CN105372665B - 一种红外毫米波测距设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种红外毫米波测距设备及方法，方法包括：控制主机同时控制红外测方位角度子系统和毫米波测距子系统工作，一方面，驱动红外测方位角度子系统旋转搜索检测目标，并接收所述红外测方位角度子系统检测到的各个检测目标的方位值；另一方面，驱动毫米波测距子系统旋转搜索检测目标，并接收所述毫米波测距子系统检测到的各个检测目标的距离值；控制主机对接收到的各个检测目标的方位值和距离值进行整合，得到同一检测目标的方位值和距离值。将红外毫米波测距技术与红外成像测方向技术结合到一起，能精确测量检测目标的方位角度信息和距离信息，使监控人员可以准确的获知目标的具体位置，实现对目标的精确定位。

Description

一种红外毫米波测距设备及方法

技术领域

本发明属于红外毫米波测距技术领域，具体涉及一种红外毫米波测距设备及方法。

背景技术

科技的发展使得各个领域对安全防范越来越重视，尤其是在防止目标入侵方面，人们的监控需求已经并不仅仅局限于监控是否有待监控目标入侵，而是需要精确监控到监控目标距离安全区域的具体距离值。

因此，现有技术中出现了距离检测技术，例如，超声波测距、激光测距、毫米波测距、红外测距等。上述各种距离检测技术各有利弊，分析如下：(1)超声波测距：虽然超声波在长距离和短距离条件下均能很好的进行传输和反射，但是，由于超声波容易受到空气中的温度、湿度、压强等因素的影响，因此，一般适用于短距离测量领域。(2)激光测距技术：虽然具有测量时间短、量程大、精度高等优点，但是，由于对工作环境和载体的稳定性等有比较苛刻的要求，因此，一般适用于工作环境比较稳定的长距离测量。(3)毫米波测距技术：虽然具有探测性能稳定、环境适应性能好以及测量距离信息精确等优点，但在长距离传输过程中，与激光相比，毫米波损耗较大、回波较微弱，因此，一般适用于几米到几百米的中短距离测量。(4)红外测距：虽然可以精确的测量物体的方位角度信息，但是测量距离信息的误差相对较大。

在一些特殊领域，需要对入侵目标的距离信息以及距离检测台的方位角度信息进行全面监控，然后才能对入侵目标采取一系列防范措施，将损失降到最小。而以上各种距离检测技术，无法应用于远距离、工作环境比较苛刻的条件下精确测量侵入目标的距离、角度双重位置信息，具有较大的使用局限性。

因此，同时实现远距离精确的测量目标的距离信息和角度信息存在很大的难度，探索一种在远距离、工作环境比较苛刻的条件下精确测量侵入目标的距离、角度双重位置信息的新方法具有重要现实意义。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种红外毫米波测距设备及方法，可以在工作环境经常变动等不稳定状态下，快速、高精度、远距离测量目标的距离和角度双重位置信息，实现对目标的有效监控。

本发明采用的技术方案如下：

本发明还提供一种红外毫米波测距设备，包括：红外测方位角度子系统、毫米波测距子系统以及控制主机；所述控制主机分别与所述红外测方位角度子系统和所述毫米波测距子系统连接；

其中，所述毫米波测距子系统包括毫米波发射及信号处理模块、合成网络控制模块、有源相控阵收发组件、第一电机驱动系统和显示模块；所述毫米波发射及信号处理模块与所述合成网络控制模块双向通信连接，所述合成网络控制模块与所述有源相控阵收发组件双向通信连接，所述毫米波发射及信号处理模块的输出端与所述显示模块连接；另外，所述控制主机的一端与所述毫米波发射及信号处理模块双向通信连接，所述控制主机的另一端与所述第一电机驱动系统双向通信连接，所述第一电机驱动系统的输出端与所述有源相控阵收发组件连接；

所述红外测方位角度子系统包括：红外镜头、摆镜、凝视型红外面阵探测器、视频处理及显示系统和第二电机驱动系统；在所述摆镜的前方固定安装所述红外镜头，在所述摆镜的后方固定安装所述凝视型红外面阵探测器；所述凝视型红外面阵探测器的输出端与所述视频处理及显示系统的输入端连接；所述控制主机的一端与所述视频处理及显示系统双向通信连接，所述控制主机的另一端与所述第二电机驱动系统双向通信连接，所述电机驱动系统的输出端与所述摆镜连接，用于控制所述摆镜的扫描运动。

优选的，所述第一电机驱动系统和所述第二电机驱动系统的结构相同，均包括：电机、电流检测模块、转速检测模块、滞环电流控制器、三相整流电路、功率放大电路和DSP控制模块；

