一種動態目標二維捕獲的方法
2023-05-02 03:20:06
專利名稱：一種動態目標二維捕獲的方法
技術領域：
本發明涉及雷射雷達技術，特別涉及一種動態目標二維捕獲的方法。
背景技術：
在採用雷射雷達技術對待測的動態目標進行捕獲時，為了覆蓋整個捕獲視場區域,必須通過掃描的方式來追蹤動態目標,進而捕獲動態目標，以獲得動態目標在捕獲視場 區域的位置信息。在對動態目標進行捕獲時，掃描方式的選擇直接影響著捕獲的成功率；現有的對動態目標進行捕獲的方法中，通常將圓形光斑作為用來探測動態目標位置的信標光，根據設定的掃描方式，利用信標光對待測的動態目標進行二維空間追蹤。圖I為現有的掃描方式的信標光運動軌跡示意圖；圖I中的(a)為矩形掃描，(b)為螺旋掃描，(C)為矩形螺旋掃描，(d)為玫瑰掃描，(e)為李薩如掃描，現結合圖1，對上述掃描方式進行說明，具體如下矩形掃描即逐行掃描，這種掃描方式雖然能夠掃描整個區域，易於設計和實現，但掃描效率較低。螺旋掃描中信標光的運動軌跡是根據待測動態目標在捕獲視場區域的粗描誤差滿足高速分布來進行設計的，該掃描方式是以最密的螺旋線軌跡，從動態目標出現的概率最大的區域開始掃描，效率較高，但在捕獲視場區域的邊緣易出現漏掃區域，如果降低漏掃概率，則會延長捕獲時間。矩形螺旋掃描結合了矩形掃描和螺旋掃描兩種方式的優點，掃描間隔重疊較小，無漏掃區域，實現較為容易，且平均捕獲時間小於矩形掃描，但仍存在捕獲成功率不高的問題。玫瑰掃描中信標光的運動軌跡是由玫瑰函數產生的，該掃描方式中信標光產生設備的抖動對捕獲成功率的影響較小，但實現較為困難，且仍存在漏掃區域。李薩如掃描能夠有效的掃描整個捕獲視場區域，捕獲時間較短，掃描效率較高，但實現較為困難，仍存在漏掃區域。現有的對動態目標進行捕獲的方法中，由於現有的掃描方式存在漏掃區域，這就可能降低捕獲的成功率；另外，現有的掃描方式還存在實現困難、捕獲時間較長的問題，現有的捕獲方法還有待進一步改進。
發明內容
有鑑於此，本發明的目的在於提供一種動態目標二維捕獲的方法，該方法能夠減小漏掃區域的面積，提高捕獲成功率。為達到上述目的，本發明的技術方案具體是這樣實現的一種動態目標二維捕獲的方法，該方法包括A、利用雷射雷達出射的雷射束形成條狀信標光；按照預設的第一運動角速度，沿二維空間中的第一維方向移動所述條狀信標光，且移動後的條狀信標光覆蓋的區域與移動前條狀信標光覆蓋的區域具有一第一重疊面積；B、在移動所述條狀信標光的過程中，根據雷射雷達檢測到的反射光，計算獲得第二運動角速度；所述第二運動角速度為所述動態目標在第一維方向上的瞬時角速度；C、利用所述雷射雷達出射的雷射束形成圓形信標光；按照所述第二運動角速度，沿所述第一維方向移動所述圓形信標光，同時，按照預設的第三運動角速度，沿所述二維空間中的第二維方向移動所述圓形信標光，且移動後的圓形信標光覆蓋的區域與移動前圓形信標光的區域具有一第二重疊面積；D、在移動所述圓形信標光的過程中，根據所述雷射雷達檢測到的反射光，計算獲得所述動態目標在第一維方向的坐標及其在第二維方向的坐標。上述方法中，所述第一維方向為水平方向，所述第二維方向為垂直方向；
