CN113777569B - 一种雷达联动光电的自动化动态标校方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光电技术领域，安防领域，尤其涉及雷达光电动态标校。本发明提供一种雷达联动光电的自动化动态标校方法，方法包括：S1、建立三维坐标系，利用标校物对光电装置进行标校；S2、依据光电装置三维坐标数据以及通过雷达对目标的测量，获取目标相对于光电装置的第一角度数据；S3、通过光电装置跟踪目标，获取目标相对于光电装置的第二角度数据；S4、计算第一角度数据与第二角度数据的差值；S5、依据差值，对光电装置再次标校从而实现只要光电装置跟踪上目标，就可以实现自动化动态标校，并提高了雷达引导光电装置准确性。

Description

一种雷达联动光电的自动化动态标校方法及系统

技术领域

本发明涉及光电安防领域，具体为一种雷达联动光电的自动化动态标校方法及系统。

背景技术

随着雷达与光电的应用领域越来越广泛，如重点区域防护，“低慢小”目标探测，船只探测，鸟类探测等。其使用领域，用途日趋多样化，但在应用中有个难度较大的流程就是实现雷达与光电的零点标校，只有雷达的北向零点与光电的北向零点一致，雷达去联动光电才能准确发现目标。

标校目前分为静态标校和动态标校，静态标校可以测量设备的经纬度高度和静态标校物的经纬度高度，利用算法计算出目标相对于设备的北向方向，此时调整设备零点使得光电设备看向标校物时为计算出的角度，这样光电的零点即为北向零点，雷达设备通常自带差分GPS定位定向。这样标校后通常精确度不高，因为雷达和光电的零点标校方法不同，采用的设备也存在差异，这就会导致雷达引导光电后看不到目标，因此还需要动态标校调整，可以先静态标校，再动态标校微调，也可以直接利用动目标直接动态标校。

动态标校需要利用动目标，在雷达和光电同时看到目标时记录光电的方位、俯仰，以及利用雷达给的目标信息计算的方位俯仰，手动记录两者的数值，多方位，多距离段记录，费时费力，且人工记录数据不全，计算容易出差错，耗费成本和精力太大。

发明内容

为了在光电装置跟踪上目标后，能够对光电装置进行动态标校，特此提供一种雷达联动光电的自动化动态标校方法，方法包括：

S1、建立三维坐标系，利用标校物对光电装置进行标校；

S2、依据光电装置三维坐标数据以及通过雷达对目标的测量，获取目标相对于光电装置的第一角度数据；

S3、通过光电装置跟踪目标，获取目标相对于光电装置的第二角度数据；

S4、计算第一角度数据与第二角度数据的差值；

S5、依据差值，对光电装置再次标校。

优选地，所述标校物包括静态标校物；

静态标校物，用于使光电装置的零点指向正北，并使光电装置的零点与雷达的零点一致；

进一步的，通过静态标校物使得光电装置的零点与正北方向大致一致，雷达通过自带的差分GPS也使得雷达零点指向正北。

S1还包括：通过GPS以及激光测量装置测量出光电装置的经度值、纬度值和高度值；

S11、通过三维坐标系标注光电装置的经度值、纬度值和高度值；

S12、测量出静态标校物的经度值、纬度值和高度值；

利用静态标校物的经度值、纬度值和高度值对光电装置进行静态标校，使光电装置的零点指向正北，且使光电装置的零点与雷达的零点一致。

优选地，所述标校物还包括动态标校物；

动态标校物，用于建立动态参考量，并确定目标与光电装置之间的距离值；

进一步的，在光电装置的零点经过静态标校基础上，通过动态标校物再次对光电装置的零点进行标校，优选地使光电装置的零点与正北方向一致并与雷达的零点一致。

S1还包括：

利用光电装置跟踪动态标校物，并通过接收雷达上传的动态标校物经度值和纬度值，计算出动态标校物相对于光电装置的方位角度值、俯仰角度值和距离值，完成对光电设备的动态标校。

