CN110208795B - 一种移动平台高精度低慢小目标探测识别系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高精度低慢小目标探测识别系统及方法，该系统配置在移动平台上，包括目标探测单元、支撑架、控制单元以及电源装置；所述目标探测单元包括：相控阵雷达,用于对远距离低慢小目标进行探测；以及光学成像模块,用于对雷达探测到的嫌疑目标进行高分辨率成像；所述支撑架包括一固定支架，所述相控阵雷达固定设置在该固定支架上，所述光学成像模块通过一运动支架设置在该固定支架上，使得该光学成像模块能够相对该固定支架进行俯仰摆动。该系统具有灵活机动、探测精度高、实时性好的特点。

Description

一种移动平台高精度低慢小目标探测识别系统及方法
技术领域
本发明涉及雷达目标探测技术领域，尤其涉及基于移动(车载)平台的无人机等低慢小目标探测识别技术。
背景技术
低慢小航空器是指飞行高度在1000米以下、飞行时速小于200公里、雷达反射面积小于2平方米的航空器具或飞行器。随着我国低空开放管理改革的深入开展，开放低空空域、发展通用航空已是当务之急，无人机等低慢小飞行器将会越来越多地出现在人们的低空视野中。然而，如何对爆发式增长的无人机进行监测管理成为一个亟待解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供本发明提供一种应用于车载动平台的低慢小目标探测识别系统，用于对入侵的低慢小航空器进行探测、定位、识别和告警，为威胁处置单元的启动和运行提供辅助信息，以解决机场、核电站等重点区域的低空安全防护问题。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：
一种高精度低慢小目标探测识别系统，该系统配置在移动平台上，包括目标探测单元、支撑架、控制单元以及电源装置；所述目标探测单元包括：
相控阵雷达,用于对远距离低慢小目标进行探测；以及
光学成像模块,用于对雷达探测到的嫌疑目标进行高分辨率成像；
所述支撑架包括一固定支架，所述相控阵雷达固定设置在该固定支架上，所述光学成像模块通过一运动支架设置在该固定支架上，使得该光学成像模块能够相对该固定支架进行俯仰摆动。
进一步地，所述相控阵雷达为一维雷达阵面，所述固定支架通过一旋转台设置在所述移动平台上。
进一步地，所述移动平台具有一可封闭空间，当系统对目标进行探测识别时，所述目标探测单元通过一升降机构从该空间伸出。
进一步地，所述可封闭空间具有可开闭的门，该门的开闭与所述目标探测单元的升降运动联动。
进一步地，该系统还包括一惯性测量单元，该惯性测量单元设置在所述固定支架上用于安装相控阵雷达的基座上。
本发明还提出了一种利用上述系统进行低慢小目标探测识别的方法，包括如下步骤：
实时获取移动平台xyz三坐标方向的角速度和/或角加速度，解算平台横纵两个方向上的倾角；
利用相控阵雷达对目标进行探测，获取目标的xyz三坐标位置信息；
对所述目标坐标位置信息进行倾角补偿，获取不受平台抖动影响的实际目标位置；
根据所述实际目标位置，利用光学成像模块获取目标图像，以对目标进行确认。
进一步地，该方法采用图像局部不变特征匹配的方法进行目标识别，包括：
检测局部不变特征，在图像中确定待检测特征的位置或局部区域；
描述局部不变特征，在上述特征位置或局部区域建立局部不变特征描述向量；
利用相似性测量准则，对局部不变特征进行匹配。
进一步地，该方法还包括在确认目标后，引导所述光学成像模块实时跟踪目标运动轨迹。
本发明通过上述技术方案获得了如下的技术效果：
