CN111649741B - 一种基于光电转塔的光电探测系统及其稳像、搜索方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光电转塔的光电探测系统及其稳像、搜索方法，包括用于承载光电载荷的光电稳定平台、用于提供动力驱动以及进行伺服控制和图像处理的电气分系统、用于满足不同环境下的目标探测功能的光电载荷、用于实时监测光电探测系统的姿态的陀螺组件、用于承载光电稳定平台并驱动光电稳定平台升降和倒伏的桅杆系统、用于发射电磁波对目标进行照射并接收回波的雷达，雷达中内置有惯导系统。本发明系统集成度高，功能更加齐全，满足日益复杂环境下多种形式目标探测的应用需求；本发明方法将惯导系统的补偿量加入到光电稳定平台的方位俯仰角中从而克服桅杆系统扭转带来的影响，解决了光电稳定平台在桅杆系统上周扫和数引的组合应用问题。

Description

一种基于光电转塔的光电探测系统及其稳像、搜索方法

技术领域

本发明涉及光电探测技术领域，具体是一种基于光电转塔的光电探测系统及其稳像、搜索方法。

背景技术

近年来，随着全天候、全天时的精确打击的任务需要，对光电稳定精度和搜索方式提出了越来越高的要求。光电探测系统通常是指应用于车辆、舰船、飞机等运动载体系统中，一般具有多光谱综合探测、隔离载体姿态扰动、保持光轴空间指向能力，能够实现对目标的捕获、跟踪和瞄准的光机电一体化系统。

一般的光电探测系统具有可见光、红外及激光三种探测手段，可对地面及低空目标进行全天时、全天候的连续不间断地侦察监视。通常的操控是通过使用操控杆、轨迹球、触摸屏等多种操控手段来手动操控设备，当需要在不同视场下观察目标时，需要能够对可见光、红外视频进行图像增强、对比度、亮度、锐度等调节，达到更好的观察效果。

光电探测系统主要由光电稳定平台、光电载荷、电气分系统以及桅杆系统等组成。光电稳定平台主要用于稳定视轴，内置有陀螺组件，为了保证视轴的稳定，需要隔离载体或平台自身通过摩擦约束和几何约束加载于视轴上的各类扰动，要保证光轴在惯性空间的稳定，方位和俯仰方向的角速度必须为零。由于陀螺组件本身存在零漂，所以当方位和俯仰的控制量为零时，方位俯仰也会慢慢漂移，无法达到真正稳像的要求。现在大部分的补零漂算法都是采集编码器的速度和当前陀螺组件作比较，在一个位置补完零漂后，换一个角度，又要重新补偿，无法达到快速侦察的使用要求；由于陀螺零漂的存在，使得在稳定状态光电稳定平台无法长时间定在某个位置，影响侦察效率。

光电稳定平台底部连接桅杆系统，在周扫的过程中，桅杆存在扭转，导致光电稳定平台的编码器值无法真实反映目标的地理位置，在周扫拼接过程中，当将搜索到的目标数据长传给图像时，识别出目标后，按编码器值数引到目标位置，最终可能无法探测到目标。此外，光电稳定平台具有多种操控模式结合光电设备完成多种模式的探测，用户在操作时如果没有明确的使用流程和操作规范，不容易快速的找到目标，不能发挥设备的极限能力。

发明内容

本发明针对所要解决的技术问题，提供一种基于光电转塔的光电探测系统及其稳像、搜索方法，做到全天候、全方位实时监控战场态势，过程中无需人为调整转塔参数，快速搜索和发现目标，确定目标的地理坐标，为下一步任务提供重要的目标信息。

为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：一种基于光电转塔的光电探测系统，包括光电稳定平台、电气分系统、光电载荷、陀螺组件、桅杆系统以及雷达；其中，

光电稳定平台，用于承载光电载荷，包括底座和固定在所述底座上的U型座，所述底座的底部具有向下凸出的立轴，所述立轴旋转带动所述光电载荷方位回转，所述U型座两侧具有俯仰轴，所述俯仰轴转动带动所述光电载荷俯仰，所述底座和U型座的内部均形成有空腔；

光电载荷，用于满足不同环境条件下的目标探测功能，包括壳体以及集成于所述壳体内的回扫镜、中波红外单元、可见光单元、激光测距单元、猫眼探测单元、激光压制单元以及综合处理单元，所述壳体两端通过俯仰轴转动安装在所述U型座内；

电气分系统，用于提供动力驱动以及对所述光电稳定平台进行伺服控制和对所述光电载荷进行图像处理，包括安装在所述底座空腔内的驱动器和编码器、安装在所述U型座一侧空腔内的伺服主控板以及安装在所述U型座另一侧空腔内的跟踪消旋板；

