CN106569206B - 一种基于微波光学复合的目标探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于微波光学复合的目标探测方法，利用微波系统视场宽，不需要剔除背景天体的优势，对微波视场内进行扫描，进行目标初探测，获得目标的距离和方位、俯仰角度信息；根据微波系统测量得到的目标距离以及卫星星历信息，计算并配置光学系统的光暗识别方式、焦距等参数；利用微波系统测量得到的目标方位、俯仰角度信息确定光学系统的角度指向，对目标周围的小视场(光学视场)进行成像；对光学视场内的目标置信度计算；对置信度高的目标进行微波指向确认；确认完成后，按需求对目标进行跟踪。本发明充分利用微波信息和光学信息实现高精度的目标探测。

Description

一种基于微波光学复合的目标探测方法

技术领域

本发明所涉及的是星载微波光学复合雷达目标探测技术，用于对目标进行精确探测测量。

背景技术

微波雷达技术是利用发射电磁波和接收微波的相位幅度关系来对目标的距离，速度进行测量和跟踪；利用和差波束的幅度关系进行目标角度的测量和跟踪。现有的微波雷达技术已经十分成熟，然而星载微波雷达由于测量体制和硬件限制，其测角精度无法达到很高的量级。

光学雷达技术是利用光学相机对目标区域进行成像，从光学图像中提取目标的角度信息。星载光学雷达由于背景天体的影响，光学雷达很难从背景天体中提取目标，作用距离也由于背景天体的影响无法做得很远。

微波光学复合雷达，兼具微波雷达和光学雷达的优点，能够弥补两者的不足，能够对目标进行精确的测量和跟踪。

目前，很少有文献提到具体的微波光学复合探测方法。专利文献《雷达引导光电瞄准跟踪装置》(专利申请号：CN 201320403671专利公开号：CN 203490367)是利用雷达探测出目标角度，引导光学系统指向目标角度的方法。该方法适用于水面舰船目标的探测，且微波雷达仅仅起到引导光学系统的作用，目标的探测也仅仅依赖于光学成像和识别，不能够充分利用微波系统和光学系统的信息进行目标探测。专利文献《光电复合地空预警探测系统》(专利申请号：CN201510357319专利公开号：CN105137421)是利用微波和红外复合进行低空探测预警，其应用背景为低空预警与本系统的星载目标高精度探测不同，而且该专利文献仅仅提供了硬件处理方案并不提供系统策略级的解决方案。文献《光学、雷达一体化探讨》(光机电信息，Vol.28No.6June.2011)是针对飞机目标的探测，该论文仅仅提到微波光学复合探测可以弥补微波探测和光学探测各自的不足，并不涉及具体的微波光学复合探测方法。文献《地基宽带雷达系统仿真与分析》(西安电子科技大学硕士学位论文，2013)及《宽带雷达信号处理》(西安电子科技大学硕士学位论文，2013)所涉及的经典微波雷达系统，受天线波束宽度、天线机构指向精度等硬件能力的限制，无法达到很高的测角精度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于微波光学复合的目标探测方法，应用于星载微波光学复合雷达，充分利用微波信息和光学信息进行高精度目标探测。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供一种基于微波光学复合的目标探测方法，其包含以下过程：