(1)本发明设计的无人机探测系统应用于车载移动平台，可实现无人机探测系统的高效集成、快速部署、灵活机动和区域巡检。
(2)本发明设计的无人机探测系统通过使用平台解耦模块，消除平台抖动对目标探测精度带来的影响，同时考虑因平台自身运动引入的多普勒，可以实现边运动边探测。
(3)利用光电成像模块，可对雷达探测到的嫌疑目标进行自动光电成像、目标确认和识别。
(4)利用无线传输模块，可将探测识别到的威胁目标信息实时传输到控制中心,为处置决策提供输入数据。
附图说明
图1是根据本发明实施例的低慢小目标探测识别系统结构示意图；
图2是利用图1所示系统进行低慢小目标探测识别的方法流程图；
图3是本发明进行平台解耦的工作流程图；
图4是本发明使用的惯性坐标系与载体坐标系关系图；
图5是本发明中雷达对获取的数字信号进行一系列处理的工作流程图；
图6是图2所示方法中目标识别步骤的工作流程图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明提出的低慢小目标探测识别系统的技术方案进行更详细地描述。
如图1所示，该低慢小目标探测识别系统配置在移动平台上。所述移动平台可以是轮式车辆、履带车、轨道列车、自主机器人移动平台等。根据本发明优选的实施方式，所述移动平台具有可封闭空间1，例如车厢、集装箱、封闭箱体等，用于收纳该探测识别系统。
低慢小目标探测识别系统包括目标探测单元、支撑架、控制单元以及电源装置。
所述目标探测单元包括相控阵雷达6,用于对远距离低慢小目标进行探测；以及光学成像模块4,用于对雷达探测到的嫌疑目标进行高分辨率成像。
所述目标探测单元安装在所述支撑架上，该支撑架对所述目标探测单元进行支撑，包括升降机构2、旋转台3以及固定支架5。
根据本发明优选的实施方式，所述升降机构2设置在所述可封闭空间1中，可以是液压升降机构或气动升降机构。该可封闭空间1顶部设有可开闭的窗口，当操作所述升降机构2上升时，可将安装在支撑架上的探测单元从所述窗口伸出；当操作所述升降机构2下降时，可将支撑架及其上安装的探测单元收纳在所述可封闭空间1内。通过上述结构，该系统在不工作时可以隐藏在箱体中，提高了系统的隐蔽性，并避免系统受到外界人为或意外损坏。
根据更进一步优选的实施方式，所述可开闭窗口为滑移门或可向外打开的旋转门，门驱动机构可以是电机驱动或电磁致动器驱动。所述门可与升降机构联动操作，即当操作升降机构上升时，提前一定时间打开所述门，并且在操作升降机构下降完成后，关闭所述门。所述联动操作可以通过获取升降机构控制信号实现，或者通过传感器，例如位置传感器检测升降机构状态触发所述门的开闭，或者通过机械互锁机构实现所述联动操作。
旋转台3设置在所述升降机构2上，并随升降机构2升降而整体上升或下降。该旋转台3可在水平面内进行任意角度的顺时针或逆时针旋转，根据本发明优选的实施方式，该旋转台3采用步进电机驱动。
固定支架5安装在所述旋转台3上，并随该旋转台3在水平面内旋转。根据本发明优选的实施例，所述固定支架5为U形结构，包括第一支臂和第二支臂，所述相控阵雷达6、光学成像模块4上下间隔地设置在两支臂之间。
所述相控阵雷达6用于对远距离低慢小目标进行探测，包括至少一个雷达阵面，该雷达阵面固定安装在所述支架5上，其一方面利用所述旋转台3的旋转运动在水平方向上实现360度扫描，另一方面通过控制雷达阵面阵元的相位、幅度，实现雷达波束在俯仰方向上的扫描。优选地，所述相控阵雷达6为一维相控阵雷达，从而简化系统控制方法，降低系统成本。
