基於雷達和光電設備互補的探測識別裝置及方法與流程
2023-06-19 05:14:31 1
本發明涉及一種基於雷達和光電設備互補的探測識別裝置及方法，具體地，涉及一種基於雷達和光電設備互補的複雜氣象環境下晝夜對觀察海域進行目標檢測、探測識別裝置及方法，該裝置及方法採用智能化控制技術，對海面目標進行有效地探測、跟蹤、識別和監視。
背景技術：
工作於海洋環境下的雷達和光電設備面臨較為嚴重的複雜環境的影響，為實現對目標的有效探測、跟蹤和識別，本發明需要雷達和光電設備協同工作，減小複雜環境的影響。海雜波主要出現在雷達探測近程，對雷達探測目標特別是小目標影響嚴重，且無法識別目標；而光電設備近程目標探測能力強，且能成像識別，二者形成互補。
現有技術中，在對海上目標探測、跟蹤、識別和監視時，雷達和光電設備二者分開工作，具體的，首先由雷達探測目標區域，當雷達探測到目標物體的位置信息後，將該位置信息顯示到雷達上；操作人員通過觀察雷達顯示，獲知目標物體的位置信息，然後在該位置信息的指導下，操作人員手動不斷調整光電設備的拍攝方向，使光電設備對準目標物體，通過操控光電設備對目標物體成像，獲得直觀、清晰的目標圖像，完成對目標物體識別的目的。
上述對海上目標探測、跟蹤、識別和監視的過程中，通過操作人員手動操作完成雷達與光電設備的協同工作，具有協同效率差的缺陷；進而無法準確對目標物體進行跟蹤和識別。
技術實現要素：
針對現有技術中的缺陷，本發明的目的是提供一種基於雷達和光電設備互補的探測識別裝置及方法，其減小複雜氣象環境對雷達和光電設備探測較為嚴重的影響，實現海洋環境下對目標的有效探測和識別。本發明採用自適應海雜波抑制技術，抑 制強海雜波；採用光學透霧和日夜兩用光電技術，在惡劣氣象環境下，晝夜對觀察海域進行目標檢測。
根據本發明的一個方面，提供一種基於雷達和光電設備互補的探測識別裝置，其特徵在於，包括雷達、光電設備、計算機和顯示器，雷達完成海面目標的搜索、跟蹤，雷達設有小目標模塊，小目標模塊在雷達探測基礎上，進一步對海雜波背景下的目標進行檢測，計算機完成信息處理，發現目標並完成跟蹤；準確地引導控制光電設備指向目標所在位置，提供目標雷達坐標信息；光電設備完成海面目標觀察、跟蹤和識別，晝夜對觀察海域進行目標檢測、成像，對目標圖像信息進行視頻處理和跟蹤。
優選地，所述光電設備具備受控和獨立工作兩種模式，獨立工作模式的具體作用如下：能手動或自動進行區域掃描，能在夜間對海上目標進行檢測、成像，獲取直觀、真實、清晰的目標圖像，探測海上目標，對其進行圖像識別和自動跟蹤；受控工作模式的具體作用如下：在雷達引導下，對目標快速成像、識別和跟蹤；自動跟蹤目標，兩種工作模式下都截取目標圖像，實時記錄、存儲和回放目標信息。
優選地，所述光電設備包括光學主機和穩定雲臺。
優選地，所述雷達、光電設備、顯示器都與計算機連接，採用海雜波抑制和光學透霧技術，計算機完成信息處理、識別、跟蹤和監視。
本發明還提供一種基於雷達和光電設備互補的探測識別方法，其特徵在於，包括以下步驟：
步驟一，雷達持續探測海上區域，持續獲得目標物體在不同時間點的位置信息；其中，該位置信息包括目標物體距離雷達的距離信息和方位信息；
步驟二，雷達將探測得到的所述目標物體的位置信息發送給所述雷達信號接收處理器；所述雷達信號接收處理器對位於各個時間點的所述位置信息進行綜合處理，獲得所述目標物體的跟蹤航跡信息；並將該目標物體的跟蹤航跡信息發送給所述計算機；
步驟三，所述計算機對所述目標物體的跟蹤航跡信息進行分析處理，獲得光電設備的光學視線瞄準線指向命令；
步驟四，所述計算機將所述光學視線瞄準線指向命令發送給所述伺服系統，所述伺服系統進而控制所述穩定平臺的姿態，進而調整了安裝在該光電穩定平臺上的光電設備的方向，使光電設備不斷瞄準跟蹤目標物體；
步驟五，光電設備成像目標物體的圖像，依據目標特徵屬性，實現對目標物體跟蹤和識別的目的。
