CN104535997A - 图像/激光测距/低空脉冲雷达一体化系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了图像/激光测距/低空脉冲雷达一体化系统，该系统通过对低空脉冲雷达扫描探测目标较准确时和低空脉冲雷达扫描探测目标误差过大或在死区时的分类，给出了低空脉冲雷达探测到目标的位置和速度信息、图像和激光测距仪再确认的目标监控方法；当低空脉冲雷达扫描探测目标误差过大或在死区时，由图像和激光测距监控，图像采集处理系统对CCD输入图像解码，将相邻两帧图像中指定的同一区域在FPGA进行比较，获得有无目标运动信息；通过FPGA直接提取目标中心、运动偏移量和速度，并根据目标中心和运动速度确定承载图像/激光系统的两轴可控云台的转向及大小，解决了低空监视雷达常常不能正确探测飞行目标的技术问题。

Description

图像/激光测距/低空脉冲雷达一体化系统

技术领域

本发明雷达跟踪系统，特别涉及图像/激光测距/低空脉冲雷达一体化系统，属于信息技术领域。

背景技术

低空雷达是低空空管的必要设备，国际上对进行了多年研制；法国Thmson-CSF公司率先在其Tiger低空雷达的基础上，派生研制出了TRS2105和TRS2106机动式雷达。这两种雷达均工作在G波段，采用相干发射、频率捷变、脉冲压缩、动目标指示、恒虚警率技术和四种工作方式。两者均具有很高的抗电子干扰性能并装有一个处理装置，该处理装置的特点是：使雷达能很好地适应环境并自动预定和跟踪本地目标。TRS 2105安装在一辆两轴拖车上的方舱中。该方舱上架设了一个可折叠的8m天线杆，支承一部3´1.6m天线。该雷达工作在G波段（550MHz），峰值功率为70kW，平均功率为1kW，作用距离65/100 km，天线转速5.5～11 rpm，能自动跟踪60个目标。为了提高雷达的作用距离，天线架设到了8m的高度。TRS 2106是TRS 2105的变型，特别适用于战场作战，其工作频率为550MHz，作用距离50km，峰值功率8kW，平均功率250Ｗ，水平波束宽度1.7°。该雷达采用转速为30r/min的平面阵天线，能自动跟踪90个目标。目前法国又研制成功了三坐标低空监视雷达RAC和FLIR。RAC雷达工作在G/H波段（4～8GHz），提供了作用距离在100km范围内大气层衰减、发射功率、分辨率和天线尺寸与小目标（如在严重杂波环境中超低空飞行的小目标）探测间的最佳折衷。RAC采用了一种现代化的超低副辨平面相控阵天线，运用了数字脉压和动目标检测等先进技术，具有很强的抗干扰能力。它的作用距离可达100km，可探测速度为900m/s的目标，距离精度为5m，方位/仰角精度小于0.1角秒。

意大利赛莱尼亚公司研制的Pluto(冥王星)雷达是对空和海岸防御的低空监视雷达，用于探测中空、低空和超低空飞行的飞机。它可以单独使用，也可组合到防空网中作低空“补盲”雷达。Pluto雷达的特点是适合于测报中空、低空的超低空目标的方位和距离；采用相位编码脉冲压缩以取得高的距离分辨率和精度。由于在回波处理中采用了杂波环境自适应，因而该雷达在强杂波干扰环境中能识别目标。它的工作波长为10cm，发射机可按固定频率、随机或预编程频率捷变以及自适应频率选择方式工作，峰值功率大于135kW，对低空目标的探测距离可达110km。

德国AEG-Telefunken公司研制了TRM-3D和TRM-L低空监视雷达。TRM-L有2D型和3D型。该系统采用了发射频率捷变、脉冲重复频率捷变、极化捷变和脉冲压缩及脉冲相位编码等技术，因而具有高抗电子干扰性能。它通过先进的信号处理方法实现对反辐射导弹和低空飞机的高概率探测，一条附加通道保证了对直升机的可靠探测，天线综合了副瓣抑制和IFF功能，可架设到12m高。该雷达的消耗功率为38kW，对雷达截面3m2目标的作用距离是60km，探测概率80%；对雷达截面1m2目标的作用距离是46km，探测概率80%；数据更新时间按工作方式的不同取2～4s。

