CN108008375A - 一种光电毫米波搜索跟踪装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光电毫米波搜索跟踪装置，所述装置包括：光电探测组件(1)、毫米波测距组件(2)、伺服机构(3)和处理组件(4)；所述光电探测组件(1)通过切换为搜索或跟踪模式进行目标的搜索或跟踪；所述毫米波测距组件(2)用于按照光电探测组件(1)给出的目标方位和俯仰角，确定二维相扫角，将雷达波束指向该角度方向，测定目标的距离和/或径向速度；所述光电探测组件(1)和毫米波测距组件(2)一并安装在伺服机构(3)；所述处理组件(4)用于控制装置搜索和跟踪状态的切换；并处理光电探测组件(1)获取的图像信息，提取目标角位置信息；控制毫米波测距组件(2)对已获得角位置信息的目标测距和/或测定径向速度。

Description

一种光电毫米波搜索跟踪装置及方法

技术领域

本发明属于光电搜索跟踪和毫米波雷达技术领域，涉及一种利用光电探测设备进行目标搜索或者跟踪、毫米波雷达对光电搜索发现的目标或者跟踪的目标进行测距，以准确及时测量目标位置，特别涉及一种光电毫米波三坐标搜索跟踪装置及方法。

背景技术

小型和超小型无人机使用方便，管控难度大，未经许可容易进入敏感区域，如民航飞机场，对飞机起降安全带来严重隐患。小型和超小型无人机属于典型的飞行高度低、目标特征小、飞行速度慢为特征的“低小慢”目标，而且因飞行高度低，距离地面树木及建筑物近，故背景复杂。

目前，具备对空目标探测的技术手段主要有三种：工作在厘米波及更长波长波段的雷达、工作在毫米波波段的毫米波雷达、工作在可见光和红外波段的光电探测设备。这三类设备的特点和对复杂背景下的“低小慢”目标探测能力为：

(1)雷达。雷达的工作波段一般是3GHz～30GHz(波长10cm～1cm)范围内的厘米波波段和米波波段。搜索雷达的俯仰向波束角很大，一次方位搜索，即可覆盖大范围的区域，但只能给出目标的方位和距离；而且该波段的雷达低仰角跟踪能力差、抗杂波能力低，特别是探测低空小目标能力低；考虑到需要主动发射电磁波，可能对周围电磁环境造成干扰。因此，该类型雷达不适合用于在复杂背景下探测“低小慢”目标。

(2)毫米波雷达。毫米波雷达的波段一般是在30GHz～300GHz(波长是10mm到1mm)的频段。由于毫米波是介于厘米波与光波之间的过渡频段，因此它兼有厘米波与光波的特性，并具有一些独特的特点：

1)与激光相比，毫米波的传播受气候的影响要小得多，可以认为具有全天候工作特性，且探测能力比激光强。

2)和厘米波相比，毫米波波束更窄。可以在小的天线孔径下得到窄波束，方向性好，对目标具有高横向分辨力；容易检测小目标，包括电力线、电杆和弹丸等。例如一个12cm的天线，在9.4GHz时波束宽度为18°，而94GHz时波速宽度仅1.8°。但不足在于因波束窄而导致搜索能力低，不适合大范围搜索目标。

3)地面杂波和多径效应影响小，低空跟踪性能好，可在复杂背景下使用。

4)有较高的多普勒带宽，多普勒效应明显，具有良好的多普勒分辨力，测速精度较高。

(3)光电探测设备。该类设备为被动工作方式的探测设备，主要是通过接收目标反射光和/或目标红外辐射，来实现目标探测，典型设备有工作在可见光波段的电视摄像机、工作在中波红外和/或长波红外的红外热成像仪，以及通过向目标发射激光来探测和/或测量目标距离的激光雷达和激光测距仪。由于工作在光波波段，波长一般为0.45～1.0μm、3～5μm和8～12μm，波长短，分辨率高，故能有效探测跟踪飞行在复杂背景下的“低小慢”目标，并在跟踪时使用激光测距仪测回目标距离。但受激光测距机激光器发射激光脉冲的能量限制，为实现在较远距离上对小尺寸目标进行测距，激光束散角一般较小，因此，激光测距机一般只能在光电探测设备精确跟踪目标时使用：必须将稳定跟踪目标，使其精确处于光电探测设备的视场中心。但在使用光电探测设备进行大范围目标搜索时，因目标可随机出现在光电探测设备视场中任意位置，因此，在光电探测设备进行搜索的情况下，利用激光测距机难以获得目标的距离值，这在探测“低小慢”目标时，因缺乏目标距离值，不能对目标进行威胁判断，使得光电探测设备搜索效能大幅下降。

综上所述，和主动工作方式的雷达和毫米波相比，光电探测设备更适合用于搜索复杂背景下的“低小慢”目标，但不足在于无目标距离量。因此，如何获得被搜索目标的距离值，一直是发展搜索类光电探测设备的一项重要研究内容。

发明内容

本发明的目的在于解决目前光电探测设备进行搜索时难以获得被搜索目标距离问题。为此，提出了一种将光电探测设备与毫米波雷达有机集成，以能充分发挥光电探测设备被动搜索能力和毫米波雷达对小目标的测距能力的光电毫米波三坐标搜跟装置，实现在光电探测设备搜索和跟踪模式下精确获得目标方位、俯仰和距离三维坐标，从而精确及时确定目标的空间位置。

为了实现上述目的，本发明提供了一种光电毫米波三坐标搜索跟踪装置及方法，所述装置包括：所述装置在两种工作模式下工作：搜索模式和跟踪模式，其特征在于，所述装置包括：光电探测组件1、毫米波测距组件2、伺服机构3和处理组件4；所述光电探测组件1通过切换为搜索或跟踪模式进行目标的搜索或跟踪；所述毫米波测距组件2用于按照光电探测组件1给出的目标方位和俯仰角，确定二维相扫角，将雷达波束指向该角度方向，测定目标的距离和/或径向速度；所述光电探测组件1和毫米波测距组件2一并安装在伺服机构3；所述伺服机构3用于驱动光电探测组件1和毫米波测距组件2；所述处理组件4用于控制装置搜索和跟踪状态的切换；并处理光电探测组件1获取的图像信息，提取目标角位置信息；控制毫米波测距组件2对已获得角位置信息的目标测距和/或测定径向速度。