所述三相整流电路的输出端与所述功率放大电路的第一输入端连接，所述功率放大电路的输出端与所述电机的输入端连接；

所述转速检测模块的输入端与所述电机连接，所述转速检测模块的输出端与所述DSP控制模块的输入端连接，所述DSP控制模块的输出端连接到所述滞环电流控制器的第一输入端；

所述电流检测模块的输入端与所述电机连接，所述电流检测模块的输出端连接到所述滞环电流控制器的第二输入端；

所述滞环电流控制器的输出端反馈连接到所述功率放大电路的第二输入端。

优选的，所述有源相控阵收发组件包括n个收发单元，分别记为：收发单元1、收发单元2…收发单元n；其中，n为自然数；

对于任意的收发单元i，i∈(1，2…n)，均包括：天线i、收发组件i和程控开关控制模块i；其中，收发组件i包括第i-1发射/接收模块和第i-2发射/接收模块；程控开关控制模块i的第一端通过第i-1发射/接收模块与天线i进行双向通信连接，程控开关控制模块i的第二端通过第i-2发射/接收模块与天线i进行双向通信连接，程控开关控制模块i的第三端与合成网络控制模块双向通信连接。

优选的，所述有源相控阵收发组件所包括的各个收发单元具有不同的发射功率。

本发明还提供一种红外毫米波测距方法，包括以下步骤：

S1，控制主机同时控制红外测方位角度子系统和毫米波测距子系统工作，一方面，驱动红外测方位角度子系统旋转搜索检测目标，并接收所述红外测方位角度子系统检测到的各个检测目标的方位值；另一方面，驱动毫米波测距子系统旋转搜索检测目标，并接收所述毫米波测距子系统检测到的各个检测目标的距离值；

S2，控制主机对接收到的各个检测目标的方位值和距离值进行整合，得到同一检测目标的方位值和距离值。

优选的，S1中，控制主机驱动红外测方位角度子系统旋转搜索检测目标，并接收所述红外测方位角度子系统检测到的各个检测目标的方位值，具体为：

S1.1，红外镜头接收搜索区域中各个物体所发出的红外线；

S1.2，控制主机按控制策略向第二电机驱动系统发送控制指令，进而通过第二电机驱动系统控制摆镜对红外镜头所接收到的红外线进行周期性扫描；

S1.3，凝视型红外面阵探测器不断对所述摆镜扫描到的红外线进行成像操作，得到多个检测目标图像；

S1.4，控制主机控制视频处理及显示系统，使其实时获取所述凝视型红外面阵探测器得到的检测目标图像，对获取到的多个检测目标图像进行视频拼接处理，将多点检测目标同时显示在一个屏幕上；同时，通过对获取到的多个检测目标图像进行分析，得到各个检测目标的方位值。

优选的，S1中，控制主机驱动毫米波测距子系统旋转搜索检测目标，并接收所述毫米波测距子系统检测到的各个检测目标的距离值，具体为：

S1-1，当需要搜索目标区域时，控制主机同时向毫米波发射及信号处理模块和第一电机驱动系统发送启动信号，同时，控制主机向毫米波发射及信号处理模块发送第一控制参数，向第一电机驱动系统发送第二控制参数；

S1-2，所述第一电机驱动系统根据所述第二控制参数控制有源相控阵收发组件旋转；

所述毫米波发射及信号处理模块根据所述第一控制参数产生毫米波，并将产生的所述毫米波发送到合成网络控制模块；

S1-3，所述合成网络控制模块根据测距需要，计算出发射波的功率值，设该功率值为X；然后，基于功率X值确定需选取的收发单元个数，设为m；其中，m≤n；

然后，从n个收发单元中选取m个收发单元，该m个收发单元的发射功率和即为m，m个收发单元组成功率值为X的合成网络；

然后，合成网络控制模块将接收到的毫米波复用给合成网络中的m个收发单元，m个收发单元分别对毫米波进行功率放大处理，然后在空间叠加合成，即得到功率值为X的发射波，然后，向外发射该发射波；

S1-4，所发射的发射波遇物体后形成反射回波，所述反射回波通过有源相控阵收发组件被所述合成网络控制模块接收；

所述合成网络控制模块将接收到的反射回波传输给所述毫米波发射及信号处理模块；

S1-5，所述毫米波发射及信号处理模块对接收到的反射回波进行信号处理，得到本次探测到的检测目标的距离值；

S1-6，所述毫米波发射及信号处理模块将所述距离值显示到显示模块。

优选的，所述第一控制参数为毫米波发射及信号处理模块发射毫米波的发射频率值；所述第二控制参数为第一电机驱动系统的初始转速值。

优选的，S1-3中，对于m个收发单元所组成的合成网络，m个收发单元中的任意一个收发单元j，包括：天线i、收发组件i和程控开关控制模块i，其中，收发组件i包括第i-1发射/接收模块和第i-2发射/接收模块；

