CN115421135B - 雷达/光电复合单站弹丸脱靶量测量方法、系统及终端 - Google Patents

雷达/光电复合单站弹丸脱靶量测量方法、系统及终端 Download PDF

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CN115421135B CN202211102067.7A CN202211102067A CN115421135B CN 115421135 B CN115421135 B CN 115421135B CN 202211102067 A CN202211102067 A CN 202211102067A CN 115421135 B CN115421135 B CN 115421135B
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Abstract

本发明属于弹丸脱靶量测量技术领域，公开了一种雷达/光电复合单站弹丸脱靶量测量方法、系统及终端，所述雷达/光电复合单站弹丸脱靶量测量方法包括：利用控制与脱靶量计算设备对射击靶区内各个雷达回波目标所在位置进行计算；对各个雷达回波目标的类别判断，滤除无效的海浪干扰回波，确定出有效的靶标回波和弹丸水柱回波，基于确定的所述有效的靶标回波和弹丸水柱回波进行弹丸脱靶量计算。本发明利用光电设备实现对各个雷达回波目标的类别判断，确定出有效的靶标回波和弹丸水柱回波，滤除无效的海浪等干扰回波，从而大大降低了将海浪错当成弹丸水柱进行检靶的错检率，有效保证了弹丸脱靶量计算的可信性和准确率。

Description

雷达/光电复合单站弹丸脱靶量测量方法、系统及终端
技术领域
本发明属于弹丸脱靶量测量技术领域，尤其涉及一种雷达/光电复合单站弹丸脱靶量测量方法、系统及终端。
背景技术
目前，在舰炮对海射击训练中，舰炮需要对海上固定式或漂浮式的靶标(靶球/靶船)进行射击，为了对训练效果进行评估，需要对各发炮弹落水时相对于海上靶标的脱靶量进行测量。由于炮弹落水接触海面的瞬间，会产生较高的弹丸水柱，因此，可以通过测量弹丸水柱相对靶标的位置偏差，来计算弹丸脱靶量。
弹丸水柱脱靶量测量手段主要有光电和雷达两种。其中，基于光电的弹丸水柱脱靶量测量方法是利用光电实时拍摄的射击靶区图像来计算脱靶量，但是由于单个光电只能计算出靶标和弹丸所在的方位，不能得到靶标和弹丸水柱的具体位置，因此，为实现脱靶量测量，一般需要设置多个光电观测站，利用多个光电各自得到的方位，采用交叉定位方法，计算出靶标和弹丸水柱的位置，从而得到脱靶量。利用光电图像对靶球和弹丸水柱进行检测不会产生错检，但是多个观测站的使用会增加训练成本和保障难度，同时，多个观测站之间还需要进行同步与协作，技术实施上也存在复杂性。
基于雷达的弹丸水柱脱靶量测量方法是利用雷达探测靶标和弹丸水柱目标的距离和方位，计算出靶标和弹丸水柱各自所在位置，从而得到脱靶量。利用雷达进行脱靶量测量，不需要设置多个观测站，但是由于弹丸水柱在持续时间、高度等特性上与海浪较为接近，这可能会使雷达将某些海浪错当作是弹丸水柱，从而造成脱靶量的错误计算，在高海况应用场合下，这种错检尤其严重，对于射击训练成绩评估带来无法容忍的影响。
由此可见，现有基于光电和雷达脱靶量检测手段都存在各自的不足，舰炮射击训练脱靶量计算与评定的便利性和可靠性仍需进一步提高。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
(1)现有技术中，没有结合雷达设备和光电设备的各自优势对射击靶区的感知数据进行融合处理，使得进行检靶的错检率很高，不能有效保证弹丸脱靶量计算的可信性和准确率；
(2)现有技术中，需要多个观测站完成脱靶量计算，成本高，运算量大。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种雷雷达/光电复合单站弹丸脱靶量测量方法、系统及终端。具体涉及一种能有效降低错检率的雷达/光电复合单站弹丸脱靶量计算方法。
本发明是这样实现的，一种雷达/光电复合单站弹丸脱靶量测量方法包括：
利用控制与脱靶量计算设备对射击靶区内各个雷达回波目标所在位置进行计算，所述各个雷达回波目标包括靶标、弹丸水柱、海浪；对各个雷达回波目标的类别判断，滤除无效的海浪干扰回波，确定出有效的靶标回波和弹丸水柱回波，基于确定的所述有效的靶标回波和弹丸水柱回波进行弹丸脱靶量计算。
进一步，所述利用控制与脱靶量计算设备对射击靶区内各个雷达回波目标所在位置进行计算包括：
