CN108037499B - 一种光电毫米波三坐标搜索跟踪装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光电毫米波三坐标搜索跟踪装置，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)给出的目标俯仰角，确定在俯仰向的一维相扫角，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)上；所述处理组件(4)用于处理光电探测组件(1)获取的图像信息，提取目标角位置信息，并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

一种光电毫米波三坐标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，毫米波的波束更窄。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搜索跟踪装置及方法，所述装置在两种工作模式下工作：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；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给出的目标俯仰角，确定在俯仰向的一维相扫角，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上；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，并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能够在俯仰向进行一维相扫，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，并驱动光电探测组件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在搜索时的俯仰角；所述方位组件6用于承载俯仰组件5，并驱动光电探测组件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、搜索跟踪切换反射镜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；
所述搜索跟踪切换反射镜8，用于将透过光学窗口7的光波反射到光学系统9，所述搜索跟踪切换反射镜8包括：反射镜和伺服控制组件；所述伺服控制组件通过调整反射镜的反射角度实现该装置搜索和跟踪模式的切换，通过实时控制搜索跟踪切换反射镜8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光敏面上的运动，使光电探测器10在积分期间能清晰成像；
所述光学系统9，用于汇聚搜索跟踪切换反射镜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，并将该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、搜索跟踪切换反射镜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；
所述搜索跟踪切换反射镜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调整反射镜的反射角度实现该装置搜索和跟踪模式的切换；
所述光学系统9，用于汇聚搜索跟踪切换反射镜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；
所述光学回扫镜13用于通过自身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、搜索跟踪切换反射镜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安装在同一侧；
所述搜索跟踪切换反射镜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调整反射镜反射角度实现该装置搜索和跟踪模式的切换；
所述光学系统9，用于汇聚搜索跟踪切换反射镜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采用具有时间延迟积分功能的CCD摄像机，根据CCD摄像机的电荷读出技术，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切换是通过处理组件4发指令调整搜索跟踪切换反射镜8中的反射角度来实现的，具体实现过程如下：
当搜索跟踪切换反射镜8的搜索时反射镜法线方向14沿扫描搜索方向与毫米波测距组件2的毫米波电轴法线方向16相差偏转角度θ时，或者光电探测组件1的搜索时反射镜法线方向14与跟踪时反射镜法线方向15间的偏转角度为θ时，该装置处于搜索模式；
搜索时反射镜法线方向14的偏离角度方向与该装置的旋转搜索方向相同；偏转角度θ的大小满足：
Figure BDA0001449750540000051
其中，t提为光电探测组件1的提取目标角位置所需的时间，v搜为所述光电探测组件1的方位搜索角速度，ε方为所述光电探测组件1方位向的视场角；
当搜索跟踪切换反射镜8的跟踪时反射镜法线方向15与毫米波测距组件2的毫米波电轴法线方向16平行时，该装置处于跟踪模式，所述毫米波测距组件2的毫米波电轴法线方向16平行指向光电探测组件1的视场中心18；在光电探测组件1稳定跟踪目标后，目标处于光电探测组件1的视场中心，所述毫米波测距组件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。
作为上述装置的一种改进，所述光电探测组件1的方位搜索角速度为：
v搜＝(1-η)ε方fr
若光电探测组件1的成像视场17为ε方×∈俯，∈俯为俯仰向视场，ε方为方位向视场；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。
一种光电毫米波三坐标搜索跟踪方法，所述方法具体包括：