采用以下工作模式：

在程控开关控制模块i的控制下，控制第i-1发射/接收模块为发射状态，记为发射单元，控制第i-2发射/接收模块为接收状态，记为接收单元；

则：程控开关控制模块i以发射单元和接收单元的转换周期为开关闭合时间周期，进而对发射单元和接收单元进行切换选择；其中，发射单元和接收单元的转换周期T1是指：当前时刻，发射单元为工作状态，向外发射电磁波，接收单元为非工作状态，不接收电磁波；经过周期时间T1后，发射单元非工作状态，不向外发射电磁波，接收单元为工作状态，接收电磁波；

切换选择过程为：

当前时刻，切换到发射单元为通状态，接收单元为断状态；经过周期T1后，切换到发射单元为断状态，接收单元为通状态。

优选的，所述第一电机驱动系统和所述第二电机驱动系统均采用以下方法，实现对电机的稳态旋转控制：

S1-a，三相整流电路将整流后的电流传输给功率放大电路，功率放大电路将功率放大后传输给电机，进而驱动电机转动；在电机转动过程中，转速检测模块检测电机的当前转速信息，并将检测到的当前转速信息传输给DSP控制模块；同时，电流检测模块检测电机的当前电流信号，并将检测到的当前电流信号传输给滞环电流控制器；

S1-b，DSP控制模块对接收到的当前转速信息进行信号处理，将其转化为电流信号，并将转化后的电流信号传输给滞环电流控制器；

S1-c，所述滞环电流控制器比对来自所述DSP控制模块的转化后的电流信号以及来自所述电流检测模块的当前电流信号，得到用于控制电机稳态旋转的调控指令，并将该调控指令作用于功率放大电路，改变功率放大电路的功率放大倍数，进而调整电机的供电电源，使电机稳态旋转，由此实现对电机的双闭环反馈控制。

本发明提供的红外毫米波测距设备及方法，将红外毫米波测距技术与红外成像测方向技术结合到一起，对现有技术的红外毫米波测距技术进行了改进，具有以下优点：

(1)有源相控阵收发组件中的多种收发单元通过合成网络控制模块的控制，可以合成具有发射不同功率毫米波能力的组件，从而可以实现远、中、近不同距离的测量的需求；

(2)能精确测量检测目标的方位角度信息和距离信息，使监控人员可以准确的获知目标的具体位置，实现对目标的精确定位。

附图说明

图1为本发明提供的红外毫米波测距设备的工作原理示意图；

图2为本发明提供的红外毫米波测距设备的外部结构示意图；

图3为有源相控阵收发组件的结构示意图；

图4为电机驱动系统的结构原理图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行详细说明：

如图1所示，为本发明提供的红外毫米波测距设备的工作原理示意图；如图2所示，为本发明提供的红外毫米波测距设备的外部结构示意图；图2中，标号1为红外测方位角度子系统，包括红外镜头、摆镜、凝视型红外面阵，2为有源相控阵收发组件，3为第一电机驱动系统，4为第二电机驱动系统，5为控制主机箱，包括毫米波发射及信号处理模块、合成网络控制模块、显示模块、视频处理及显示系统和控制主机。红外毫米波测距设备包括：红外测方位角度子系统、毫米波测距子系统以及控制主机；所述控制主机分别与所述红外测方位角度子系统和所述毫米波测距子系统连接；在控制主机的控制下，红外测方位角度子系统用于测量目标的方位值，毫米波测距子系统用于测量目标的距离值。

具体的，控制主机同时控制红外测方位角度子系统和毫米波测距子系统工作，一方面，驱动红外测方位角度子系统旋转搜索检测目标，并接收所述红外测方位角度子系统检测到的各个检测目标的方位值；另一方面，驱动毫米波测距子系统旋转搜索检测目标，并接收所述毫米波测距子系统检测到的各个检测目标的距离值；然后，控制主机对接收到的各个检测目标的方位值和距离值进行整合，得到同一检测目标的方位值和距离值。