作为上述装置的一种改进，所述毫米波测距组件2能够在方位向和俯仰向进行两维相扫，所述毫米波测距组件2包括：发射接收天线11和毫米波发射/接收组件12。

作为上述装置的一种改进，所述伺服机构3包括：俯仰组件5和方位组件6；所述俯仰组件5用于承载光电探测组件1和毫米波测距组件2，驱动光电探测组件1和毫米波测距组件2在俯仰向进行跟踪目标，以及确定光电探测组件1在搜索模式时的俯仰角；所述方位组件6用于承载俯仰组件5，驱动光电探测组件1进行方位向搜索，以及驱动光电探测组件1和毫米波测距组件2在方位向进行跟踪目标。

作为上述装置的一种改进，所述装置在扫描搜索过程中会出现光电探测器运动图像模糊，当采用前置反射镜运动进行图像运动补偿时，所述光电探测组件1包括：光学窗口7、前置反射镜8、光学系统9和光电探测器10；其中：

所述光学窗口7是光电探测组件1的保护窗口，所述光学窗口7的透光波段与光电探测组件1的工作波段一致；所述光学窗口7与毫米波测距组件2并列安装在同一侧；

所述前置反射镜8，用于将透过光学窗口7的光波反射到光学系统9，包括：反射镜和伺服控制组件；所述伺服控制组件通过实时控制前置反射镜8进行小范围摆动来补偿光电探测组件1在搜索模式时目标成像在光电探测器10光敏面上运动，使光电探测器10在积分期间能清晰成像；

所述光学系统9，用于汇聚前置反射镜8反射过来的目标光信号，将其聚焦成像到光电探测器10的光敏面上；

所述光电探测器10用于将光学系统9汇聚的目标光信号转换为目标电信号，并将目标电信号传递到处理组件4进行处理。

作为上述装置的一种改进，所述装置在扫描搜索过程中出现光电探测器运动图像模糊时，当采用后置光学回扫镜运动补偿进行图像运动补偿方案时，所述光电探测组件1包括：光学窗口7、前置反射镜8、光学系统9、光学回扫镜13和光电探测器10；

所述光学窗口7是光电探测组件10的保护窗口，所述光学窗口7的透光波段与光电探测组件1的工作波段一致；所述光学窗口7与毫米波测距组件2并列安装在同一侧；

所述前置反射镜8，用于将透过光学窗口7的光波反射到光学系统9；

所述光学回扫镜13进行小范围摆动来补偿光电探测组件1因快速搜索带来的目标成像在光电探测器10光敏面上运动；

所述光学系统9，用于汇聚前置反射镜8反射过来的目标光信号，将其聚焦成像到光电探测器10的光敏面上；

所述光电探测器10用于将光学系统9汇聚的目标光信号转换为目标电信号，并将目标电信号传递到处理组件4进行处理。

作为上述装置的一种改进，所述装置在扫描搜索过程中出现光电探测器运动图像模糊时，当采用后置光学回扫镜运动补偿进行图像运动补偿方案时，所述光电探测组件1还包括：光学窗口7、光学系统9、光学回扫镜13和光电探测器10；

所述光学窗口7是光电探测组件10的保护窗口，所述光学窗口7的透光波段与光电探测组件1的工作波段一致；所述光学窗口7与毫米波测距组件2并列安装在同一侧；

所述光学回扫镜13进行小范围摆动来补偿光电探测组件1因快速搜索带来的目标成像在光电探测器10光敏面上运动；

所述光学系统9，用于汇聚目标光信号，将其聚焦成像到光电探测器10的光敏面上；

所述光电探测器10用于将光学系统9汇聚的目标光信号转换为目标电信号，并将目标电信号传递到处理组件4进行处理。

作为上述装置的一种改进，当装置扫描搜索过程中出现光电探测器运动图像模糊时，当采用电子运动补偿方法时，所述光电探测组件1包括：光学窗口7、前置反射镜8、光学系统9和光电探测器10；

所述光学窗口7是光电探测组件1的保护窗口，所述光学窗口7的透光波段与光电探测组件1的工作波段一致；所述光学窗口7与毫米波测距组件2并列安装在同一侧；

所述前置反射镜8，用于将透过光学窗口7的光波反射到光学系统9；

所述光学系统9，用于汇聚前置反射镜8反射过来的目标光信号，将其聚焦成像到光电探测器10的光敏面上；

所述光电探测器10我具有时间延迟积分功能的CCD摄像机，根据CCD摄像机特有的电荷读出技术，通过电子运动补偿方法解决该装置在搜索模式时带来的图像运动模糊问题。

作为上述装置的一种改进，当装置扫描搜索过程中出现光电探测器运动图像模糊时，当采用电子运动补偿方法时，所述光电探测组件1还包括：光学窗口7、光学系统9和光电探测器10；

所述光学窗口7是光电探测组件1的保护窗口，所述光学窗口7的透光波段与光电探测组件1的工作波段一致；所述光学窗口7与毫米波测距组件2并列安装在同一侧；

所述光学系统9，用于汇聚目标光信号，将其聚焦成像到光电探测器10的光敏面上；

所述光电探测器10为具有时间延迟积分功能的CCD摄像机，根据CCD摄像机特有的电荷读出技术，通过电子运动补偿方法解决该装置在搜索模式时带来的图像运动模糊问题。

作为上述装置的一种改进，所述装置工作模式的调整是由处理组件4发指令是否启动运动补偿手段或方法来实现的，具体实现方法如下：

当启动相应运动补偿手段或方法，所述光电探测组件1在快速搜索时能获取清晰图像，使该装置处于搜索模式；

当停止相应运动补偿手段或方法后，所述装置处于跟踪模式；在该模式下，当光电探测组件1将目标稳定跟踪后，目标处于光电探测组件1的视场中心，毫米波测距组件2发射毫米波，测回该目标相对于该装置的直线距离和/或目标的径向速度。