步骤1)所述装置的搜索跟踪切换反射镜8的搜索时反射镜法线方向14沿扫描搜索方向与毫米波测距组件2的毫米波电轴法线方向16的偏转角度为θ，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启动图像运动补偿手段或方法，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)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19；若在第i幅图像中提取到第一目标19，并测定第一目标19相对于该装置的光电探测组件1的成像视场中心18的方位角为xi和俯仰角为yi，标记为目标相对角位置(xi,yi)；设第i幅图像的成像视场中心18相对于该装置零位向的角位置(αi,β)，则该幅图像中的第一目标19相对于该装置的零位向的角位置是(αi+xi,β+yi)；
步骤6)根据第一目标19的角位置(αi+xi,β+yi)中的俯仰角yi，毫米波测距组件2调整其在俯仰向偏离毫米波电轴法线方向16的相扫角为yi；根据第一目标19的角位置(αi+xi,β+yi)中的方位角αi+xi，当毫米波测距组件2的毫米波电轴法线方向16随该装置旋转搜索至目标方位角αi+xi时，所述毫米波测距组件2发射毫米波波束21，从而使毫米波波束21照射到第一目标19；毫米波测距组件2通过测量从发射到从第一目标19返回所需时间ti，从而测回目标距离Ri：
Ri＝cti/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19的三维坐标为(αi+xi,β+yi,Ri)；
步骤8)所述装置继续步骤4)至步骤7)，假设在第i+3幅图像中发现的第二目标20的三维坐标为(αi+3+xi+3,β+yi+3,Ri+3)；
步骤9)所述装置重复步骤4)到步骤7)，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19和第二目标20的三维坐标，由此获得第一目标19和第二目标20的航速和航向目标航迹信息，实现对第一目标19和第二目标20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7)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的方位搜索角速度v搜为：
v搜＝(1-η)ε方fr
若光电探测组件1的成像视场17为ε方×∈俯，∈俯为俯仰向视场，ε方为方位向视场；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、本发明的装置在光电探测设备前布置搜跟切换反射镜，调整搜跟切换反射镜在方位向的偏转角度，实现本装置搜索和跟踪模式的切换；同时配置的毫米波测距组件在俯仰方向上具备一维相扫能力。在搜索模式时，搜跟切换反射镜在方位向的偏转一定角度，在本装置快速方位搜索时获取目标清晰图像，经处理提取出目标相对于该装置的方位和俯仰角位置，然后将目标俯仰角度用于生成控制毫米波组件俯仰向相扫的扫描角度，当毫米波测距组件的波束发射方向即将划过目标所处方位角时，毫米波测距组件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过程中获取目标距离的难题；
3、本发明的装置设置的搜索跟踪反射镜还可实现将光电探测设备的长轴方向布置在毫米波测距组件后部，从而有效减小了该装置的体积和重量，有利于装置小型化；
4、本发明的装置处于跟踪模式时，光电探测设备实时跟踪目标，毫米波雷达测量被光电探测设备跟踪的目标距离，从而获得高速率高精度的目标三维坐标数据；
5、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三坐标搜索跟踪装置组成框图；
图2为本发明的光电毫米波三坐标搜索跟踪装置外形示意图；
图3为本发明的光电毫米波三坐标搜索跟踪装置在搜索模式下由搜索切换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三坐标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5为本发明的光电毫米波三坐标搜索跟踪装置跟踪模式下的状态示意图；
图6为本发明的光电毫米波三坐标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、搜索跟踪跟切换反射镜 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、搜索时反射镜法线方向
15、跟踪时反射镜法线方向 16、毫米波电轴法线方向
17、成像视场 18、成像视场中心点
19、第一目标 20、第二目标 21、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，一种光电毫米波三坐标搜索跟踪装置，所述装置具有两种工作模式：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的长轴方向布置在毫米波测距组件2后部，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搜索或跟踪目标的距离和/或径向速度；采用一维相扫体制，具备在俯仰向进行一维相扫，能按照光电探测组件1给出的目标俯仰角，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，在搜索模式下，驱动光电探测组件1沿方位向进行搜索，以及在跟踪模式下驱动光电探测组件1和毫米波测距组件2在方位向进行跟踪目标；
所述俯仰组件5承载光电探测组件1和毫米波测距组件2，在跟踪模式下，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进行测距和/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，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持续不间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10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补偿方案，和一种电子运动补偿方法。