以下对红外测方位角度子系统和毫米波测距子系统的结构和工作过程分别详细介绍：

(一)毫米波测距子系统

毫米波测距子系统包括毫米波发射及信号处理模块、合成网络控制模块、有源相控阵收发组件、第一电机驱动系统和显示模块；所述毫米波发射及信号处理模块与所述合成网络控制模块双向通信连接，所述合成网络控制模块与所述有源相控阵收发组件双向通信连接，所述毫米波发射及信号处理模块的输出端与所述显示模块连接；另外，所述控制主机的一端与所述毫米波发射及信号处理模块双向通信连接，所述控制主机的另一端与所述第一电机驱动系统双向通信连接，所述第一电机驱动系统的输出端与所述有源相控阵收发组件连接。

其中，天线的作用为：发射和接收毫米波，以及，接收并发射反射回波；

有源相控阵收发组件包括n个收发单元，分别记为：收发单元1、收发单元2…收发单元n；其中，n为自然数；

对于任意的收发单元i，i∈(1，2…n)，均包括：天线i、收发组件i和程控开关控制模块i；其中，收发组件i包括第i-1发射/接收模块和第i-2发射/接收模块；程控开关控制模块i的第一端通过第i-1发射/接收模块与天线i进行双向通信连接，程控开关控制模块i的第二端通过第i-2发射/接收模块与天线i进行双向通信连接，程控开关控制模块i的第三端与合成网络控制模块双向通信连接。

程控开关控制模块的作用为：对同一收发组件中的两个发射/接收模块进行切换选择，并且，转换周期为开关闭合时间周期。具体的，m个收发单元中的任意一个收发单元j，包括：天线i、收发组件i和程控开关控制模块i，其中，收发组件i包括第i-1发射/接收模块和第i-2发射/接收模块；采用以下工作模式：

在程控开关控制模块i的控制下，控制第i-1发射/接收模块为发射状态，记为发射单元，控制第i-2发射/接收模块为接收状态，记为接收单元；

则：程控开关控制模块i以发射单元和接收单元的转换周期为开关闭合时间周期，进而对发射单元和接收单元进行切换选择；其中，发射单元和接收单元的转换周期T1是指：当前时刻，发射单元为工作状态，向外发射电磁波，接收单元为非工作状态，不接收电磁波；经过周期时间T1后，发射单元非工作状态，不向外发射电磁波，接收单元为工作状态，接收电磁波；

切换选择过程为：

当前时刻，切换到发射单元为通状态，接收单元为断状态；经过周期T1后，切换到发射单元为断状态，接收单元为通状态。

通过上述控制方式，可以保证收发组件中两个发射/接收模块紧密配合工作，不间断的发射和接收电磁波，避免单个收发组件出现下述情况：在发射单元发射电磁波后，因接收单元关闭而无法接收到回波，从而导致无法测距。

合成网络控制模块与有源相控阵中的各类收发单元分别相连，可以通过控制，组合出不同功率的毫米波发射，达到对远、中、近不同距离的测量，合成网络控制模块另一端与毫米波发射及信号处理模块连接，可以将产生的Ka波段毫米波分配给有源相控阵收发组件中的各个收发组件进行放大发射，也可以将各个组件接收到的反射回波反馈给毫米波发射及信号处理模块，对反射波进行处理。

有源相控阵收发组件所包括的各个收发单元的发射功率并非完全相同，可根据实际情况，选择具有一定发射功率能力的收发单元。如图3所示，为有源相控阵收发组件的结构示意图，在图3中，共有30个发射/接收模块，发射/接收模块可简记为R/T模块。其中1(a)、1(b)到5(a)、5(b)为100WR/T模块，6(a)、6(b)到10(a)、10(b)为200WR/T模块，11(a)、11(b)到15(a)、15(b)为500WR/T模块。其中(a)、(b)标注的为一组收发单元，共15组，每一个收发单元由两个相同种类的R/T模块组成，因此，在合同网络控制模块的控制下，可以组成具有不同发射、接收功率能力的有源相控阵收发组件，且15组中的(a)、(b)交互发射、接收电磁波，交互周期正好为每个R/T模块的收发间隔。

由此可见，本发明中，在合成网络控制模块的控制下，可组合得到不同发射功率的毫米波，实现对远、中、近不同距离的测量，具有适用范围广的优点；此外，该有源相控阵收发组件具有多个收发单元，通过控制发射功率，能精确的接收微弱的回波，适用于稳定的长距离监控。

毫米波测距子系统的工作过程为：

S1-1，当需要搜索目标区域时，控制主机同时向毫米波发射及信号处理模块和第一电机驱动系统发送启动信号，同时，控制主机向毫米波发射及信号处理模块发送第一控制参数，向第一电机驱动系统发送第二控制参数；