一种光电毫米波搜索跟踪方法，所述方法具体包括：

步骤1)开启所述装置的运动补偿手段或方法，使该装置工作在搜索模式；

步骤2)所述俯仰组件5驱动光电探测组件1和毫米波测距组件2到搜索俯仰角β；

步骤3)所述方位组件6驱动俯仰组件5、光电探测组件1和毫米波测距组件2沿方位向以v_搜进行匀速旋转；

步骤4)所述装置的光电探测组件1以帧频fr进行成像探测，将探测到的图像发送到处理组件4处理；

步骤5)所述处理组件4对图像进行处理，自动提取图像中的第一目标18；当在第i幅图像中提取到第一目标18，并测定第一目标18相对于光电探测组件1的成像视场中心点17的方位角x_i和俯仰角y_i的目标相对角位置(x_i,y_i)，其中，第i幅图像的成像视场中心点17相对于该装置零位向的角位置(α_i,β)，该幅图像中的第一目标18相对于该装置的零位向的角位置(α_i+x_i,β+y_i)；

步骤6)根据第一目标18的相对角位置(x_i,y_i)中的俯仰角y_i，确定毫米波测距组件2在俯仰向偏离毫米波电轴法线方向15的相扫角为y_i；根据第一目标18的相对角位置(x_i,y_i)中的方位角x_i，确定毫米波测距组件2在方位向偏离毫米波电轴法线方向15的相扫角为(t_提·v_搜+x_i)；v_搜为光电探测组件1方位向搜索角速度，t_提为提取并测定目标方位和高低角所需的时间；然后毫米波测距组件2按照偏离毫米波电轴法线方向15的角位置(t_提·v_搜+x_i)，y_i方向发射毫米波波束20，从而使毫米波波束20照射到第一目标18；设毫米波测距组件2通过测量从发射到从第一目标18返回所需时间t_i，从而测回目标距离R_i：

R_i＝ct_i/2

式中，c为电磁波速度；

步骤7)根据步骤5)和步骤6)，获得第i幅图像中的第一目标18三维坐标为(α_i+x_i,β+y_i),R_i；

步骤8)所述装置继续步骤3)至步骤6)，假设在第i+3幅图像中发现的第二目标19的三维坐标为(α_i+3+x_i+3,β+y_i+3,R_i+3)；

步骤9)所述装置重复步骤3)到步骤6)，继续沿搜索俯仰角β进行全方位搜索覆盖；

步骤10)所述装置连续三次以上探测并获得第一目标18和第二目标19的三维坐标，从而获得第一目标18和第二目标19的航速和航向目标航迹信息，实现对第一目标18和第二目标19的跟踪和威胁判断；

步骤11)通过处理组件4将搜索俯仰角β改变为另一搜索俯仰角β′，则装置沿新的搜索俯仰角β′重复步骤3)至步骤6)进行全方位搜索。

作为上述方法的一种改进，所述光电探测组件1方位向搜索角速度v_搜为：

v_搜＝(1-η)ε_方fr

若光电探测组件1的成像视场16为ε_方×∈_俯，∈_俯为俯仰视场，ε_方为方位视场；若相邻两幅图像在方位向有重叠，则重叠部分与整幅图像之比为重叠率η，fr为所光电探测组件1的成像帧频。

本发明的优点在于：

1、本发明的装置通过光电探测设备搜索目标，确定目标方位和俯仰角位置后，快速引导毫米波雷达向该目标角位置发射雷达波，以测定目标的距离，二者之间时间延迟短，对获得的目标三维坐标测量精度和实时性影响小，从而解决在复杂背景下对“低小慢”目标的搜索警戒难题；

2、本发明的装置采用的毫米波测距组件具备两维相扫能力，可在方位和俯仰方向上进行电子扫描。通过控制毫米波测距组件在方位和俯仰向的扫描，实现测量光电探测设备在搜索和跟踪模式下探测到的目标的距离，具体是：光电探测设备在搜索和跟踪模式下获取目标清晰图像，经处理得到目标相对于该装置的方位和俯仰角位置，然后将该目标角位置用于生成控制毫米波组件在方位和俯仰向相扫的扫描角度，向目标发射毫米波并探测目标的回波，实现目标距离的测量。光电探测组件和毫米波测距组件通过此方式协同工作，形成优势互补，解决光电探测设备在搜索和跟踪工作模式中获取目标距离的难题；

3、本发明的装置采用的毫米波测距组件具备两维能力，解决了因采用一维相扫的毫米波测距组件时，必须得等到装置旋转到达光电探测设备指示的目标方位角时才能发射毫米波进行测距的问题，消除了因此带来的时间延迟，从而更进一步提高获取目标三维坐标的实时性；

4、本发明的装置在进行搜索时，为解决光电探测器件因快速搜索带来的图像模糊问题，针对光电探测器的特点，提出了两种机械运动补偿方法和一种电子运动补偿方法。其中，第一种机械运动补偿方法是采用搜索跟踪反射镜，在光电探测器积分期间逆装置方位搜索方向回扫，实现运动补偿；第二种机械运动补偿方法是在光电探测器前设置光学回扫镜，该回扫镜在光电探测器积分期间逆装置方位搜索方向回扫，实现运动补偿；电子运动补偿方法是当采用具有时间延迟积分能力的电荷耦合器件CCD)作为光电探测器时，在CCD上采用电子运动补偿实现运动补偿。通过采取这三种有针对性的措施，确保光电探测组件在搜索过程中能过对目标进行清晰成像。