进一步的， S2中获取第一角度数据的步骤还包括：

S21、光电装置通过静态标校物确定光电装置零点方向，零点方向优选正北，并确定目标相对于光电装置零点的方向；

S22、利用目标的经度值和目标的纬度值以及光电装置的经度值和光电装置的纬度值计算出目标相对于光电装置的第一方位角；

S23、利用目标的高度值和光电装置的高度值计算出目标相对于光电装置的第一俯仰角；

S24、依据第一方位角和第一俯仰角生成第一角度数据。

优选地，S2还包括：

利用目标的经度值或目标的纬度值以及光电装置的经度值或光电装置的纬度值计算出目标相对于光电装置的水平距离；

利用目标的高度值和光电装置的高度值计算出目标相对于光电装置的高度差；

依据水平距离、高度差和第一俯仰角，利用勾股定理计算出光电装置距离目标的直接距离。

优选地，步骤S3中所述光电装置采用光电经纬仪、摄像仪或红外追踪仪；

所述第二角度数据为光电装置通过跟踪模块锁定目标后，利用可见光或红外线测量出目标相对于光电装置的第二方位角和第二俯仰角。

优选地，S4还包括：

S201、设立多个不同的距离段；

S202、不同距离段设置不同误差阈值；

S203、依据光电装置距离目标的直接距离确定所属距离段；

S204、计算每个距离段内第一角度数据与第二角度数据的差值；

S205、去除距离段内超出误差阈值的差值，对剩下的差值求平均，得到距离段内的平均差值；

S206、依据平均差值调整光电装置的零点，使光电装置的零点与雷达的零点一致。

优选地，在不修改光电装置零点的情况下，S5还包括通过雷达引导光电装置，步骤包括：

利用雷达测量出目标的经度值、纬度值和高度值，并生成雷达数据；

光电装置将平均差值补偿到雷达数据，并依据补偿后的雷达数据修改第二方位角和第二俯仰角。

本发明还提供一种雷达联动光电的自动化动态标校系统，系统包括光电装置、雷达和数据处理终端；

雷达，用于对目标的测量，生成雷达数据；

雷达数据包括纬度值、经度值和高度值；

光电装置，用于跟踪目标；

数据处理终端通过建立三维坐标系，获取光电装置的三维坐标数据；

数据处理终端与雷达连接，获取目标的雷达数据；

数据处理终端通过与光电装置连接，获取目标相对于光电装置的第二角度数据；

数据处理终端包括标校模块、计算模块和比对模块；

所述标校模块利用标校物对光电装置进行标校；

计算模块利用光电装置的三维坐标数据和雷达数据计算出目标相对于光电装置的第一角度数据；

比对模块，用于计算出第一角度数据与第二角度数据的差值；

数据处理终端依据差值，对光电装置再次标校。

优选地，数据处理终端还包括误差分析模块；

误差分析模块，用于设立多个不同的距离段，并依据距离段的不同，设置不同误差阈值；

计算模块计算出光电装置距离目标的直接距离，并确定所属距离段；

比对模块比对出每个距离段内第一角度数据与第二角度数据的差值；

误差分析模块还用于去除距离段内超出误差阈值的差值，对剩下的差值求平均，得到距离段内的平均差值；

标校模块依据平均差值调整光电装置的零点，使光电装置的零点与雷达的零点一致。

从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：

本发明提供的雷达联动光电的自动化动态标校方法及系统通过确立静态标校物，对光电装置进行静态标校。引入静态标校物作为参考，使得对目标的探测过程更为准确。通过对光电装置静态标校，使光电装置的零点指向正北，雷达通过差分GPS使自己的零点也指向正北。光电装置的零点与雷达的零点一致，不仅使得光电装置对目标位置的探测更为准确，还能够建立雷达与光电装置联动关系。在光电装置探测不到目标时，光电装置的零点与雷达的零点一致能够使雷达联动光电装置实现自动追踪目标。在锁定测量目标的过程中，依据第一角度数据和第二角度数据的差值以及平均差值，再次对光电装置进行标校，使光电装置在脱靶的情况下，通过差值补偿自动找到看向目标的真实角度，进而使得光电装置始终能够锁定并跟踪目标。由目标于光电装置之间实际距离确定距离段，不同距离段确定不同的误差阈值，使得对目标的数据监测更为精准，降低误差率。通过设置数据处理终端自动对所测得的数据进行计算、记录、统计等，克服了标校计算出错率高的缺点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对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获得其他的附图。