其中，第一控制参数为毫米波发射及信号处理模块发射毫米波的发射频率值；所述第二控制参数为第一电机驱动系统的初始转速值；

S1-2，所述第一电机驱动系统根据所述第二控制参数控制有源相控阵收发组件旋转；

所述毫米波发射及信号处理模块根据所述第一控制参数产生毫米波，并将产生的所述毫米波发送到合成网络控制模块；

例如，毫米波发射及信号处理模块发射频率为34.7GHz的Ka波段的毫米波。

S1-3，所述合成网络控制模块根据测距需要，计算出发射波的功率值，设该功率值为X；然后，基于功率X值确定需选取的收发单元个数，设为m；其中，m≤n；

然后，从n个收发单元中选取m个收发单元，该m个收发单元的发射功率和即为m，m个收发单元组成功率值为X的合成网络；

然后，合成网络控制模块将接收到的毫米波复用给合成网络中的m个收发单元，m个收发单元分别对毫米波进行功率放大处理，然后在空间叠加合成，即得到功率值为X的发射波，然后，向外发射该发射波；

仍以图3为例，如果需要得到1000瓦发射功率的电磁波，则可以选取1个500WR/T模块、2个200WR/T模块和1个100WR/T模块；则此种情况，X＝1000，m＝4。然后，所选取的4个R/T模块分别对毫米波进行功率放大处理，经空间叠加合成，即得到功率值为1000瓦的发射波。

S1-4，所发射的发射波遇物体后形成反射回波，所述反射回波通过有源相控阵收发组件被所述合成网络控制模块接收；

所述合成网络控制模块将接收到的反射回波传输给所述毫米波发射及信号处理模块；

S1-5，所述毫米波发射及信号处理模块对接收到的反射回波进行信号处理，得到本次探测到的检测目标的距离值；

S1-6，所述毫米波发射及信号处理模块将所述距离值显示到显示模块。

另外，本发明中，红外测方位角度子系统所使用的第二电机驱动系统和毫米波测距子系统第一电机驱动系统的结构和原理均相同，最终达到对电机的稳态旋转控制。因此，仅在此处介绍电机驱动系统的结构特征和工作过程：

如图4所示，为电机驱动系统的结构原理图，电机驱动系统为高精度电机驱动系统，为一种双闭环反馈控制系统，包括：电机、电流检测模块、转速检测模块、滞环电流控制器、三相整流电路、功率放大电路和DSP控制模块；其中，电机可选用PMSM电机；

所述三相整流电路的输出端与所述功率放大电路的第一输入端连接，所述功率放大电路的输出端与所述电机的输入端连接；

所述转速检测模块的输入端与所述电机连接，所述转速检测模块的输出端与所述DSP控制模块的输入端连接，所述DSP控制模块的输出端连接到所述滞环电流控制器的第一输入端；

所述电流检测模块的输入端与所述电机连接，所述电流检测模块的输出端连接到所述滞环电流控制器的第二输入端；

所述滞环电流控制器的输出端反馈连接到所述功率放大电路的第二输入端。

电机驱动系统均采用以下方法，实现对电机的稳态旋转控制：

S1-a，三相整流电路将整流后的电流传输给功率放大电路，功率放大电路将功率放大后传输给电机，进而驱动电机转动；在电机转动过程中，转速检测模块检测电机的当前转速信息，并将检测到的当前转速信息传输给DSP控制模块；同时，电流检测模块检测电机的当前电流信号，并将检测到的当前电流信号传输给滞环电流控制器；

S1-b，DSP控制模块对接收到的当前转速信息进行信号处理，将其转化为电流信号，并将转化后的电流信号传输给滞环电流控制器；

S1-c，所述滞环电流控制器比对来自所述DSP控制模块的转化后的电流信号以及来自所述电流检测模块的当前电流信号，得到用于控制电机稳态旋转的调控指令，并将该调控指令作用于功率放大电路，改变功率放大电路的功率放大倍数，进而调整电机的供电电源，使电机稳态旋转，由此实现对电机的双闭环反馈控制。

(二)红外测方位角度子系统

红外测方位角度子系统包括：红外镜头、摆镜、凝视型红外面阵探测器、视频处理及显示系统和第二电机驱动系统；在所述摆镜的前方固定安装所述红外镜头，在所述摆镜的后方固定安装所述凝视型红外面阵探测器；所述凝视型红外面阵探测器的输出端与所述视频处理及显示系统的输入端连接；所述控制主机的一端与所述视频处理及显示系统双向通信连接，所述控制主机的另一端与所述第二电机驱动系统双向通信连接，所述电机驱动系统的输出端与所述摆镜连接，用于控制所述摆镜的扫描运动。