附图说明

图1为本发明的光电毫米波搜索跟踪装置组成框图；

图2为本发明的光电毫米波搜索跟踪装置外形示意图；

图3为本发明的光电毫米波搜索跟踪装置在搜索模式下由前置反射镜回扫或电子运动补偿实现搜索的示意图；

图4为本发明的光电毫米波搜索跟踪装置在搜索模式下由前置反射镜回扫改为光学回扫镜回扫实现搜索的示意图；

图5为本发明的光电毫米波搜索跟踪装置在搜索模式下由光学回扫镜回扫实现搜索的示意图；

图6为本发明的光电毫米波搜索跟踪装置在搜索模式下由电子运动补偿方法实现搜索的示意图；

图7为本发明的光电毫米波搜索跟踪装置在搜索模式下的成像搜索示意图。

附图标识：

1、光电探测组件 2、毫米波测距组件 3、伺服机构

4、处理组件 5、俯仰组件 6、方位组件

7、光学窗口 8、前置反射镜 9、光学系统

10、光电探测器 11、发射接收天线 12、毫米波发射/接收组件

13、光学回扫镜 14、光电探测组件瞄准线

15、毫米波电轴法线方向 16、成像视场

17、成像视场中心点 18、第一目标

19、第二目标 20、毫米波波束

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的说明。

如图1所示，一种光电毫米波搜索跟踪装置，所述装置在两种工作模式：搜索模式和跟踪模式，所述装置包括：光电探测组件1、毫米波测距组件2、伺服机构3和处理组件4；其中，光电探测组件1和毫米波测距组件2一并安装在伺服机构3的俯仰组件5上，然后整体由伺服机构3的方位组件6承载。

所述毫米波测距组件2用于测定被光电探测组件1搜索或跟踪到的目标的距离和/或径向速度；采用两维相扫体制，具备在方位和俯仰向进行两维相扫，能按照光电探测组件1给出的目标方位和俯仰角，将雷达波束指向该角度方向；其中，所述毫米波测距组件2包括：发射接收天线11和毫米波发射/接收组件12；

所述伺服机构3用于驱动光电探测组件1和毫米波测距组件2进行搜索或跟踪目标，并测定目标距离和/或径向速度；所述伺服机构3包括：俯仰组件5和方位组件6；其中：

所述俯仰组件5承载光电探测组件1和毫米波测距组件2，驱动光电探测组件1和毫米波测距组件2在俯仰向进行跟踪目标，以及在搜索模式下将光电探测组件1指向到指定的俯仰角；

所述方位组件6承载俯仰组件5及光电探测组件1和毫米波测距组件2，驱动光电探测组件1进行方位向搜索，以及驱动光电探测组件1和毫米波测距组件2在方位向进行跟踪目标；

所述处理组件4用于控制装置搜索和跟踪模式切换；显示、处理光电探测组件1获取的图像信息，提取目标角位置信息；控制毫米波测距组件2对已获得角位置信息的目标测距和/或测定径向速度。

所述装置处于搜索模式时，装置在伺服机构3的驱动下，沿方位方向连续旋转，实现全方位区域的警戒搜索，通过伺服机构3可调整装置在俯仰方向上的扫描搜索角度，进而实现对整个空域的警戒搜索。在搜索过程中，使用光电探测组件1不停地对扫描搜索过的区域进行成像探测，探测图像经处理组件4进行处理后，探测发现目标并提取出目标的方位、俯仰的二维角位置信息。同时，处理组件4利用该信息，控制毫米波测距组件2向该目标发射毫米波，测量该目标的距离，从而获得目标的三维坐标信息。当装置每扫描搜索到该目标一次，就获得一次该目标的三维坐标信息。如果连续至少三次搜索到该目标，则经处理组件4处理后给出目标精确的航迹。

所述装置处于跟踪模式时，装置将一直指向目标。在跟踪过程中，装置利用光电探测组件1持续不断的跟踪锁定指定目标，使目标始终处于光电探测组件1的视场中心，光电探测组件1实时给出目标的角位置，毫米波测距组件2测定该目标的距离，从而实时给出目标的三维坐标信息。

所述光电探测组件1是采用光电探测器10来搜索或跟踪目标，获取目标视频图像信息后送到处理组件4处理，经处理组件4对图像信息进行处理，获得目标方位和俯仰角。当光电探测组件1在方位方向上快速扫描搜索时，因光电探测器10在探测目标时，需要一段时间对接受到的光波信号进行积分，在积分期间，目标在光电探测器10光敏面上的成像将产生移动，从而使光电探测器10获取的图像模糊，严重影响光电探测器10获取的图像质量。因此，当光电探测组件1进行快速扫描搜索时，必须采取图像运动补偿措施，使光电探测器10在积分期间，成像在光电探测器10光敏面的目标和背景像不产生移动，从而使光电探测器10获取到清晰不模糊的图像。根据可采用的图像运动补偿方式，光电探测组件1的组成可采用不同的技术方案。

在本发明中，给出了三种可解决所述装置在扫描搜索过程中光电探测器运动图像模糊的图像运动补偿方案：前置反射镜运动补偿方法和后置光学回扫镜方法两种机械运动补偿方法，和一种电子运动补偿方法。

1)当采用前置反射镜运动补偿方法，如图3所示，所述光电探测组件1包括：光学窗口7、前置反射镜8、光学系统9和光电探测器10；其中：

所述光学窗口7是光电探测组件1的保护窗口，透光波段与光电探测组件1的工作波段一致；光学窗口7与毫米波测距组件2安装在同一侧；

所述前置反射镜8，用于将透过光学窗口7的光波反射到光学系统9，包括：反射镜和伺服控制组件；伺服控制组件通过实时控制前置反射镜8进行小范围摆动来补偿光电探测组件1在搜索模式时因快速搜索带来的目标成像在光电探测器10光敏面上运动，使光电探测器10在积分期间能清晰成像；

所述光学系统9，用于汇聚前置反射镜8反射过来的目标光信号，将其聚焦成像到光电探测器10的光敏面上；

所述光电探测器10用于将光学系统9汇聚的目标光信号转换为目标电信号，并将目标电信号传递到处理组件4进行处理。

2)当采用后置光学回扫镜方法，所述光电探测组件1可采用两种方案：

方案一，图4所示，所述光电探测组件1包括：光学窗口7、前置反射镜8、光学系统9、光学回扫镜13和光电探测器10；

光学窗口7、前置反射镜8、光学系统9和光电探测器10与前述的前置反射镜运动补偿方法中描述的主要功能相同。不同之处在于，在搜索模式下，前置反射镜8在快速搜索时停止运动补偿，图像运动补偿则由控制光学回扫镜13进行小范围摆动来补偿该装置的光电探测组件1因快速搜索带来的目标成像在光电探测器10光敏面上运动来实现；