或者所述第一維方向為垂直方向，所述第二維方向為水平方向。上述方法中，所述第一重疊面積由所述動態目標在第一維方向上的最大運動角速度和所述雷射雷達的脈衝時間間隔確定；所述第二重疊面積由所述動態目標在第二維方向上的最大運動角速度和所述雷射雷達的脈衝時間間隔確定。較佳地，所述步驟A之前進一步包括根據預設的掃描距離，利用雷射雷達出射的雷射束檢測延遲時間；所述延遲時間為所述雷射雷達出射的雷射束往返於預設的掃描距離所需的時間與所述雷射雷達的反應時間的和。上述方法中，步驟A所述利用雷射雷達出射的雷射束形成條狀信標光包括Al、根據延遲時間T delay、預設的動態目標的最大運動角速度ω t及預設的初始測角誤差Area_e計算條狀信標光在第二維方向上的尺寸；所述條狀信標光在第二維方向上的尺寸為延遲時間T delay與預設的動態目標的最大運動角速度的乘積的二倍，加上預設的初始測角誤差八代 得到的和；A2、根據W = S/Η計算條狀信標光在第一維方向上的尺寸；上述公式中，W為條狀信標光在第一維方向上的尺寸，S為所述雷射雷達出射的雷射束到達所述預設的掃描距離時，在垂直於所述雷射束出射方向的平面上形成的圓形光斑的面積；A3、根據條狀信標光在第一維方向上的尺寸及其在第二維方向上的尺寸，對所述雷射雷達出射的雷射束進行整形和壓縮，形成所述條狀信標光。上述方法中，步驟A所述利用雷射雷達出射的雷射束形成條狀信標光包括Al』、根據預設的初始測角誤差Area_e、預設的掃描餘量Area_m、延遲時間T—delay及預設的動態目標的最大運動角速度計算條狀信標光在第二維方向上的尺寸；所述條狀信標光在第二維方向上的尺寸為延遲時間T delay與預設的動態目標的最大運動角速度
的乘積的二倍，加上預設的初始測角誤差Area_e及預設的掃描餘量Area_m得到的和；麼2』、根據1= S/Η計算條狀信標光在第一維方向上的尺寸；上述公式中，W為條狀信標光在第一維方向上的尺寸，S為所述雷射雷達出射的雷射束到達所述預設的掃描距離時，在垂直於所述雷射束出射方向的平面上形成的圓形光斑的面積；A3、根據條狀信標光在第一維方向上的尺寸及其在第二維方向上的尺寸，對所述雷射雷達出射的雷射束進行整形和壓縮，形成所述條狀信標光。上述方法中，所述掃描餘量Area_m由延遲時間T delay與預設的動態目標的最大運動角速度的乘積的二倍，加上預設的初始測角誤差Area_e得到的和來確定。上述方法中，步驟C所述利用所述雷射雷達出射的雷射束形成圓形信標光包括BI、根據所述條狀信標光在第一維方向上的尺寸設定所述圓形信標光的直徑；所述圓形信標光的直徑大於等於所述條狀信標光在第一維方向上的尺寸；B2、根據所述圓形信標光的直徑，對所述雷射雷達出射的雷射束進行準直，形成圓形信標光。上述方法中，所述第一重疊面積小於等於所述條狀信標光覆蓋的區域的面積的
0.5% ；所述第二重疊面積小於等於所述圓形信標光面積的5%。由上述的技術方案可見，本發明提供了一種動態目標二維捕獲的方法，該方法中，按照預設的第一運動角速度，沿二維空間中的第一維方向移動所述條狀信標光，且移動後的條狀信標光覆蓋的區域與移動前條狀信標光覆蓋的區域具有一第一重疊面積；在利用條狀信標光在第一維方向上捕獲了動態目標之後，按照所述第二運動角速度，沿所述第一維方向移動所述圓形信標光，同時，按照預設的第三運動角速度，沿所述二維空間中的第二維方向移動所述圓形信標光，且移動後的圓形信標光覆蓋的區域與移動前圓形信標光的區域具有一第二重疊面積，在第二維方向上利用圓形信標光對動態目標進行捕獲，獲取動態目標在第一維方向上的坐標及第二維方向上的坐標。採用本發明的方法，能夠減小漏掃區域的面積，提聞捕獲的成功率。
圖I為現有的掃描方式的信標光運動軌跡示意圖。圖2為本發明動態目標二維捕獲的方法流程圖。圖3為本發明條狀信標光一維掃描的示意圖。圖4為本發明圓形信標光一維掃描的示意圖。