光学成像模块4用于对雷达探测到的嫌疑目标进行高分辨率成像，可以是红外成像传感器、可见光传感器等。所述光学成像模块4通过一运动支架7安装在所述固定支架5上。如图1所示，所述运动支架7为一水平支架，该水平支架两端分别与所述第一支臂、第二支臂连接。优选地，所述第一支臂、第二支臂中的至少一个设有驱动电机8，该驱动电机8的输出轴与所述水平支架7连接，驱动该水平支架绕自身轴线旋转，进而带动安装在该水平支架上的光学成像模块4进行俯仰运动。如图1所示，所述第一支臂、第二支臂分别设有一驱动电机8，两驱动电机8的输出轴分别与所述水平支架的一端连接，从而使该水平支架的旋转运动更加平稳，从而提高了光学成像模块4的俯仰运动精度。
根据本发明更进一步的实施例，所述水平支架还可沿所述支臂上下移动，进而调节所述光学成像模块4。为此，所述第一支臂、第二支臂中的至少一个设有直线驱动机构(未图示)，例如丝杠螺母机构、直线电机、电磁驱动器等。同时，所述支臂上还有供所述水平支架上下滑动的导轨(未图示)。
通过上述机构，本发明将雷达探测系统与光电成像系统通过架设于同一U形臂完成共架设计，互相不遮挡。光电成像系统可以由一维水平旋转台和U形臂上的驱动电机分别获得方位和俯仰两个方向上的自由度，雷达系统方位上通过一维水平旋转台进行360度扫描，俯仰向上通过相控阵控制完成全空域扫描。
探测识别系统的控制单元、电源装置设置在所述可封闭空间1中，所述相控阵雷达6、光学成像模块4通过电缆9与所述控制单元、电源装置连接。根据本发明优选的实施方式，所述支撑架设有供所述电缆9走线的封闭通道，从而避免电缆裸露，采用这样的结构一方面提高了电缆的电磁屏蔽效果，另外一方面避免电缆受到损伤。为形成走线通道，所述第一支臂、第二支臂优选采用空心管件制成。
由于系统配置在移动平台上，为了解决移动平台运动过程中平台晃动对目标位置探测产生的误差，本发明提供的探测识别系统还包括惯性测量单元。基于该惯性测量单元信息设计捷联解耦系统，解决移动平台晃动干扰问题。根据本发明优选的实施例，所述惯性测量单元设置在雷达基座上，直接测量载体扰动，得到载体的角速度或者角增量信息。所述惯性测量单元可以采用光纤陀螺仪。
所述光纤陀螺仪通过电缆9或无线连接方式与信号处理机进行信号传输，用于检测和输出移动平台实时的各向角速度和/或角加速度。信号处理机通过电缆9与所述相控阵雷达6、光学成像模块4信号连接，自动完成自动目标确认、识别，并根据光纤陀螺仪的输出信号进行平台解耦。根据另外的实施方式，所述信号处理机与所述相控阵雷达6、光学成像模块4也可以通过无线连接方式连接，从而简化系统布线结构。
电源装置包括直流电源，如蓄电池，用于为系统提供电力供应。为适应系统的野外作业，电源装置还包括发电机和直流变换器，发电机输出220V交流电，直流变换器将发电机输出的交流电转换成直流电，用于在蓄电池电力不足时为其充电，或者直接系统提供直流电源。
进一步地，所述控制单元还包括无线传输模块，例如WiFi模块，用于实现该探测识别系统与外界的信号传输，例如将信号处理机输出的目标位置及告警信息发送给控制中心。
以下将介绍利用上述系统进行低慢小目标探测识别的方法，如图2所示，该方法包括如下步骤：
步骤1：启动系统。
将移动平台移动到防护区域中心位置或沿固定运动轨迹进行区域巡检。系统上电，各部件完成初始化。
步骤2：实时获取移动平台xyz方向的角速度和/或角加速度，解算平台横纵两个方向上的倾角。
利用设置在雷达基座上的光纤陀螺仪实时测量移动平台xyz三个方向的角速度和/或角加速度，并输出给信号处理机。信号处理机实时解算移动平台横纵两个方向上的倾角。通过将光纤陀螺仪设置在雷达基座上，可以更加精确地测量平台晃动对雷达的影响。