方案二，如图5所示，所述光电探测组件1包括：光学窗口7、光学系统9、光学回扫镜13和光电探测器10；

光学窗口7、光学系统9、光电探测器10与前述的前置反射镜运动补偿方法中描述的主要功能相同。在搜索模式下，装置的光电探测组件1的运动补偿是控制光学回扫镜13进行小范围摆动来补偿该装置的光电探测组件1在搜索模式时因快速搜索带来的目标成像在光电探测器10光敏面上运动来实现。

3)电子运动补偿方法

根据光电探测组件1的工作波段，光电探测器10可作不同的选择。一般地，光电探测组件1工作在可见光和近红外波段时，光电探测器10可采用CCD或CMOS摄像机；光电探测组件1工作在中波或长波红外波段时，光电探测器10可采用敏感中波或长波红外的红外面阵焦平面探测器，而且，红外面阵焦平面探测器一般采用CMOS方式的读出电路。如果光电探测组件1的光电探测器10采用的是CCD摄像机光电探测组件1工作在可见光和近红外波段时，则光电探测器10可选择具有时间延迟积分TDI)功能的CCD摄像机。根据CCD摄像机特有的电荷读出技术，设计采用TDI技术，通过电子运动补偿方法来解决该装置在搜索模式时带来的图像运动模糊问题。

采用该电子运动补偿方法时，所述光电探测组件1可采用两种方案：

方案一，如图3所示，所述光电探测组件1包括：光学窗口7、前置反射镜8、光学系统9和光电探测器10；

光学窗口7、前置反射镜8、光学系统9和光电探测器10与采用前置反射镜运动补偿方法的光电探测组件1中的功能相似，不同之处在于前置反射镜8在快速搜索时停止运动补偿，图像运动补偿则由CCD摄像机的集成的电子运动补偿措施完成；

方案二，如图6所示，所述光电探测组件1包括：光学窗口7、光学系统9和光电探测器10；

光学窗口7、光学系统9和光电探测器10与前置反射镜运动补偿方法的光电探测组件1中的功能相似，图像运动补偿则由CCD摄像机中集成的电子运动补偿措施完成；

所述光电毫米波搜索跟踪装置模式的调整是由处理组件4发指令是否启动运动补偿手段或方法来实现的，具体实现方法如下：

1)搜索模式。如图3、图4、图5和图6所示，启动相应运动补偿手段或方法，光电探测组件1在快速搜索时能获取清晰图像，使该装置处于搜索模式；

2)跟踪模式。当停止相应运动补偿手段或方法后，该装置处于跟踪模式；在该模式下，光电探测组件瞄准线14与毫米波电轴法线方向15平行，当光电探测组件1将目标稳定跟踪后，目标处于光电探测组件1的视场中心，毫米波测距组件2发射毫米波，测回该目标相对于该装置的直线距离和/或目标的径向速度，或按指令，毫米波测距组件2向光电探测组件1的视场中发现的其它目标发射毫米波，测回该目标相对于该装置的直线距离和/或目标的径向速度。

当该装置处于搜索模式时，该装置的工作状态参数由以下方式确定：

1)从获取目标角位置至获取距离时的时间延迟t_延；

该装置在搜索时，先由光电探测组件1获取目标的方位和俯仰角，即目标的角位置，然后，由毫米波测距组件2向该目标角位置方向发射雷达波测距来获得目标的距离值，这之间的时间延迟t_延反应了该装置获取目标三维坐标的实时性。光电探测组件1获取目标角位置所需时间取决于光电探测组件1的处理组件4处理获取的图像、提取并测定目标方位和高低角所需的时间t_提；毫米波测距组件2获取目标距离所需时间取决于处理组件4发出控制毫米波测距组件2向指定方位和高低角发射毫米波进行测距时所需时间t_测。因此，时间延迟t_延为：

t_延＝t_提+t_测 (1)

2)回扫速度v_回；

该装置处于搜索模式下，如图3所示，该装置以速度v_搜进行方位搜索扫描，在光电探测器10积分期间，前置反射镜8中的伺服控制组件控制前置反射镜8中的反射镜以与该装置搜索方向相反的方向进行回扫；如图4和图5所示，该装置以速度v_搜进行方位搜索扫描，在光电探测器10积分期间光学回扫镜13以与该装置搜索方向相反的方向进行回扫。前置反射镜8或光学回扫镜13的回扫速度v_回大小为与方位搜索角速度v_搜的二分之一，即：

v_回＝-v_搜/2 (2)

当光电探测器10积分结束后读出成像数据期间，前置反射镜8中的伺服控制组件控制前置反射镜8中的反射镜或光学回扫镜13返回回扫前的状态，等到光电探测器10再次积分时，前置反射镜8或光学回扫镜13重复上述工作状态。

3)光电探测组件1搜索角速度v_搜；

如图7所示，光电探测组件1的成像视场16为ε_方×∈_俯，为使该装置在方位向搜索不漏扫，相邻两幅图像在方位向有一定的重叠，重叠部分与整幅图像之比为重叠率η，光电探测组件1搜索形成的每一幅图像的有效视场角为：

ε'_方＝(1-η)ε_方 (3)

光电探测组件1完成360°全方位需要的成像幅数κ为：

κ＝2π/((1-η)ε_方) (4)

光电探测组件1的成像帧频为fr，完成全方位搜索所需时间T’为：

T′＝κ/f＝2π/((1-η)ε_方fr) (5)

另外，装置以方位搜索角速度v_搜匀速旋转，完成360°全方位搜索时间T为：

T＝2π/v_搜 (6)

为便于图像处理和目标提取，可使光电探测组件1在当前圈上获取图像的方位角位置与上一圈获取图像的角位置相同，则要求T＝T′，因此，装置的方位搜索角速度v_搜确定为：

v_搜＝(1-η)ε_方fr (7)