控制与脱靶量计算设备利用雷达图像和导航信息计算各个目标雷达回波的经纬度位置：控制与脱靶量计算设备接收到雷达设备输出的一帧雷达图像和本帧图像的扫描起始时刻Tr后，根据目标i雷达回波在雷达图像中的出现位置，得到目标i在雷达观测坐标系下的距离di和方位角ωi，以及目标i在雷达观测坐标系下的坐标值[xi_r,yi_r,zi_r]＝[di·sinωi,di·cosωi,0]，并由此计算得到目标i的雷达探测时刻Dti＝Tr+ωi/360*1.25；
控制与脱靶量计算设备还利用导航设备输出的Dti时刻雷达航向Cw(Dti)、横摇θw(Dti)和纵摇ψw(Dti)信息，实时补偿观测站的艏向变化和横纵摇摆，将雷达观测坐标系下的目标i位置坐标[xi_r,yi_r,zi_r]转换为地理稳定坐标系下的坐标[xi_g,yi_g,zi_g]，如公式(1)所示；
Figure GDA0004124944370000031
对射击靶区内目标都是海面目标，zi_g理论应为0，在保持目标距离di不变前提下，对[xi_g,yi_g]进行修正，消除zi_g影响，如公式(2)所示；
Figure GDA0004124944370000032
修正后的坐标
Figure GDA0004124944370000033
即是目标i相对于当前雷达位置经度LW(Dti)和纬度WW(Dti)上的距离偏差，利用半正矢公式(Haversine)逆变换，将
Figure GDA0004124944370000034
累加到LW(Dti)、WW(Dti)之上，得到Dti时刻，雷达回波目标i所在的经度Li(Dti)和纬度Wi(Dti)位置。
进一步，所述利用控制与脱靶量计算设备对射击靶区内各个雷达回波目标所在位置进行计算还包括：控制与脱靶量计算设备确认漂浮式靶标目标的雷达回波及其经纬度位置：控制与脱靶量计算设备对各个目标雷达回波经纬度进行时间持续性判断，当某个雷达回波持续时间较长，超过30秒，该回波为漂浮式靶标的雷达回波，计算出漂浮式靶标雷达回波实时经度LB(t)和纬度WB(t)；如果某个雷达回波持续时间不超过8秒，该回波可能是弹丸水柱，或海浪引起的干扰回波。
进一步，所述利用控制与脱靶量计算设备对射击靶区内各个雷达回波目标所在位置进行计算还包括：控制与脱靶量计算设备采用雷达带动光电方式，控制光电设备中心光轴对准漂浮式靶标目标持续拍摄：
控制与脱靶量计算设备利用计算得到的漂浮式靶标雷达回波经纬度LB(t)、WB(t)，结合导航设备输出的光电设备经纬度LW(t)、WW(t)，利用半正矢公式(Haversine)，计算出漂浮式靶标相对于光电设备的地理稳定坐标系坐标[xB(t),yB(t)，0]；
利用导航设备感知输出的光电设备实时航向CW(t)、横摇θW(t)、纵摇ψW(t)信息，由公式(4)，计算出漂浮式靶标在光电观测坐标系下的坐标[xB_p(t),yB_p(t),zB_p(t)]；
Figure GDA0004124944370000041
由于导航设备、雷达设备和光电设备安装在一体化框架支架上，且在安装时进行了标校，导航设备输出的导航经度LW(t)、纬度WW(t)位置及其在东北天坐标系下的航向CW(t)、横摇θW(t)、纵摇ψW(t)姿态信息，也就是雷达设备和光电设备所处的位置和姿态。
利用公式(5)，控制与脱靶量计算设备可计算得到漂浮式靶标在光电观测坐标系下的方位角ωB_p(t)和俯仰角δB_p(t)，通过对光电设备方位和俯仰伺服控制，实时调整光电设备中心光轴指向ωB_p(t)和δB_p(t)所在的角度，实现光电设备对漂浮式靶标的中心瞄准式拍摄；
Figure GDA0004124944370000042
进一步，所述各个雷达回波目标的类别判断，滤除无效的海浪干扰回波，确定出有效的靶标回波和弹丸水柱回波包括：控制与脱靶量计算设备对所发现非漂浮式靶标目标的雷达回波，利用光电图像，对该回波否是弹丸水柱的雷达回波进行确认：
在确认漂浮式靶标目标雷达回波及其经纬度位置LB(t)、WB(t)基础上，定义tc时刻，控制与脱靶量计算设备从雷达图像上检测出有临时性雷达回波j(j取值1,2,3……)，计算出这些临时性雷达回波j的经纬度位置Lj(tc)和Wj(tc)；j取值1,2,3……；
结合导航设备输出的雷达设备经纬度位置LW(tc)、WW(tc)，利用半正矢公式(Haversine)，计算出漂浮式靶标雷达回波、临时性雷达回波和雷达设备三者间的距离BDj＝dBj(tc)、BW＝dBW(tc)、WDj＝dWj(tc)，得到漂浮式靶标雷达回波、临时性雷达回波j相对于雷达设备的夹角αj(tc)。
对回波j是否是弹丸水柱雷达回波进行判断，控制与脱靶量计算设备调取tc时刻的光电图像，如果该光电图像上没有弹丸水柱，则回波j是海浪等目标的干扰回波，应进行剔除；如果tc时刻的光电图像上确有水柱，利用图像上漂浮式靶标相对于图像中心的像素坐标位置Px_B(tc)、Py_B(tc)和弹丸水柱落水点相对于图像中心的像素坐标位置