通过微波系统进行搜索和跟踪，获得目标的距离和方位、俯仰角度信息；

根据目标的距离及卫星星历信息，计算并配置光学系统的参数；

根据目标的方位、俯仰角度信息，调整光学系统的角度指向；

通过光学系统对目标周围的光学视场进行灰度成像；

成像后进行光学视场内的目标置信度计算；

对置信度高于设定值的目标，进行微波指向确认；

确认完成后，对目标进行跟踪。

优选地，灰度成像得到的图像中超过灰度阈值的像素点进行连通性检测和区域划分，对光学视场内的各个目标进行置信度评估；

其中，为每个置信度评估的参数设置两级阈值：

若参数满足对应的第一阈值，进行相应的第一置信度处理；

若参数不满足对应的第一阈值，再判断该参数是否满足对应的第二阈值；

若参数满足第二阈值，进行相应的第二置信度处理；

若参数不满足第二阈值，则进行相应的第三置信度处理。

优选地，所述置信度评估的参数，包括以下的一个或多个：目标中心位置、目标大小、目标规则系数、目标平均灰度、目标最大灰度值与图像平均灰度值之比。

优选地，微波系统按照置信度由大到小的顺序指向光学系统检测的目标位置，进行目标跟踪确认，在确认目标为真目标时进行微波光学复合跟踪测量，包含：

由微波系统为光学系统实时提供目标距离、目标角度以及雷达角误差；

光学系统根据目标距离实时调整焦距，根据目标角度、雷达角误差并结合目标角度信息，进行目标判定；

将光学系统提供的目标方位、俯仰角，微波系统提供的目标距离值，作为最终测量信息。

优选地，根据目标的距离及卫星星历信息，计算并配置光学系统的光暗目标识别方式和焦距。

本发明提供一种基于微波光学复合的目标探测方法，利用微波系统视场宽，不需要剔除背景天体的优势，对微波视场内进行扫描，进行目标初探测，获得目标的距离和方位、俯仰角度信息；根据微波系统测量得到的目标距离以及卫星星历信息，计算并配置光学系统的光暗识别方式、焦距等参数；利用微波系统测量得到的目标方位、俯仰角度信息确定光学系统的角度指向，对目标周围的小视场(光学视场)进行成像；对光学视场内的目标置信度计算；对置信度高的目标进行微波指向确认；确认完成后，按需求对目标进行跟踪。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1.本发明充分利用了光学系统和微波系统的优势，可以获得高精度的距离测量结果和角度测量结果。

2.本发明相对于星载光学系统来说，具有不需要剔除背景天体的优势，资源消耗少，可以探测更暗的目标。

3.本发明在目标与背景天体重合的情况下，仍然可以检测到目标，对目标惊醒精确的测量与跟踪。

4.本发明相对于星载微波系统来说，可以提取目标的大致形状，可以剔除太空垃圾的干扰。

5.本发明的组合方式灵活，既可以光学系统和微波系统复合工作，又可以光学系统和微波系统独立工作。

附图说明

图1是本发明所述微波光学复合目标探测方法的实施流程示意图；

图2是本发明中光学系统目标检测的置信度评估方法的示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明所述基于微波光学复合的目标探测方法，包含以下过程：微波系统首先进行微波搜索；搜索到目标之后进行微波跟踪，得到目标的距离和方位、俯仰角信息；根据得到的距离和方位、俯仰角信息进行光学系统参数计算及设置；根据方位、俯仰角信息调整光学系统指向；指向完成后，光学系统进行灰度成像；成像后进行光学目标检测；检测完成后微波系统进行目标确认；确认完成后进行微波光学复合跟踪测量；目标丢失则返回微波搜索重复流程。

S1、微波系统目标粗测量：

利用经典的微波系统进行搜索和跟踪，对目标的距离和方位、俯仰角度进行测量，得到目标的距离和精度较低的方位、俯仰角度。

S2、光学系统参数计算和配置：

根据卫星星历信息，得到太阳光照的角度，根据卫星、太阳、目标三者之间的角度关系配置光学系统的光暗目标识别方式。若太阳在光学系统视场内，则使用暗目标识别方式，对相机图像进行取反处理即可。根据目标的距离以及预期的目标大小，可以调整光学系统的焦距，使目标的像素点在一定的范围。

S3、光学系统角度指向：将光学系统的视场中心移动到微波系统测量得到的目标的方位、俯仰角度。

S4、光学系统成像：按照经典的光学成像方法，对目标区域进行成像，得到目标区域的灰度图像。

S5、光学系统目标检测：

对光学系统得到的灰度图像进行处理，对光学图像中超过灰度阈值的像素点进行连通性检测和区域划分，认为连通的像素区域就是某一个目标。对光学视场内的各个目标进行置信度评估。置信度评估的内容包括：目标中心位置、目标大小、目标规则系数、目标平均灰度、目标最大灰度值与图像平均灰度值之比等。