具體實施例方式為使本發明的目的、技術方案、及優點更加清楚明白，以下參照附圖並舉實施例，對本發明進一步詳細說明。本發明是對二維空間中的動態目標進行捕獲的方法；為了表述清楚，先對本發明方法中提及的二維空間的第一維方向和第二維方向進行定義，如果二維空間的第一維方向為垂直方向，則第二維方向為水平方向，如果二維空間的第一維方向維水平方向，則第二維方向為垂直方向。本發明的信標光是用來對動態目標進行跟蹤捕獲的光斑。圖2為本發明動態目標二維捕獲的方法流程圖。圖3為本發明條狀信標光一維掃描的示意圖。圖4為本發明圓形信標光一維掃描的示意圖。現結合圖2、圖3及圖4，對本發明動態目標二維捕獲的方法進行說明，具體如下步驟201 :根據預設的掃描距離，利用雷射雷達出射的雷射束檢測延遲時間；根據預設的掃描距離，檢測雷射雷達出射的雷射束往返於掃描距離所需的時間及雷射雷達的反應時間，將雷射束往返於掃描距離所需的時間及雷射雷達的反應時間之和作為延遲時間。步驟202 :根據延遲時間及預設的初始參數計算獲得的條狀信標光尺寸，利用雷射雷達出射的雷射束形成條狀信標光；預設的初始參數包括預設的動態目標的最大運動角速度及預設的初始測角誤差Area_e ;其中，ω t可根據動態目標的性能參數進行估算，比如飛機、飛彈等飛行器的最大運動角速度為50mrad/s ；Area_e可根據雷射雷達的性能，對初始測角誤差進行估算，比如雷射雷達的測角誤差為O至O. 6mrad。該步驟包括步驟2021，根據延遲時間T delay、預設的動態目標的最大運動角速度 ,及預設的初始測角誤差Area_e計算條狀信標光在第二維方向上的尺寸；步驟2022，根據W= S/Η計算條狀信標光在第一維方向上的尺寸；步驟2023，根據條狀信標光在第一維方向上的尺寸及其在第二維方向上的尺寸，對所述雷射雷達出射的雷射束進行整形和壓縮，形成條狀信標光。步驟2021中計算條狀信標光在第二維方向上的尺寸時，可採用下述公式進行計算H = 2XT delayX ωt+Area e(I)上述公式中，H為條狀信標光在第二維方向上的尺寸；Area_e是對條狀信標光在二維方向上的修正值；採用2XT delayX cot的計算，主要是考慮到動態目標在某一維方向上具有兩個運動方向，比如垂直向上運動或垂直向下運動，這樣能夠提高捕獲的成功率。步驟2022中，W為條狀信標光在第一維方向上的尺寸；S為雷射雷達出射的雷射束到達預設的掃描距離時，在垂直於雷射束出射方向的平面上形成的圓形光斑的面積，該雷射雷達出射的雷射束是未經整形或準直的原始雷射束。根據雷射雷達出射的雷射束能量守恆的原理，在預設的掃描距離的位置上，原始雷射束在垂直於雷射束出射方向的平面上形成的圓形光斑的面積應與條狀信標光的面積相同，這樣，根據預設的掃描距離、圓形光斑的面積及條狀信標光在第二維方向上的尺寸，就可計算獲得條狀信標光在第一維方向上的尺寸。步驟2023中，根據上述條狀信標光的尺寸，可採用現有的方法對雷射雷達出射的雷射束進行整形和壓縮，以形成上述尺寸的條狀信標光，比如利用光柵來形成所需尺寸的條狀信標光。為了提高捕獲的成功率，在根據步驟2021計算條狀信標光在第二維方向上的尺寸時，可以進一步考慮一預設的掃描餘量Area_m，即將延遲時間T delay與預設的動態目標的最大運動角速度的乘積的二倍，加上預設的初始測角誤差Area_e及預設的掃描餘量Areai得到的和作為條狀信標光在第二維方向上的尺寸!T，具體公式如下 H' = 2 X T delay X ω t+Area e+Area m(2)增加了預設的掃描餘量Area_m後，減小了漏掃區域的面積，使得條狀信標光儘可能覆蓋掃描區域的第二維方向；為了儘可能縮短捕獲所需的時間，掃描餘量Area_m可設置為小於等於公式(I)計算獲得的H的5%。則在步驟2022中，根據W' = S/Η'及H'計算條狀信標光在第一維方向上的尺寸r ;在步驟2023中，根據H'和W'，利用雷射雷達出射的雷射束形成條狀信標光。