Figure GDA0004124944370000051
结合光电设备的水平视场角AX和垂直视场角AY，利用公式(7)，可得漂浮式靶标和弹丸水柱落水点在光电观测坐标系下的方位角和俯仰角；
Figure GDA0004124944370000052
针对到漂浮式靶标、弹丸水柱落水点和光电设备都位于海平面上，漂浮式靶标、弹丸水柱j相对于光电设备的夹角βj(tc)，计算方法如公式(8)所示；
Figure GDA0004124944370000053
利用αj(tc)和βj(tc)的大小差异，对雷达回波j的目标类型进行确认，如果|αj(tc)-βj(tc)|小于设定门限值，则雷达回波j是真实弹丸水柱的回波，后续将对该弹丸水柱的脱靶量进行计算；反之，雷达回波j是干扰回波，滤除。
进一步，所述基于确定的所述有效的靶标回波和弹丸水柱回波进行弹丸脱靶量计算包括：利用得到的漂浮式靶标经度LB(t)和纬度WB(t)，以及经过光电融合确定的弹丸水柱j雷达回波经度Lj(tc)和纬度Wj(tc)，计算出该枚弹丸相对于漂浮式靶标的距离偏差Δdj和相对于正北的方位角偏差Δθj，完成对该枚弹丸的脱靶量计算。
本发明的另一目的提供一种雷达/光电复合单站弹丸脱靶量测量系统包括：
导航设备，用于实时测量海上漂浮式或机动式观测站的经纬度、航向、航速、横摇角、纵摇角信息；
雷达设备，用于对射击靶区进行周期射频扫描，每扫描一圈，生成一幅以雷达为圆心的360度二维全向雷达探测图像，图像中包含有射击靶区中各个目标的雷达回波；
光电设备，用于对射击靶区进行视频观测，生成视频图像，利用光电视频图像对靶标和真实弹丸水柱目标类型进行判别；
控制与脱靶量计算设备，用于对雷达和光电设备进行实时控制，利用雷达和导航输出信息，计算出各个雷达回波目标的经纬度位置，并融合光电信息对各个雷达回波目标类型进行判断，确定出真实弹丸水柱回波，滤除海浪干扰目标回波，并对确定的弹丸水柱进行脱靶量计算；
通信设备，用于将雷达和光电实时观测数据、视频及脱靶量计算结果，向后进行回传上报；
电源模块，采用大容量蓄电池，用于为设备进行供电。
本发明的另一目的提供一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行所述的雷达/光电复合单站弹丸脱靶量测量方法。
本发明的另一目的提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行所述的雷达/光电复合单站弹丸脱靶量测量方法。
本发明的另一目的提供一种信息数据处理终端，所述信息数据处理终端用于实现所述的雷达/光电复合单站弹丸脱靶量测量方法。
结合上述的技术方案和解决的技术问题，请从以下几方面分析本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：
第一、针对上述现有技术存在的技术问题以及解决该问题的难度，紧密结合本发明的所要保护的技术方案以及研发过程中结果和数据等，详细、深刻地分析本发明技术方案如何解决的技术问题，解决问题之后带来的一些具备创造性的技术效果。具体描述如下：
本发明利用雷达设备实现对射击靶区内目标(靶标、弹丸水柱、海浪等)的经纬度位置探测；利用所探测到雷达回波的时间持续性，实现对靶标目标回波的自动确认；利用雷达带动光电方式，通过对光电光轴伺服系统的自动解算控制，实现了光电设备光轴对靶标目标的中心瞄准式自动拍摄，保证了对有效弹丸的无漏可靠观测；利用光电图像上真实弹丸水柱与靶标目标间的相对方位信息，对雷达设备探测到的目标回波类型进行融合判断，确认真实弹丸水柱的回波，滤除海浪等干扰回波；利用真实弹丸水柱雷达回波和靶标目标雷达回波的经纬度位置，对弹丸脱靶量进行计算。本发明实现了舰炮射击过程中雷达、光电检靶数据的自动采集，通过对雷达、光电两类传感器的融合处理，克服了传统雷达检靶错检率高，以及光电检靶多站协同复杂、保障困难等技术难题，实现了单观测站条件下的高可信度、低误/漏检率弹丸脱靶量评估。
第二，把技术方案看做一个整体或者从产品的角度，本发明所要保护的技术方案具备的技术效果和优点，具体描述如下：
本发明利用雷达设备和光电设备的各自优势，综合利用雷达、光电两类传感器对射击靶区的感知数据，进行融合处理。利用雷达设备实现对射击靶区内各个回波目标(靶标、弹丸水柱、海浪等)所在位置的计算，利用光电设备实现对各个雷达回波目标的类别判断，确定出有效的靶标回波和弹丸水柱回波，滤除无效的海浪等干扰回波，从而大大降低了将海浪错当成弹丸水柱进行检靶的错检率，有效保证了弹丸脱靶量计算的可信性和准确率，同时，本发明只需要单个观测站既可完成脱靶量计算，使用方便。