实际应用中，红外镜头为高精度、长焦距镜头，如焦距为300mm的长焦距红外镜头，可接收光线范围最长可达到30公里；摆镜可以为扫描频率为10kHz高速摆镜，可以高频率快速扫描红外镜头接收到的物体所发出的红外线；凝视型红外面阵可采用3um的640*480像元InSb凝视型红外面阵，可快速灵敏的对摆镜扫描图像进行成像；视频处理及显示系统通过对视频进行快速处理拼接，可以将多点追踪目标结果同时显示在一个屏幕上；控制终端可采用PC机实现，其作为系统的核心控制端，可以与视频处理及显示系统、高精度电机驱动系统实时通讯，向视频处理及显示系统或高精度电机驱动系统发送控制命令，或者，接收视频处理及显示系统以及高精度电机驱动系统所采集到的数据。

红外测方位角度子系统的工作过程为：

S1.1，红外镜头接收搜索区域中各个物体所发出的红外线；

S1.2，控制主机按控制策略向第二电机驱动系统发送控制指令，进而通过第二电机驱动系统控制摆镜对红外镜头所接收到的红外线进行周期性扫描；

S1.3，凝视型红外面阵探测器不断对所述摆镜扫描到的红外线进行成像操作，得到多个检测目标图像；

S1.4，控制主机控制视频处理及显示系统，使其实时获取所述凝视型红外面阵探测器得到的检测目标图像，对获取到的多个检测目标图像进行视频拼接处理，将多点检测目标同时显示在一个屏幕上；同时，通过对获取到的多个检测目标图像进行分析，得到各个检测目标的方位值。

以应用图3的红外毫米波测距设备为例，下面介绍一种具体实施例：

毫米波发射及信号处理模块产生峰值功率为2W、频率为34.7GHz的毫米波，所发射的毫米波经合成网络控制模块复用给有源相控阵收发组件的15组收发单元，每个收发单元经过程控开关控制模块选择一个收发组件，将毫米波功率放大成100W、200W或500W，即组合功率范围为100W～4000W；然后，发射波遇到物体时发生反射，反射回波再由天线接收，经过各收发单元、合成网络控制模块后回传给毫米波发射及信号处理模块；

高精度电机驱动系统驱动有源相控阵收发组件和摆镜旋转寻找检测目标，在电机驱动系统的驱动下，红外测方位角度子系统和毫米波测距子系统均可实现以下范围的旋转：左右360°旋转、上下30°旋转，上下旋转周期为0.25秒，左右旋转周期为1秒。然后，红外测方位角度子系统将30公里范围内目标的方位角度信息发送给控制主机；毫米波测距子系统将30公里范围内目标的距离信息发送给控制主机；其中，红外测方位角度子系统的测角精度为0.1°，毫米波测距子系统的测距精度为8米；其中，对于红外测方位角度子系统，其工作过程为：

摆镜的扫描速度为10kHz，在巡航模式下对目标进行快速成像，可以同步追踪三个目标的运动轨迹。红外镜头为长焦距镜头，可以将30公里范围内的目标发射的红外线接收到并传送给摆镜，摆镜通过高速扫描将像传递给凝视型红外面阵，凝视型红外面阵为3um的640*480像元InSb凝视阵列，可以捕捉非常微弱的红外光线。视频处理及显示系统接收到凝视型红外面阵的目标信号，通过视频拼接技术将追踪的多目标信号显示在屏幕上，使监测人员可以一次性观察多个追踪目标。控制主机通过串口对高精度电机驱动系统配置程序控制和手动控制两种控制方式，在没有发现目标时可以利用程序控制巡航搜索，发现目标后可以程序报警并通过手动控制有目的的追踪侵入目标，控制主机通过对毫米波发射及信号处理模块、视频处理及显示系统进行控制和交互信息，将最后测量的目标方位角度和距离信息整合处理，显示于显示模块上。同时，在视频处理及显示模块上可以看到探测目标的具体动向视频，视频处理及显示模块采用视频拼接技术可以对多目标进行同时监控。

综上所述，本发明提供的红外毫米波测距设备及方法，将红外毫米波测距技术与红外成像测方向技术结合到一起，对现有技术的红外毫米波测距技术进行了改进，具有以下优点：

(1)有源相控阵收发组件中的多种收发单元通过合成网络控制模块的控制，可以合成具有发射不同功率毫米波能力的组件，从而可以实现远、中、近不同距离的测量的需求；

(2)能精确测量检测目标的方位角度信息和距离信息，使监控人员可以准确的获知目标的具体位置，实现对目标的精确定位；

(3)本发明中，对于红外测方位角度子系统，通过红外镜头、摆镜和凝视型红外面阵相互配合，可在夜晚对多目标进行实实精确跟踪，视频处理及显示系统可以对跟踪的多目标视频进行拼接，在一个显示屏上实实显示多目标跟踪图像；

