲线上或曲面上．这种天线称为共形阵天线。共形阵天线可以克服线阵和平面阵扫描角小的缺点，能以一部天线实现全空域电扫。

然而，上述两种雷达装置的结构都非常复杂、操作繁琐、价格也比较昂贵。

发明内容

本发明的目的在于提供一种雷达装置，能够提供一种高可靠性、操作简单、价格便宜的目标物体跟踪装置。

为解决上述问题，本发明提供一种雷达装置，包括：

凸透镜；

设置于凸透镜的主光轴上的成像板，用于获取目标物体的像，所述成像板恒垂直于主光轴，所述成像板的中心恒在主光轴上，所述成像板只能沿主光轴移动且不能绕着主光轴旋转；

处理单元，用于根据成像板上目标物体的像确定所述目标物体的位置、大小、速度大小和速度方向。

进一步的，在上述装置中，所述成像板为网状晶格结构，每个晶格为一光敏传感器。

进一步的，在上述装置中，所述处理单元在三维空间内根据成像板上目标物体的像确定所述目标物体的位置、大小、速度大小和速度方向，所述三维空间分别以所述主光轴和通过凸透镜的光心且垂直于所述主光轴的两根轴为Z、X和Y轴。

进一步的，在上述装置中，当所述凸透镜进行三维移动后，所述处理单元把新得到的目标物体的相对于凸透镜当前位置的位置、大小、速度大小和速度方向变换到相对于凸透镜移动前的初始位置所在的三维坐标系里。

进一步的，在上述装置中，所述处理单元还用于当目标物体的位置和速度大小达到预设值时进行报警。

根据本发明的另一面，提供一种目标物体跟踪方法，包括：

设置凸透镜，以使目标物体位于所述凸透镜一侧的一倍焦距以外；

在凸透镜的另一侧的主光轴上移动成像板，以使目标物体的像清晰地出现在所述成像板上，所述成像板恒垂直于主光轴，所述成像板的中心恒在主光轴上，所述成像板只能沿主光轴移动且不能绕着主光轴旋转；

处理单元根据成像板上目标物体的像确定所述目标物体的位置、大小、速度大小和速度方向。

进一步的，在上述方法中，所述成像板为网状晶格结构，每个晶格为一光敏传感器。

进一步的，在上述方法中，所述处理单元在三维空间内根据成像板上目标物体的像确定所述目标物体的位置、大小、速度大小和速度方向，所述三维空间分别以所述主光轴和通过凸透镜的光心且垂直于所述主光轴的两根轴为Z、X和Y轴。

进一步的，所述处理单元在三维空间内根据成像板上目标物体的像确定所述目标物体的位置、大小、速度大小和速度方向的步骤中，

当所述凸透镜进行三维移动后，所述处理单元把新得到的目标物体的相对于凸透镜当前位置的位置、大小、速度大小和速度方向变换到相对于凸透镜移动前的初始位置所在的三维坐标系里。

进一步的，在上述方法中，处理单元根据成像板上目标物体的像确定所述目标物体的位置、大小、速度大小和速度方向的步骤之后还包括：

所述处理单元监测目标物体的位置和速度大小，当目标物体的位置和速度大小达到预设值时，进行报警。

与现有技术相比，本发明的雷达装置包括：凸透镜；设置于凸透镜的主光轴上的成像板，用于获取目标物体的像，所述成像板恒垂直于主光轴，所述成像板的中心恒在主光轴上，所述成像板只能沿主光轴移动且不能绕着主光轴旋转；处理单元，用于根据成像板上目标物体的像确定所述目标物体的位置、大小、速度大小和速度方向，能够提供一种高可靠性、操作简单、价格便宜的目标物体跟踪装置。