陀螺组件，用于实时监测所述光电探测系统的姿态，包括彼此独立安装的单轴陀螺和双轴陀螺，所述单轴陀螺安装在所述U型座的一侧空腔内并与所述伺服主控板处于相同一侧，所述双轴陀螺安装在所述壳体的内部；

桅杆系统，用于承载所述光电稳定平台并驱动所述光电稳定平台升降和倒伏，包括用于实现升降运动的升降模块和用于实现俯仰和方位回转运动的倒伏模块；

雷达，用于发射电磁波对目标进行照射并接收回波，固定安装于所述光电稳定平台与桅杆系统之间，内置有用于实时感知所述桅杆系统扭转量并导出惯导数据的惯导系统；

所述光电稳定平台、电气分系统、光电载荷、陀螺组件、桅杆系统、雷达以及惯导系统之间相互通信连接并最终连接到控制计算机。

本发明还提供一种基于光电转塔的光电探测系统的稳像、搜索方法，包括以下步骤：

步骤1，输入操作程序并获取控制计算机的控制指令，通过驱动器驱动承载有光电载荷的光电稳定平台绕立轴旋转对周围环境作角运动，完成水平方向的周扫；

步骤2，接收所述控制计算机的控制指令，安装在光电载荷中的回扫镜在光路中按照输入的斜波信号作反向角运动，回扫镜在光电载荷的积分时间内控制画面静止完成凝视成像，且保证光电载荷每幅曝光的画面之间有重叠率；

步骤3，光电载荷在曝光瞬间发出同步信号给光电稳定平台，光电稳定平台收到同步信号后，将驱动立轴转动的方位电机的当前码盘值回传给光电载荷；

步骤4，光电载荷将所述码盘值叠加在图像中并传送至控制计算机依次进行图像全景拼接、目标自动检测，拼接时根据重叠的区域和码盘值绘制出一幅360°的全景图像；

步骤5，从步骤4获得的全景图像中识别出可疑目标，并读取所述可疑目标在画面中的方位俯仰角信息；

步骤6，将惯导系统的补偿量加入到所述方位俯仰角中获得空间方位俯仰角，电气分系统根据所述空间方位俯仰角数引光电稳定平台调转至指定位置，通过图像跟踪或屏幕随动操作后对目标进行捕获，使目标位置在光电载荷的视场中心。

与现有技术相比，本发明的有益之处是：

一、本发明提供的光电探测系统采用紧凑、模块化结构设计，在红外探测、可见光探测、激光测距、猫眼探测、激光压制等功能单元进行一体化设计，实现结构、功能的复用和多种功能的有机融合，系统集成度高，功能更加齐全，满足日益复杂环境下多种形式目标探测的应用需求。

二、本发明提供的光电探测系统在传统的依靠陀螺速度稳像的基础上，利用惯导的姿态角和光电稳定平台的方位俯仰角度，解算出光电载荷视轴相对于惯导坐标系的姿态，利用光电稳定平台做空间位置闭环将光电载荷视轴稳定在空间位置，在原理上解决了光电稳定平台在稳定态下长时间观察目标，图像漂移的技术难题，以及在周扫过程中由于桅杆系统扭转导致观察到实际目标位置不准确，使得用户无法探测到目标的应用问题。

三、本发明提供的光电探测系统利用桅杆系统的惯导补偿了陀螺漂移和感知桅杆系统的扭动，在桅杆扭转时，惯导系统能感知到桅杆的位置变化，光电稳定平台的角度基于惯导数据对陀螺漂移做补偿后，这种变化会反应到光电稳定平台的角度，使得光电稳定平台能实时测得真实的目标位置，实现全天候、全方位实时监控战场态势，过程中无需人为调整光电转塔参数，快速搜索和发现目标，确定目标的地理坐标，为下一步任务提供重要的目标信息。

四、本发明提供的稳像、搜索方法利用惯导系统导出的惯导数据，实时感知到桅杆系统的扭转量，将惯导系统的补偿量加入到光电稳定平台的方位俯仰角中，则光电稳定平台的方位俯仰角有了空间的感知能力，光电稳定平台按照该空间方位俯仰角去实现数引功能，从而克服桅杆系统扭转带来的影响，解决了光电稳定平台在桅杆上周扫和数引的组合应用问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