(1)如图2和图3所示，当采用前置反射镜运动补偿方法，所述光电探测组件1包括：光学窗口7、搜索跟踪切换反射镜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；
所述搜索跟踪切换反射镜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，伺服控制组件；伺服控制组件通过调整反射镜反射角度实现该装置搜索和跟踪模式的切换，通过实时控制搜索跟踪切换反射镜8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，使光电探测器10在积分期间能清晰成像；
所述光学系统9，用于汇聚搜索跟踪切换反射镜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)如图4所示，当采用后置光学回扫镜方法，所述光电探测组件1包括：光学窗口7、搜索跟踪切换反射镜8、光学系统9、光学回扫镜13和光电探测器10；
光学窗口7、搜索跟踪切换反射镜8、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，不同在于调整了搜索跟踪切换反射镜8的控制和用途，使搜索跟踪切换反射镜8只用于装置的搜索模式和跟踪模式的切换。装置的光电探测组件1在搜索模式时的运动补偿由实时控制搜跟切换反射镜8进行小范围摆动，改为搜索跟踪切换反射镜8不摆动，而是由控制光学回扫镜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工作在可见光和近红外波段时，光电探测器10采用的是CCD摄像机，则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，如图3所示，所述光电探测组件1的组成与采用前置反射镜运动补偿方法的光电探测组件1相似，不同之处在于搜跟切换反射镜8只承担完成装置搜索模式和跟踪模式的切换，不承担搜索时的图像运动补偿。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。
所述光电毫米波三坐标搜索跟踪装置工作模式的调整是由处理组件4发指令来调整搜跟切换反射镜8中的反射角度来实现的，具体实现方法如下：
(1)搜索模式。如图3和图4所示，当搜索跟踪切换反射镜8的搜索时反射镜法线方向14与毫米波测距组件2的毫米波电轴法线方向16相差一定偏转角度θ时，或者光电探测组件1的搜索时反射镜法线方向14与跟踪时反射镜法线方向15间的偏转角度为θ时，该装置处于搜索模式；
(2)跟踪模式。如图5所示，当搜索跟踪切换反射镜8的跟踪时反射镜法线方向15与毫米波测距组件2的毫米波电轴法线方向16平行时，该装置处于跟踪模式，毫米波测距组件2的毫米波电轴法线方向16平行指向光电探测组件1的视场中心18；在光电探测组件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。
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；
该装置在搜索模式时，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在等待装置旋转到目标方位角时，向该目标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；该装置旋转角度达到目标的方位角后，触发毫米波测距组件2发射毫米波开始测距，该装置旋转到达目标的方位角所需时间为t转；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进行测距，按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转+t测 (1)
其中，该装置旋转到达目标的方位角时间t转，与目标可能在光电探测组件1的视场位置直接相关。t转的最大值是当目标位于光电探测组件1视场中最大偏值，该值为方位向的视场角ε方，若该装置搜索角速度为v搜，则：
Figure BDA0001449750540000111
(2)搜索跟踪切换反射镜8在方位方向的偏转角度θ；
搜索时反射镜法线方向14的偏离角度方向与该装置的旋转搜索方向相同；偏转角度θ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；同时，因在跟踪模式下毫米波测距组件2的发出的毫米波波束21照向光电探测组件1的视场中心18，为保证在光电探测组件1提取到目标角位置时，毫米波测距组件2的毫米波波束21刚好扫到可能处在光电探测组件1的视场方位边缘角的目标，故还应加上光电探测组件1的半个视场角，即为：
Figure BDA0001449750540000121
(3)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，搜索跟踪切换反射镜8中的伺服控制组件控制搜索跟踪切换反射镜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。搜索跟踪切换反射镜8或光学回扫镜13的回扫速度v回大小为方位搜索角速度v搜的二分之一，即：
v回＝-v搜/2 (4)
当光电探测器10积分结束后读出成像数据期间，搜跟切换反射镜8中的伺服控制组件控制搜索跟踪切换反射镜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，搜索跟踪切换反射镜8或光学回扫镜13重复上述工作状态。
(4)光电探测组件1搜索角速度v搜；
如图6所示，光电探测组件1的成像视场17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 (5)
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) (6)
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) (7)
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 (8)
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 (9)
(5)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：