附图说明

图1是本发明一实施例的雷达装置的模块图；

图2是凸透镜的成像原理图；

图3是本发明一实施例的成像板的结构示意图；

图4是本发明一实施例的光敏传感器与处理单元的连接示意图；

图5是本发明一实施例的成像示意图；

图6是本发明一实施例的目标物体跟踪方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例一

如图1所示，本发明提供一种雷达装置，包括：凸透镜1、成像板2和处理单元3。

所述成像板2设置于凸透镜的主光轴上，用于获取目标物体的像，所述成像板恒垂直于主光轴，所述成像板的中心恒在主光轴上，所述成像板只能沿主光轴移动且不能绕着主光轴旋转。具体的，如图2所示，当物距小于一倍焦距时，成像为正立，放大的虚像，且与物体（物件）在凸透镜的同一侧；当物距大于一倍焦距小于二倍焦距时，成像为倒立，放大的实像，且像与物体分处凸透镜的两侧，成像在凸透镜的二倍焦距之外；当物距大于二倍焦距时，成像为倒立，缩小的实像，且像与物体分处凸透镜的两侧，成像在凸透镜的一倍焦距至二倍焦距之间。所述成像板2只能沿着凸透镜的主光轴来回移动，以在成像板2上获取到目标物体清晰的像。当目标物体出现时，其发出的光或者反射的光经过传播，到达凸透镜1，一般物距均大于凸透镜的焦距，且绝大多数是二倍焦距以上。因此都能在成像板2上成倒立、缩小、清晰的实像。

优选的，如图3所示，所述成像板2为网状晶格结构，每个晶格为一光敏传感器21，光敏传感器21用于收集目标物体各个点上的物像信息。具体的，目标物体所成的像映在成像板2上，成像板2上有成千上万个光敏传感器21，如图4所示，光敏传感器感受到后，每个传感器都可由数据线与数据总线连接在一起，将捕捉到的光敏信号实时传输到处理单元3，处理单元3对光敏信息进行处理，进而判断出目标物体的一系列参数如位置、大小、速度大小和速度方向等等。

所述处理单元3用于根据所述成像板2上目标物体的像确定所述目标物体的位置、大小、速度大小和速度方向，便于锁定目标物体。具体的，目标物体A在空间的某一位置一经确定，其在感光板上成的像也就唯一确定，即目标物体与像是一一对应的关系。因此可以通过像位于凸透镜的位置来判断目标物体的位置。所述处理单元3可根据光敏传感器21在成像板2的位置，以及感光板2距光心O的距离，进行目标物体的物距和角度的确定，从而确定目标物体的位置，并根据目标物体的移动，确定目标物体的速度大小和速度方向（移动方向）。所述处理单元3可以配套数据处理软件，以对数据进行后台处理，生成图像。

优选的，所述处理单元3在三维空间内根据成像板2上目标物体的像确定所述目标物体的位置、大小、速度大小和速度方向，所述三维空间分别以所述主光轴和通过凸透镜的光心且垂直于所述主光轴的两根轴为Z、X和Y轴。具体来说，如图5所示，以凸透镜主光轴为Z轴，通过光心且垂直于Z轴的两根轴分别为X轴和Y轴，以XOY平面为光心所在平面，光心位于点O，在第一卦限内的目标物体A所成的像A’在第七卦限内，且距XOY平面的距离在一倍焦距和二倍焦距之间，这是因为A距XOY平面的距离大于二倍焦距。根据凸透镜成像规律，成倒立、缩小的实像A’，且目标物体与像位于凸透镜的两侧。另外，若A距XOY平面的距离位于一倍焦距和二倍焦距之间，则所成的像A’在二倍焦距之外，倒立，放大的实像，且与A分别位于凸透镜的两侧。另外，当所述凸透镜1进行三维移动后，所述处理单元3可以进行坐标变换，把新得到的目标物体的相对于凸透镜1当前位置的位置、大小、速度大小和速度方向变换到相对于凸透镜移动前的初始位置所在的三维坐标系里，这样即使所述凸透镜1经过多次移动，每次得到目标物体的位置、大小、速度大小和速度方向都是相对于同一三维坐标系的值，计算标准得到统一。

较佳的，所述处理单元3还用于监测目标物体的位置和速度大小的危险程度，当目标物体的位置和速度大小达到预设值时进行报警，以提醒工作人员立即采取相应措施。

如图5所示，第一卦限物体A距XOY平面的距离大于二倍焦距，在XOZ平面内，以凸透镜成像原理，判断出A点成的像所在的直线（即平行于Y轴的一条直线），然后在YOZ平面内，再以凸透镜成像原理，判断出A点成的像所在的直线（平行于X轴的一条直线），这两条直线的交点A’即是在空间坐标系中所成的像。

若像A’距光心所在平面的距离为a’，则其所对应的目标物体A距光心所在平面的距离为a，而像A’距XOZ、YOZ平面的距离b’、c’可由成像板2上光敏传感器所处的位置确定，与a’成比例。同理可得出目标物体A距XOZ、YOZ平面的距离b、c。则可得出目标物体距光心的距离