下面结合附图对本发明进一步说明：

图1是本发明所述基于光电转塔的光电探测系统的整体结构示意图；

图2是所述光电稳定平台、电气分系统和光电载荷的组装示意图；

图3是所述桅杆系统的结构示意图；

图4是所述光电稳定平台的结构示意图；

图5是所述U型座一侧空腔的内部结构图；

图6是所述U型座另一侧空腔的内部结构图；

图7是所述光电载荷的结构示意图；

图8是所述升降模块的结构示意图；

图9是所述倒伏模块的结构示意图；

图10是所述俯仰转动部件的结构示意图；

图11是所述方位回转部件的结构示意图；

图12是所述光电稳定平台工作模式状态的转化图；

图13是所述光电稳定平台控制链路原理图；

图14是北东地至惯性坐标系的转换示意图；

图15是本发明所述基于光电转塔的光电探测系统的稳像、搜索方法的手动搜索策略图；

图16是本发明所述基于光电转塔的光电探测系统的稳像、搜索方法的自动搜索策略图；

1、光电稳定平台；2、电气分系统；3、桅杆系统；4、惯导系统；5、光电载荷；6、单轴陀螺；7、双轴陀螺；8、雷达；11、底座；12、U型座；21、驱动器；22、伺服主控板；23、跟踪消旋板；31、升降模块；32、倒伏模块；51、壳体；52、中波红外单元；53、可见光单元；54、激光测距单元；55、猫眼探测单元；56、激光压制单元；57、综合处理单元；311、杆体组件；312、升降电机；313、第一减速装置；314、控制箱；315、拖链系统；316、过线环；321、俯仰转动部件；322、方位回转部件；3211、俯仰电机；3212、第三减速装置；3213、俯仰传动支架；3221、方位电机；3222、第三减速装置；3223、方位传动支架。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

实施例一

如附图1至图3所示的一种基于光电转塔的光电探测系统，主要包括用于满足不同环境条件下目标探测功能的光电载荷5、用于承载所述光电载荷5的光电稳定平台1、用于驱动以及对所述光电稳定平台1进行伺服控制和对所述光电载荷5进行图像处理的电气分系统2、用于承载所述光电稳定平台1并驱动所述光电稳定平台1升降和倒伏的桅杆系统3、用于发射电磁波对目标进行照射并接收其回波的雷达8以及内置于所述雷达8内用于实时感知所述桅杆系统3扭转量并导出惯导数据的惯导系统4、用于实时监测所述光电探测系统姿态的陀螺组件等。

在其中一个实施例中，如图4所示，所述光电稳定平台1能够完成周扫和跟踪等动作，具有较高的测角精度，其主要包括通过螺钉相互固连的底座11和U型座12。所述底座11的底部具有向下凸出的立轴，所述立轴旋转带动所述光电载荷5方位回转，所述U型座两侧具有俯仰轴，所述俯仰轴转动带动所述光电载荷俯仰，所述底座11的内部形成有空腔，所述和U型座12的两侧形成有空腔。为了方便探测，所述底座11的旋转范围为0°～360°，实现水平方向全方位无死角探测；所述U型座12的转动范围为-120°～+120°，实现俯仰方向大角度探测，方位俯仰两轴向运动满足扫描成像、红外探测、可见光探测、激光测距、猫眼探测、激光压制等工作需求。

在其中一个实施例中，如图5至图6所示，所述电气分系统2包括固定安装在所述底座11内部的驱动器21和编码器、固定安装在所述U型座12一侧空腔内的伺服主控板22以及固定安装在所述U型座12另一侧空腔内的跟踪消旋板23，所述伺服主控板22用于控制光电稳定平台1完成了匀速扫描和稳定跟踪的动作，且在匀速扫描过程中，能够实现多档转速切换；所述跟踪消旋板23可以对光电载荷5的图像信号进行处理，确定脱靶量信息，用于控制光电稳定平台1实现稳定跟踪。

在其中一个实施例中，所述伺服主控板22包括相互电连接的伺服单元和主控单元两部分电路，在使用时，光电稳定平台1接收控制计算机的操控指令，根据光电稳定平台1的需求分析，伺服主控板22至少具备十种工作模式状态，如图12所示，包括：手态控制、稳态控制、手动跟踪、屏幕随动、角度引导、扇扫、周扫、自检、应急关电和锁定，具体工作模式可根据探测或功能需要进行选择和操作；其中，所述伺服单元负责完成光电稳定平台1的伺服控制功能，主要功能包括接收所述主控单元的指令、编码器数据和状态信息、陀螺组件数据并通过CAN口、RS422串口完成与驱动器21、跟踪消旋板23的通信；所述主控单元负责完成对所述光电稳定平台1的主控通信功能，主要功能包括接收所述伺服单元的通信信息，通过CAN1和CAN2网络接收控制计算机的控制指令和数据信息，接收编码器数据并上报给所述光电载荷5等。