Figure BDA0001449750540000131
(6)毫米波测距组件2的毫米波的水平波束宽度δma和垂直波束宽度δmp；
Figure BDA0001449750540000132
式中，δGa和δGp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。
(7)毫米波测距组件2的相扫范围δmp；
毫米波测距组件2在俯仰向按照光电探测组件1给出的目标俯仰角控制发射雷达波束，当毫米波测距组件2的毫米波电轴法线方向16位于光电探测组件1俯仰视场中间，则要求一维相扫范围δmp不小于光电探测组件1的俯仰视场∈俯/2，即：
δmp≥∈俯/2 (12)
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(9)，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。
由公式(2)当该装置旋转经过目标的方位角时间t转的最大值t转大为：
Figure BDA0001449750540000141
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＝0.025s。
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100～300千米左右。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(10)，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×0.025s＝1.4m
(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×0.025s/1km)≈0.080
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。
根据公式(3)，搜索跟踪切换反射镜8在方位方向的偏转角度θ为：
θ＝0.01s×2700/s+30/2＝4.20
如图6所示，所述光电毫米波搜索跟踪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)所述装置的搜索跟踪切换反射镜8的搜索时反射镜法线方向14与毫米波测距组件2的毫米波电轴法线方向16的偏转角度为θ，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启动图像运动补偿手段或方法，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19；如图6所示，假设在第i幅图像中提取到第一目标19，并测定第一目标19相对于该装置的光电探测组件1的成像视场中心18的方位角为xi和俯仰角为yi，标记为目标相对角位置(xi,yi)。设第i幅图像的成像视场中心18相对于该装置零位向的角位置(αi,β)，则该幅图像中的第一目标19相对于该装置的零位向的角位置是(αi+xi,β+yi)；
步骤6)根据第一目标19的角位置(αi+xi,β+yi)中的俯仰角yi，毫米波测距组件2调整其毫米波电轴法线方向16的俯仰指向至目标俯仰角yi；根据第一目标19的角位置(αi+xi,β+yi)中的方位角αi+xi，当毫米波测距组件2的毫米波电轴法线方向16随该装置旋转搜索至目标方位角αi+xi时，毫米波测距组件2发射毫米波波束21，从而使毫米波波束21照射到第一目标19。毫米波测距组件2通过测量从发射到从第一目标19返回所需时间ti，从而测回目标距离Ri：
Ri＝cti/2 (13)
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19三维坐标为(αi+xi,β+yi,Ri)；
步骤8)所述装置继续步骤4)至步骤7)，假设在第i+3幅图像中发现的第二20的三维坐标为(αi+3+xi+3,β+yi+3,Ri+3)；
步骤9)所述装置重复步骤4)到步骤7)，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19和第二目标20的三维坐标，采用通用的数学处理方法，即可获得第一目标19和第二目标20的航速、航向等目标航迹信息，实现对第一目标19和第二目标20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7)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 (18)

1.一种光电毫米波三坐标搜索跟踪装置，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)给出的目标俯仰角，确定在俯仰向的一维相扫角，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)上；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，并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)、搜索跟踪切换反射镜(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；
所述搜索跟踪切换反射镜(8)，用于将透过光学窗口(7)的光波反射到光学系统(9)，所述搜索跟踪切换反射镜(8)包括：反射镜和伺服控制组件；所述伺服控制组件通过调整反射镜的反射角度实现该装置搜索和跟踪模式的切换，通过实时控制搜索跟踪切换反射镜(8)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)光敏面上的运动，使光电探测器(10)在积分期间能清晰成像；
所述光学系统(9)，用于汇聚搜索跟踪切换反射镜(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，并将该目标电信号传递到处理组件(4)进行处理；
所述装置工作模式的切换是通过处理组件(4)发指令调整搜索跟踪切换反射镜(8)中的反射角度来实现的，具体实现过程如下：