步驟203 :按照預設的第一運動角速度，沿第一維方向移動條狀信標光；該步驟包括步驟2031，根據預設的動態目標的最大運動角速度估算一第一運動角速度；步驟2032，按照第一運動角速度，沿第一維方向移動條狀信標光，且移動後的條狀信標光覆蓋的區域與移動前條狀信標光覆蓋的區域具有一第一重疊面積。 在步驟2031中，為了在第一維方向上實現對動態目標的捕獲，第一運動角速度大於動態目標的最大運動角速度，具體可設置為動態目標的最大運動角速度的N倍；其中，N為大於I的實數。在步驟2032中，條狀信標光覆蓋的區域的面積為條狀信標光在第一維方向上的尺寸與其在第二維方向上的尺寸的乘積；第一重疊面積由動態目標的在第一維方向上的最大運動角速度和雷射雷達的脈衝時間間隔確定，第一重疊面積可小於等於條狀信標光覆蓋的區域的面積的O. 5%，如圖3所示。之所以在移動條狀信標光時保證有一定的重疊面積，主要是避免雷射雷達的雷射脈衝時間間隔在移動條狀信標光的過程中，使得移動前的條狀信標光與移動後的條狀信標光之間產生漏掃區域，本發明的 掃描方法進一步提高了捕獲的成功率。步驟204 :判斷雷射雷達是否檢測到反射光，如果是，執行步驟205，否則執行步驟210 ；若在條狀信標光覆蓋的區域存在動態目標，則雷射雷達能夠在移動條狀信標光的過程中，檢測到條狀信標光照射到動態目標上形成的反射光；具體的檢測方法屬於現有技術的內容，在此不再贅述。步驟205 :根據檢測到的反射光計算獲得第二運動角速度；第二運動角速度為動態目標在第一維方向上的瞬時角速度。該步驟中，可採用現有的測速方法，利用檢測到的反射光、預設的掃描距離、延遲時間及步驟202中預設的初始參數，計算獲得動態目標在第一維方向上的瞬時角速度，在此不再對具體的計算方法進行贅述。步驟206 :根據由條狀信標光計算獲得的圓形信標光的尺寸，利用雷射雷達出射的雷射束形成圓形信標光；該步驟包括步驟2061，根據條狀信標光在第一維方向上的尺寸設定圓形信標光的直徑；步驟2062，根據所述圓形信標光的直徑，對雷射雷達出射的雷射束進行準直，形成圓形信標光。在步驟2061中，圓形信標光的直徑大於等於條狀信標光在第一維方向上的尺寸，具體尺寸可根據對捕獲時間的要求進行設定。在步驟2062中，可利用球面鏡對雷射雷達發射的雷射束進行準直，以產生所需尺寸的圓形信標光，在此不再對形成圓形信標光的方法進行贅述。步驟207 :按照第二運動角速度在第一維方向移動圓形信標光，同時，按照預設的第三運動角速度在第二維方向上移動圓形信標光；該步驟中第三運動角速度的計算方法與第一運動角速度的計算方法相同，在此不再對具體的計算方法進行贅述。第三運動角速度需大於動態目標在第二維方向上的運動角速度，較佳地，可與第一運動角速度相同。由於動態目標是在二維空間的第一維方向和第二維方向上運動，本發明按照第二運動角速度在第一維方向移動圓形信標光，以在第一維方向上對動態目標進行跟蹤，保持在第一維方向上的同步；按照第三運動角速度在第二維方向上移動圓形信標光，以實現對動態目標的有效捕獲。為了減小漏掃區域的面積，提高捕獲成功率，在按照預設的第三運動角速度在第二維方向上移動圓形信標光時，可採用與條狀信標光相同的移動方法，即移動後的圓形信標光覆蓋的區域與移動前圓形信標光的區域具有一第二重疊面積。其中，第二重疊面積由動態目標在第二維方向上的最大運動角速度和雷射雷達的脈衝時間間隔確定，第二重疊面積小於等於圓形信標光面積的5%，如圖4所示。
