CN112596048B - 雷达光电协同精确探测低慢小无人飞行器位置的方法 - Google Patents

雷达光电协同精确探测低慢小无人飞行器位置的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种雷达光电协同精确探测低慢小无人飞行器位置的方法，将一台雷达和多台光电设备以阵列布局的方式安装在监测区域制高点，以阵列中心为原点建立协同探测空间直角坐标系，用雷达初步探测无人飞行器的位置，根据雷达探测的目标位置信息，调整对应的光电设备的观测方向与角度，使凝视视场处于目标附近，然后进行扫描搜索，并对目标进行捕获；捕获到目标后再对目标进行跟踪，锁定目标到视场中心，根据目标与光电设备的距离、方向角、俯仰角，计算目标在协同探测空间直角坐标系中的位置，本方案解决了现有的技术中由于城市环境的复杂性和低空慢速小目标的特殊性以及单独的雷达或光电设备的性能限制而导致无人飞行器定位精度低的技术问题。

Description

雷达光电协同精确探测低慢小无人飞行器位置的方法
技术领域
本发明涉及无人飞行器探测领域，具体涉及一种雷达光电协同精确探测低慢小无人飞行器位置的方法。
背景技术
“低慢小”无人飞行器滥飞、黑飞等现象频发，给城市安保工作带来了新的挑战。对此类目标的拦截打击需要先对目标进行精确的定位，而由于城市环境的复杂性以及低空慢速小目标的特殊性，很难精确探测此类无人飞行器的位置。雷达虽然能够探测到“低慢小”无人飞行器，但是不够稳定，且定位的精度较差，误差达到数米甚至数十米。光电设备探测视角较窄，且城市环境复杂，干扰多，单独使用光电设备也难以准确探测到此类目标。但是光电设备精度高，只要捕获到目标，就能准确的提供目标信息。因此，将雷达与光电设备相结合，成为“低慢小”无人飞行器探测的一个研究方向，然而雷达与光电设备怎样进行协同，又如何精确探测“低慢小”无人飞行器的位置，成为了协同探测的难点。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种雷达光电协同精确探测低慢小无人飞行器位置的方法，解决现有的技术中由于城市环境的复杂性和低空慢速小目标的特殊性以及单独的雷达或光电设备的性能限制而导致无人飞行器定位精度低的技术问题。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种雷达光电协同精确探测低慢小无人飞行器位置的方法，其特征在于，包括：
1)将一台雷达和多台光电设备以阵列布局的方式安装在监测区域制高点，其中雷达和一台光电设备位于阵列中心；
2)以阵列中心为原点建立协同探测空间直角坐标系，用雷达初步探测无人飞行器的位置，并根据位置选择对应的光电设备进行后续操作；
3)根据雷达探测的目标位置信息，调整对应的光电设备的观测方向与角度，使凝视视场处于目标附近，然后进行扫描搜索，并对目标进行捕获；
4)捕获到目标后再对目标进行跟踪，锁定目标到视场中心，同时使用光电设备上的激光测距功能，测量光电设备与目标的距离，并获取光电设备的电动转台和伺服反馈信息，然后根据目标与光电设备的距离、方向角、俯仰角，计算目标在协同探测空间直角坐标系中的位置。
进一步的，当目标只处于某单台光电设备探测区域内时，根据此台设备的测量数据定位的目标位置，当目标处于多台光电设备探测重合区域内时，可根据多台光电设备定位的目标位置的数据进一步减小误差。
进一步的，所述光电设备由电动转台、伺服、红外成像探测器和激光测距仪构成，电动转台和伺服控制红外成像探测器的成像角度，激光测距仪与红外成像探测器平行放置，测量时角度与红外成像探测器一致，可测量红外成像探测器成像中心区域的目标与光电设备的距离。
进一步的，所述2)的具体步骤包括：
11)雷达为原点，结合雷达的三维坐标信息建立协同探测空间直角坐标系；
12)用雷达初步探测城市建筑群中无人飞行器的位置；
13)将探测到的目标位置映射到协同探测空间直角坐标系中；
14)根据目标的位置信息，选择对应的光电设备。
进一步的，所述雷达初步探测无人飞行器位置Vt后，光电设备的电动转台先运动到对应方位，伺服的俯仰位再运动到对应角度，以使目标处于红外成像探测器的凝视视场附近，然后以Vt为中心，以“回”字型扫描方式，控制伺服运动，完成周围视场的搜索，当在搜索过程中检测到目标，则停止扫描，并将目标拉到视场中心，完成对目标的捕获，如果没有检测到目标则继续搜索，直到检测到目标。