捷联惯性测量单元直接测量平台扰动，得到平台的角速度或者角增量信息，并送入信号处理机中的数字信号处理单元，该处理单元采用捷联稳定算法解算出移动平台的姿态运动信息，其具体解耦计算方法流程如图3所示。当移动平台开始运动时，目标和平台产生相对运动，然后依次进行模拟捷联惯导数据输出、捷联惯导四元数解算，并分别考虑惯性器件误差、惯导算法误差。在稳定阶段对天线进行解耦，并利用惯性坐标系解算雷达视线。同时，在此过程中，考虑姿态误差，例如导航、弹性、视距等因素。最后根据雷达目标约束关系构建滤波器，并进行无迹卡尔曼(UKF)滤波处理。
本发明中，惯性测量单元的测量均是以惯性坐标系为参考基准的。本发明采用惯性坐标系作为公共参考坐标系，用o-xiyizi表示，其原点在在雷达开机瞬间的飞行器质心与地心连线的地面点上，可以用此时的经纬度点确定，xi轴在水平面内指向目标方向，yi轴位于铅垂面向上，zi轴与xi和yi构成右手系。
本发明中，载体坐标系用o-xbybzb表示，载体坐标系的原点位于平台质心上；xb轴定义为飞行器纵轴机头正方；zb轴为飞行器右翼正向；yb轴与xb轴和zb轴构成右手坐标系。
载体坐标系相对于惯性坐标系的夹角为飞行器的姿态角。载体坐标系纵轴oxb在水平面上的投影与惯性坐标系oxi之间的夹角ψ即为偏航角角；载体坐标系纵向对称面(xbyb组成的平面)与包含xb轴的纵向铅垂平面之间的夹角γ即为横滚角，横滚角以oxi轴右手螺旋方向为正；载体坐标系纵轴oxi与当地水平面之间的夹角θ即为俯仰角，向上为正，向下为负。上述坐标系关系如图4所示。
平台运动将使得天线指向矢量oξ旋转，雷达扫描指向机构的动作将保持雷达矢量的指向在惯性坐标系内稳定。假设在在上一时刻k时，雷达波束中心oξ已经对准目标，此时雷达波束在载体坐标系内的扫描角为λyb(k),λzb(k)，此时姿态角为θ(k),ψ(k),γ(k)，姿态转换矩阵为：
Figure BDA0002094014220000081
此时雷达波束指向单位矢量
Figure BDA0002094014220000091
在载体坐标系的表达式为
Figure BDA0002094014220000092
那么其在惯性坐标系的矢量表达式为
Figure BDA0002094014220000093
在k+1时刻，载体姿态发生变化，捷联惯性测量单元获得的载体在惯性坐标系的姿态角为θ(k+1),ψ(k+1),γ(k+1)，此时的姿态矩阵为
Figure BDA0002094014220000094
假设此时雷达波束相对于载体系的指令角分别为λyb(k+1),λzb(k+1)，则雷达波束控制后在载体坐标系下的单位矢量为：
Figure BDA0002094014220000095
其惯性坐标系的矢量表达式：
Figure BDA0002094014220000096
由于解耦就是使得k+1时刻的雷达波束在惯性坐标系的指向与k时刻相同，即满足
Figure BDA0002094014220000097
因此可解算出k+1时刻相对于载体坐标系的雷达扫描指令角，解算步骤如下：
Figure BDA0002094014220000098
Figure BDA0002094014220000099
通过该公式可以计算出
Figure BDA00020940142200000910
则k+1时刻，雷达波束在载体坐标系内的扫描角λyb(k+1),λzb(k+1)为：
Figure BDA00020940142200000911
Figure BDA00020940142200000912
步骤3：利用相控阵雷达对目标进行探测，获取目标的xyz三坐标位置信息。