（也可由像A’距光心的距离

再按照a’与a的比例关系得出

）和目标物体位置和大小。通过连续时刻的物体所在位置的确定，可得出目标物体的速度大小和速度方向等信息。

综上所述，本实施能够提供一种高可靠性、操作简单、价格便宜的目标物体跟踪装置。

实施例二

如图6所示，本发明还提供一种采用实施例一所述的雷达装置的目标物体跟踪方法，包括步骤S1～步骤S3：

步骤S1，设置凸透镜1，以使目标物体位于所述凸透镜1一侧的一倍焦距以外。

步骤S2，在凸透镜的另一侧的主光轴上移动成像板，以使目标物体的像清晰地出现在所述成像板上，所述成像板恒垂直于主光轴，所述成像板的中心恒在主光轴上，所述成像板只能沿主光轴移动且不能绕着主光轴旋转。具体的，如图2所示，当物距小于一倍焦距时，成像为正立，放大的虚像，且与物体在凸透镜的同一侧；当物距大于一倍焦距小于二倍焦距时，成像为倒立，放大的实像，且像与物体分处凸透镜的两侧，成像在凸透镜的二倍焦距之外；当物距大于二倍焦距时，成像为倒立，缩小的实像，且像与物体分处凸透镜的两侧，成像在凸透镜的一倍焦距至二倍焦距之间。所述成像板2只能沿着凸透镜的主光轴来回移动，以在成像板2上获取到目标物体清晰的像。当目标物体出现时，其发出的光或者反射的光经过传播，到达凸透镜1，一般物距均大于凸透镜的焦距，且绝大多数是二倍焦距以上。因此都能在成像板2上成倒立、缩小、清晰的实像。

优选的，如图3所示，所述成像板2为网状晶格结构，每个晶格为一光敏传感器21。光敏传感器21用于收集目标物体各个点上的物像信息。具体的，目标物体所成的像映在成像板2上，成像板2上有成千上万个光敏传感器21，如图4所示，光敏传感器感受到后，每个传感器都可由数据线与数据总线连接在一起，将捕捉到的光敏信号实时传输到处理单元3，处理单元3对光敏信息进行处理，进而判断出目标物体的一系列参数如位置、大小、速度大小和速度方向等等。

步骤S3，处理单元3根据成像板上目标物体的像确定所述目标物体的位置、大小、速度大小和速度方向。具体的，目标物体A在空间的某一位置一经确定，其在感光板上成的像也就唯一确定，即目标物体与像是一一对应的关系。因此可以通过像位于凸透镜的位置来判断目标物体的位置。所述处理单元3可根据光敏传感器21在成像板2的位置，以及感光板2距光心O的距离，进行目标物体的物距和角度的确定，从而确定目标物体的位置，并根据目标物体的移动，确定目标物体的速度大小和速度方向（移动方向）。所述处理单元3可以配套数据处理软件，以对数据进行后台处理，生成图像。

优选的，所述处理单元3在三维空间内根据成像板上目标物体的像确定所述目标物体的位置、大小、速度大小和速度方向，所述三维空间分别以所述主光轴和通过凸透镜的光心且垂直于所述主光轴的两根轴为Z、X和Y轴。具体来说，如图5所示，以凸透镜主光轴为Z轴，通过光心且垂直于Z轴的两根轴分别为X轴和Y轴，以XOY平面为光心所在平面，光心位于点O，在第一卦限内的目标物体A所成的像A’在第七卦限内，且距XOY平面的距离在一倍焦距和二倍焦距之间，这是因为A距XOY平面的距离大于二倍焦距。根据凸透镜成像规律，成倒立、缩小的实像A’，且目标物体与像位于凸透镜的两侧。另外，若A距XOY平面的距离位于一倍焦距和二倍焦距之间，则所成的像A’在二倍焦距之外，倒立，放大的实像，且与A分别位于凸透镜的两侧。另外，当所述凸透镜1进行三维移动后，所述处理单元3可以进行坐标变换，把新得到的目标物体的相对于凸透镜1当前位置的位置、大小、速度大小和速度方向变换到相对于凸透镜移动前的初始位置所在的三维坐标系里，这样即使所述凸透镜1经过多次移动，每次得到目标物体的位置、大小、速度大小和速度方向都是相对于同一三维坐标系的值，计算标准得到统一。

较佳的，步骤S3之后，还可包括步骤S4，所述处理单元监测目标物体的位置和速度大小，当目标物体的位置和速度大小达到预设值时，进行报警，以提醒工作人员立即采取相应措施。