美国雷声公司目前新研制了机动式雷达MRSR，ITT-Gilfillan公司正在研制全固态相控阵低空补盲雷达STAR。MRSR是一种高机动、3D、多功能监视雷达，工作在I/J频段，方位机扫，仰角采用相控阵扫描，可以捕获和跟踪方位360°上所有战术高度上的低空目标。该雷达采用了低噪声固态发射机和超低副瓣天线以及低截获概率波形等先进技术，使雷达能够探测和跟踪现代战场环境中低空突防的目标。MRSR具有良好的抗干扰能力，由于它的多波束工作特点，因而还有诱骗反辐射导弹寻的器的功能。该雷达机动灵活，操作简单，整个系统装在一个车箱里，只需要一个人操作。

瑞典的“长颈鹿” 系列雷达是典型的低空监视雷达，该系列雷达的天线均被架高，主要用于对付低空威胁。瑞典Ericsson公司于50年代末开始研制脉冲多普勒雷达系统，“长颈鹿” 基本型雷达最初是为瑞典陆军RBS-70 近程SAM 系统设计的。该雷达于1978年开始生产，命名为PS-70/R，出口名称为Bofors。随着新的战术思想的发展以及武装直升机的广泛应用，该公司不断改进“长颈鹿”雷达，于1988年3月开始在基本型雷达的基础上推出了“长颈鹿”雷达系列，使其从搜索雷达发展成为具有指挥控制功能的C3I系统。该系列包括6种型号的雷达：“长颈鹿”40型，“长颈鹿”50AT型，“长颈鹿”75型以及“长颈鹿”100型、“长颈鹿”3D型和舰载型“长颈鹿”。 该类雷达的主要用途是对付空中威胁，尤其是对付严重的杂波干扰环境中和严重的电磁干扰情况下的超低空目标。

然而，雷达对低空飞行目标检测、跟踪时将会面临以下问题：1) 地形地物遮挡：由于直线传播的雷达电波只能在一定的视距范围内才能发现目标，地球是一个球体,“地球曲率”会大大缩减雷达的有效探测距离。当雷达发射的电磁波遇到山脉、丘陵和森林等障碍物时，障碍物会对雷达造成屏蔽作用，形成地物干扰和盲区。地形、地物造成的雷达天线遮蔽角大大缩短了雷达对低空目标的有效探测距离；2) 地形多径效应。雷达电磁波的直射波、地面(海面)反射波和目标发射波的组合会产生多径干涉效应,导致仰角上波束分裂；3) 强表面杂波。要探测低空目标,雷达势必会接收到强地面(海面)反射的背景杂波,这是与目标回波处于相同雷达分辨单元的表面反射波；4）建立合理的探测覆盖时，一般二维探测在方位上为窄波束，仰角上为余割平方波束。因此，低空监视雷达常常不能正确探测飞行目标。

发明内容

为了解决低空监视雷达常常不能正确探测飞行目标的技术缺陷，本发明提供了图像/激光测距/低空脉冲雷达一体化系统，该系统通过对低空脉冲雷达扫描探测目标较准确时和低空脉冲雷达扫描探测目标误差过大或在死区时的分类，给出了低空脉冲雷达探测到目标的位置和速度信息、图像和激光测距仪再确认的目标监控方法；当低空脉冲雷达扫描探测目标误差过大或在死区时，由图像和激光测距监控，图像采集处理系统对CCD输入图像解码，将相邻两帧图像中指定的同一区域在FPGA进行比较，获得有无目标运动信息；通过FPGA直接提取目标中心、运动偏移量和速度，并根据目标中心和运动速度确定承载图像/激光系统的两轴可控云台的转向及大小，解决了低空监视雷达常常不能正确探测飞行目标的技术问题。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是，一种图像/激光测距/低空脉冲雷达一体化系统，其特征包括以下特点：

1）图像/激光测距/低空脉冲雷达一体化系统由低空脉冲雷达、多路可见光CCD和红外CCD、可见光CCD和红外CCD固定焦距镜头、可见光CCD和红外CCD自动变焦镜头、承载低空脉冲雷达系统的两轴可控云台、承载图像/激光系统的两轴可控云台、激光测距仪、北斗或GPS或GNSS、图像采集处理系统、承载低空脉冲雷达系统的两轴可控云台控制系统、承载图像/激光系统的两轴可控云台控制系统和自动变焦镜头控制器组成；多路可见光CCD和红外CCD和激光测距仪都安装在承载图像/激光系统的两轴可控云台上同时转动或俯仰，激光测距仪安装于中央，多路可见光CCD和红外CCD安装于两侧；承载图像/激光系统的两轴可控云台固定安装在承载低空脉冲雷达系统的两轴可控云台的方位轴上，与承载低空脉冲雷达系统的两轴可控云台同时进行方位旋转但不俯仰；