與現有技術相比，本發明具有如下的有益效果：本發明完成雷達的信號處理、數據處理、結構簡單，效果明顯，有效地實現跟蹤，減小複雜氣象對工作於海洋環境下的雷達和光電設備的影響，提高了海洋環境下雷達和光學設備的性能，提高了雷達和光學設備綜合探測識別能力。
附圖說明
通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發明的其它特徵、目的和優點將會變得更明顯：
圖1為本發明基於雷達和光電設備互補的探測識別裝置的原理框圖。
具體實施方式
下面結合具體實施例對本發明進行詳細說明。以下實施例將有助於本領域的技術人員進一步理解本發明，但不以任何形式限制本發明。應當指出的是，對本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進。這些都屬於本發明的保護範圍。
如圖1所示，本發明基於雷達和光電設備互補的探測識別裝置包括雷達1、光電設備2、計算機3和顯示器4，雷達完成海面目標的搜索、跟蹤，雷達設有小目標模塊，小目標模塊在雷達探測基礎上進一步對海雜波背景下的目標進行檢測，計算機完成信息處理，發現目標並完成跟蹤；準確地引導控制光電設備指向目標所在位置，提供目標雷達坐標信息；光電設備完成海面目標觀察、跟蹤和識別，晝夜對觀察海域進行目標檢測、成像，對目標圖像信息進行視頻處理和跟蹤。
雷達採用數學模型，對二坐標目標位置數據進行解算，得到光學視線瞄準線指向，從而引導光電設備引向目標；能夠自動高效的實現雷達和光電設備的協同工作，從而準確高效的實現對目標物體的探測、跟蹤、識別和監視。
光電設備完成海面目標觀察、跟蹤和識別，晝夜對觀察海域進行目標檢測、成像，對目標圖像信息進行視頻處理和跟蹤。光電設備具備受控和獨立工作兩種模式，獨立工作模式的具體作用如下：能手動或自動進行區域掃描，能在夜間對海上目標進行檢測、成像，獲取直觀、真實、清晰的目標圖像，探測海上目標，對其進行圖 像識別和自動跟蹤；受控工作模式的具體作用如下：在雷達引導下，對目標快速成像、識別和跟蹤；自動跟蹤目標，兩種工作模式下都截取目標圖像，實時記錄、存儲和回放目標信息。
所述光電設備包括光學主機和穩定雲臺，穩定雲臺是光學主機的載體且包含伺服系統，伺服系統包括X軸伺服驅動器、Y軸伺服驅動器以及X軸伺服電機、Y軸伺服電機，保障光學主機平穩和尋找、跟蹤目標；光學主機包含光學透霧、日夜兩用鏡頭和雷射器。
所述雷達、光電設備、顯示器都與計算機連接，採用海雜波抑制和光學透霧技術，計算機完成信息處理、識別、跟蹤和監視。
本發明基於雷達和光電設備互補的探測識別方法包括以下步驟：
步驟一，雷達持續探測海上區域，持續獲得目標物體在不同時間點的位置信息；其中，該位置信息包括目標物體距離雷達的距離信息和方位信息；
步驟二，雷達將探測得到的所述目標物體的位置信息發送給所述雷達信號接收處理器；所述雷達信號接收處理器對位於各個時間點的所述位置信息進行綜合處理，獲得所述目標物體的跟蹤航跡信息；並將該目標物體的跟蹤航跡信息發送給所述計算機；
獲得目標物體的跟蹤航跡信息的一般方法為：建立目標航跡資料庫，根據資料庫內存儲的數據，達到目標航跡跟蹤，但當檢測範圍內存在多個目標時，該種方法極易出錯，造成目標丟失。本發明中，目標航跡跟蹤分析處理方法中新增目標特徵提取和目標編隊技術，能夠有效提高目標跟蹤效率，既使當檢測範圍內存在多個目標，且航跡交叉時也能夠準確跟蹤目標。
經研究發現，最能反映目標特徵的簡練方法為：目標中心位置和目標模ρ角θ關係。具體的，採用自適應閾值方法對雷達接收到的各方位強度信號進行二值化處理，用微分算子方法提取目標邊緣，依據邊緣檢測的數據和雷達接收的目標位置信息計算目標中心位置，依據目標中心位置和邊緣檢測結果取得目標模的最大值、最小值、平均值ρmax、ρmin、ρavg和角θ，根據ρmax＝f1(θ)、ρmin＝f2(θ)、ρavg＝f3(θ)得到目標特徵，再將特徵不同、方向不同的目標編入到不同的編隊中，邊緣檢測和目標特徵技術大大縮減信息總量。由於相近編隊的目標具有相近的屬性，因此，目標的編隊技術大大簡化目標航跡跟蹤的算法。而目標特徵和航跡跟蹤技術又可以有效防止目標丟失，提高跟蹤效率。有效地減小了複雜氣象環境對工 作於海洋環境下的雷達和光電設備的影響，提高了海洋環境下雷達和光學設備性能，裝置能夠整體提高對海上目標綜合探測、跟蹤、識別和監視能力。