第三，作为本发明的创造性辅助证据，还体现在本发明的技术方案填补了国内外业内技术空白：
本发明在单观测站条件下，实现了对弹丸脱靶量的高可信度检测评估，创新了舰炮对海射击脱靶量检测组织实施方法，解决了传统弹丸脱靶量评估方法误检率高，漏检率高，保障困难等难题，已在实际训练中成功应用，后续将在各靶区推广使用，具有一定的商业价值。
附图说明
图1是本发明实施例提供的雷达/光电复合单站弹丸脱靶量测量系统示意图；
图2是本发明实施例提供的雷达/光电复合单站弹丸脱靶量测量系统外观示意图；
图3是本发明实施例提供的系统应用场景中检靶观测态势图；
图4是本发明实施例提供的雷达扫描探测图像效果图；
图5是本发明实施例提供的光电观测图像效果图；
图6是本发明实施例提供的利用雷达调整光电光轴指向的效果图，其中图6(a)为调整前图；图6(b)为调整后图；
图7是本发明实施例提供的雷达对漂浮式靶标目标回波和临时性雷达目标回波的探测图。
图8是本发明实施例提供的光电对临时性雷达目标回波的光电确认原理图；图8(a)是光电在临时性雷达目标回波出现时拍摄到的靶区视频图像；图8(b)是利用光电图像计算靶标、弹丸水柱相对于光电设备夹角的原理图。
图9是本发明实施例提供的几枚弹丸的脱靶量计算图；
图中：1、导航设备主机；2、雷达设备；3、光电设备；4、控制与脱靶量计算设备；5、通信设备主机；6、电源模块；7、导航天线；8、通信天线。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
为了使本领域技术人员充分了解本发明如何具体实现，该部分是对权利要求技术方案进行展开说明的解释说明实施例。
本发明实施例提供一种雷达/光电复合单站弹丸脱靶量测量方法包括：利用控制与脱靶量计算设备对射击靶区内各个雷达回波目标所在位置进行计算，所述各个雷达回波目标包括靶标、弹丸水柱、海浪；对各个雷达回波目标的类别判断，滤除无效的海浪干扰回波，确定出有效的靶标回波和弹丸水柱回波，基于确定的所述有效的靶标回波和弹丸水柱回波进行弹丸脱靶量计算。
实施例1
本发明实施例提供的雷达/光电复合单站弹丸脱靶量测量系统组成如图1所示，由导航设备、雷达设备2、光电设备3、控制与脱靶量计算设备4、通信设备、电源模块6等组成，所有设备集成于一个水密的一体化支架(如图2所示)上。导航设备包括导航天线7和导航设备主机1，通信设备包括通信设备主机5和通信天线8。
一体化支架安装于位射击靶区一定安全距离外的某个观测站上，以单站形式，实现对射击靶区内靶标和弹丸水柱目标的观测、测量和脱靶量计算，根据训练条件和要求的不同，观测站既可以设置于一个海上漂浮式平台，也可以设置于水面机动舰船之上，系统应用场景如图3检靶观测态势图所示。
各个设备主要功能如下：
(1)导航设备能输出格林威治时戳信息，并实时测量海上漂浮式或机动式观测站的经纬度、航向、航速、横摇角、纵摇角等信息。导航设备包括导航设备主机1和连接的导航天线7。
(2)雷达设备2用于对射击靶区进行周期射频扫描，每扫描一圈，会生成一副以雷达为圆心的360度二维全向雷达探测图像，图像中包含有射击靶区中各个目标(靶标、弹丸水柱、海浪等)的雷达回波，但是无法区分各个回波的具体目标类型。如图4所示。
(3)光电设备3能够对射击靶区进行视频观测，生成一幅幅的视频图像，如图5所示，利用光电视频图像能够对靶标和真实弹丸水柱目标类型进行准确判别。
(4)控制与脱靶量计算设备4用于在射击训练过程中，对雷达和光电设备进行实时控制，保持其对射击靶区的良好观测；利用雷达和导航输出信息，可以计算出各个雷达回波目标的经纬度位置，并融合光电信息可对各个雷达回波目标类型进行判断，确定出真实弹丸水柱回波，滤除海浪等干扰目标回波，并对确定的弹丸水柱进行脱靶量计算。
(5)通信设备用于将射击训练过程中的雷达和光电实时观测数据、视频及脱靶量计算结果，向后方裁判人员进行回传上报。通信设备包括通信设备主机5和通信天线8。
(6)电源模块6采用大容量蓄电池，用于为全系统设备进行供电。
实施例2
本发明实施例提供的雷达/光电复合单站弹丸脱靶量测量系统工作流程具体步骤如下：
(1)设备安装。将导航设备、雷达设备、光电设备、控制与脱靶量计算设备和通信设备安装在一体化框架支架上，布局结构如图2所示，各个设备通过网线和交换机相互连接，组成局域网进行数据交互。安装时，导航设备主机、雷达设备与光电设备要进行标校，保证三者安装底面相互平行，三者方位零刻线的指向对齐。
(2)系统布放。一体化框架支架安装于漂浮式或机动式观测站上，与漂浮式靶标相距一定的安全距离(500-800米)，形成检靶观测态势，并开始对射击靶区(以漂浮式靶标为中心，150米半径的圆)内的漂浮式靶标和随时可能出现的弹丸水柱进行观测，如图3所示。