具体控制流程如图13所示，陀螺组件数据通过RS422串口发送给伺服单元，所述伺服单元将方位信息、双轴陀螺数据用于光电稳定平台1的伺服稳定和电子稳像，将单轴陀螺数据发给跟踪消旋板23进行图像消旋；伺服单元通过SCI接口发送通信信息包括控制指令、编码器数据、载荷状态至主控单元，主控单元接收控制计算机的控制指令和数据信息、编码器数据并将上述数据传送至光电载荷5，由所述光电载荷5完成指令动作。

在其中一个实施例中，如图7所示，所述光电载荷5集成了多种形式的光电功能单元，包括壳体51以及内置于所述壳体51且相互电连接的中波红外单元52、可见光单元53、激光测距单元54、猫眼探测单元55、激光压制单元56、综合处理单元57，能够满足不同环境条件下的目标探测功能。在红外探测、可见光探测、激光测距、猫眼探测、激光压制等功能单元进行一体化设计，实现结构、功能的复用，从发射接收孔径到后端集中信息处理和对抗实施高度关联，实现多种功能的有机融合，系统集成度高，功能更加齐全，满足日益复杂环境下多种形式目标探测的应用需求。本实施例中对光电稳定平台1和光电载荷5进行了结构和布局上的优化，实现结构紧凑，在很大程度上减小了整个光电转塔的体积和重量，提高了其机动性。

更具体的，所述中波红外单元52具有连续变焦功能，引入了回扫补偿技术，可在扫描搜索和凝视成像两种模式下自由切换；所述可见光单元53同样具备连续变焦功能，采用宽谱高分辨高灵敏探测器进行高精度目标探测，满足全天时、低能见度、低照度下的任务需求；所述激光测距单元54能够提供被观测目标的距离信息，一方面补全了目标空间定位的信息，另一方面用于实现中波红外单元52和可见光单元53的自动调焦；所述猫眼探测单元55用于反狙击手探测，基于光学系统猫眼原理，采用激光主动探测技术对敌方狙击手光学瞄准镜进行探测；所述激光压制单元56用于光电拒止，采用多波段激光对人眼进行眩目，对可见光、近红外、微光瞄准镜进行压制干扰，激光频段频段涵盖可见光到近红外波段；所述综合处理单元57用于威胁目标图像、测距、猫眼探测信息的实时采集、处理、测量等功能，实现对设备状态的实时监控，工作流程控制、探测单元工作状态管理、通讯控制、信号同步等，实时反馈目标探测信息等，并完成与上级系统的信息交联。

作为优选，所述可见光单元53、猫眼探测单元55采用可重构集成设计，复用高灵敏大靶面CCD探测器，并动态调整成像光学系统，实现可见光探测、反狙击手探测的分时复用；所述猫眼探测单元55、激光压制单元56共用大功率激光器，通过光路切换调整实现光电拒止、反狙击手探测对激光发射的实时共用。

所述光电载荷5通过一体化集成设计，将探测单元的电源管理、通信控制和信号处理进行共电路集成设计，采用DSP+FPGA处理架构，配合高性能处理器及电源管理控制器件，实现输入电源供电控制管理与状态监测、设备自检与工作流程控制、载荷工作状态管理与通讯控制、可见光图像处理、红外图像处理、猫眼探测信号处理和激光测距数据解算等功能。

在其中一个实施例中，所述陀螺组件用于实时监测所述本实施例的姿态，其主要包括彼此独立安装的单轴陀螺6和双轴陀螺7，所述单轴陀螺6固定安装在所述U型座12的一侧空腔内部并与所述伺服主控板22处于相同一侧，所述双轴陀螺7固定安装在所述壳体51的内部，二者结合将本实施例的方位角、俯仰角和横滚角变化情况反馈给跟踪消旋板23，能够实现稳像功能和图像消旋功能，结合实施例二中从惯导坐标系到光电载荷视轴坐标系的姿态矩阵和从北东地到光轴坐标系的姿态矩阵可计算光电载荷视轴方向相对惯导空间的姿态角。

在其中一个实施例中，所述桅杆系统3包括用于实现升降运动的升降模块31和用于实现俯仰和方位回转运动的倒伏模块32；所述雷达8固定安装于所述桅杆系统3的顶部安装平面。在传统的依靠陀螺速度稳像的基础上，利用惯导的姿态角和光电稳定平台的方位、俯仰角度，其中，单轴陀螺6监测方位角度，双轴陀螺7监测俯仰角度；解算出光电载荷视轴相对于惯导坐标系的姿态，利用光电稳定平台1做空间位置闭环将光电载荷视轴稳定在空间，在原理上解决了光电稳定平台1在稳定态下长时间观察目标，图像漂移的技术难题，以及在周扫过程中由于桅杆系统3扭转导致观察到实际目标位置不准确，使得用户无法探测到目标的应用问题。