进一步的，定义S为激光测距仪所测得目标与光电设备的距离，α为目标和光电设备连线在水平面的投影与正北方向的夹角，γ为光电设备探测目标时的俯仰角度，光电设备的位置Va＝(xa,ya,za)，探测到目标的位置Vat＝(xat,yat,zat)，其中xat＝xa+S*cosα，yat＝ya+S*sinα，zat＝za+S*tanγ。
进一步的，所述光电设备的方向探测误差(xat或yat的误差)为：
E1＝(S+Slaser)*cosγ*sin(α+At+A1)-S*cosγ*sinα
光电设备的高度探测误差(zat的误差)为：Eh＝(S+Slaser)*sin(γ+Ap)-S*cosγ
其中激光测距仪在5km范围内的测量误差Slaser为0.8m，电动转台反馈的方位角度误差At为0.005度，伺服反馈的水平方位角度误差A1和俯仰角度误差Ap均为0.01度；
当探测距离S＝5km时，E1的最大值为1.53m，Eh的最大为0.80m；
雷达光电协同探测系统探测的目标位置Vt＝(xt,yt,zt)，光电设备探测的目标位置Vn＝(xn,yn,zn)，其中(n＝1、2、3)；
则xt＝(x1+x2+...+xn)/n；(n＝1、2、3)。
进一步的，各光电设备距阵列中心的距离为5km，且各光电设备与阵列中心的夹角相等。
进一步的，所述光电设备为四台，其中一台光电设备与雷达设置在阵列中心，其余三台光电设备与阵列中心的连线成120°夹角分布。
本发明的有益效果是：
(1)本发明通过将雷达与光电设备相结合，进行协同探测，解决了城市建筑群中“低慢小”无人飞行器难以被精确定位的问题。将雷达与光电设备以一定阵列布局于城市高层建筑上，解决了单个设备探测距离和探测精度的限制，减少了城市建筑对目标的遮挡和干扰。先利用雷达作用范围广的特点，初步定位目标，然后根据光电设备机动性好和精度高的特点，让其在初步定位区域再搜索捕获目标，解决了光电设备因探测视角较窄，城市环境复杂，干扰多，而难以准确探测到城市建筑群中“低慢小”无人飞行器的问题；
(2)本发明的光电设备采用由电动转台、伺服、红外成像探测器和激光测距仪相结合的构造形式，可使光电设备充分发挥其探测优势，迅速准确探测到目标，并能获取到目标的精确位置信息。光电设备在捕获目标时，采用“回”字型扫描方式，操作简单，能使光电设备实现渐进式搜索，完成扫描区域的全覆盖，无缝式搜索，并迅速发现目标，从而提高了协同探测系统的实时性与准确性。
(3)本发明可通过使用多台光电设备同时探测目标，并根据多组目标位置数据综合分析，进一步减小了误差，提高了探测精度。
附图说明
图1为本发明流程图；
图2为雷达光电协同精确探测阵列布局示意图；
图3为协同探测空间直角坐标系示意图；
图4为“回”字型扫描方式示意图；
图5为计算目标精确位置示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
实施例1
如图1所示，雷达光电协同精确探测“低慢小”无人飞行器位置的方法，该方法包括以下步骤：
步骤S1.结合雷达和与光电设备的探测性能与探测方式，以一定阵列布局于城市高层建筑上，以实现对大范围城市区域的监测。
步骤S2.建立协同探测空间直角坐标系，用雷达初步探测城市建筑群中无人飞行器的位置，并根据位置选择对应的光电设备进行后续操作。
步骤S3.根据雷达探测的目标位置信息，调整光电设备的观测方向与角度，使凝视视场处于目标附近，然后进行扫描搜索，并对目标进行捕获。
步骤S4.捕获到目标后再对目标进行跟踪，锁定目标到视场中心，同时使用光电设备上的激光测距功能，测量光电设备与目标的距离，并获取光电设备的电动转台和伺服反馈信息。然后根据目标与光电设备的距离、方向角、俯仰角，计算目标在协同探测空间直角坐标系中的位置。
步骤S5.当目标只处于某台光电设备探测区域内时，根据此台设备的测量数据定位的目标位置，当目标处于2台或3台光电设备探测重合区域内时，可根据多台光电设备定位的目标位置的数据进一步减小误差。
步骤S1.结合雷和与光电设备的探测性能与探测方式，以一定阵列布局于城市高层建筑上，以实现对大范围城市区域的监测。