控制相控阵雷达发送、接收电磁波，并进行俯仰向波束扫描，同时旋转台转动，进行方位扫描。相控阵雷达对获取的数字信号进行一系列处理，进而获得目标的三坐标位置信息。
图5示出了上述雷达信号的处理流程。如图所示，所述数字信号处理流程包括依次执行如下处理：
(1)进行脉冲相干积累，用于提高雷达回波信号信噪比和目标速度分辨率；
(2)进行数字下变频，将雷达中频信号转换成基带信号，方便后续处理；
(3)将宽脉冲压缩成窄脉冲，使输出信号在目标的距离门处出现峰值，同时提高信噪比；
(4)检测二维CFAR，以从噪声信号中检测出目标信号得到目标的距离门和速度门；
(5)解算目标信息，通过目标的距离门和速度门计算出目标的距离和速度信息；
(6)旁瓣抑制，通过计算和通道与保护通道的能量幅值比，判断检测到的目标是雷达波束主瓣照射到的，还是副瓣照射到的，以消除来自波束副瓣的假目标；
(7)进行比幅测角，通过分别计算和通道与方位差通道、俯仰差通道的能量幅值比，来插值得到目标在单个波束宽度内的精确角度，提高目标探测的测角精度。
本领域技术人员可以理解，上述步骤2和步骤3先后顺序也可以进行调换。根据本发明优选的实施方式，所述两步骤同步执行。
步骤4：对所述目标坐标位置信息进行倾角补偿，获取不受平台抖动影响的实际目标位置。
为了补偿由所述雷达获得的目标坐标位置信息与实际位置之间的误差，信号处理机利用前述步骤3获得的解算结果，对接收到的雷达目标信息进行倾角补偿，得到不受平台抖动影响的精确的实际目标位置。
步骤5：根据所述实际目标位置，利用光学成像模块获取目标图像。
根据步骤4获取的实际目标位置，信号处理机控制旋转台3和运动支架电机8驱动光学成像模块4指向目标方向。所述光学成像模块4根据目标距离信息完成聚焦成像，并将目标区域图像发送给信号处理机。
步骤6：对目标进行确认，完成低慢小目标识别。
信号处理机对光学成像模块4发送的目标区域图像进行处理，完成目标确认和低慢小目标识别。
图6示出了该步骤中的目标识别流程。如图所示，本发明采用图像局部不变特征匹配的方法进行目标识别，主要以下子步骤：
(1)检测局部不变特征；
通过检测特征点或特征区域，在图像中确定待检测特征的位置或局部区域。
(2)描述局部不变特征；
生成图像不变特征描述符，即在上述特征位置或局部区域建立局部不变特征描述向量，这些特征向量对图像各种常见的变换具有不变性。
(3)对局部不变特征进行匹配。
通过某种相似性测量准则，例如欧式距离，进行特征匹配。
进一步地，为了持续识别的目标进行监控，该方法还包括：
步骤7：引导光学成像模块实时跟踪目标运动轨迹。
信号处理机引导光学成像模块4实时跟踪目标运动轨迹，在发现违规或异常情况时，输出目标告警信息，并通过无线传输模块发送到控制中心。

Claims (5)

1.一种高精度低慢小目标探测识别系统，该系统配置在移动平台上，包括目标探测单元、支撑架、控制单元以及电源装置；所述目标探测单元包括：
相控阵雷达,为一维雷达阵面，用于对远距离低慢小目标进行探测；以及
光学成像模块,用于对雷达探测到的嫌疑目标进行高分辨率成像；
其特征在于：
所述支撑架包括一固定支架，所述相控阵雷达固定设置在该固定支架上，所述光学成像模块通过一运动支架设置在该固定支架上，使得该光学成像模块能够相对该固定支架进行俯仰摆动；
所述移动平台具有一可封闭空间，当系统对目标进行探测识别时，所述目标探测单元通过一升降机构从该封闭空间伸出；
旋转台设置在所述升降机构上，并随所述升降机构升降而整体上升或下降，并可在水平面内进行任意角度的顺时针或逆时针旋转；