置信度评估方法如图2所示。为每个参数设置两级阈值，根据参数对阈值的满足情况进行置信度处理。对于任一参数，若该参数满足其对应的阈值1，则进行相应的第一置信度处理，若参数不满足阈值1，则判断该参数是否满足其对应的阈值2，若满足阈值2则进行相应的第二置信度处理，若不满足阈值2则进行相应的第三置信度处理。

S5.1、若参数为目标中心位置，假设微波雷达测角精度为θ，阈值1设置为雷达指向位置±θ*1.25以内，阈值2设置为雷达指向位置±θ*2.25以内，若目标中心位置满足阈值1要求则置信度+4，满足阈值2要求则置信度-2，不满足阈值2要求则置信度-4。

S5.2、若参数为目标大小，根据预期目标面积、目标距离、相机焦距计算出目标像素点数N，相机焦距折算为相机角度分辨率△θ(即相邻像素点代表的角度差)：

N＝S/(d²*△θ) (式1)

其中，S为预期目标面积，d为目标距离，阈值1设置为N*0.5到N*1.5，阈值2设置为N*0.75到N*1.75，若目标大小满足阈值1要求则置信度+2，满足阈值2要求则置信度-1，不满足阈值2要求则置信度-2。

S5.3、若参数为目标规则系数，定义目标规则系数为目标俯仰宽度和方位宽度中较小值与较大值之比。

若θ_俯仰>θ_方位则

C＝θ_方位/θ_俯仰 (式2)

若θ_俯仰<θ_方位则

C＝θ_俯仰/θ_方位 (式3)

其中，θ_方位表示目标方位宽度，θ_俯仰表示目标俯仰宽度，C表示目标规则系数。该参数按与预期目标的特性有关，若预期目标的规则系数为C₀，则阈值1设置为(1±0.15)*C₀，阈值2设置为(0.7±0.15)*C₀。若目标规则系数满足阈值1要求则置信度+2，满足阈值2要求则置信度-1，不满足阈值2要求则置信度-2。

S5.4、若参数为目标平均灰度，该参数的阈值与图像的平均灰度有关，假设图像的平均灰度为G₀，则阈值1设置为30G₀，阈值2设置为15G₀。若目标规则系数满足阈值1要求则置信度+2，满足阈值2要求则置信度-1，不满足阈值2要求则置信度-2。

S5.5、若参数为目标最大灰度值目标与平均灰度值之比，假设图像的平均灰度为G₀，则阈值1设置为100G₀，阈值2设置为50G₀。若目标规则系数满足阈值1要求则置信度+2，满足阈值2要求则置信度-1，不满足阈值2要求则置信度-2。

各个参数的阈值和置信度比例，应根据实际的预期目标和具体光学、微波系统的参数进行调整。此处仅为举例。

S6、微波系统目标确认

即使是小视场，也仍然有可能会有背景天体的假目标存在，所以在光学系统检测到目标之后，微波系统按照置信度由大到小的顺序指向光学系统检测的目标位置，进行目标跟踪确认。若确认目标为真目标则转入微波光学系统复合跟踪测量。

S7、微波光学系统复合跟踪测量

在微波光学复合跟踪过程中，微波系统为光学系统实时提供目标距离，目标角度以及雷达角误差。光学系统利用目标距离实时调整焦距，利用目标角度以及雷达角误差结合的目标角度信息，进行目标判定。最终测量信息由光学系统提供精确的目标方位、俯仰角，微波系统提供精确的目标距离值。微波系统可以防止光学系统被背景天体牵引导致跟踪失败。

若目标丢失，则重复S1～S7过程。

以下提供一个用本发明的方法对太空目标进行探测测量的具体实施例：

假设目标为5m×5m的正方形目标，距离微波光学复合系统30km，目标位置为方位角10.903°，俯仰角-20.405°。微波系统雷达波束宽度为1.0°。测量时太阳在复合雷达的正后方。光学视场内存在一个背景天体的干扰角度为方位角11.403°，俯仰角-20.605°。传感器尺寸为15mm×15mm。