当搜索跟踪切换反射镜(8)的搜索时反射镜法线方向(14)沿扫描搜索方向与毫米波测距组件(2)的毫米波电轴法线方向(16)相差偏转角度θ时，或者光电探测组件(1)的搜索时反射镜法线方向(14)与跟踪时反射镜法线方向(15)间的偏转角度为θ时，该装置处于搜索模式；
搜索时反射镜法线方向(14)的偏离角度方向与该装置的旋转搜索方向相同；偏转角度θ的大小满足：
Figure FDA0002401083300000021
其中，t提为光电探测组件(1)的提取目标角位置所需的时间，v搜为所述光电探测组件(1)的方位搜索角速度，ε方为所述光电探测组件(1)方位向的视场角；
当搜索跟踪切换反射镜(8)的跟踪时反射镜法线方向(15)与毫米波测距组件(2)的毫米波电轴法线方向(16)平行时，该装置处于跟踪模式，所述毫米波测距组件(2)的毫米波电轴法线方向(16)平行指向光电探测组件(1)的视场中心(18)；在光电探测组件(1)稳定跟踪目标后，目标处于光电探测组件(1)的视场中心，所述毫米波测距组件(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。
2.根据权利要求1所述的光电毫米波三坐标搜索跟踪装置，其特征在于，所述毫米波测距组件(2)能够在俯仰向进行一维相扫，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所述的光电毫米波三坐标搜索跟踪装置，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)，并驱动光电探测组件(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)在搜索时的俯仰角；所述方位组件(6)用于承载俯仰组件(5)，并驱动光电探测组件(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所述的光电毫米波三坐标搜索跟踪装置，其特征在于，所述光电探测组件(1)的方位搜索角速度为：
v搜＝(1-η)ε方fr
若光电探测组件(1)的成像视场(17)为ε方×∈俯，∈俯为俯仰向视场；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。
5.一种光电毫米波三坐标搜索跟踪装置，其特征在于，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)给出的目标俯仰角，确定在俯仰向的一维相扫角，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)上；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，并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)、搜索跟踪切换反射镜(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(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；
所述搜索跟踪切换反射镜(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调整反射镜的反射角度实现该装置搜索和跟踪模式的切换；
所述光学系统(9)，用于汇聚搜索跟踪切换反射镜(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；
所述光学回扫镜(13)用于通过自身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；
所述装置工作模式的切换是通过处理组件(4)发指令调整搜索跟踪切换反射镜(8)中的反射角度来实现的，具体实现过程如下：
当搜索跟踪切换反射镜(8)的搜索时反射镜法线方向(14)沿扫描搜索方向与毫米波测距组件(2)的毫米波电轴法线方向(16)相差偏转角度θ时，或者光电探测组件(1)的搜索时反射镜法线方向(14)与跟踪时反射镜法线方向(15)间的偏转角度为θ时，该装置处于搜索模式；
搜索时反射镜法线方向(14)的偏离角度方向与该装置的旋转搜索方向相同；偏转角度θ的大小满足：
Figure FDA0002401083300000041
其中，t提为光电探测组件(1)的提取目标角位置所需的时间，v搜为所述光电探测组件(1)的方位搜索角速度，ε方为所述光电探测组件(1)方位向的视场角；
当搜索跟踪切换反射镜(8)的跟踪时反射镜法线方向(15)与毫米波测距组件(2)的毫米波电轴法线方向(16)平行时，该装置处于跟踪模式，所述毫米波测距组件(2)的毫米波电轴法线方向(16)平行指向光电探测组件(1)的视场中心(18)；在光电探测组件(1)稳定跟踪目标后，目标处于光电探测组件(1)的视场中心，所述毫米波测距组件(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。
6.根据权利要求5所述的光电毫米波三坐标搜索跟踪装置，其特征在于，所述毫米波测距组件(2)能够在俯仰向进行一维相扫，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)。
7.根据权利要求5所述的光电毫米波三坐标搜索跟踪装置，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)，并驱动光电探测组件(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)在搜索时的俯仰角；所述方位组件(6)用于承载俯仰组件(5)，并驱动光电探测组件(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。
8.根据权利要求5所述的光电毫米波三坐标搜索跟踪装置，其特征在于，所述光电探测组件(1)的方位搜索角速度为：
v搜＝(1-η)ε方fr
若光电探测组件(1)的成像视场(17)为ε方×∈俯，∈俯为俯仰向视场；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。