所述固定支架安装在所述旋转台上，并随该旋转台在水平面内旋转，该固定支架为U形结构，包括第一支臂和第二支臂，所述相控阵雷达、光学成像模块上下间隔地设置在两支臂之间；
所述运动支架为一水平支架，该水平支架两端分别与所述第一支臂、第二支臂连接，所述第一支臂、第二支臂中的至少一个设有驱动电机，该驱动电机的输出轴与所述水平支架连接，用于驱动该水平支架绕自身轴线旋转，进而带动安装在该水平支架上的所述光学成像模块进行俯仰运动；
所述第一支臂、第二支臂中的至少一个设有直线驱动机构，且所述支臂上还有供所述水平支架上下滑动的导轨，以使所述水平支架能够沿所述支臂上下移动；
其中，该系统进行低慢小目标探测识别的方法，包括如下步骤：
实时获取移动平台xyz三坐标方向的角速度和/或角加速度，解算平台横纵两个方向上的倾角；其中，k+1时刻，雷达波束在载体坐标系内的扫描角λyb(k+1),λzb(k+1)分别为：
Figure FDA0003134222890000021
Figure FDA0003134222890000022
式中，
Figure FDA0003134222890000023
为k+1时刻在载体坐标系的雷达波束指向单位矢量，
Figure FDA0003134222890000024
Figure FDA0003134222890000025
分别为k+1、k时刻的姿态转换矩阵，
Figure FDA0003134222890000026
为k时刻在载体坐标系的雷达波束指向单位矢量；
利用相控阵雷达对目标进行探测，获取目标的xyz三坐标位置信息；其中，控制相控阵雷达发送、接收电磁波，并进行俯仰向波束扫描，同时旋转台转动，进行方位扫描，相控阵雷达对获取的数字信号进行如下处理以获得目标的三坐标位置信息，包括：
(1)进行脉冲相干积累，用于提高雷达回波信号信噪比和目标速度分辨率；
(2)进行数字下变频，将雷达中频信号转换成基带信号；
(3)将宽脉冲压缩成窄脉冲，使输出信号在目标的距离门处出现峰值，同时提高信噪比；
(4)检测二维CFAR，以从噪声信号中检测出目标信号得到目标的距离门和速度门；
(5)解算目标信息，通过目标的距离门和速度门计算出目标的距离和速度信息；
(6)旁瓣抑制，通过计算和通道与保护通道的能量幅值比，判断检测到的目标是雷达波束主瓣照射到的，还是副瓣照射到的，以消除来自波束副瓣的假目标；
(7)进行比幅测角，通过分别计算和通道与方位差通道、俯仰差通道的能量幅值比，来插值得到目标在单个波束宽度内的精确角度；
对所述目标坐标位置信息进行倾角补偿，获取不受平台抖动影响的实际目标位置；
根据所述实际目标位置，利用光学成像模块获取目标图像，以对目标进行确认。
2.根据权利要求1所述的高精度低慢小目标探测识别系统，其特征在于：所述可封闭空间具有可开闭的门，该门的开闭与所述目标探测单元的升降运动联动。
3.根据权利要求1所述的高精度低慢小目标探测识别系统，其特征在于：该系统还包括一惯性测量单元，该惯性测量单元设置在所述固定支架上用于安装相控阵雷达的基座上。
4.根据权利要求1所述的高精度低慢小目标探测识别系统，其特征在于：采用图像局部不变特征匹配的方法进行目标识别，包括：
检测局部不变特征，在图像中确定待检测特征的位置或局部区域；
描述局部不变特征，在上述特征位置或局部区域建立局部不变特征描述向量；
利用相似性测量准则，对局部不变特征进行匹配。
5.根据权利要求1所述的高精度低慢小目标探测识别系统，其特征在于：该方法还包括在确认目标后，引导所述光学成像模块实时跟踪目标运动轨迹。
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