(3)系统设备时间同步。导航设备通过局域网共享输出格林威治时戳信息，雷达设备、光电设备和控制与脱靶量计算设备接收到该时戳信息后，利用时戳信息中的时间来更新自己的本地时钟，从而实现各设备在时间上的同步。
(4)导航设备、雷达设备2、光电设备3向控制与脱靶量计算设备4实时输出探测数据。其中：导航设备采用双导航天线7的卫星/惯性组合导航系统，其能够以0.005秒的采样时间间隔，向控制与脱靶量计算设备输出任意时刻t，导航设备所在的经度LW(t)、纬度WW(t)位置及其在东北天坐标系下的航向CW(t)、横摇θW(t)、纵摇ψW(t)姿态信息。由于在步骤(1)安装时，导航设备、雷达设备、光电设备已进行了标校，因此，上述导航设备输出的位置和姿态也就是雷达设备和光电设备所处的位置和姿态。
雷达设备2采用X波段的二坐标导航雷达，其天线每1.25秒旋转扫描一周，每次扫描都是从雷达方位零刻线开始，一周扫描完成后，会向控制与脱靶量计算设备输出一张360度的二维全向雷达图像和本次周扫的起始时刻Tr，如图4所示。雷达图像的圆心为雷达所在经纬度位置，即LW(t)、WW(t)；图像最外圈圆上标有雷达的扫描方位角，其中，0度代表雷达方位零刻线所在的方位；最外圈圆上标有雷达的距离量程Dr，即雷达图像圆心到最外圈圆的真实物理距离；雷达图像上还会显示雷达所检测到的射击靶区内目标雷达回波，可能的目标回波只有漂浮式靶标、弹丸水柱和海浪三种，其中，漂浮式靶标的雷达回波一直存在，每个弹丸水柱和海浪的雷达回波随机短暂存在。如图4所示。
光电设备3采用可见光镜头，在方位和俯仰伺服电机带动下，可见光镜头能够360度水平转动以及-30°～85°俯仰转动，光电设备能够每40毫秒向控制与脱靶量计算设备输出一张可见光镜头拍摄的实时图片，如图5所示，图片分辨率为1920*1080，另外，还输出拍摄该图片时的光电俯仰伺服角θp(t)、水平伺服角
Figure GDA0004124944370000111
水平视场角AX(t)和垂直视场角AY(t)。
(5)控制与脱靶量计算设备利用雷达图像和导航信息计算各个目标雷达回波的经纬度位置。
控制与脱靶量计算设备接收到雷达设备向其输出的一帧雷达图像和本帧图像的扫描起始时刻Tr后，根据目标i雷达回波在雷达图像中的出现位置，可以得到目标i的雷达探测时刻Dti＝Tr+ωi/360*1.25，以及目标i在雷达观测坐标系下的距离di和方位角ωi，进而计算出目标i在雷达观测坐标系下的坐标值[xi_r,yi_r,zi_r]＝[di·sinωi,di·cosωi,0]。
由于雷达设备随观测站运动和摇摆，为了计算雷达回波目标i的绝对地理经纬度，控制与脱靶量计算设备还需利用上述导航设备输出的Dti时刻雷达航向Cw(Dti)、横摇θw(Dti)和纵摇ψw(Dti)信息，实时补偿观测站的艏向变化和横纵摇摆，将雷达观测坐标系下的目标i位置坐标[xi_r,yi_r,zi_r]转换为地理稳定坐标系下的坐标[xi_g,yi_g,zi_g]，如公式(1)所示。
Figure GDA0004124944370000121
针对射击靶区内目标都是海面目标，zi_g理论上应为0，为此，在保持目标距离di不变前提下，对[xi_g,yi_g]进行修正，消除zi_g影响，如公式(2)所示。
Figure GDA0004124944370000122
修正后的坐标
Figure GDA0004124944370000123
即是目标i相对于当前雷达位置在经度和纬度上的距离偏差，利用半正矢公式(Haversine)逆变换，将
Figure GDA0004124944370000124
累加到LW(Dti)、WW(Dti)之上，即可得到Dti时刻，雷达回波目标i所在的经度Li(Dti)和纬度Wi(Dti)位置。
(6)控制与脱靶量计算设备确认漂浮式靶标目标的雷达回波及其经纬度位置。
在射击靶区内，漂浮式标靶属于永久性目标，其雷达回波一直存在，而弹丸水柱和海浪目标数据临时性目标，其雷达回波短暂存在。控制与脱靶量计算设备可以对各个目标雷达回波进行时间持续性判断，当某个雷达回波持续时间较长，超过了30秒，该回波就是漂浮式靶标的雷达回波，利用步骤(5)，计算出漂浮式靶标雷达回波实时经度LB(t)和纬度WB(t)；如果某个雷达回波持续时间不超过8秒，该回波可能是弹丸水柱，或海浪等引起的干扰回波。
(7)控制与脱靶量计算设备采用雷达带动光电方式，控制光电设备中心光轴对准漂浮式靶标目标持续拍摄。
由于光电设备的观测视场角AX、AY范围有限，射击训练过程中，光电设备的中心光轴应始终对准漂浮式靶标，使漂浮式靶标位于光电图像的中心，实现对漂浮式靶标附近弹丸水柱的全面观测，降低对弹丸水柱的光电漏检概率。