2）低空脉冲雷达扫描探测目标较准确时的监控方法为：

a) 低空脉冲雷达探测到目标的位置和速度信息，承载图像/激光系统的两轴可控云台控制系统根据低空脉冲雷达探测到目标的位置信息与承载图像/激光系统的两轴可控云台安装位置给出该两轴可控云台的方位角和高低角控制指令，自动变焦镜头控制器根据目标位置与承载图像/激光系统的两轴可控云台安装位置之间的斜距给出可见光CCD和红外CCD自动变焦镜头的控制指令，使得获得的目标CCD图像的大小适中，图像采集处理系统完成图像采集和目标行心分析，并使得激光测距仪发射激光时对准目标中心邻域内；激光测距仪发射激光获得激光测距仪镜头与目标位置的斜距；

b) 当低空脉冲雷达探测到目标的位置和速度信息有误差且较小时，承载图像/激光系统的两轴可控云台控制系统给出转动及俯仰指令控制承载图像/激光系统的两轴可控云台自动搜寻到目标，图像采集处理系统完成图像采集和目标图像形状中心分析，承载图像/激光系统的两轴可控云台控制系统再次给出转动及俯仰指令使得激光测距仪发射激光时对准目标中心邻域内；激光测距仪发射激光获得激光测距仪镜头与目标位置的斜距；

3）低空脉冲雷达扫描探测目标误差过大或在死区时由图像和激光测距监控：

（a）图像采集处理系统对CCD输入图像解码、将相邻两帧图像中指定的同一区域在FPGA进行比较，获得有无目标运动信息；用高速时钟按设定的区域随解码芯片输出的图像数据流对当前帧图像与存入SRAM中的上一帧图像作绝对差分，差分结果与固定阈值进行比较，大于阈值为有运动像素点，否则为无运动像素点；对有运动像素点进行统计，大于设定阈值时认为有运动目标，否则认为无运动目标；

（b）用FPGA进行图像阈值分割，检测到有运动目标后再对包含目标的设定区域进行灰度统计并计算灰度平均值；

（c）通过FPGA提取目标中心、计算运动偏移量和速度；

（d）通过FPGA预测下一帧图像中的目标中心位置；

（e）承载图像/激光系统的两轴可控云台控制系统给出该两轴可控云台的方位角和高低角控制指令，使得激光测距仪发射激光时对准目标中心邻域内；激光测距仪发射激光获得激光测距仪镜头与目标位置的斜距；

4）低空脉冲雷达的信号发射和处理流程：雷达发射机在每一个发射周期内的发送的脉冲信号为：

其中， 为发送的脉冲信号，为频率，为正常数，为正整数，， …，，，，，…，, ,为脉冲间隙时间，；

经隔离器和多次放大后加至天线，形成发射信号,发射信号在传播过程中遇到目标并反射产生回波信号，接收机将接收到的回波信号与本振信号混频后得到零差拍信号，零差拍信号经过多次放大和匹配滤波后进入信号处理器进行模数变换，得到数字信号，之后经过FFT变换，进行谱分析，从频域中得到雷达相对于目标的径向距离；

5）低空脉冲雷达探测到目标位置信息与激光测距仪测得的信息进行融合，融合方法为：

其中，为激光测距仪镜头与目标位置的斜距的融合值，为低空脉冲雷达测得的斜距值，为激光测距仪测得的斜距值，为低空脉冲雷达测得斜距值的方差，为激光测距仪测得斜距值的方差。

本发明的有益结果是：通过对低空脉冲雷达扫描探测目标较准确时和低空脉冲雷达扫描探测目标误差过大或在死区时的分类，给出了低空脉冲雷达探测到目标的位置和速度信息、图像和激光测距仪再确认的目标监控方法；当低空脉冲雷达扫描探测目标误差过大或在死区时，由图像和激光测距监控，图像采集处理系统对CCD输入图像解码，将相邻两帧图像中指定的同一区域在FPGA进行比较，获得有无目标运动信息；通过FPGA直接提取目标中心、运动偏移量和速度，并根据目标中心和运动速度确定承载图像/激光系统的两轴可控云台的转向及大小，解决了低空监视雷达常常不能正确探测飞行目标的技术问题。