所述的光电设备由电动转台、伺服、红外成像探测器和激光测距仪构成，电动转台和伺服控制红外成像探测器的成像角度，激光测距仪与红外成像探测器平行放置，测量时角度与红外成像探测器一致，可测量红外成像探测器成像中心区域的目标与光电设备的距离。
大孔径红外成像探测器对于无人飞行器的探测距离可达到5千米，雷达对于无人飞行器的探测距离一般为10千米，故设计如图2所示的阵列布局，以实现对大范围城市区域的监测。由于城市建筑物密集，需将雷达与光电设备均放置在城市高层建筑上，以减少遮挡和干扰。
阵列布局如下：
O点安置雷达O与光电设备O，A、B、C三点安置光电设备A、B、C，四台光电装置均相同。A、B、C三点与O点连线的夹角均为120度左右，且三点与O点的距离均为5km左右，按所述方法安置，可划分为如图2所示的a、b、c、ao、bo、co、abo、bco、aco九个区域。
上述布局为简单性布局，可根据具体要求，在阵列中加装探测设备，在阵列外围扩展探测设备，提高探测精度、增加探测范围。
步骤S2.建立协同探测空间直角坐标系，用雷达初步探测城市建筑群中无人飞行器的位置，并根据位置选择对应的光电设备进行后续操作。
首先以雷达为原点，结合雷达的三维坐标信息建立如图3所示的协同探测空间直角坐标系。然后用雷达初步探测城市建筑群中无人飞行器的位置。再将探测到的目标位置映射到协同探测空间直角坐标系中。最后根据目标的位置信息，选择对应的光电设备，光电设备的选择方式如下：
(1)如目标出现在a、b、c区域内，则调用光电设备A(B或C)探测目标；
(2)如目标出现在ao区域、bo区域、co区域，则调用光电设备A(B或C)与光电设备O一同探测；
(3)如目标出现在abo区域、bco区域、aco区域探测重合范围内，则调用对应的2台光电设备与光电设备O一同探测。
步骤S3.根据雷达探测的目标位置信息，调整光电设备的观测方向与角度，使凝视视场处于目标附近，然后进行扫描搜索，并对目标进行捕获。
电动转台能360度旋转，但是机动性较差；伺服机动性好，但是运动范围普遍较窄。因此需要结合两者的特性来捕获目标。
雷达获取目标大概位置Vt后，光电设备的电动转台先运动到对应方位，伺服的俯仰位再运动到对应角度，以使目标处于红外成像探测器的凝视视场附近。由于雷达获取的目标位置精度较低，此时的凝视视场可能没有目标，因此需要以Vt为中心，以“回”字型扫描方式，如图4所示，控制伺服运动，完成周围视场的搜索。当在搜索过程中检测到目标，则停止扫描，并将目标拉到视场中心，完成对目标的捕获，如果没有检测到目标则继续搜索，直到检测到目标。
其中以“回”字型扫描方式，操作简单，能使光电设备实现以Vt为中心向周围区域的渐进式搜索，并迅速发现目标，且此扫描方式能完成扫描区域的全覆盖，无缝式搜索，从而提高了协同探测系统的实时性与准确性。
步骤S4.捕获到目标后再对目标进行跟踪，锁定目标到视场中心，同时使用光电设备上的激光测距功能，测量光电设备与目标的距离，并获取光电设备的电动转台和伺服反馈信息。然后根据目标与光电设备的距离、方向角、俯仰角，计算目标在协同探测空间直角坐标系中的位置。
S为激光测距仪所测得目标与光电设备的距离，α为目标和光电设备连线在水平面的投影与正北方向的夹角(方向角)，γ为光电设备探测目标时的俯仰角度，光电设备的位置Va＝(xa,ya,za)，探测到目标的位置Vat＝(xat,yat,zat)。
其中xat＝xa+S*cosα，yat＝ya+S*sinα，zat＝za+S*tanγ。
步骤S5.当目标只处于某台光电设备探测区域内时，根据此台设备的测量数据定位的目标位置，当目标处于2台或3台光电设备探测重合区域内时，可根据多台光电设备定位的目标位置的数据综合分析，进一步减小误差。
光电设备的方向探测误差(xat或yat的误差)为：
E1＝(S+Slaser)*cosγ*sin(α+At+A1)-S*cosγ*sinα
光电设备的高度探测误差(zat的误差)为：
Eh＝(S+Slaser)*sin(γ+Ap)-S*cosγ
其中激光测距仪在5km范围内的测量误差Slaser为0.8m，电动转台反馈的方位角度误差At为0.005度，伺服反馈的水平方位角度误差A1和俯仰角度误差Ap均为0.01度。
当探测距离S＝5km时，E1的最大值为1.53m，Eh的最大为0.80m。
如果目标处于2台或3台光电设备探测重合区域内时，可根据对应的多台光电设备定位的目标位置的数据进一步减小误差。