为此，控制与脱靶量计算设备利用步骤(6)计算得到的漂浮式靶标雷达回波经纬度LB(t)、WB(t)，结合导航设备输出的光电设备经纬度LW(t)、WW(t)，利用半正矢公式(Haversine)，计算出漂浮式靶标相对于光电设备的地理稳定坐标系坐标[xB(t),yB(t)，0]。
利用导航设备感知输出的光电设备实时航向CW(t)、横摇θW(t)、纵摇ψW(t)信息，由公式(4)，计算出漂浮式靶标在光电观测坐标系下的坐标[xB_p(t),yB_p(t),zB_p(t)]。
Figure GDA0004124944370000131
利用公式(5)，控制与脱靶量计算设备可计算得到漂浮式靶标在光电观测坐标系下的方位角ωB_p(t)和俯仰角δB_p(t)，通过对光电设备方位和俯仰伺服控制，实时调整光电设备中心光轴指向ωB_p(t)和δB_p(t)所在的角度，即可实现光电设备对漂浮式靶标的中心瞄准式拍摄。
Figure GDA0004124944370000132
利用雷达调整光电光轴指向，调整之后，漂浮式靶标基本位于视场中心，从而保证了光电对射击靶区的观测质量。如图6利用雷达调整光电光轴指向的效果图，其中图6(a)为调整前图；图6(b)为调整后图。
(8)控制与脱靶量计算设备对所发现非漂浮式靶标目标的雷达回波，利用光电图像，对该回波否是弹丸水柱的雷达回波进行确认。
在射击训练过程中，雷达图像上除了有漂浮式靶标目标的雷达回波外，还可能随时出现弹丸水柱或海浪等目标的临时性回波。
在步骤(6)已确认漂浮式靶标目标雷达回波及其经纬度位置LB(t)、WB(t)基础上，假设tc时刻，控制与脱靶量计算设备从雷达图像上检测出有临时性雷达回波j(j取值1,2,3……)，利用步骤(5)，可以计算出这些临时性雷达回波j(j取值1,2,3……)的经纬度位置Lj(tc)和Wj(tc)。图7为tc时刻雷达对漂浮式靶标目标回波和临时性雷达目标回波的探测图。
结合导航设备输出的雷达设备经纬度位置LW(tc)、WW(tc)，利用半正矢公式(Haversine)，可以计算出漂浮式靶标雷达回波、临时性雷达回波和雷达设备三者间的距离BDj＝dBj(tc)、BW＝dBW(tc)、WDj＝dWj(tc)，进而得到漂浮式靶标雷达回波、临时性雷达回波j相对于雷达设备的夹角αj(tc)，如图7所示。
为了对回波j是否是弹丸水柱雷达回波进行判断，控制与脱靶量计算设备调取tc时刻的光电图像，如果该光电图像上没有弹丸水柱，则说明回波j是海浪等目标的干扰回波，应进行剔除。如果tc时刻的光电图像上确有水柱，利用图像上漂浮式靶标相对于图像中心的像素坐标位置Px_B(tc)、Py_B(tc)和弹丸水柱落水点相对于图像中心的像素坐标位置
Figure GDA0004124944370000141
结合光电设备的水平视场角AX和垂直视场角AY，利用公式(7)，可得漂浮式靶标和弹丸水柱落水点在光电观测坐标系下的方位角和俯仰角。
Figure GDA0004124944370000142
针对到漂浮式靶标、弹丸水柱落水点和光电设备都位于海平面上，∠BPj就是漂浮式靶标、弹丸水柱j相对于光电设备的夹角βj(tc)，计算方法如公式(8)所示。图8是光电对图7所示tc时刻临时性雷达目标回波的光电确认原理图，其中图8(a)是tc时刻光电拍摄到的靶区视频图像，图8(b)是利用光电图像计算靶标、弹丸水柱相对于光电设备夹角的原理图。
Figure GDA0004124944370000151
由于光电设备和雷达设备处于相同位置，因此，如果雷达回波j是真实弹丸水柱的雷达回波，上述雷达设备探测的夹角αj(tc)和光电设备探测的夹角βj(tc)大小应接近。所以，可以利用αj(tc)和βj(tc)的大小差异，对雷达回波j的目标类型进行确认，如果|αj(tc)-βj(tc)|小于设定门限值，则雷达回波j是真实弹丸水柱的回波，后续将对该弹丸水柱的脱靶量进行计算；反之，雷达回波j是干扰回波，应予以滤除，防止错检。
例如，图7中临时回波2和靶球的夹角α2(tc)，与通过图8(a)所示同时刻光电图像计算得到的弹丸水柱和靶球夹角βj(tc)大小接近，因此，可判断图7中的临时回波2是真实弹丸水柱的回波；而图7中临时回波1和靶球的夹角α1(tc)，与βj(tc)相差较大，因此，可判断图7中的临时回波1属于干扰回波，予以滤除。
(9)控制与脱靶量计算设备对确认的弹丸水柱雷达回波，计算该弹丸水柱的脱靶量。
利用步骤(6)得到的漂浮式靶标经度LB(t)和纬度WB(t)，以及步骤(8)经过光电融合确定的弹丸水柱j雷达回波经度Lj(tc)和纬度Wj(tc)，即可计算出该枚弹丸相对于漂浮式靶标的距离偏差Δdj和相对于正北的方位角偏差Δθj，从而完成对该枚弹丸的脱靶量计算。