图1为雷达联动光电的自动化动态标校流程图。

图2为雷达联动光电的自动化动态标校第一实施例流程图。

图3为平面象限示意图。

图4为俯仰角示意图。

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做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。

本发明提供一种雷达联动光电的自动化动态标校方法，如图1至图4所示，一种雷达联动光电的自动化动态标校方法，方法包括：

S1、建立三维坐标系，利用标校物对光电装置进行标校。三维坐标系采用三维空间坐标系，三维包括纬度、经度和高度。进一步地，将纬度设在X轴，将经度设在Y轴，将高度设在Z轴。X轴与Y轴，即纬度与经度组成平面象限。0°至90°为第一象限，90°至180°为第二象限，180°至270°为第三象限，270°至360°为第四象限。通过划分象限，能够更为准确地标校和计算方位角。

标校物为确定测量设备的误差模型参数和坐标系取齐而组织的辅助测量设备。标校物包括静态标校物和动态标校物。

静态标校物用于使光电装置的零点与雷达的零点一致，静态标校物通常选取与光电装置相对静止的物体做为参照物。具体实施步骤包括：通过GPS以及激光测量装置测量出光电装置的经度值、纬度值和高度值。

S11、通过三维坐标系标注光电装置的经度值、纬度值和高度值；

S12、通过GPS以及激光测量装置测量出静态标校物的经度值、纬度值和高度值；利用静态标校物的经度值、纬度值和高度值对光电装置进行静态标校，使光电装置的零点大致指向正北。同时，雷达通过自带的差分GPS使得雷达的零点也指向正北，在完成对光电装置进行静态标校的基础上，通过动态标校对光电装置的零点进一步标校，使光电装置的零点与正北方向一致，并使得光电装置的零点与雷达的零点一致。

动态标校物用于建立动态参考量，并确定目标与光电装置之间的距离值。动态标校物通常选取相对于光电装置移动的物体做为参照物。例如空中处于飞行状态的无人机、地面行走地路人或者正在移动的汽车。通过动态标校物对光电装置进行标校的步骤包括：利用光电装置跟踪动态标校物，并通过接收雷达上传的动态标校物经度值和纬度值，计算出动态标校物相对于光电装置的方位角、俯仰角和距离值，通过上述计算结果对光电装置或雷达进行微调，使雷达的北向零点与光电装置的北向零点一致，完成对光电设备的动态标校，使得雷达能够联动光电装置准确发现目标。

S2、依据光电装置三维坐标数据以及通过雷达对目标的测量，获取目标相对于光电装置的第一角度数据。S2中获取第一角度数据的步骤还包括：S21、光电装置通过静态标校物确定光电装置零点方向，并确定目标相对于光电装置北向零点的方向；S22、利用目标的经度值和目标的纬度值以及光电装置的经度值和光电装置的纬度值计算出目标相对于光电装置的第一方位角；S23、利用目标的高度值和光电装置的高度值计算出目标相对于光电装置的第一俯仰角；S24、依据第一方位角和第一俯仰角生成第一角度数据。