如图5所示，第一卦限物体A距XOY平面的距离大于二倍焦距，在XOZ平面内，以凸透镜成像原理，判断出A点成的像所在的直线（即平行于Y轴的一条直线），然后在YOZ平面内，再以凸透镜成像原理，判断出A点成的像所在的直线（平行于X轴的一条直线），这两条直线的交点A’即是在空间坐标系中所成的像。

若像A’距光心所在平面的距离为a’，则其所对应的目标物体A距光心所在平面的距离为a，而像A’距XOZ、YOZ平面的距离b’、c’可由成像板2上光敏传感器所处的位置确定，与a’成比例。同理可得出目标物体A距XOZ、YOZ平面的距离b、c。则可得出目标物体距光心的距离

（也可由像A’距光心的距离再按照a’与a的比例关系得出

）和目标物体位置和大小。通过连续时刻的物体所在位置的确定，可得出目标物体的速度大小和速度方向等信息。

综上，本实施通过设置凸透镜，以使目标物体位于所述凸透镜一侧的一倍焦距以外；在凸透镜的另一侧的主光轴上移动成像板，以使目标物体的像清晰地出现在所述成像板上，所述成像板恒垂直于主光轴，所述成像板的中心恒在主光轴上，所述成像板只能沿主光轴移动且不能绕着主光轴旋转；处理单元根据成像板上目标物体的像确定所述目标物体的位置、大小、速度大小和速度方向，能够提供一种高可靠性、操作简单、价格便宜的目标物体跟踪方法。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种雷达装置，其特征在于，包括：

凸透镜；

设置于凸透镜的主光轴上的成像板，用于获取目标物体的像，所述成像板恒垂直于主光轴，所述成像板的中心恒在主光轴上，所述成像板只能沿主光轴移动且不能绕着主光轴旋转；

处理单元，用于根据成像板上目标物体的像确定所述目标物体的位置、大小、速度大小和速度方向。

2.如权利要求1所述的雷达装置，其特征在于，所述成像板为网状晶格结构，每个晶格为一光敏传感器。

3.如权利要求1所述的雷达装置，其特征在于，所述处理单元在三维空间内根据成像板上目标物体的像确定所述目标物体的位置、大小、速度大小和速度方向，所述三维空间分别以所述主光轴和通过凸透镜的光心且垂直于所述主光轴的两根轴为Z、X和Y轴。

4.如权利要求3所述的雷达装置，其特征在于，当所述凸透镜进行三维移动后，所述处理单元把新得到的目标物体的相对于凸透镜当前位置的位置、大小、速度大小和速度方向变换到相对于凸透镜移动前的初始位置所在的三维坐标系里。

5.如权利要求1所述的雷达装置，其特征在于，所述处理单元还用于当目标物体的位置和速度大小达到预设值时进行报警。

6.一种采用如权利要求1所述的雷达装置的目标物体跟踪方法，其特征在于，包括：

设置凸透镜，以使目标物体位于所述凸透镜一侧的一倍焦距以外；

在凸透镜的另一侧的主光轴上移动成像板，以使目标物体的像清晰地出现在所述成像板上，所述成像板恒垂直于主光轴，所述成像板的中心恒在主光轴上，所述成像板只能沿主光轴移动且不能绕着主光轴旋转；

处理单元根据成像板上目标物体的像确定所述目标物体的位置、大小、速度大小和速度方向。

7.如权利要求6所述的雷达装置，其特征在于，所述成像板为网状晶格结构，每个晶格为一光敏传感器。

8.如权利要求6所述的目标物体跟踪方法，其特征在于，所述处理单元在三维空间内根据成像板上目标物体的像确定所述目标物体的位置、大小、速度大小和速度方向，所述三维空间分别以所述主光轴和通过凸透镜的光心且垂直于所述主光轴的两根轴为Z、X和Y轴。

9.如权利要求8所述的目标物体跟踪方法，其特征在于，所述处理单元在三维空间内根据成像板上目标物体的像确定所述目标物体的位置、大小、速度大小和速度方向的步骤中，

当所述凸透镜进行三维移动后，所述处理单元把新得到的目标物体的相对于凸透镜当前位置的位置、大小、速度大小和速度方向变换到相对于凸透镜移动前的初始位置所在的三维坐标系里。

10.如权利要求1所述的目标物体跟踪方法，其特征在于，处理单元根据成像板上目标物体的像确定所述目标物体的位置、大小、速度大小和速度方向的步骤之后还包括：

所述处理单元监测目标物体的位置和速度大小，当目标物体的位置和速度大小达到预设值时，进行报警。

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