4)方位角δ_延a、俯仰角偏差δ_延p和在径向方向的距离偏差ΔR；

设目标在相对于该装置的方位和俯仰方向的速度分量分别为v_延a和v_延p，相对于该装置的径向方向为v_延z，设定该装置探测目标的距离为R，则在时间延迟t_延期间，目标因运动而在方位、俯仰角方向产生的偏差δ_延a、δ_延p和在径向方向产生距离偏差ΔR为：

5)毫米波测距组件2的毫米波的水平波束宽度δ_ma和垂直波束宽度δ_mp；

式中，δ_Ga和δ_Gp分别为光电探测装置1测量目标方位角和俯仰角误差；δ_延a和δ_延p是该装置探测目标时允许的最近距离R时的因目标运动产生的偏差。

6)毫米波测距组件2的相扫范围δ_mp和δ_ma；

毫米波测距组件2在俯仰向按照光电探测组件1给出的目标方位和俯仰角控制发射雷达波束。

当毫米波测距组件2的相扫中心位于光电探测组件1的视场中心，则要求在俯仰向的相扫范围δ_mp不小于光电探测组件1的俯仰视场∈_俯/2，即：

δ_mp≥∈_俯/2 (10)

毫米波测距组件2在方位向的相扫方向与目标处于光电探测组件1视场中相对位置相关，毫米波测距组件2在方位向的相扫范围δ_ma的大小取决于光电探测组件1的目标角位置所需的时间t_提、装置的方位搜索角速度v_搜，和目标可能出现在光电探测组件1视场中的方位向边缘角，即为：

示例：光电探测组件1的光电探测器10采用制冷型中波红外焦平面，该焦平面器件的像元数为640×512，帧频fr＝100Hz，光电探测器10的视场取ε_方×∈_俯＝3⁰×4⁰。选择将焦平面器件的640像元作为俯仰方向，是为了提高所述装置搜索时在俯仰方向上的覆盖范围。

装置搜索时，光电探测组件1获取的图像与下一幅图像之间的重叠率η＝10％，根据公式(7)，则方位搜索角速度v_搜为：

v_搜＝100×(1-0.1)×3⁰＝270⁰/s

提取并测定目标方位和高低角所需的时间t_提与处理组件4的处理能力直接相关。按照目前的技术水平，处理组件4完全能在光电探测器10完成下一幅图像输出到处理组件4前完成，因此，可取t_提＝1/fr＝0.01s。同时，为方便起见，取毫米波测距组件2测距时所需时间t_测＝0.01s。

根据公式1)，从获取目标角位置至获取距离时的时间延迟t_延＝0.02s。

中小型无人机的飞行速度较慢，例如使用电池为动力的四旋翼无人机的飞行速度一般在每小时数十千米，采用小型内燃机为动力中小型固定翼无人机飞行速度较快，一般在每小时飞行300千米左右。以中小型固定翼无人机为例，假设无人机飞行速度为＝200km/h，考虑两种极限情况下，根据公式9)，时间延迟t_延对获取目标三维坐标的影响：

a)无人机迎头飞行该装置，此时时间延迟t_延引起的目标距离测量误差ΔR最大，为：

ΔR＝v×t_延＝200km/h×0.02s＝1.1m

b)无人机飞行方向为该装置搜索的切线方向，假设无人机与该装置之间的距离R＝1km，此时时间延迟t_延引起的目标方位角误差δ_延a最大，为：

δ_延a＝atan(v/R×t_延)＝atan(200km/h×0.02s/1km)≈0.064⁰

上述计算是基于比较极限情况下得到的。可见因从获取目标角位置至获取距离时的时间延迟t_延而产生的测量误差较小，故能保证对目标的高精度探测。

如图7所示，所述光电毫米波三坐标搜跟装置在搜索模式下实现目标搜索和获取目标的方位、俯仰和距离三维坐标值的步骤如下：

步骤1)开启所述装置的运动补偿手段或方法，使该装置工作在搜索模式；

步骤2)所述装置的俯仰组件5驱动光电探测组件1和毫米波测距组件2到搜索俯仰角β；

步骤3)所述装置的方位组件6驱动俯仰组件5、光电探测组件1和毫米波测距组件2沿方位向以v_搜进行匀速旋转；

步骤4)所述装置的光电探测组件1以帧频fr进行成像探测，将探测到的清晰图像发送到处理组件4处理；

步骤5)处理组件4对图像进行处理，自动提取图像中的第一目标18；如图7所示，假设在第i幅图像中提取到第一目标18，并测定第一目标18相对于该装置的光电探测组件1的成像视场中心点17的方位角x_i和俯仰角y_i的目标相对角位置(x_i,y_i)，其中，第i幅图像的成像视场中心点17相对于该装置零位向的角位置(α_i,β)，该幅图像中的第一目标18相对于该装置的零位向的角位置(α_i+x_i,β+y_i)；

步骤6)根据第一目标18的相对角位置(x_i,y_i)中的俯仰角y_i，确定毫米波测距组件2在俯仰向偏离毫米波电轴法线方向15的相扫角为y_i；根据第一目标18的相对角位置(x_i,y_i)中的方位角x_i，确定毫米波测距组件2在方位向偏离毫米波电轴法线方向15的相扫角为(t_提·v_搜+x_i)；然后毫米波测距组件2按照偏离毫米波电轴法线方向15的角位置(t_提·v_搜+x_i，y_i)方向发射毫米波波束20，从而使毫米波波束20照射到第一目标18。设毫米波测距组件2通过测量从发射到从第一目标18返回所需时间t_i，从而测回目标距离R_i：

R_i＝ct_i/2 (12)