因为地球是椭圆的，所以在计算方位角时需要考虑到地球极半径与赤道半径偏差，需要依据实际距离对偏差进行修正。用于修正地公式包括：

dSrcEc（设备点每纬度距离）=6356725+(6378137-6356725)*(90°-设备纬度角度值)/90°；其中：6378137：地球的赤道半径是6378137米，6356725：地球的极半径是6356725米；

dSrcEd(设备点每经度间实际距离)=dSrcEc*cos(设备经度弧度值)；

dx（经度方向距离值）=(目标经度弧度值-设备经度弧度值)*dSrcEd；

dy（纬度方向距离值）=(目标纬度弧度值-设备纬度弧度值)*dSrcEc。

在dy不等于零时；目标相对于设备的方位角以及目标相距设备的水平距离的具体计算公式包括：

目标相对于设备的方位角angle=arctan(fabs(dx/dy))*180°/3.1415926；

相对经度值=目标经度角度值-设备经度角度值；

相对纬度值=目标纬度角度值-设备纬度角度值；

如果相对经度值>0且相对纬度值<=0；

angle=(90°-angle)+90°；

如果相对经度值<=0且相对纬度值<0；

angle=angle+180°；

如果相对经度值<0且相对纬度值>=0；

angle=(90°-angle)+270°；

最后得到的angle值即为目标相对于设备的方位角，该方位角为依据雷达对目标的测量和光电装置三维坐标数据计算得出地第一方位角。

利用目标的经度值或目标的纬度值以及光电装置的经度值或光电装置的纬度值计算出目标相对于光电装置的水平距离。

目标相距设备的水平距离=arccos(cos(设备纬度弧度值)*cos(目标纬度弧度值)*cos(设备经度弧度值–目标经度弧度值)+sin(设备纬度弧度值)*sin(目标纬度弧度值))*6378137。

进一步地，利用目标的高度值和光电装置的高度值计算出目标相对于光电装置的高度差。依据水平距离、高度差和第一俯仰角，利用勾股定理计算出光电装置距离目标的直接距离，依据光电装置距离目标的直接距离得出该距离所属距离段。

需要说明的是：“*”：乘；“/”除；arctan：反正切函数；arccos反余弦函数；3.1415926为π（圆周率）的具体精确位数。Fabs为求绝对值，fabs(dx/dy)是求dx / dy的绝对值。

S3、通过光电装置跟踪目标，获取目标相对于光电装置的第二角度数据。S3中所述光电装置采用光电经纬仪、摄像仪或红外追踪仪。第二角度数据为光电装置通过跟踪模块锁定目标后，利用可见光或红外线测量出目标相对于光电装置的第二方位角和第二俯仰角。

S4、计算第一角度数据与第二角度数据的差值之前，还需要划分距离段。距离段包括：1km的距离段、2km的距离段、3km的距离段和3km以上的距离段。方位角每一度的偏差会依据目标与光电装置之间地距离使得实际距离偏差以不同倍率增大，所以不同距离段设置不同的误差阈值，例如：当距离段为1km，误差阈值可以设为±11°；当距离段为2km，误差阈值可以设为±8°；当距离段为3km，误差阈值可以设为±5°；当距离段为3km以上，误差阈值可以设为±3°。数据处理终端依据设备经度以及测试环境等实际情况定义相应的公式设置误差阈值，或依据不同标准或需求设置不同的误差阈值。依据光电装置距离目标的直接距离确定所属距离段，计算每个距离段内第一角度数据与第二角度数据的差值，去除距离段内超出误差阈值的差值，对剩下的差值求平均，得到距离段内的平均差值，依据平均差值调整光电装置的零点，使光电装置的零点与雷达的零点一致。光电装置的零点和雷达的零点可以设为与正北一致。

进一步说明地是，当目标距离光电装置为3km以上，则对应3km以上的距离段，计算在该距离段内，第一角度数据与第二角度数据的差值，并依据该距离段误差阈值计算出平均差值。随着目标移动，目标进入2km至3km以内，则对应3km的距离段，计算在该距离段内，第一角度数据与第二角度数据的差值，并依据该距离段误差阈值计算出平均差值。

在确定距离段以及相对应的误差阈值后，数据处理终端计算每个距离段内第一角度数据与第二角度数据的差值。去除差值中远超误差阈值的差值，或去除该距离段内的所有差值中偏离较大的奇异点，或去除距离段内所有差值中数值最大的差值或数值最小的差值。对剩下的差值进行求平均，计算出该距离段内的平均差值。当目标停止运动或停止追踪探测时，计算出目标移动的所有距离段的平均差值，即依据上述方法依次计算出2km的距离段和1km的距离段的差值以及平均差值。算出目标移动的所有距离段的平均差值后，显示到界面或文档或生成数据文档。