更具体的，所述桅杆系统3通过控制箱314、第一减速装置313、升降电机312提供动力和控制，配合杆体组件311，实现升降运动；为实现俯仰功能在杆体组件顶端增加俯仰转动部件321；为实现方位回转功能在杆体组件顶端增加方位回转部件322，同时方位回转部件322和俯仰转动部件321配合运行实现桅杆系统3顶部安装平面的调平功能，其被调平的安装平面具有较高精度可满足安装雷达8的精度需求。

在其中一个实施例中，如图8所示，所述升降模块31包括第一减速装置313、与所述第一减速装置313的动力输入轴连接的升降电机312、与所述第一减速装置313的动力输出轴连接的杆体组件311、用于驱动所述升降电机312转动的控制箱314、用于安装可折叠连接线缆的拖链系统315、用于在收放连接线缆时起到导向作用的过线环316，所述杆体组件311在所述第一减速装置313驱动作用下做直线往复运动。其中，升降电机312固定连接到所述第一减速装置313的动力输入轴，杆体组件311固定连接到所述第一减速装置313的动力输出轴并实现减速，控制箱314分别通过连接线缆与所述第一减速装置313和升降电机312电连接，用于驱动所述升降电机312转动并将动力依次传送到第一减速装置313和杆体组件311实现升降运动；所述拖链系统315一端通过螺钉固定于所述第一减速装置313上、另一端通过螺钉固定于所述杆体组件311的伸缩端，随杆体组件311的伸缩而展开和折叠，可以为升降模块31上面的倒伏模块32以及倒伏模块32顶部的雷达8供电和通讯，所述过线环316通过螺钉固定于所述拖链系统315靠近所述倒伏模块32一侧的端部，确保各单元之间的线路连接，避免错乱。

在其中一个实施例中，如图9所示，所述倒伏模块32包括相互固连的俯仰转动部件321和方位回转部件322，方位回转部件322固定安装在所述杆体组件311的顶部，俯仰转动部件321固定安装在所述方位回转部件322的侧边，所述俯仰转动部件321用于实现所述桅杆系统3的俯仰运动，所述方位回转部件322用于实现所述桅杆系统3的方位回转运动，所述俯仰转动部件321和方位回转部件322配合运行实现所述桅杆系统3顶部用于安装所述雷达8的安装平面的调平。

在其中一个实施例中，如图10所示，所述俯仰转动部件321包括俯仰电机3211、第二减速装置3212以及俯仰传动支架3213，其中，所述俯仰电机3211用于输出动力；所述第二减速装置3212的动力输入轴连接俯仰电机3211、动力输出轴连接俯仰传动支架3213；所述俯仰传动支架3213用于输出最终俯仰转速，实现光电载荷5的俯仰运动。

在其中一个实施例中，如图11所示，所述方位回转部件322包括方位电机3221、第三减速装置3222以及方位传动支架3223，其中，所述方位电机3221用于输出动力；所述第三减速装置3222的动力输入轴连接方位电机3221、动力输出轴连接方位传动支架3223；所述方位传动支架3223用于输出最终方位转速，实现光电载荷5的方位回转运动。

本实施例利用桅杆系统3的惯导补偿了陀螺漂移和感知桅杆系统3的扭动，使得光电稳定平台1能实时测得真实的目标位置，实现全天候、全方位实时监控战场态势，过程中无需人为调整光电转塔参数，快速搜索和发现目标，确定目标的地理坐标，为下一步任务提供重要的目标信息。

实施例二

如附图15至图16所示，本发明在实施例一的基础上还提供一种基于光电转塔的光电探测系统的稳像、搜索方法，也即本发明实施例一的具体使用过程，包括以下步骤：

步骤1，输入操作程序并获取控制计算机的控制指令，通过驱动器21驱动承载有光电载荷5的光电稳定平台1绕立轴旋转对周围环境作角运动，完成水平方向的周扫。所述光电载荷5搜索可疑目标的视场状态至少可分为大视场、中视场和小视场，对应所述光电稳定平台1的周扫速度分别为360°/s、120°/s和60°/s；所述光电载荷5上电自检后默认进入所述大视场状态，通过控制光电稳定平台1转至观察区域，若观察区域距离已知，可快速切换或连续变焦至对应的视场状态。

