CN106405540A - 基于雷达和光电设备互补的探测识别装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于雷达和光电设备互补的探测识别装置及方法，该装置包括雷达、光电设备、计算机和显示器，雷达设备完成海面目标的搜索、跟踪，小目标模块在雷达探测基础上，进一步对海杂波背景下的目标进行检测、跟踪处理，发现目标并完成跟踪；准确地引导控制光电设备指向目标所在位置，提供目标雷达坐标信息；光电设备完成海面目标观察、跟踪和识别，昼夜对观察海域进行目标检测、成像，对目标图像信息进行视频处理和跟踪。本发明减小复杂气象环境对雷达和光电设备探测较为严重的影响，实现海洋环境下对目标的有效探测和识别。

Description

基于雷达和光电设备互补的探测识别装置及方法

技术领域

本发明涉及一种基于雷达和光电设备互补的探测识别装置及方法，具体地，涉及一种基于雷达和光电设备互补的复杂气象环境下昼夜对观察海域进行目标检测、探测识别装置及方法，该装置及方法采用智能化控制技术，对海面目标进行有效地探测、跟踪、识别和监视。

背景技术

工作于海洋环境下的雷达和光电设备面临较为严重的复杂环境的影响，为实现对目标的有效探测、跟踪和识别，本发明需要雷达和光电设备协同工作，减小复杂环境的影响。海杂波主要出现在雷达探测近程，对雷达探测目标特别是小目标影响严重，且无法识别目标；而光电设备近程目标探测能力强，且能成像识别，二者形成互补。

现有技术中，在对海上目标探测、跟踪、识别和监视时，雷达和光电设备二者分开工作，具体的，首先由雷达探测目标区域，当雷达探测到目标物体的位置信息后，将该位置信息显示到雷达上；操作人员通过观察雷达显示，获知目标物体的位置信息，然后在该位置信息的指导下，操作人员手动不断调整光电设备的拍摄方向，使光电设备对准目标物体，通过操控光电设备对目标物体成像，获得直观、清晰的目标图像，完成对目标物体识别的目的。

上述对海上目标探测、跟踪、识别和监视的过程中，通过操作人员手动操作完成雷达与光电设备的协同工作，具有协同效率差的缺陷；进而无法准确对目标物体进行跟踪和识别。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于雷达和光电设备互补的探测识别装置及方法，其减小复杂气象环境对雷达和光电设备探测较为严重的影响，实现海洋环境下对目标的有效探测和识别。本发明采用自适应海杂波抑制技术，抑 制强海杂波；采用光学透雾和日夜两用光电技术，在恶劣气象环境下，昼夜对观察海域进行目标检测。

根据本发明的一个方面，提供一种基于雷达和光电设备互补的探测识别装置，其特征在于，包括雷达、光电设备、计算机和显示器，雷达完成海面目标的搜索、跟踪，雷达设有小目标模块，小目标模块在雷达探测基础上，进一步对海杂波背景下的目标进行检测，计算机完成信息处理，发现目标并完成跟踪；准确地引导控制光电设备指向目标所在位置，提供目标雷达坐标信息；光电设备完成海面目标观察、跟踪和识别，昼夜对观察海域进行目标检测、成像，对目标图像信息进行视频处理和跟踪。

优选地，所述光电设备具备受控和独立工作两种模式，独立工作模式的具体作用如下：能手动或自动进行区域扫描，能在夜间对海上目标进行检测、成像，获取直观、真实、清晰的目标图像，探测海上目标，对其进行图像识别和自动跟踪；受控工作模式的具体作用如下：在雷达引导下，对目标快速成像、识别和跟踪；自动跟踪目标，两种工作模式下都截取目标图像，实时记录、存储和回放目标信息。

优选地，所述光电设备包括光学主机和稳定云台。

优选地，所述雷达、光电设备、显示器都与计算机连接，采用海杂波抑制和光学透雾技术，计算机完成信息处理、识别、跟踪和监视。

本发明还提供一种基于雷达和光电设备互补的探测识别方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，雷达持续探测海上区域，持续获得目标物体在不同时间点的位置信息；其中，该位置信息包括目标物体距离雷达的距离信息和方位信息；