式中，c为电磁波速度；

步骤7)根据步骤5)和步骤6)，获得第i幅图像中的第一目标18三维坐标为(α_i+x_i,β+y_i,R_i)；

步骤8)所述装置继续步骤3)至步骤6)，假设在第i+3幅图像中发现的第二目标19的三维坐标为(α_i+3+x_i+3,β+y_i+3,R_i+3)；

步骤9)所述装置重复步骤3)到步骤6)，继续沿搜索俯仰角β进行全方位搜索覆盖；

步骤10)所述装置连续三次以上探测并获得第一目标18和第二目标19的三维坐标，采用通用的数学处理方法，即可获得第一目标18和第二目标19的航速、航向等目标航迹信息，实现对第一目标18和第二目标19的跟踪和威胁判断；

步骤11)通过处理组件4将搜索俯仰角β改变为另一搜索俯仰角β′，则装置沿新的搜索俯仰角β′重复步骤3)至步骤6)进行全方位搜索。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (11)

1.一种光电毫米波搜索跟踪装置，所述装置在两种工作模式下工作：搜索模式和跟踪模式，其特征在于，所述装置包括：光电探测组件(1)、毫米波测距组件(2)、伺服机构(3)和处理组件(4)；所述光电探测组件(1)通过切换为搜索或跟踪模式进行目标的搜索或跟踪；所述毫米波测距组件(2)用于按照光电探测组件(1)给出的目标方位和俯仰角，确定二维相扫角，将雷达波束指向该角度方向，测定目标的距离和/或径向速度；所述光电探测组件(1)和毫米波测距组件(2)一并安装在伺服机构(3)；所述伺服机构(3)用于驱动光电探测组件(1)和毫米波测距组件(2)；所述处理组件(4)用于控制装置搜索和跟踪状态的切换；并处理光电探测组件(1)获取的图像信息，提取目标角位置信息；控制毫米波测距组件(2)对已获得角位置信息的目标测距和/或测定径向速度。

2.根据权利要求1所述的光电毫米波搜索跟踪装置，其特征在于，所述毫米波测距组件(2)能够在方位向和俯仰向进行两维相扫，所述毫米波测距组件(2)包括：发射接收天线(11)和毫米波发射/接收组件(12)。

3.根据权利要求1所述的光电毫米波搜索跟踪装置，其特征在于，所述伺服机构(3)包括：俯仰组件(5)和方位组件(6)；所述俯仰组件(5)用于承载光电探测组件(1)和毫米波测距组件(2)，驱动光电探测组件(1)和毫米波测距组件(2)在俯仰向进行跟踪目标，以及确定光电探测组件(1)在搜索模式时的俯仰角；所述方位组件(6)用于承载俯仰组件(5)，驱动光电探测组件(1)进行方位向搜索，以及驱动光电探测组件(1)和毫米波测距组件(2)在方位向进行跟踪目标。

4.根据权利要求1所述的光电毫米波搜索跟踪装置，其特征在于，所述装置在扫描搜索过程中会出现光电探测器运动图像模糊，当采用前置反射镜运动进行图像运动补偿时，所述光电探测组件(1)包括：光学窗口(7)、前置反射镜(8)、光学系统(9)和光电探测器(10)；其中：

所述光学窗口(7)是光电探测组件(1)的保护窗口，所述光学窗口(7)的透光波段与光电探测组件(1)的工作波段一致；所述光学窗口(7)与毫米波测距组件(2)并列安装在同一侧；

所述前置反射镜(8)，用于将透过光学窗口(7)的光波反射到光学系统(9)，包括：反射镜和伺服控制组件；所述伺服控制组件通过实时控制前置反射镜(8)进行小范围摆动来补偿光电探测组件(1)在搜索模式时目标成像在光电探测器(10)光敏面上运动，使光电探测器(10)在积分期间能清晰成像；

所述光学系统(9)，用于汇聚前置反射镜(8)反射过来的目标光信号，将其聚焦成像到光电探测器(10)的光敏面上；

所述光电探测器(10)用于将光学系统(9)汇聚的目标光信号转换为目标电信号，并将目标电信号传递到处理组件(4)进行处理。

5.根据权利要求1所述的光电毫米波搜索跟踪装置，其特征在于，所述装置在扫描搜索过程中出现光电探测器运动图像模糊时，当采用后置光学回扫镜运动补偿进行图像运动补偿方案时，所述光电探测组件(1)包括：光学窗口(7)、前置反射镜(8)、光学系统(9)、光学回扫镜(13)和光电探测器(10)；

所述光学窗口(7)是光电探测组件(10)的保护窗口，所述光学窗口(7)的透光波段与光电探测组件(1)的工作波段一致；所述光学窗口(7)与毫米波测距组件(2)并列安装在同一侧；

所述前置反射镜(8)，用于将透过光学窗口(7)的光波反射到光学系统(9)；

所述光学回扫镜(13)进行小范围摆动来补偿光电探测组件(1)因快速搜索带来的目标成像在光电探测器(10)光敏面上运动；

所述光学系统(9)，用于汇聚前置反射镜(8)反射过来的目标光信号，将其聚焦成像到光电探测器(10)的光敏面上；

所述光电探测器(10)用于将光学系统(9)汇聚的目标光信号转换为目标电信号，并将目标电信号传递到处理组件(4)进行处理。

6.根据权利要求1所述的光电毫米波搜索跟踪装置，其特征在于，所述装置在扫描搜索过程中出现光电探测器运动图像模糊时，当采用后置光学回扫镜运动补偿进行图像运动补偿方案时，所述光电探测组件(1)还包括：光学窗口(7)、光学系统(9)、光学回扫镜(13)和光电探测器(10)；

所述光学窗口(7)是光电探测组件(10)的保护窗口，所述光学窗口(7)的透光波段与光电探测组件(1)的工作波段一致；所述光学窗口(7)与毫米波测距组件(2)并列安装在同一侧；

所述光学回扫镜(13)进行小范围摆动来补偿光电探测组件(1)因快速搜索带来的目标成像在光电探测器(10)光敏面上运动；

所述光学系统(9)，用于汇聚目标光信号，将其聚焦成像到光电探测器(10)的光敏面上；

所述光电探测器(10)用于将光学系统(9)汇聚的目标光信号转换为目标电信号，并将目标电信号传递到处理组件(4)进行处理。

7.根据权利要求1所述的光电毫米波搜索跟踪装置，其特征在于，当装置扫描搜索过程中出现光电探测器运动图像模糊时，当采用电子运动补偿方法时，所述光电探测组件(1)包括：光学窗口(7)、前置反射镜(8)、光学系统(9)和光电探测器(10)；