下面结合实例对本发明作详细说明。

具体实施方式

1）图像/激光测距/低空脉冲雷达一体化系统由低空脉冲雷达、2路可见光CCD和2路红外CCD、1个60mm可见光CCD固定焦距镜头、1个60mm红外CCD固定焦距镜头、1个10-200mm可见光CCD自动变焦镜头、1个10-200mm红外CCD自动变焦镜头、可见光CCD和红外CCD固定焦距镜头、可见光CCD和红外CCD自动变焦镜头、承载低空脉冲雷达系统的两轴可控云台、承载图像/激光系统的两轴可控云台、激光测距仪、北斗或GPS或GNSS、图像采集处理系统、承载低空脉冲雷达系统的两轴可控云台控制系统、承载图像/激光系统的两轴可控云台控制系统和自动变焦镜头控制器组成；多路可见光CCD和红外CCD和激光测距仪都安装在承载图像/激光系统的两轴可控云台上同时转动或俯仰，激光测距仪安装于中央，多路可见光CCD和红外CCD安装于两侧；承载图像/激光系统的两轴可控云台固定安装在承载低空脉冲雷达系统的两轴可控云台的方位轴上，与承载低空脉冲雷达系统的两轴可控云台同时进行方位旋转但不俯仰；

2）低空脉冲雷达扫描探测目标较准确时的监控方法为：

a) 低空脉冲雷达探测到目标的位置和速度信息，承载图像/激光系统的两轴可控云台控制系统根据低空脉冲雷达探测到目标的位置信息与承载图像/激光系统的两轴可控云台安装位置给出该两轴可控云台的方位角和高低角控制指令，自动变焦镜头控制器根据目标位置与承载图像/激光系统的两轴可控云台安装位置之间的斜距给出可见光CCD和红外CCD自动变焦镜头的控制指令，使得获得的目标CCD图像的大小适中，图像采集处理系统完成图像采集和目标行心分析，并使得激光测距仪发射激光时对准目标中心邻域内；激光测距仪发射激光获得激光测距仪镜头与目标位置的斜距；

b) 当低空脉冲雷达探测到目标的位置和速度信息有误差且较小时，承载图像/激光系统的两轴可控云台控制系统给出转动及俯仰指令控制承载图像/激光系统的两轴可控云台自动搜寻到目标，图像采集处理系统完成图像采集和目标图像形状中心分析，承载图像/激光系统的两轴可控云台控制系统再次给出转动及俯仰指令使得激光测距仪发射激光时对准目标中心邻域内；激光测距仪发射激光获得激光测距仪镜头与目标位置的斜距；

3）低空脉冲雷达扫描探测目标误差过大或在死区时由图像和激光测距监控：

（a）图像采集处理系统对CCD输入图像解码、将相邻两帧图像中指定的同一区域在FPGA进行比较，获得有无目标运动信息；用高速时钟按设定的区域随解码芯片输出的图像数据流对当前帧图像与存入SRAM中的上一帧图像作绝对差分，差分结果与固定阈值进行比较，大于阈值为有运动像素点，否则为无运动像素点；对有运动像素点进行统计，大于设定阈值时认为有运动目标，否则认为无运动目标；

（b）用FPGA进行图像阈值分割，检测到有运动目标后再对包含目标的设定区域进行灰度统计并计算灰度平均值；

（c）通过FPGA提取目标中心、计算运动偏移量和速度；

（d）通过FPGA预测下一帧图像中的目标中心位置；

（e）承载图像/激光系统的两轴可控云台控制系统给出该两轴可控云台的方位角和高低角控制指令，使得激光测距仪发射激光时对准目标中心邻域内；激光测距仪发射激光获得激光测距仪镜头与目标位置的斜距；

4）低空脉冲雷达的信号发射和处理流程：雷达发射机在每一个发射周期内的发送的脉冲信号为：

其中， 为发送的脉冲信号，为频率，为正常数，为正整数，， ，…，，，，，…，, ,为脉冲间隙时间，；

5）低空脉冲雷达探测到目标位置信息与激光测距仪测得的信息进行融合，融合方法为：

其中，为激光测距仪镜头与目标位置的斜距的融合值，为低空脉冲雷达测得的斜距值，为激光测距仪测得的斜距值，为低空脉冲雷达测得斜距值的方差，为激光测距仪测得斜距值的方差。

Claims (1)