雷达光电协同探测系统探测的目标位置Vt＝(xt,yt,zt)，光电设备探测的目标位置Vn＝(xn,yn,zn)，其中(n＝1、2、3)。
则xt＝(x1+x2+...+xn)/n；(n＝1、2、3)。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (6)

1.一种雷达光电协同精确探测低慢小无人飞行器位置的方法，其特征在于，包括：
1)将一台雷达和多台光电设备以阵列布局的方式安装在监测区域制高点，其中雷达和一台光电设备位于阵列中心；
2)以阵列中心为原点建立协同探测空间直角坐标系，用雷达初步探测无人飞行器的位置，并根据位置选择对应的光电设备进行后续操作；
3)根据雷达探测的目标位置信息，调整对应的光电设备的观测方向与角度，使凝视视场处于目标附近，然后进行扫描搜索，并对目标进行捕获；
4)捕获到目标后再对目标进行跟踪，锁定目标到视场中心，同时使用光电设备上的激光测距功能，测量光电设备与目标的距离，并获取光电设备的电动转台和伺服反馈信息，然后根据目标与光电设备的距离、方向角、俯仰角，计算目标在协同探测空间直角坐标系中的位置；
所述雷达初步探测无人飞行器位置Vt后，光电设备的电动转台先运动到对应方位，伺服的俯仰位再运动到对应角度，以使目标处于红外成像探测器的凝视视场附近，然后以Vt为中心，以“回”字型扫描方式，控制伺服运动，完成周围视场的搜索，当在搜索过程中检测到目标，则停止扫描，并将目标拉到视场中心，完成对目标的捕获，如果没有检测到目标则继续搜索，直到检测到目标；
定义S为激光测距仪所测得目标与光电设备的距离，α为目标和光电设备连线在水平面的投影与正北方向的夹角，γ为光电设备探测目标时的俯仰角度，光电设备的位置Va＝(xa,ya,za)，探测到目标的位置Vat＝(xat,yat,zat)，其中xat＝xa+S*cosα，yat＝ya+S*sinα，zat＝za+S*tanγ；
所述光电设备的方向探测误差为：E1＝(S+Slaser)*cosγ*sin(α+At+A1)-S*cosγ*sinα
光电设备的高度探测误差为：Eh＝(S+Slaser)*sin(γ+Ap)-S*cosγ
其中激光测距仪在5km范围内的测量误差Slaser为0.8m，电动转台反馈的方位角度误差At为0.005度，伺服反馈的水平方位角度误差A1和俯仰角度误差Ap均为0.01度；
当探测距离S＝5km时，E1的最大值为1.53m，Eh的最大为0.80m；
雷达光电协同探测系统探测的目标位置Vt＝(xt,yt,zt)，光电设备探测的目标位置Vn＝(xn,yn,zn)，其中n＝1、2、3；则xt＝(x1+x2+...+xn)/n；n＝1、2、3。
2.根据权利要求1所述的雷达光电协同精确探测低慢小无人飞行器位置的方法，其特征在于，当目标只处于某单台光电设备探测区域内时，根据此台设备的测量数据定位的目标位置，当目标处于多台光电设备探测重合区域内时，可根据多台光电设备定位的目标位置的数据进一步减小误差。
3.根据权利要求2所述的雷达光电协同精确探测低慢小无人飞行器位置的方法，其特征在于，所述光电设备由电动转台、伺服、红外成像探测器和激光测距仪构成，电动转台和伺服控制红外成像探测器的成像角度，激光测距仪与红外成像探测器平行放置，测量时角度与红外成像探测器一致，可测量红外成像探测器成像中心区域的目标与光电设备的距离。
4.根据权利要求3所述的雷达光电协同精确探测低慢小无人飞行器位置的方法，其特征在于，所述2)的具体步骤包括：
11)雷达为原点，结合雷达的三维坐标信息建立协同探测空间直角坐标系；
12)用雷达初步探测城市建筑群中无人飞行器的位置；
13)将探测到的目标位置映射到协同探测空间直角坐标系中；
14)根据目标的位置信息，选择对应的光电设备。
5.根据权利要求1所述的雷达光电协同精确探测低慢小无人飞行器位置的方法，其特征在于，各光电设备距阵列中心的距离为5km，且各光电设备与阵列中心的夹角相等。
6.根据权利要求5所述的雷达光电协同精确探测低慢小无人飞行器位置的方法，其特征在于，所述光电设备为四台，其中一台光电设备与雷达设置在阵列中心，其余三台光电设备与阵列中心的连线成120°夹角分布。
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