步骤2，接收所述控制计算机的控制指令，安装在光电载荷5中的回扫镜在光路中按照输入的斜波信号作反向角运动，回扫镜在光电载荷5的积分时间内控制画面静止完成凝视成像，且保证光电载荷5每幅曝光的画面之间有重叠率。更具体的，回扫镜置于中波红外单元52内部，有独立的控制器和旋转平台，可在光电稳定平台1作正向角运动的时候作反向角运动，当光电稳定平台1与回扫镜的转速相同时实现画面静止实现凝视成像，旋转角度小于一个画面的宽度连续拍摄时实现画面重叠；所述斜波信号为控制指令的一部分；所述积分时间为本领域专有名词；所述画面为中波红外单元52拍摄的图像。由于传统的机械扫描成像探测方式会造成图像拖尾、模糊，无法满足图像识别和跟踪要求，需用基于回扫镜的像方反扫补偿实现步进凝视扫描，即光电稳定平台1作连续稳定的角运动，回扫镜在光路中按照输入的斜波信号作反向角运动，在毫秒量级的探测器积分时间内使光电稳定平台1中的光电载荷视轴保持静止完成凝视成像，显著改善成像质量。

步骤3，光电载荷5在曝光瞬间由光电载荷5发出同步信号给光电稳定平台1，具体发送到伺服主控板22的主控单元，主控单元收到同步信号后，将驱动立轴转动的方位电机3221的当前码盘值回传给光电载荷5。为保证在全空域都能周扫且清晰成像，在光电载荷5的俯仰角变化时，回扫镜的回扫面和光电稳定平台1的扫描面不在一个水平面，此时回扫镜能根据当前的俯仰角做速度调整，使得回扫镜的速度和光电稳定平台1在回扫镜的回扫面的投影速度匹配。

步骤4，光电载荷5的综合处理单元57将所述码盘值叠加在图像中并传送至控制计算机中综合图像处理软件的依次进行图像全景拼接、目标自动检测，拼接时根据重叠的区域和码盘值绘制出一幅360°的全景图像。

步骤5，采用图像识别技术从步骤4获得的全景图像中快速识别出可疑目标，并读取所述可疑目标在画面中的方位俯仰角信息。识别出可疑目标后，所述光电载荷快速切换至小视场，自动调焦至图像清晰后进行精细观察，根据外界条件和图像效果开启透雾、图像增强模式，所述透雾、图像增强模式开启前后图像清晰度一致。

步骤6，将惯导系统4的补偿量加入到所述方位俯仰角中获得空间方位俯仰角，电气分系统2根据所述空间方位俯仰角数引光电稳定平台1调转至指定位置，点击图像跟踪或屏幕随动后对目标进行捕获，使目标位置在光电载荷5的视场中心；光电稳定平台1按照空间方位俯仰角去实现数引功能，克服了桅杆系统3扭转带来的影响，实现稳像。惯导系统的补偿量是根据惯导坐标系到光电载荷视轴坐标系的姿态矩阵以及光电稳定平台1的方位角、俯仰角建立计算模型，经计算获得。

由于做稳像用的双轴陀螺7内的俯仰陀螺敏感轴无法和底座11的立轴真正做到正交，所以在光电稳定平台1在周扫时，俯仰方向有双轴陀螺7的速度分量，因为需要保持光电稳定平台1在周扫时图像的稳定，所以周扫时俯仰使用陀螺速度，这就导致在方位周扫过程中，俯仰会有缓慢的漂移，这种漂移随俯仰陀螺敏感轴和底座11的立轴的正交性而变化，正交性越差，速度分量越大，且方位周扫速度越大，俯仰方向敏感到的速度分量越大。如果单靠提高结构的加工精度，花费的代价太大；所以考虑用软件来补偿，为克服这种变化，在俯仰方向同样利用惯导的姿态数据，使俯仰锁定在空间位置，方位周扫时，俯仰视轴保持稳定，使扫描成像在一个水平面内，如图14所示。从北东地到惯导坐标系的姿态矩阵为：

式中，α为惯导的方位角，β为惯导的俯仰角，γ为惯导的横滚角。

从惯导坐标系到光电载荷视轴坐标系的姿态矩阵为：

式中，fwangle、gdangle分别为光电稳定平台1的方位角和俯仰角，认为横滚无变化。

从北东地到光轴坐标系的姿态矩阵为：

根据惯导姿态和光电稳定平台1的方位角、俯仰角和以上计算出光电载荷视轴方向相对惯性空间的姿态角，将光电稳定平台1做空间的位置闭环，再根据所述姿态角获得惯导系统的补偿量并加入到光电稳定平台1的方位角中。

关于本发明所述光电探测方法的搜索策略：

光电载荷5中以采用中波红外单元52、可见光单元53为例，搜索时采用大视场、中视场、小视场三档视场状态。

大视场快速搜索：可见光单元53上电自检后默认进入大视场状态，通过操控杆控制光电稳定平台1转至观察区域，若观察区域距离已知，可快速切换或连续变焦至对应视场；中波红外单元52上电自检后默认进入大视场状态，通过操控杆控制光电稳定平台1转至观察区域，若观察区域距离已知，可快速切换或连续变焦至对应视场。