步骤二，雷达将探测得到的所述目标物体的位置信息发送给所述雷达信号接收处理器；所述雷达信号接收处理器对位于各个时间点的所述位置信息进行综合处理，获得所述目标物体的跟踪航迹信息；并将该目标物体的跟踪航迹信息发送给所述计算机；

步骤三，所述计算机对所述目标物体的跟踪航迹信息进行分析处理，获得光电设备的光学视线瞄准线指向命令；

步骤四，所述计算机将所述光学视线瞄准线指向命令发送给所述伺服系统，所述伺服系统进而控制所述稳定平台的姿态，进而调整了安装在该光电稳定平台上的光电设备的方向，使光电设备不断瞄准跟踪目标物体；

步骤五，光电设备成像目标物体的图像，依据目标特征属性，实现对目标物体跟踪和识别的目的。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：本发明完成雷达的信号处理、数据处理、结构简单，效果明显，有效地实现跟踪，减小复杂气象对工作于海洋环境下的雷达和光电设备的影响，提高了海洋环境下雷达和光学设备的性能，提高了雷达和光学设备综合探测识别能力。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明基于雷达和光电设备互补的探测识别装置的原理框图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，本发明基于雷达和光电设备互补的探测识别装置包括雷达1、光电设备2、计算机3和显示器4，雷达完成海面目标的搜索、跟踪，雷达设有小目标模块，小目标模块在雷达探测基础上进一步对海杂波背景下的目标进行检测，计算机完成信息处理，发现目标并完成跟踪；准确地引导控制光电设备指向目标所在位置，提供目标雷达坐标信息；光电设备完成海面目标观察、跟踪和识别，昼夜对观察海域进行目标检测、成像，对目标图像信息进行视频处理和跟踪。

雷达采用数学模型，对二坐标目标位置数据进行解算，得到光学视线瞄准线指向，从而引导光电设备引向目标；能够自动高效的实现雷达和光电设备的协同工作，从而准确高效的实现对目标物体的探测、跟踪、识别和监视。

光电设备完成海面目标观察、跟踪和识别，昼夜对观察海域进行目标检测、成像，对目标图像信息进行视频处理和跟踪。光电设备具备受控和独立工作两种模式，独立工作模式的具体作用如下：能手动或自动进行区域扫描，能在夜间对海上目标进行检测、成像，获取直观、真实、清晰的目标图像，探测海上目标，对其进行图 像识别和自动跟踪；受控工作模式的具体作用如下：在雷达引导下，对目标快速成像、识别和跟踪；自动跟踪目标，两种工作模式下都截取目标图像，实时记录、存储和回放目标信息。

所述光电设备包括光学主机和稳定云台，稳定云台是光学主机的载体且包含伺服系统，伺服系统包括X轴伺服驱动器、Y轴伺服驱动器以及X轴伺服电机、Y轴伺服电机，保障光学主机平稳和寻找、跟踪目标；光学主机包含光学透雾、日夜两用镜头和激光器。

所述雷达、光电设备、显示器都与计算机连接，采用海杂波抑制和光学透雾技术，计算机完成信息处理、识别、跟踪和监视。

本发明基于雷达和光电设备互补的探测识别方法包括以下步骤：

步骤一，雷达持续探测海上区域，持续获得目标物体在不同时间点的位置信息；其中，该位置信息包括目标物体距离雷达的距离信息和方位信息；

步骤二，雷达将探测得到的所述目标物体的位置信息发送给所述雷达信号接收处理器；所述雷达信号接收处理器对位于各个时间点的所述位置信息进行综合处理，获得所述目标物体的跟踪航迹信息；并将该目标物体的跟踪航迹信息发送给所述计算机；

获得目标物体的跟踪航迹信息的一般方法为：建立目标航迹数据库，根据数据库内存储的数据，达到目标航迹跟踪，但当检测范围内存在多个目标时，该种方法极易出错，造成目标丢失。本发明中，目标航迹跟踪分析处理方法中新增目标特征提取和目标编队技术，能够有效提高目标跟踪效率，既使当检测范围内存在多个目标，且航迹交叉时也能够准确跟踪目标。