利用本发明提出的方法，在某次射击中所得到几枚弹丸的脱靶量计算图如图9所示。可见，本发明利用光电可对弹丸水柱进行准确判断，能够有效滤除虚假水柱的雷达回波，实现低错检率的脱靶量计算。
应当注意，本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、CD或DVD-ROM的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种雷达/光电复合单站弹丸脱靶量测量方法，其特征在于，所述雷达/光电复合单站弹丸脱靶量测量方法包括：利用控制与脱靶量计算设备对射击靶区内各个雷达回波目标所在位置进行计算，所述各个雷达回波目标包括靶标、弹丸水柱、海浪；对各个雷达回波目标的类别判断，滤除无效的海浪干扰回波，确定出有效的靶标回波和弹丸水柱回波，基于确定的所述有效的靶标回波和弹丸水柱回波进行弹丸脱靶量计算；
所述利用控制与脱靶量计算设备对射击靶区内各个雷达回波目标所在位置进行计算包括：
控制与脱靶量计算设备利用雷达图像和导航信息计算各个目标雷达回波的经纬度位置：控制与脱靶量计算设备接收到雷达设备输出的一帧雷达图像和本帧图像的扫描起始时刻Tr后，根据目标i雷达回波在雷达图像中的出现位置，得到目标i在雷达观测坐标系下的距离di和方位角ωi，以及目标i在雷达观测坐标系下的坐标值[xi_r,yi_r,zi_r]＝[di·sinωi,di·cosωi,0]，并由此计算得到目标i的雷达探测时刻Dti＝Tr+ωi/360*1.25；
控制与脱靶量计算设备还利用导航设备输出的Dti时刻雷达航向Cw(Dti)、横摇θw(Dti)和纵摇ψw(Dti)信息，实时补偿观测站的艏向变化和横纵摇摆，将雷达观测坐标系下的目标i位置坐标[xi_r,yi_r,zi_r]转换为地理稳定坐标系下的坐标[xi_g,yi_g,zi_g]，如公式(1)所示；
Figure FDA0004124944360000011
对射击靶区内目标都是海面目标，zi_g理论应为0，在保持目标距离di不变前提下，对[xi_g,yi_g]进行修正，消除zi_g影响，如公式(2)所示；
Figure FDA0004124944360000021
修正后的坐标
Figure FDA0004124944360000022
即是目标i相对于当前雷达位置经度LW(Dti)和纬度WW(Dti)上的距离偏差，利用半正矢公式(Haversine)逆变换，将
Figure FDA0004124944360000023
累加到LW(Dti)、WW(Dti)之上，得到Dti时刻，雷达回波目标i所在的经度Li(Dti)和纬度Wi(Dti)位置。
2.如权利要求1所述雷达/光电复合单站弹丸脱靶量测量方法，其特征在于，所述利用控制与脱靶量计算设备对射击靶区内各个雷达回波目标所在位置进行计算还包括：控制与脱靶量计算设备确认漂浮式靶标目标的雷达回波及其经纬度位置：控制与脱靶量计算设备对各个目标雷达回波经纬度进行时间持续性判断，当某个雷达回波持续时间较长，超过30秒，该回波为漂浮式靶标的雷达回波，计算出漂浮式靶标雷达回波实时经度LB(t)和纬度WB(t)；如果某个雷达回波持续时间不超过8秒，该回波可能是弹丸水柱，或海浪引起的干扰回波。
3.如权利要求1所述雷达/光电复合单站弹丸脱靶量测量方法，其特征在于，所述利用控制与脱靶量计算设备对射击靶区内各个雷达回波目标所在位置进行计算还包括：控制与脱靶量计算设备采用雷达带动光电方式，控制光电设备中心光轴对准漂浮式靶标目标持续拍摄：
控制与脱靶量计算设备利用计算得到的漂浮式靶标雷达回波经纬度LB(t)、WB(t)，结合导航设备输出的光电设备经纬度LW(t)、WW(t)，利用半正矢公式Haversine，计算出漂浮式靶标相对于光电设备的地理稳定坐标系坐标[xB(t),yB(t)，0]；
利用导航设备感知输出的光电设备实时航向CW(t)、横摇θW(t)、纵摇ψW(t)信息，由公式(4)，计算出漂浮式靶标在光电观测坐标系下的坐标[xB_p(t),yB_p(t),zB_p(t)]；
Figure FDA0004124944360000031
由于导航设备、雷达设备和光电设备安装在一体化框架支架上，且在安装时进行了标校，导航设备输出导航经度LW(t)、纬度WW(t)位置及其在东北天坐标系下的航向CW(t)、横摇θW(t)、纵摇ψW(t)姿态信息，确定雷达设备和光电设备所处的位置和姿态；
利用公式(5)，控制与脱靶量计算设备可计算得到漂浮式靶标在光电观测坐标系下的方位角ωB_p(t)和俯仰角δB_p(t)，通过对光电设备方位和俯仰伺服控制，实时调整光电设备中心光轴指向ωB_p(t)和δB_p(t)所在的角度，实现光电设备对漂浮式靶标的中心瞄准式拍摄；