(4)高精度电机驱动系统可以对电机进行双闭环反馈控制，进而实现高精度、高速控制摆镜和有源相控阵收发组件旋转，搜索检控目标。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种红外毫米波测距设备，其特征在于，包括：红外测方位角度子系统、毫米波测距子系统以及控制主机；所述控制主机分别与所述红外测方位角度子系统和所述毫米波测距子系统连接；

其中，所述毫米波测距子系统包括毫米波发射及信号处理模块、合成网络控制模块、有源相控阵收发组件、第一电机驱动系统和显示模块；所述毫米波发射及信号处理模块与所述合成网络控制模块双向通信连接，所述合成网络控制模块与所述有源相控阵收发组件双向通信连接，所述毫米波发射及信号处理模块的输出端与所述显示模块连接；另外，所述控制主机的一端与所述毫米波发射及信号处理模块双向通信连接，所述控制主机的另一端与所述第一电机驱动系统双向通信连接，所述第一电机驱动系统的输出端与所述有源相控阵收发组件连接；

所述红外测方位角度子系统包括：红外镜头、摆镜、凝视型红外面阵探测器、视频处理及显示系统和第二电机驱动系统；在所述摆镜的前方固定安装所述红外镜头，在所述摆镜的后方固定安装所述凝视型红外面阵探测器；所述凝视型红外面阵探测器的输出端与所述视频处理及显示系统的输入端连接；所述控制主机的一端与所述视频处理及显示系统双向通信连接，所述控制主机的另一端与所述第二电机驱动系统双向通信连接，所述电机驱动系统的输出端与所述摆镜连接，用于控制所述摆镜的扫描运动。

2.根据权利要求1所述的红外毫米波测距设备，其特征在于，所述第一电机驱动系统和所述第二电机驱动系统的结构相同，均包括：电机、电流检测模块、转速检测模块、滞环电流控制器、三相整流电路、功率放大电路和DSP控制模块；

所述三相整流电路的输出端与所述功率放大电路的第一输入端连接，所述功率放大电路的输出端与所述电机的输入端连接；

所述转速检测模块的输入端与所述电机连接，所述转速检测模块的输出端与所述DSP控制模块的输入端连接，所述DSP控制模块的输出端连接到所述滞环电流控制器的第一输入端；

所述电流检测模块的输入端与所述电机连接，所述电流检测模块的输出端连接到所述滞环电流控制器的第二输入端；

所述滞环电流控制器的输出端反馈连接到所述功率放大电路的第二输入端。

3.根据权利要求1所述的红外毫米波测距设备，其特征在于，所述有源相控阵收发组件包括n个收发单元，分别记为：收发单元1、收发单元2…收发单元n；其中，n为自然数；

对于任意的收发单元i，i∈(1，2…n)，均包括：天线i、收发组件i和程控开关控制模块i；其中，收发组件i包括第i-1发射/接收模块和第i-2发射/接收模块；程控开关控制模块i的第一端通过第i-1发射/接收模块与天线i进行双向通信连接，程控开关控制模块i的第二端通过第i-2发射/接收模块与天线i进行双向通信连接，程控开关控制模块i的第三端与合成网络控制模块双向通信连接。

4.根据权利要求3所述的红外毫米波测距设备，其特征在于，所述有源相控阵收发组件所包括的各个收发单元具有不同的发射功率。

5.一种应用权利要求1-4任一项所述的红外毫米波测距设备的红外毫米波测距方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，控制主机同时控制红外测方位角度子系统和毫米波测距子系统工作，一方面，驱动红外测方位角度子系统旋转搜索检测目标，并接收所述红外测方位角度子系统检测到的各个检测目标的方位值；另一方面，驱动毫米波测距子系统旋转搜索检测目标，并接收所述毫米波测距子系统检测到的各个检测目标的距离值；

S2，控制主机对接收到的各个检测目标的方位值和距离值进行整合，得到同一检测目标的方位值和距离值。

6.根据权利要求5所述的红外毫米波测距方法，其特征在于，S1中，控制主机驱动红外测方位角度子系统旋转搜索检测目标，并接收所述红外测方位角度子系统检测到的各个检测目标的方位值，具体为：