所述光学窗口(7)是光电探测组件(1)的保护窗口，所述光学窗口(7)的透光波段与光电探测组件(1)的工作波段一致；所述光学窗口(7)与毫米波测距组件(2)并列安装在同一侧；

所述前置反射镜(8)，用于将透过光学窗口(7)的光波反射到光学系统(9)；

所述光学系统(9)，用于汇聚前置反射镜(8)反射过来的目标光信号，将其聚焦成像到光电探测器(10)的光敏面上；

所述光电探测器(10)我具有时间延迟积分功能的CCD摄像机，根据CCD摄像机特有的电荷读出技术，通过电子运动补偿方法解决该装置在搜索模式时带来的图像运动模糊问题。

8.根据权利要求1所述的光电毫米波搜索跟踪装置，其特征在于，当装置扫描搜索过程中出现光电探测器运动图像模糊时，当采用电子运动补偿方法时，所述光电探测组件(1)还包括：光学窗口(7)、光学系统(9)和光电探测器(10)；

所述光学窗口(7)是光电探测组件(1)的保护窗口，所述光学窗口(7)的透光波段与光电探测组件(1)的工作波段一致；所述光学窗口(7)与毫米波测距组件(2)并列安装在同一侧；

所述光学系统(9)，用于汇聚目标光信号，将其聚焦成像到光电探测器(10)的光敏面上；

所述光电探测器(10)为具有时间延迟积分功能的CCD摄像机，根据CCD摄像机特有的电荷读出技术，通过电子运动补偿方法解决该装置在搜索模式时带来的图像运动模糊问题。

9.根据权利要求1所述的光电毫米波搜索跟踪装置，其特征在于，所述装置工作模式的调整是由处理组件(4)发指令是否启动运动补偿手段或方法来实现的，具体实现方法如下：

当启动相应运动补偿手段或方法，所述光电探测组件(1)在快速搜索时能获取清晰图像，使该装置处于搜索模式；

当停止相应运动补偿手段或方法后，所述装置处于跟踪模式；在该模式下，当光电探测组件(1)将目标稳定跟踪后，目标处于光电探测组件(1)的视场中心，毫米波测距组件(2)发射毫米波，测回该目标相对于该装置的直线距离和/或目标的径向速度。

10.一种根据权利要求1-9之一所述的装置实现的光电毫米波搜索跟踪方法，其特征在于，所述方法具体包括：

步骤1)开启所述装置的运动补偿手段或方法，使该装置工作在搜索模式；

步骤2)所述俯仰组件(5)驱动光电探测组件(1)和毫米波测距组件(2)到搜索俯仰角β；

步骤3)所述方位组件(6)驱动俯仰组件(5)、光电探测组件(1)和毫米波测距组件(2)沿方位向以v_搜进行匀速旋转；

步骤4)所述装置的光电探测组件(1)以帧频fr进行成像探测，将探测到的图像发送到处理组件(4)处理；

步骤5)所述处理组件(4)对图像进行处理，自动提取图像中的第一目标(18)；当在第i幅图像中提取到第一目标(18)，并测定第一目标(18)相对于光电探测组件(1)的成像视场中心点(17)的方位角x_i和俯仰角y_i的目标相对角位置(x_i,y_i)，其中，第i幅图像的成像视场中心点(17)相对于该装置零位向的角位置(α_i,β)，该幅图像中的第一目标(18)相对于该装置的零位向的角位置(α_i+x_i,β+y_i)；

步骤6)根据第一目标(18)的相对角位置(x_i,y_i)中的俯仰角y_i，确定毫米波测距组件(2)在俯仰向偏离毫米波电轴法线方向(15)的相扫角为y_i；根据第一目标(18)的相对角位置(x_i,y_i)中的方位角x_i，确定毫米波测距组件(2)在方位向偏离毫米波电轴法线方向(15)的相扫角为(t_提·v_搜+x_i)；v_搜为光电探测组件(1)方位向搜索角速度，t_提为提取并测定目标方位和高低角所需的时间；然后毫米波测距组件(2)按照偏离毫米波电轴法线方向(15)的角位置(t_提·v_搜+x_i，y_i)方向发射毫米波波束(20)，从而使毫米波波束(20)照射到第一目标(18)；设毫米波测距组件(2)通过测量从发射到从第一目标(18)返回所需时间t_i，从而测回目标距离R_i：

R_i＝ct_i/2

式中，c为电磁波速度；

步骤7)根据步骤5)和步骤6)，获得第i幅图像中的第一目标(18)三维坐标为(α_i+x_i,β+y_i,R_i)；

步骤8)所述装置继续步骤3)至步骤6)，假设在第i+3幅图像中发现的第二目标(19)的三维坐标为(α_i+3+x_i+3,β+y_i+3,R_i+3)；

步骤9)所述装置重复步骤3)到步骤6)，继续沿搜索俯仰角β进行全方位搜索覆盖；

步骤10)所述装置连续三次以上探测并获得第一目标(18)和第二目标(19)的三维坐标，从而获得第一目标(18)和第二目标(19)的航速和航向目标航迹信息，实现对第一目标(18)和第二目标(19)的跟踪和威胁判断；

步骤11)通过处理组件(4)将搜索俯仰角β改变为另一搜索俯仰角β′，则装置沿新的搜索俯仰角β′重复步骤3)至步骤6)进行全方位搜索。

11.根据权利要求10所述的光电毫米波搜索跟踪方法，其特征在于，所述光电探测组件(1)方位向搜索角速度v_搜为：

v_搜＝(1-η)ε_方fr

若光电探测组件(1)的成像视场(16)为ε_方×∈_俯，∈_俯为俯仰视场，ε_方为方位视场；若相邻两幅图像在方位向有重叠，则重叠部分与整幅图像之比为重叠率η，fr为所光电探测组件(1)的成像帧频。