Figure FDA0004124944360000032
4.如权利要求1所述雷达/光电复合单站弹丸脱靶量测量方法，其特征在于，所述各个雷达回波目标的类别判断，滤除无效的海浪干扰回波，确定出有效的靶标回波和弹丸水柱回波包括：控制与脱靶量计算设备对所发现非漂浮式靶标目标的雷达回波，利用光电图像，对该回波否是弹丸水柱的雷达回波进行确认：
在确认漂浮式靶标目标雷达回波及其经纬度位置LB(t)、WB(t)基础上，定义tc时刻，控制与脱靶量计算设备从雷达图像上检测出有临时性雷达回波j，j取值1,2,3……，计算出这些临时性雷达回波j的经纬度位置Lj(tc)和Wj(tc)；j取值1,2,3……；
结合导航设备输出的雷达设备经纬度位置LW(tc)、WW(tc)，利用半正矢公式Haversine，计算出漂浮式靶标雷达回波、临时性雷达回波和雷达设备三者间的距离BDj＝dBj(tc)、BW＝dBW(tc)、WDj＝dWj(tc)，得到漂浮式靶标雷达回波、临时性雷达回波j相对于雷达设备的夹角αj(tc)；
对回波j是否是弹丸水柱雷达回波进行判断，控制与脱靶量计算设备调取tc时刻的光电图像，如果该光电图像上没有弹丸水柱，则回波j是海浪等目标的干扰回波，应进行剔除；如果tc时刻的光电图像上确有水柱，利用图像上漂浮式靶标相对于图像中心的像素坐标位置Px_B(tc)、Py_B(tc)和弹丸水柱落水点相对于图像中心的像素坐标位置
Figure FDA0004124944360000043
结合光电设备的水平视场角AX和垂直视场角AY，利用公式(7)，可得漂浮式靶标和弹丸水柱落水点在光电观测坐标系下的方位角和俯仰角；
Figure FDA0004124944360000041
针对到漂浮式靶标、弹丸水柱落水点和光电设备都位于海平面上，漂浮式靶标、弹丸水柱j相对于光电设备的夹角βj(tc)，计算方法如公式(8)所示；
Figure FDA0004124944360000042
利用αj(tc)和βj(tc)的大小差异，对雷达回波j的目标类型进行确认，如果|αj(tc)-βj(tc)|小于设定门限值，则雷达回波j是真实弹丸水柱的回波，后续将对该弹丸水柱的脱靶量进行计算；反之，雷达回波j是干扰回波，滤除。
5.如权利要求1所述雷达/光电复合单站弹丸脱靶量测量方法，其特征在于，所述基于确定的所述有效的靶标回波和弹丸水柱回波进行弹丸脱靶量计算包括：利用得到的漂浮式靶标经度LB(t)和纬度WB(t)，以及经过光电融合确定的弹丸水柱j雷达回波经度Lj(tc)和纬度Wj(tc)，计算出该枚弹丸相对于漂浮式靶标的距离偏差Δdj和相对于正北的方位角偏差Δθj，完成对该枚弹丸的脱靶量计算。
6.一种雷达/光电复合单站弹丸脱靶量测量系统，其特征在于，所述雷达/光电复合单站弹丸脱靶量测量系统包括：
导航设备，用于实时测量海上漂浮式或机动式观测站的经纬度、航向、航速、横摇角、纵摇角信息；
雷达设备，用于对射击靶区进行周期射频扫描，每扫描一圈，生成一幅以雷达为圆心的360度二维全向雷达探测图像，图像中包含有射击靶区中各个目标的雷达回波；
光电设备，用于对射击靶区进行视频观测，生成视频图像，利用光电视频图像对靶标和真实弹丸水柱目标类型进行判别；
控制与脱靶量计算设备，用于对雷达和光电设备进行实时控制，利用雷达和导航输出信息，计算出各个雷达回波目标的经纬度位置，并融合光电信息对各个雷达回波目标类型进行判断，确定出真实弹丸水柱回波，滤除海浪干扰目标回波，并对确定的弹丸水柱进行脱靶量计算；
通信设备，用于将雷达和光电实时观测数据、视频及脱靶量计算结果，向后进行回传上报；
电源模块，采用大容量蓄电池，用于为设备进行供电；
系统所有设备集成于一个水密的一体化支架，安装时，导航设备、雷达设备和光电设备已进行了标校，导航设备输出的位置和姿态也就是雷达设备和光电设备所处的位置和姿态。
7.一种计算机设备，其特征在于，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行权利要求1～5任意一项所述的雷达/光电复合单站弹丸脱靶量测量方法。
8.一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行权利要求1～5任意一项所述的雷达/光电复合单站弹丸脱靶量测量方法。
9.一种信息数据处理终端，其特征在于，所述信息数据处理终端用于实现权利要求1～5任意一项所述的雷达/光电复合单站弹丸脱靶量测量方法。
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