S5实施方式一：依据平均差值，修改光电装置零点并对光电装置再次标校，光电装置的零点和雷达的零点与正北一致。

在不修改光电装置零点的情况下， S5实施方式二：还可以通过雷达引导光电装置。步骤包括：利用雷达测量出目标的经度值、纬度值和高度值，并生成雷达数据，光电装置将平均差值补偿到雷达数据，光电装置依据雷达数据对所测的第二方位角和第二俯仰角进行修改。

S5还设有实施方式三：数据处理终端根据目标所在的距离段以及象限，利用平均差值对雷达所测得地雷达数据进行补偿。在光电装置无法追踪锁定目标的情况下，数据处理终端通过平均差值对雷达上传的数据进行修改或调整，再利用雷达数据引导控制光电装置转动的方位、俯仰等角度，使光电装置更容易追踪探测目标。

依据上述方法，本发明还提供一种雷达联动光电的自动化动态标校系统，系统包括光电装置、雷达和数据处理终端。首先建立光电装置、雷达、和数据处理终端三者之间的通信连接。

数据处理终端采用32位计算机。雷达通过雷达自带差分GPS定位系统以及光电仪器对目标、动态标校物以及静态标校物进行测量，生成雷达数据。雷达数据包括纬度值、经度值和高度值。光电装置具有跟踪目标的能力，例如光电前端带有跟踪模块或采用软件跟踪，通过可见光或者红外热成像锁定跟踪目标，锁定目标后，能稳定跟踪目标。数据处理终端通过建立三维坐标系，获取光电装置的三维坐标数据，数据处理终端与雷达连接，获取目标位置经度值、纬度值和高度值。数据处理终端通过与光电装置连接，获取目标相对于光电装置的第二角度数据。

进一步说明的是，数据处理终端包括标校模块、计算模块和比对模块。标校模块利用标校物对光电装置进行标校，计算模块利用光电装置的三维坐标数据和雷达数据计算出目标相对于光电装置的第一角度数据。比对模块用于计算出第一角度数据与第二角度数据的差值。数据处理终端依据差值，对光电装置再次标校。数据处理终端还包括误差分析模块，误差分析模块用于设立多个不同的距离段，并依据距离段的不同，设置不同误差阈值。计算模块计算出光电装置距离目标的直接距离，并确定所属距离段，比对模块比对出每个距离段内第一角度数据与第二角度数据的差值，误差分析模块还用于去除距离段内超出误差阈值的差值，对剩下的差值求平均，得到距离段内的平均差值。标校模块依据平均差值调整光电装置的零点，使光电装置的零点与雷达的零点一致。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种雷达联动光电的自动化动态标校方法，其特征在于，方法包括：

S1、建立三维坐标系，利用标校物对光电装置进行标校；

S2、依据光电装置三维坐标数据以及通过雷达对目标的测量，获取目标相对于光电装置的第一角度数据；

S3、通过光电装置跟踪目标，获取目标相对于光电装置的第二角度数据；

S4、计算第一角度数据与第二角度数据的差值；

S5、依据差值，对光电装置再次标校;