S1.1，红外镜头接收搜索区域中各个物体所发出的红外线；

S1.2，控制主机按控制策略向第二电机驱动系统发送控制指令，进而通过第二电机驱动系统控制摆镜对红外镜头所接收到的红外线进行周期性扫描；

S1.3，凝视型红外面阵探测器不断对所述摆镜扫描到的红外线进行成像操作，得到多个检测目标图像；

S1.4，控制主机控制视频处理及显示系统，使其实时获取所述凝视型红外面阵探测器得到的检测目标图像，对获取到的多个检测目标图像进行视频拼接处理，将多点检测目标同时显示在一个屏幕上；同时，通过对获取到的多个检测目标图像进行分析，得到各个检测目标的方位值。

7.根据权利要求5所述的红外毫米波测距方法，其特征在于，S1中，控制主机驱动毫米波测距子系统旋转搜索检测目标，并接收所述毫米波测距子系统检测到的各个检测目标的距离值，具体为：

S1-1，当需要搜索目标区域时，控制主机同时向毫米波发射及信号处理模块和第一电机驱动系统发送启动信号，同时，控制主机向毫米波发射及信号处理模块发送第一控制参数，向第一电机驱动系统发送第二控制参数；

S1-2，所述第一电机驱动系统根据所述第二控制参数控制有源相控阵收发组件旋转；

所述毫米波发射及信号处理模块根据所述第一控制参数产生毫米波，并将产生的所述毫米波发送到合成网络控制模块；

S1-3，所述合成网络控制模块根据测距需要，计算出发射波的功率值，设该功率值为X；然后，基于功率X值确定需选取的收发单元个数，设为m；其中，m≤n；

然后，从n个收发单元中选取m个收发单元，该m个收发单元的发射功率和即为X，m个收发单元组成功率值为X的合成网络；

然后，合成网络控制模块将接收到的毫米波复用给合成网络中的m个收发单元，m个收发单元分别对毫米波进行功率放大处理，然后在空间叠加合成，即得到功率值为X的发射波，然后，向外发射该发射波；

S1-4，所发射的发射波遇物体后形成反射回波，所述反射回波通过有源相控阵收发组件被所述合成网络控制模块接收；

所述合成网络控制模块将接收到的反射回波传输给所述毫米波发射及信号处理模块；

S1-5，所述毫米波发射及信号处理模块对接收到的反射回波进行信号处理，得到本次探测到的检测目标的距离值；

S1-6，所述毫米波发射及信号处理模块将所述距离值显示到显示模块。

8.根据权利要求7所述的红外毫米波测距方法，其特征在于，所述第一控制参数为毫米波发射及信号处理模块发射毫米波的发射频率值；所述第二控制参数为第一电机驱动系统的初始转速值。

9.根据权利要求7所述的红外毫米波测距方法，其特征在于，S1-3中，对于m个收发单元所组成的合成网络，m个收发单元中的任意一个收发单元i，包括：天线i、收发组件i和程控开关控制模块i，其中，收发组件i包括第i-1发射/接收模块和第i-2发射/接收模块；

采用以下工作模式：

在程控开关控制模块i的控制下，控制第i-1发射/接收模块为发射状态，记为发射单元，控制第i-2发射/接收模块为接收状态，记为接收单元；

则：程控开关控制模块i以发射单元和接收单元的转换周期为开关闭合时间周期，进而对发射单元和接收单元进行切换选择；其中，发射单元和接收单元的转换周期T1是指：当前时刻，发射单元为工作状态，向外发射电磁波，接收单元为非工作状态，不接收电磁波；经过周期时间T1后，发射单元非工作状态，不向外发射电磁波，接收单元为工作状态，接收电磁波；

切换选择过程为：

当前时刻，切换到发射单元为通状态，接收单元为断状态；经过周期T1后，切换到发射单元为断状态，接收单元为通状态。

10.根据权利要求7所述的红外毫米波测距方法，其特征在于，所述第一电机驱动系统和所述第二电机驱动系统均采用以下方法，实现对电机的稳态旋转控制：

S1-a，三相整流电路将整流后的电流传输给功率放大电路，功率放大电路将功率放大后传输给电机，进而驱动电机转动；在电机转动过程中，转速检测模块检测电机的当前转速信息，并将检测到的当前转速信息传输给DSP控制模块；同时，电流检测模块检测电机的当前电流信号，并将检测到的当前电流信号传输给滞环电流控制器；

S1-b，DSP控制模块对接收到的当前转速信息进行信号处理，将其转化为电流信号，并将转化后的电流信号传输给滞环电流控制器；

S1-c，所述滞环电流控制器比对来自所述DSP控制模块的转化后的电流信号以及来自所述电流检测模块的当前电流信号，得到用于控制电机稳态旋转的调控指令，并将该调控指令作用于功率放大电路，改变功率放大电路的功率放大倍数，进而调整电机的供电电源，使电机稳态旋转，由此实现对电机的双闭环反馈控制。