步驟三，所述計算機對所述目標物體的跟蹤航跡信息進行分析處理，獲得光電設備的光學視線瞄準線指向命令；
具體的，由於雷達所提供的目標物體的跟蹤航跡信息是二坐標或者經緯度數據，為平面極坐標形式，而不是三坐標數據，因此不能直接正確的得到目標的位置並對光電設備進行引導。所以，本步驟中，計算機根據數學模型計算出光學視線瞄準線指向的X，Y，Z軸三向偏移量；得到目標正確的位置，進而引導光電設備連續、正確地跟蹤目標。
另外，由於雷達和光電伺服轉臺安裝在艦船的不同位置，所以，雷達和光電伺服轉臺安之間存在安裝誤差。本發明中，通過以下方式可以有效消除該安裝誤差：以安裝左、右兩個光電伺服轉臺為例，將與方位軸垂直的雷達俯仰軸水平面作為基準面，雷達俯仰軸與方位軸交點為原點，左、右光電伺服轉臺俯仰軸水平面和原點坐標偏差為Δ1|ΔX1ΔY1ΔZ1|，Δ2|ΔX2ΔY2ΔZ2|。因此實現了將雷達接收目標位置轉換為光電裝置跟蹤目標準確位置。最後轉換光電伺服轉臺俯仰角、方位角、調焦距離，將直角坐標系採用以下公式(1)轉換為球坐標系，
已知雷達自身的坐標和雷達與目標之間的測距，具體如下式(1)：
ri＝c×ti/2 (1)
其中：ri(i雷達數,三個雷達取1、2、3)雷達監測的目標距離；
c光速；
ti(i雷達數,三個雷達取1、2、3)雷達反射波間隔時間。
由球面坐標公式可得式(2)：
(x-xi)2+(y-yi)2+(z-zi)2＝ri2 (2)
即一組數據就可以得到關於所求坐標未知量的一個方程，當有三組非線性相關的坐標值時，就可以列出三個關於未知量的獨立方程，如下式(3)、式(4)、式(5)：
(x-x1)2+(y-y1)2+(z-z1)2＝r12 (3)
(x-x2)2+(y-y2)2+(z-z2)2＝r22 (4)
(x-x3)2+(y-y3)2+(z-z3)2＝r32 (5)
其中：x1、y1、z1、x2、y2z2、x3、y3、z3分別是三個雷達安裝位置坐標，x、 y、z目標位置坐標，通過求解三個獨立方程就可以求出三個未知量，即可得到目標空間坐標值。
由此得出結論：當有三個雷達時，就可以通過三組數據進行目標坐標求解，從而實現飛行物定位。由於所需三組已知坐標數據要滿足非線性相關，即要求雷達布設不在同不在同一直線上。
即至少需要三個不在同一直線上的雷達才能定位目標，如下式(6)、式(7)：
其中：ρ目標中心位置模；
θ目標中心位置方位角；
φ目標中心位置仰角。
為避免分母為零，程序執行出現溢出情況，可採用簡捷處理方式：分母y+Δy
其中，Δy>0且足夠小，例如可取Δy＝1×10-8。只要Δy足夠小取值不影響計算精度。
步驟四，所述計算機將所述光學視線瞄準線指向命令發送給所述伺服系統，所述伺服系統進而控制所述穩定平臺的姿態，進而調整了安裝在該光電穩定平臺上的光電設備的方向，使光電設備不斷瞄準跟蹤目標物體；
步驟五，光電設備成像目標物體的圖像，依據目標特徵屬性，實現對目標物體跟蹤和識別的目的。
雷達設備和光電設備可以獨立工作，也可以聯合工作，二者取長補短，集多功能於一體，構成雷達光電探測識別系統，進行綜合協同決策控制，能準確、快速完成海上目標的探測識別。裝置結構簡單、技術成熟、配置合理、使用方便，能有效彌補現有裝備對海上目標綜合探測能力的不足，提高對海上目標綜合探測識別能力，特別是夜晚複雜氣象條件下對海上小目標的綜合探測識別能力。本發明有效地減小了複雜氣象環境對工作於海洋環境下的雷達和光電設備的影響，提高了海洋環境下雷達和光電設備性能，裝置能夠整體提高對海上目標綜合探測、跟蹤、識別和監視能力。
以上對本發明的具體實施例進行了描述。需要理解的是，本發明並不局限於上 述特定實施方式，本領域技術人員可以在權利要求的範圍內做出各種變形或修改，這並不影響本發明的實質內容。