9.一种光电毫米波三坐标搜索跟踪装置，其特征在于，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)给出的目标俯仰角，确定在俯仰向的一维相扫角，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)上；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，并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)、搜索跟踪切换反射镜(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)安装在同一侧；
所述搜索跟踪切换反射镜(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调整反射镜反射角度实现该装置搜索和跟踪模式的切换；
所述光学系统(9)，用于汇聚搜索跟踪切换反射镜(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)采用具有时间延迟积分功能的CCD摄像机，根据CCD摄像机的电荷读出技术，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；
所述装置工作模式的切换是通过处理组件(4)发指令调整搜索跟踪切换反射镜(8)中的反射角度来实现的，具体实现过程如下：
当搜索跟踪切换反射镜(8)的搜索时反射镜法线方向(14)沿扫描搜索方向与毫米波测距组件(2)的毫米波电轴法线方向(16)相差偏转角度θ时，或者光电探测组件(1)的搜索时反射镜法线方向(14)与跟踪时反射镜法线方向(15)间的偏转角度为θ时，该装置处于搜索模式；
搜索时反射镜法线方向(14)的偏离角度方向与该装置的旋转搜索方向相同；偏转角度θ的大小满足：
Figure FDA0002401083300000061
其中，t提为光电探测组件(1)的提取目标角位置所需的时间，v搜为所述光电探测组件(1)的方位搜索角速度，ε方为所述光电探测组件(1)方位向的视场角；
当搜索跟踪切换反射镜(8)的跟踪时反射镜法线方向(15)与毫米波测距组件(2)的毫米波电轴法线方向(16)平行时，该装置处于跟踪模式，所述毫米波测距组件(2)的毫米波电轴法线方向(16)平行指向光电探测组件(1)的视场中心(18)；在光电探测组件(1)稳定跟踪目标后，目标处于光电探测组件(1)的视场中心，所述毫米波测距组件(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.根据权利要求9所述的光电毫米波三坐标搜索跟踪装置，其特征在于，所述毫米波测距组件(2)能够在俯仰向进行一维相扫，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)。
11.根据权利要求9所述的光电毫米波三坐标搜索跟踪装置，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)，并驱动光电探测组件(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)在搜索时的俯仰角；所述方位组件(6)用于承载俯仰组件(5)，并驱动光电探测组件(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。
12.根据权利要求9所述的光电毫米波三坐标搜索跟踪装置，其特征在于，所述光电探测组件(1)的方位搜索角速度为：
v搜＝(1-η)ε方fr
若光电探测组件(1)的成像视场(17)为ε方×∈俯，∈俯为俯仰向视场；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。
13.一种根据权利要求1-4之一所述的装置实现的光电毫米波三坐标搜索跟踪方法，其特征在于，所述方法具体包括：
步骤1)所述装置的搜索跟踪切换反射镜(8)的搜索时反射镜法线方向(14)沿扫描搜索方向与毫米波测距组件(2)的毫米波电轴法线方向(16)的偏转角度为θ，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)启动图像运动补偿手段或方法，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)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(19)；若在第i幅图像中提取到第一目标(19)，并测定第一目标(19)相对于该装置的光电探测组件(1)的成像视场中心(18)的方位角为xi和俯仰角为yi，标记为目标相对角位置(xi,yi)；设第i幅图像的成像视场中心(18)相对于该装置零位向的角位置(αi,β)，则该幅图像中的第一目标(19)相对于该装置的零位向的角位置是(αi+xi,β+yi)；
步骤6)根据第一目标(19)的角位置(αi+xi,β+yi)中的俯仰角yi，毫米波测距组件(2)调整其在俯仰向偏离毫米波电轴法线方向(16)的相扫角为yi；根据第一目标(19)的角位置(αi+xi,β+yi)中的方位角αi+xi，当毫米波测距组件(2)的毫米波电轴法线方向(16)随该装置旋转搜索至目标方位角αi+xi时，所述毫米波测距组件(2)发射毫米波波束(21)，从而使毫米波波束(21)照射到第一目标(19)；毫米波测距组件(2)通过测量从发射到从第一目标(19)返回所需时间ti，从而测回目标距离Ri：
Ri＝cti/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(19)的三维坐标为(αi+xi,β+yi,Ri)；
步骤8)所述装置继续步骤4)至步骤7)，假设在第i+3幅图像中发现的第二目标(20)的三维坐标为(αi+3+xi+3,β+yi+3,Ri+3)；
步骤9)所述装置重复步骤4)到步骤7)，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(19)和第二目标(20)的三维坐标，由此获得第一目标(19)和第二目标(20)的航速和航向目标航迹信息，实现对第一目标(19)和第二目标(20)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7)进行全方位搜索。
14.根据权利要求13所述的光电毫米波三坐标搜索跟踪方法，其特征在于，所述光电探测组件(1)的方位搜索角速度v搜为：
v搜＝(1-η)ε方fr