步驟208 :判斷雷射雷達是否再次檢測到反射光，如果是，執行步驟209，否則執行步驟210 ；若在圓形信標光覆蓋的區域存在動態目標，則雷射雷達能夠在移動圓形信標光的過程中，檢測到圓形信標光照射到動態目標上形成的反射光，即雷射雷達再次檢測到的反射光，此時，圓形信標光對動態目標進行了成功捕獲；具體檢測方法屬於現有技術的內容，在此不再贅述。步驟209 :根據再次檢測到的反射光計算動態目標的二維坐標並輸出，之後執行步驟211 ；該步驟中，可採用現有的測距方法及測速方法，根據再次檢測到的反射光計算動態目標在第一維方向上的坐標和其在第二維方向上的坐標，在此不再對具體的計算方法進行贅述。步驟210 :輸出未捕獲的結果；步驟211:結束。在採用本發明的方法對動態目標進行二維捕獲時，以掃描距離90km、時間轉率不大於±1° /s的動態目標、延時時間為15ms、粗對準誤差為O. 6mrad為例，在初始測角誤差為O. 3mrad、且相同雷射雷達的前提下，對本發明的捕獲方法與現有的矩陣螺旋掃描方法進行仿真比較。矩陣螺旋掃描方法採用發散角為2mrad、0. 8mrad、0. 3mrad的圓形信標光,在多次仿真測試下，矩陣螺旋掃描方法的捕獲率為56% ;而本發明的捕獲方法採用縱向發散角為9mrad,橫向發散角為O. 047mrad的條狀信標光，以及發散角為O. 3mrad的圓形信標光，在多次仿真測試下，本發明的捕獲方法的捕獲率100%。在上述仿真實例中，發散角可用以表不圓形信標光的直徑，縱向發散角用以表不條狀信標光在第二維方向上的尺寸，橫向發散角用以表示條狀信標光在第一維方向上的尺寸。本發明的上述較佳實施例中，在第一維方向上利用條狀信標光確定動態目標在第一維方向上的大致區域，在第二維方向上利用圓形信標光確定動態目標在第二維方向上的準確位置；在第二維方向上，為了能夠捕獲到動態目標，圓形新光標在第二維方向上移動的同時，還需在第一維方向上移動，以保持與動態目標的同步；本發明在移動條狀信標光及圓形信標光時，移動前和移動後需保證覆蓋區域具有一定的重疊面積，這樣，可減小漏掃區域，提聞捕獲的成功率。綜上所述，以上為本發明的較佳實施例，並非用來限定本發明的保護範圍。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.一種動態目標二維捕獲的方法，其特徵在於，該方法包括 A、利用雷射雷達出射的雷射束形成條狀信標光；按照預設的第一運動角速度，沿二維空間中的第一維方向移動所述條狀信標光，且移動後的條狀信標光覆蓋的區域與移動前條狀信標光覆蓋的區域具有一第一重疊面積； B、在移動所述條狀信標光的過程中，根據雷射雷達檢測到的反射光，計算獲得第二運動角速度；所述第二運動角速度為所述動態目標在第一維方向上的瞬時角速度； C、利用所述雷射雷達出射的雷射束形成圓形信標光；按照所述第二運動角速度，沿所述第一維方向移動所述圓形信標光，同時，按照預設的第三運動角速度，沿所述二維空間中的第二維方向移動所述圓形信標光，且移動後的圓形信標光覆蓋的區域與移動前圓形信標光的區域具有一第二重疊面積； D、在移動所述圓形信標光的過程中，根據所述雷射雷達檢測到的反射光，計算獲得所述動態目標在第一維方向的坐標及其在第二維方向的坐標。
2.根據權利要求I所述的方法，其特徵在於，所述第一維方向為水平方向，所述第二維方向為垂直方向； 或者所述第一維方向為垂直方向，所述第二維方向為水平方向。
3.根據權利要求2所述的方法，其特徵在於，所述第一重疊面積由所述動態目標在第一維方向上的最大運動角速度和所述雷射雷達的脈衝時間間隔確定； 所述第二重疊面積由所述動態目標在第二維方向上的最大運動角速度和所述雷射雷達的脈衝時間間隔確定。
4.根據權利要求2所述的方法，其特徵在於，所述步驟A之前進一步包括 根據預設的掃描距離，利用雷射雷達出射的雷射束檢測延遲時間；所述延遲時間為所述雷射雷達出射的雷射束往返於預設的掃描距離所需的時間與所述雷射雷達的反應時間的和。