经研究发现，最能反映目标特征的简练方法为：目标中心位置和目标模ρ角θ关系。具体的，采用自适应阈值方法对雷达接收到的各方位强度信号进行二值化处理，用微分算子方法提取目标边缘，依据边缘检测的数据和雷达接收的目标位置信息计算目标中心位置，依据目标中心位置和边缘检测结果取得目标模的最大值、最小值、平均值ρmax、ρmin、ρavg和角θ，根据ρmax＝f1(θ)、ρmin＝f2(θ)、ρavg＝f3(θ)得到目标特征，再将特征不同、方向不同的目标编入到不同的编队中，边缘检测和目标特征技术大大缩减信息总量。由于相近编队的目标具有相近的属性，因此，目标的编队技术大大简化目标航迹跟踪的算法。而目标特征和航迹跟踪技术又可以有效防止目标丢失，提高跟踪效率。有效地减小了复杂气象环境对工 作于海洋环境下的雷达和光电设备的影响，提高了海洋环境下雷达和光学设备性能，装置能够整体提高对海上目标综合探测、跟踪、识别和监视能力。

步骤三，所述计算机对所述目标物体的跟踪航迹信息进行分析处理，获得光电设备的光学视线瞄准线指向命令；

具体的，由于雷达所提供的目标物体的跟踪航迹信息是二坐标或者经纬度数据，为平面极坐标形式，而不是三坐标数据，因此不能直接正确的得到目标的位置并对光电设备进行引导。所以，本步骤中，计算机根据数学模型计算出光学视线瞄准线指向的X，Y，Z轴三向偏移量；得到目标正确的位置，进而引导光电设备连续、正确地跟踪目标。

另外，由于雷达和光电伺服转台安装在舰船的不同位置，所以，雷达和光电伺服转台安之间存在安装误差。本发明中，通过以下方式可以有效消除该安装误差：以安装左、右两个光电伺服转台为例，将与方位轴垂直的雷达俯仰轴水平面作为基准面，雷达俯仰轴与方位轴交点为原点，左、右光电伺服转台俯仰轴水平面和原点坐标偏差为Δ1|ΔX1ΔY1ΔZ1|，Δ2|ΔX2ΔY2ΔZ2|。因此实现了将雷达接收目标位置转换为光电装置跟踪目标准确位置。最后转换光电伺服转台俯仰角、方位角、调焦距离，将直角坐标系采用以下公式(1)转换为球坐标系，

已知雷达自身的坐标和雷达与目标之间的测距，具体如下式(1)：

r_i＝c×t_i/2 (1)

其中：r_i(i雷达数,三个雷达取1、2、3)雷达监测的目标距离；

c光速；

t_i(i雷达数,三个雷达取1、2、3)雷达反射波间隔时间。

由球面坐标公式可得式(2)：

(x-x_i)²+(y-y_i)²+(z-z_i)²＝r_i ² (2)

即一组数据就可以得到关于所求坐标未知量的一个方程，当有三组非线性相关的坐标值时，就可以列出三个关于未知量的独立方程，如下式(3)、式(4)、式(5)：

(x-x₁)²+(y-y₁)²+(z-z₁)²＝r₁ ² (3)

(x-x₂)²+(y-y₂)²+(z-z₂)²＝r₂ ² (4)

(x-x₃)²+(y-y₃)²+(z-z₃)²＝r₃ ² (5)

其中：x₁、y₁、z₁、x₂、y₂z₂、x₃、y₃、z₃分别是三个雷达安装位置坐标，x、 y、z目标位置坐标，通过求解三个独立方程就可以求出三个未知量，即可得到目标空间坐标值。

由此得出结论：当有三个雷达时，就可以通过三组数据进行目标坐标求解，从而实现飞行物定位。由于所需三组已知坐标数据要满足非线性相关，即要求雷达布设不在同不在同一直线上。