若光电探测组件(1)的成像视场(17)为ε方×∈俯，∈俯为俯仰向视场，ε方为所述光电探测组件(1)方位向的视场角；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。
15.一种根据权利要求5-8之一所述的装置实现的光电毫米波三坐标搜索跟踪方法，其特征在于，所述方法具体包括：
步骤1)所述装置的搜索跟踪切换反射镜(8)的搜索时反射镜法线方向(14)沿扫描搜索方向与毫米波测距组件(2)的毫米波电轴法线方向(16)的偏转角度为θ，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)启动图像运动补偿手段或方法，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)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(19)；若在第i幅图像中提取到第一目标(19)，并测定第一目标(19)相对于该装置的光电探测组件(1)的成像视场中心(18)的方位角为xi和俯仰角为yi，标记为目标相对角位置(xi,yi)；设第i幅图像的成像视场中心(18)相对于该装置零位向的角位置(αi,β)，则该幅图像中的第一目标(19)相对于该装置的零位向的角位置是(αi+xi,β+yi)；
步骤6)根据第一目标(19)的角位置(αi+xi,β+yi)中的俯仰角yi，毫米波测距组件(2)调整其在俯仰向偏离毫米波电轴法线方向(16)的相扫角为yi；根据第一目标(19)的角位置(αi+xi,β+yi)中的方位角αi+xi，当毫米波测距组件(2)的毫米波电轴法线方向(16)随该装置旋转搜索至目标方位角αi+xi时，所述毫米波测距组件(2)发射毫米波波束(21)，从而使毫米波波束(21)照射到第一目标(19)；毫米波测距组件(2)通过测量从发射到从第一目标(19)返回所需时间ti，从而测回目标距离Ri：
Ri＝cti/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(19)的三维坐标为(αi+xi,β+yi,Ri)；
步骤8)所述装置继续步骤4)至步骤7)，假设在第i+3幅图像中发现的第二目标(20)的三维坐标为(αi+3+xi+3,β+yi+3,Ri+3)；
步骤9)所述装置重复步骤4)到步骤7)，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(19)和第二目标(20)的三维坐标，由此获得第一目标(19)和第二目标(20)的航速和航向目标航迹信息，实现对第一目标(19)和第二目标(20)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7)进行全方位搜索。
16.根据权利要求15所述的光电毫米波三坐标搜索跟踪方法，其特征在于，所述光电探测组件(1)的方位搜索角速度v搜为：
v搜＝(1-η)ε方fr
若光电探测组件(1)的成像视场(17)为ε方×∈俯，∈俯为俯仰向视场，ε方为所述光电探测组件(1)方位向的视场角；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。
17.一种根据权利要求9-12之一所述的装置实现的光电毫米波三坐标搜索跟踪方法，其特征在于，所述方法具体包括：
步骤1)所述装置的搜索跟踪切换反射镜(8)的搜索时反射镜法线方向(14)沿扫描搜索方向与毫米波测距组件(2)的毫米波电轴法线方向(16)的偏转角度为θ，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)启动图像运动补偿手段或方法，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)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(19)；若在第i幅图像中提取到第一目标(19)，并测定第一目标(19)相对于该装置的光电探测组件(1)的成像视场中心(18)的方位角为xi和俯仰角为yi，标记为目标相对角位置(xi,yi)；设第i幅图像的成像视场中心(18)相对于该装置零位向的角位置(αi,β)，则该幅图像中的第一目标(19)相对于该装置的零位向的角位置是(αi+xi,β+yi)；
步骤6)根据第一目标(19)的角位置(αi+xi,β+yi)中的俯仰角yi，毫米波测距组件(2)调整其在俯仰向偏离毫米波电轴法线方向(16)的相扫角为yi；根据第一目标(19)的角位置(αi+xi,β+yi)中的方位角αi+xi，当毫米波测距组件(2)的毫米波电轴法线方向(16)随该装置旋转搜索至目标方位角αi+xi时，所述毫米波测距组件(2)发射毫米波波束(21)，从而使毫米波波束(21)照射到第一目标(19)；毫米波测距组件(2)通过测量从发射到从第一目标(19)返回所需时间ti，从而测回目标距离Ri：
Ri＝cti/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(19)的三维坐标为(αi+xi,β+yi,Ri)；
步骤8)所述装置继续步骤4)至步骤7)，假设在第i+3幅图像中发现的第二目标(20)的三维坐标为(αi+3+xi+3,β+yi+3,Ri+3)；
步骤9)所述装置重复步骤4)到步骤7)，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(19)和第二目标(20)的三维坐标，由此获得第一目标(19)和第二目标(20)的航速和航向目标航迹信息，实现对第一目标(19)和第二目标(20)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7)进行全方位搜索。
18.根据权利要求17所述的光电毫米波三坐标搜索跟踪方法，其特征在于，所述光电探测组件(1)的方位搜索角速度v搜为：
v搜＝(1-η)ε方fr
若光电探测组件(1)的成像视场(17)为ε方×∈俯，∈俯为俯仰向视场，ε方为所述光电探测组件(1)方位向的视场角；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。
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