小视场瞄准或跟踪：发现可疑目标后，可见光单元53或中波红外单元52快速切换至小视场调焦清晰后精细观察；调焦采取自动调焦(图像处理或测距调焦)方式，根据外界条件和图像效果开启透雾、图像增强等模式，模式开启前后图像清晰度一致。

红外快速区域周扫：中波红外单元52在大视场、中视场、小视场三档视场分别以360°/s、120°/s、60°/s的的速度进行周扫成像，将图像拼接等处理需要的信息叠加在红外图像左上角前两行；将周扫后形成的图像传送至控制计算机的综合图像处理软件中，进行图像全景拼接、自动目标检测等图像处理；搜索发现目标后由控制计算机软件引导光电稳定平台自动调转至目标位置，根据动目标特性分析人员(500m～4km，最大横向速度0.3°/s，小视场为1.5°，光电稳定平台1调转时间2s)无法逃逸视场；车辆(1km～10km，最大横向速度0.75°/s(47km/h车辆)，中视场为3°，稳台调转时间2s)，也无法逃逸视场。当1km范围内车辆以大于47km/h车速行使可逃逸中视场，但目标大距离近，可手动大视场搜索发现目标；当红外周扫检测引导光电稳定平台1发现目标后，可点击或选择捕获后目标进行图像跟踪。

本实施例利用惯导系统4导出的惯导数据，实时感知到桅杆系统3的扭转量，将惯导系统4的补偿量加入到光电稳定平台1的方位俯仰角中，则光电稳定平台1的方位俯仰角有了空间的感知能力，光电稳定平台按照该空间方位俯仰角去实现数引功能，从而克服桅杆系统扭转带来的影响，解决了光电稳定平台在桅杆上周扫和数引的组合应用问题。

本实施例基于的光电转塔具有以下功能：1)图像稳定：实现伺服稳定、电子稳像功能；2)目标跟踪：承载光电载荷，完成手动、自动跟踪；3)目标测量：承载光电载荷，可对已瞄准或跟踪目标进行测量，输出方位角、俯仰角(相对角度)与测距信息；4)图像处理：可进行消旋(依据陀螺组件数据)等处理。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于光电转塔的光电探测系统，其特征在于，包括：

光电稳定平台，用于承载光电载荷，包括底座和固定在所述底座上的U型座，所述底座的底部具有向下凸出的立轴，所述立轴旋转带动所述光电载荷方位回转，所述U型座两侧具有俯仰轴，所述俯仰轴转动带动所述光电载荷俯仰，所述底座和U型座的内部均形成有空腔；

光电载荷，用于满足不同环境条件下的目标探测功能，包括壳体以及集成于所述壳体内的回扫镜、中波红外单元、可见光单元、激光测距单元、猫眼探测单元、激光压制单元以及综合处理单元，所述壳体两端通过俯仰轴转动安装在所述U型座内；

电气分系统，用于提供动力驱动以及对所述光电稳定平台进行伺服控制和对所述光电载荷进行图像处理，包括安装在所述底座空腔内的驱动器和编码器、安装在所述U型座一侧空腔内的伺服主控板以及安装在所述U型座另一侧空腔内的跟踪消旋板；

陀螺组件，用于实时监测所述光电探测系统的姿态，包括彼此独立安装的单轴陀螺和双轴陀螺，所述单轴陀螺安装在所述U型座的一侧空腔内并与所述伺服主控板处于相同一侧，所述双轴陀螺安装在所述壳体的内部；

桅杆系统，用于承载所述光电稳定平台并驱动所述光电稳定平台升降和倒伏，包括用于实现升降运动的升降模块和用于实现俯仰和方位回转运动的倒伏模块；

雷达，用于发射电磁波对目标进行照射并接收回波，固定安装于所述光电稳定平台与桅杆系统之间，内置有用于实时感知所述桅杆系统扭转量并导出惯导数据的惯导系统；利用惯导的姿态角和光电稳定平台的方位俯仰角度，解算出光电载荷视轴相对于惯导坐标系的姿态，利用光电稳定平台做空间位置闭环将光电载荷视轴稳定在空间位置；

所述光电稳定平台、电气分系统、光电载荷、陀螺组件、桅杆系统、雷达以及惯导系统之间相互通信连接并最终连接到控制计算机。

2.根据权利要求1所述的一种基于光电转塔的光电探测系统，其特征在于：所述伺服主控板包括相互电连接的伺服单元和主控单元，具备的工作模式至少包括手态控制、稳态控制、手动跟踪、屏幕随动、角度引导、扇扫、周扫、自检、应急关电和锁定；其中，