1.利用微波系统对目标进行跟踪测量，得到目标距离为30.008km(30km±0.01km)，得到目标方位角为11.40°(10.903°±0.8°)，得到目标俯仰角为-19.95°(-20.405°±0.8°)。

2.根据星历得到太阳在复合雷达的正后方，采用亮目标检测的方式，不对灰度图像进行取反处理。根据预期目标大小25m²，目标距离30.008km，确定焦距为193mm。

3.光学系统角度指向方位角11.40°，俯仰角-19.95°。

4.光学系统对目标区域成像，获得灰度图像。

5.对光学系统的灰度图像进行处理，对光学图像中超过灰度阈值的像素点进行连通性检测和区域划分。确定可能存在目标为2。按参数目标中心位置、目标大小、目标规则系数、目标平均灰度、目标最大灰度值与图像平均灰度值之比的顺序，目标1获得置信度分别为，2，2，2，2，2，2；目标2获得置信度分别为2，-2，2，2，2，2。目标1置信度为12，目标2置信度为8。

6.微波系统指向目标1的角度，方位角11.403°，俯仰角-20.605°。通过微波系统进行搜索跟踪，微波系统确认目标存在，雷达角误差在±0.01°范围内。可以确认目标1为需要的目标。

7.微波光学复合跟踪，微波系统为光学系统实时提供目标距离，目标角度以及雷达角误差。光学系统利用目标距离实时调整焦距，利用目标角度以及雷达角误差结合的目标角度信息，进行目标判定。最终测量信息由光学系统提供精确的目标方位、俯仰角，微波系统提供精确的目标距离值。微波系统可以防止光学系统被背景天体牵引导致跟踪失败。

综上所述，本发明提供一种基于微波光学复合的目标探测方法，利用微波和光学系统相结合的方式，获得高精度的测距、测角信息。利用微波系统获得目标的距离和角度信息，引导光学系统对目标进行跟踪测量。利用微波系统确认光学系统检测到的目标，用以完成背景天体的剔除。对光学系统的目标进行置信度评估，利用置信度高低对目标进行排序。光学系统自动计算和配置参数。本发明还实现了微波、光学系统相结合的目标跟踪。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (4)

1.一种基于微波光学复合的目标探测方法，其特征在于，包含以下过程：

通过微波系统进行搜索和跟踪，获得目标的距离和方位、俯仰角度信息；

根据目标的距离及卫星星历信息，计算并配置光学系统的参数；

根据目标的方位、俯仰角度信息，调整光学系统的角度指向；

通过光学系统对目标周围的光学视场进行灰度成像；

成像后进行光学视场内的目标置信度计算；

对置信度高于设定值的目标，进行微波指向确认；

确认完成后，对目标进行跟踪；

灰度成像得到的图像中超过灰度阈值的像素点进行连通性检测和区域划分，对光学视场内的各个目标进行置信度评估；

其中，为每个置信度评估的参数设置两级阈值：

若参数满足对应的第一阈值，进行相应的第一置信度处理；

若参数不满足对应的第一阈值，再判断该参数是否满足对应的第二阈值；

若参数满足第二阈值，进行相应的第二置信度处理；

若参数不满足第二阈值，则进行相应的第三置信度处理。

2.如权利要求1所述的目标探测方法，其特征在于，

所述置信度评估的参数，包括以下的一个或多个：目标中心位置、目标大小、目标规则系数、目标平均灰度、目标最大灰度值与图像平均灰度值之比。

3.如权利要求1所述的目标探测方法，其特征在于，

微波系统按照置信度由大到小的顺序指向光学系统检测的目标位置，进行目标跟踪确认，在确认目标为真目标时进行微波光学复合跟踪测量，包含：

由微波系统为光学系统实时提供目标距离、目标角度以及雷达角误差；

光学系统根据目标距离实时调整焦距，根据目标角度、雷达角误差并结合目标角度信息，进行目标判定；

将光学系统提供的目标方位、俯仰角，微波系统提供的目标距离值，作为最终测量信息。

4.如权利要求1所述的目标探测方法，其特征在于，

根据目标的距离及卫星星历信息，计算并配置光学系统的光暗目标识别方式和焦距。