1.一种图像/激光测距/低空脉冲雷达一体化系统，其特征包括以下特点：

1）图像/激光测距/低空脉冲雷达一体化系统由低空脉冲雷达、多路可见光CCD和红外CCD、可见光CCD和红外CCD固定焦距镜头、可见光CCD和红外CCD自动变焦镜头、承载低空脉冲雷达系统的两轴可控云台、承载图像/激光系统的两轴可控云台、激光测距仪、北斗或GPS或GNSS、图像采集处理系统、承载低空脉冲雷达系统的两轴可控云台控制系统、承载图像/激光系统的两轴可控云台控制系统和自动变焦镜头控制器组成；多路可见光CCD和红外CCD和激光测距仪都安装在承载图像/激光系统的两轴可控云台上同时转动或俯仰，激光测距仪安装于中央，多路可见光CCD和红外CCD安装于两侧；承载图像/激光系统的两轴可控云台固定安装在承载低空脉冲雷达系统的两轴可控云台的方位轴上，与承载低空脉冲雷达系统的两轴可控云台同时进行方位旋转但不俯仰；

2）低空脉冲雷达扫描探测目标较准确时的监控方法为：

a) 低空脉冲雷达探测到目标的位置和速度信息，承载图像/激光系统的两轴可控云台控制系统根据低空脉冲雷达探测到目标的位置信息与承载图像/激光系统的两轴可控云台安装位置给出该两轴可控云台的方位角和高低角控制指令，自动变焦镜头控制器根据目标位置与承载图像/激光系统的两轴可控云台安装位置之间的斜距给出可见光CCD和红外CCD自动变焦镜头的控制指令，使得获得的目标CCD图像的大小适中，图像采集处理系统完成图像采集和目标行心分析，并使得激光测距仪发射激光时对准目标中心邻域内；激光测距仪发射激光获得激光测距仪镜头与目标位置的斜距；

b) 当低空脉冲雷达探测到目标的位置和速度信息有误差且较小时，承载图像/激光系统的两轴可控云台控制系统给出转动及俯仰指令控制承载图像/激光系统的两轴可控云台自动搜寻到目标，图像采集处理系统完成图像采集和目标图像形状中心分析，承载图像/激光系统的两轴可控云台控制系统再次给出转动及俯仰指令使得激光测距仪发射激光时对准目标中心邻域内；激光测距仪发射激光获得激光测距仪镜头与目标位置的斜距；

3）低空脉冲雷达扫描探测目标误差过大或在死区时由图像和激光测距监控：

（a）图像采集处理系统对CCD输入图像解码、将相邻两帧图像中指定的同一区域在FPGA进行比较，获得有无目标运动信息；用高速时钟按设定的区域随解码芯片输出的图像数据流对当前帧图像与存入SRAM中的上一帧图像作绝对差分，差分结果与固定阈值进行比较，大于阈值为有运动像素点，否则为无运动像素点；对有运动像素点进行统计，大于设定阈值时认为有运动目标，否则认为无运动目标；

（b）用FPGA进行图像阈值分割，检测到有运动目标后再对包含目标的设定区域进行灰度统计并计算灰度平均值；

（c）通过FPGA提取目标中心、计算运动偏移量和速度；

（d）通过FPGA预测下一帧图像中的目标中心位置；

（e）承载图像/激光系统的两轴可控云台控制系统给出该两轴可控云台的方位角和高低角控制指令，使得激光测距仪发射激光时对准目标中心邻域内；激光测距仪发射激光获得激光测距仪镜头与目标位置的斜距；

4）低空脉冲雷达的信号发射和处理流程：雷达发射机在每一个发射周期内的发送的脉冲信号为：

其中， 为发送的脉冲信号，为频率，为正常数，为正整数，， ,…,，，，，…，, ,为脉冲间隙时间，；

经隔离器和多次放大后加至天线，形成发射信号,发射信号在传播过程中遇到目标并反射产生回波信号，接收机将接收到的回波信号与本振信号混频后得到零差拍信号，零差拍信号经过多次放大和匹配滤波后进入信号处理器进行模数变换，得到数字信号，之后经过FFT变换，进行谱分析，从频域中得到雷达相对于目标的径向距离；

5）低空脉冲雷达探测到目标位置信息与激光测距仪测得的信息进行融合，融合方法为：

其中，为激光测距仪镜头与目标位置的斜距的融合值，为低空脉冲雷达测得的斜距值，为激光测距仪测得的斜距值，为低空脉冲雷达测得斜距值的方差，为激光测距仪测得斜距值的方差。