伺服单元，用于完成对所述光电稳定平台的伺服控制，包括接收所述主控单元的指令、编码器数据和状态信息、陀螺组件数据以及与驱动器、跟踪消旋板的通信信息；

主控单元，用于完成对所述光电稳定平台的主控通信，包括接收所述伺服单元的通信信息、控制计算机的控制指令和数据信息、编码器数据并上报给所述光电载荷。

3.根据权利要求1所述的一种基于光电转塔的光电探测系统，其特征在于：所述升降模块包括第一减速装置、与所述第一减速装置的动力输入轴连接的升降电机、与所述第一减速装置的动力输出轴连接的杆体组件、用于驱动所述升降电机转动的控制箱，所述杆体组件在所述第一减速装置驱动作用下做直线往复运动；

所述倒伏模块包括相互固连的俯仰转动部件和方位回转部件，所述俯仰转动部件用于实现所述桅杆系统的俯仰运动，所述方位回转部件用于实现所述桅杆系统的方位回转运动，所述俯仰转动部件和方位回转部件配合运行实现所述桅杆系统顶部用于安装所述雷达的安装平面的调平。

4.根据权利要求3所述的一种基于光电转塔的光电探测系统，其特征在于：所述俯仰转动部件包括俯仰电机、第二减速装置以及俯仰传动支架，其中，

所述俯仰电机用于输出动力；所述第二减速装置的动力输入轴连接俯仰电机、动力输出轴连接俯仰传动支架；所述俯仰传动支架用于输出最终俯仰转速。

5.根据权利要求3所述的一种基于光电转塔的光电探测系统，其特征在于：所述方位回转部件包括方位电机、第三减速装置以及方位传动支架，其中，

所述方位电机用于输出动力；所述第三减速装置的动力输入轴连接方位电机、动力输出轴连接方位传动支架；所述方位传动支架用于输出最终方位转速。

6.一种基于光电转塔的光电探测系统的稳像、搜索方法，采用权利要求1-5任一项所述的光电探测系统，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，输入操作程序并获取控制计算机的控制指令，通过驱动器驱动承载有光电载荷的光电稳定平台绕立轴旋转对周围环境作角运动，完成水平方向的周扫；

步骤2，接收所述控制计算机的控制指令，安装在光电载荷中的回扫镜在光路中按照输入的斜波信号作反向角运动，回扫镜在光电载荷的积分时间内控制画面静止完成凝视成像，且保证光电载荷每幅曝光的画面之间有重叠率；

步骤3，光电载荷在曝光瞬间发出同步信号给光电稳定平台，光电稳定平台收到同步信号后，将驱动立轴转动的方位电机的当前码盘值回传给光电载荷；

步骤4，光电载荷将所述码盘值叠加在图像中并传送至控制计算机依次进行图像全景拼接、目标自动检测，拼接时根据重叠的区域和码盘值绘制出一幅360°的全景图像；

步骤5，从步骤4获得的全景图像中识别出可疑目标，并读取所述可疑目标在画面中的方位俯仰角信息；

步骤6，将惯导系统的补偿量加入到所述方位俯仰角中获得空间方位俯仰角，电气分系统根据所述空间方位俯仰角数引光电稳定平台调转至指定位置，通过图像跟踪或屏幕随动操作后对目标进行捕获，使目标位置在光电载荷的视场中心。

7.根据权利要求6所述的一种基于光电转塔的光电探测系统的稳像、搜索方法，其特征在于：所述光电载荷搜索可疑目标的视场状态至少分为大视场、中视场和小视场，对应所述光电稳定平台的周扫速度分别为360°/s、120°/s和60°/s。

8.根据权利要求7所述的一种基于光电转塔的光电探测系统的稳像、搜索方法，其特征在于，步骤1进一步包括：

所述光电载荷上电自检后默认进入所述大视场状态，通过控制光电稳定平台转至观察区域，若观察区域距离已知，快速切换或连续变焦至对应的视场状态。

9.根据权利要求7所述的一种基于光电转塔的光电探测系统的稳像、搜索方法，其特征在于，步骤5进一步包括：

识别出可疑目标后，伺服单元接收控制计算机的指令并控制所述光电载荷快速切换至小视场，自动调焦至图像清晰后进行精细观察，根据外界条件和图像效果开启透雾、图像增强模式。

10.根据权利要求6所述的一种基于光电转塔的光电探测系统的稳像、搜索方法，其特征在于，步骤6进一步包括：根据惯导坐标系到光电载荷视轴坐标系的姿态矩阵以及光电稳定平台的方位角、俯仰角建立计算模型，经计算获得所述惯导系统的补偿量。

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