即至少需要三个不在同一直线上的雷达才能定位目标，如下式(6)、式(7)：

其中：ρ目标中心位置模；

θ目标中心位置方位角；

φ目标中心位置仰角。

为避免分母为零，程序执行出现溢出情况，可采用简捷处理方式：分母y+Δy

其中，Δy>0且足够小，例如可取Δy＝1×10-8。只要Δy足够小取值不影响计算精度。

步骤四，所述计算机将所述光学视线瞄准线指向命令发送给所述伺服系统，所述伺服系统进而控制所述稳定平台的姿态，进而调整了安装在该光电稳定平台上的光电设备的方向，使光电设备不断瞄准跟踪目标物体；

步骤五，光电设备成像目标物体的图像，依据目标特征属性，实现对目标物体跟踪和识别的目的。

雷达设备和光电设备可以独立工作，也可以联合工作，二者取长补短，集多功能于一体，构成雷达光电探测识别系统，进行综合协同决策控制，能准确、快速完成海上目标的探测识别。装置结构简单、技术成熟、配置合理、使用方便，能有效弥补现有装备对海上目标综合探测能力的不足，提高对海上目标综合探测识别能力，特别是夜晚复杂气象条件下对海上小目标的综合探测识别能力。本发明有效地减小了复杂气象环境对工作于海洋环境下的雷达和光电设备的影响，提高了海洋环境下雷达和光电设备性能，装置能够整体提高对海上目标综合探测、跟踪、识别和监视能力。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上 述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (5)

1.一种基于雷达和光电设备互补的探测识别装置，其特征在于，包括雷达、光电设备、计算机和显示器，雷达完成海面目标的搜索、跟踪，雷达设有小目标模块，小目标模块在雷达探测基础上，进一步对海杂波背景下的目标进行检测，计算机完成信息处理，发现目标并完成跟踪；准确地引导控制光电设备指向目标所在位置，提供目标雷达坐标信息；光电设备完成海面目标观察、跟踪和识别，昼夜对观察海域进行目标检测、成像，对目标图像信息进行视频处理和跟踪。

2.根据权利要求1所述的基于雷达和光电设备互补的探测识别装置，其特征在于，所述光电设备具备受控和独立工作两种模式，独立工作模式的具体作用如下：能手动或自动进行区域扫描，能在夜间对海上目标进行检测、成像，获取直观、真实、清晰的目标图像，探测海上目标，对其进行图像识别和自动跟踪；受控工作模式的具体作用如下：在雷达引导下，对目标快速成像、识别和跟踪；自动跟踪目标，两种工作模式下都截取目标图像，实时记录、存储和回放目标信息。

3.根据权利要求1所述的基于雷达和光电设备互补的探测识别装置，其特征在于，所述光电设备包括光学主机和稳定云台，稳定云台是光学主机的载体且包含伺服系统，伺服系统包括X轴伺服驱动器、Y轴伺服驱动器以及X轴伺服电机、Y轴伺服电机，保障光学主机平稳和寻找、跟踪目标；光学主机包含光学透雾、日夜两用镜头和激光器。

4.根据权利要求1所述的基于雷达和光电设备互补的探测识别装置，其特征在于，所述雷达、光电设备、显示器都与计算机连接，采用海杂波抑制和光学透雾技术，计算机完成信息处理、识别、跟踪和监视。

5.一种基于雷达和光电设备互补的探测识别方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，雷达持续探测海上区域，持续获得目标物体在不同时间点的位置信息；其中，该位置信息包括目标物体距离雷达的距离信息和方位信息；

步骤二，雷达将探测得到的所述目标物体的位置信息发送给所述雷达信号接收处理器；所述雷达信号接收处理器对位于各个时间点的所述位置信息进行综合处理，获得所述目标物体的跟踪航迹信息；并将该目标物体的跟踪航迹信息发送给所述计算机；

步骤三，所述计算机对所述目标物体的跟踪航迹信息进行分析处理，获得光电设备的光学视线瞄准线指向命令；

步骤四，所述计算机将所述光学视线瞄准线指向命令发送给所述伺服系统，所述伺服系统进而控制所述稳定平台的姿态，进而调整了安装在该光电稳定平台上的光电设备的方向，使光电设备不断瞄准跟踪目标物体；

步骤五，光电设备成像目标物体的图像，依据目标特征属性，实现对目标物体跟踪和识别的目的。