S4还包括：

S201、设立多个不同的距离段；

S202、不同距离段设置不同误差阈值；

S203、依据光电装置距离目标的直接距离确定所属距离段；

S204、计算每个距离段内第一角度数据与第二角度数据的差值；

S205、去除距离段内超出误差阈值的差值，对剩下的差值求平均，得到距离段内的平均差值；

S206、依据平均差值调整光电装置的零点，使光电装置的零点与雷达的零点一致。

2.根据权利要求1所述的雷达联动光电的自动化动态标校方法，其特征在于，所述标校物包括静态标校物；

静态标校物，用于使光电装置的零点与雷达的零点一致；

S1还包括：

S11、通过三维坐标系标注光电装置的经度值、纬度值和高度值；

S12、测量出静态标校物的经度值、纬度值和高度值；

利用静态标校物的经度值、纬度值和高度值对光电装置进行静态标校，使光电装置的零点与雷达的零点一致。

3.根据权利要求1所述的雷达联动光电的自动化动态标校方法，其特征在于，所述标校物还包括动态标校物；

动态标校物，用于建立动态参考量，并确定目标与光电装置之间的距离值；

S1还包括：

利用光电装置跟踪动态标校物，并通过接收雷达上传的动态标校物经度值和纬度值，计算出动态标校物相对于光电装置的方位角度值、俯仰角度值和距离值，完成对光电设备的动态标校。

4.根据权利要求1所述的雷达联动光电的自动化动态标校方法，其特征在于， S2中获取第一角度数据的步骤还包括：

S21、光电装置通过静态标校物确定光电装置零点方向，并确定目标相对于光电装置零点的方向；

S22、利用目标的经度值和目标的纬度值以及光电装置的经度值和光电装置的纬度值计算出目标相对于光电装置的第一方位角；

S23、利用目标的高度值和光电装置的高度值计算出目标相对于光电装置的第一俯仰角；

S24、依据第一方位角和第一俯仰角生成第一角度数据。

5.根据权利要求4所述的雷达联动光电的自动化动态标校方法，其特征在于，S2还包括：

利用目标的经度值或目标的纬度值以及光电装置的经度值或光电装置的纬度值计算出目标相对于光电装置的水平距离；

利用目标的高度值和光电装置的高度值计算出目标相对于光电装置的高度差；

依据水平距离、高度差和第一俯仰角，利用勾股定理计算出光电装置距离目标的直接距离。

6.根据权利要求1所述的雷达联动光电的自动化动态标校方法，其特征在于，

步骤S3中所述光电装置采用光电经纬仪、摄像仪或红外追踪仪；

所述第二角度数据为光电装置通过跟踪模块锁定目标后，利用可见光或红外线测量出目标相对于光电装置的第二方位角和第二俯仰角。

7.根据权利要求1所述的雷达联动光电的自动化动态标校方法，其特征在于，在不修改光电装置零点的情况下，S5还包括通过雷达引导光电装置，步骤包括：

利用雷达测量出目标的经度值、纬度值和高度值，并生成雷达数据；

光电装置将平均差值补偿到雷达数据，并依据补偿后的雷达数据修改第二方位角和第二俯仰角。

8.一种雷达联动光电的自动化动态标校系统，其特征在于，系统采用如权利要求1至6任意一项所述的雷达联动光电的自动化动态标校方法；

系统包括光电装置、雷达和数据处理终端；

雷达，用于对目标的测量，生成雷达数据；

光电装置，用于跟踪目标；

数据处理终端通过建立三维坐标系，获取光电装置的三维坐标数据；

数据处理终端与雷达连接，获取目标的雷达数据；

数据处理终端通过与光电装置连接，获取目标相对于光电装置的第二角度数据；

数据处理终端包括标校模块、计算模块和比对模块；

所述标校模块利用标校物对光电装置进行标校；

计算模块利用光电装置的三维坐标数据和雷达数据计算出目标相对于光电装置的第一角度数据；

比对模块，用于计算出第一角度数据与第二角度数据的差值；

数据处理终端依据差值，对光电装置再次标校。

9.根据权利要求8所述的雷达联动光电的自动化动态标校系统，其特征在于，

雷达数据包括纬度值、经度值和高度值；

数据处理终端还包括误差分析模块；

误差分析模块，用于设立多个不同的距离段，并依据距离段的不同，设置不同误差阈值；

计算模块计算出光电装置距离目标的直接距离，并确定所属距离段；

比对模块比对出每个距离段内第一角度数据与第二角度数据的差值；

误差分析模块还用于去除距离段内超出误差阈值的差值，对剩下的差值求平均，得到距离段内的平均差值；

标校模块依据平均差值调整光电装置的零点，使光电装置的零点与雷达的零点一致。

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