5.根據權利要求4所述的方法，其特徵在於，步驟A所述利用雷射雷達出射的雷射束形成條狀信標光包括 Al、根據延遲時間T delay、預設的動態目標的最大運動角速度及預設的初始測角誤差Area_e計算條狀信標光在第二維方向上的尺寸；所述條狀信標光在第二維方向上的尺寸為延遲時間T delay與預設的動態目標的最大運動角速度ω t的乘積的二倍，加上預設的初始測角誤差八代 得到的和； A2、根據W = S/Η計算條狀信標光在第一維方向上的尺寸；上述公式中，W為條狀信標光在第一維方向上的尺寸，S為所述雷射雷達出射的雷射束到達所述預設的掃描距離時，在垂直於所述雷射束出射方向的平面上形成的圓形光斑的面積； A3、根據條狀信標光在第一維方向上的尺寸及其在第二維方向上的尺寸，對所述雷射雷達出射的雷射束進行整形和壓縮，形成所述條狀信標光。
6.根據權利要求4所述的方法，其特徵在於，步驟A所述利用雷射雷達出射的雷射束形成條狀信標光包括 Al』、根據預設的初始測角誤差Area_e、預設的掃描餘量Area_m、延遲時間T delay及預設的動態目標的最大運動角速度計算條狀信標光在第二維方向上的尺寸；所述條狀信標光在第二維方向上的尺寸為延遲時間T delay與預設的動態目標的最大運動角速度Ot的乘積的二倍，加上預設的初始測角誤差Area_e及預設的掃描餘量Area_m得到的和； A2』、根據W = S/Η計算條狀信標光在第一維方向上的尺寸；上述公式中，W為條狀信標光在第一維方向上的尺寸，S為所述雷射雷達出射的雷射束到達所述預設的掃描距離時，在垂直於所述雷射束出射方向的平面上形成的圓形光斑的面積； A3、根據條狀信標光在第一維方向上的尺寸及其在第二維方向上的尺寸，對所述雷射雷達出射的雷射束進行整形和壓縮，形成所述條狀信標光。
7.根據權利要求6所述的方法，其特徵在於，所述掃描餘量Area_m由延遲時間Tdelay與預設的動態目標的最大運動角速度的乘積的二倍，加上預設的初始測角誤差到的和來確定。
8.根據權利要求5或6所述的方法，其特徵在於，步驟C所述利用所述雷射雷達出射的雷射束形成圓形信標光包括 BI、根據所述條狀信標光在第一維方向上的尺寸設定所述圓形信標光的直徑；所述圓形信標光的直徑大於等於所述條狀信標光在第一維方向上的尺寸； B2、根據所述圓形信標光的直徑，對所述雷射雷達出射的雷射束進行準直，形成圓形信標光。
9.根據權利要求3所述的方法，其特徵在於，所述第一重疊面積小於等於所述條狀信標光覆蓋的區域的面積的O. 5% ； 所述第二重疊面積小於等於所述圓形信標光面積的5%。
全文摘要
本發明提供了一種動態目標二維捕獲的方法，該方法中，利用雷射雷達出射的雷射束形成條狀信標光；按照預設的第一運動角速度，沿二維空間中的第一維方向移動條狀信標光，且移動後的條狀信標光覆蓋的區域與移動前條狀信標光覆蓋的區域具有一第一重疊面積；計算第二運動角速度；利用雷射雷達出射的雷射束形成圓形信標光；按照第二運動角速度，沿第一維方向移動圓形信標光，同時，按照預設的第三運動角速度，沿二維空間中的第二維方向移動圓形信標光，且移動後的圓形信標光覆蓋的區域與移動前圓形信標光的區域具有一第二重疊面積；計算動態目標在第一維方向的坐標及其在第二維方向的坐標。採用本發明的方法，能夠減小漏掃區域的面積，提高捕獲成功率。
文檔編號G01S17/66GK102621557SQ20111002883
公開日2012年8月1日 申請日期2011年1月26日 優先權日2011年1月26日
發明者劉明, 劉洋, 毛獻輝, 牛春暉, 王昊光 申請人:北京國科環宇空間技術有限公司