一种分布式雷达引导光电跟踪识别装置及方法

技术领域

本发明涉及目标跟踪识别领域，具体涉及一种分布式雷达引导光电跟踪识别装置及方法。

背景技术

随着无人机技术的发展，地空协作在例如地形勘探、工程建设和交通指挥等多个领域得到了应用。在空地协作中光电跟踪装置通常与雷达配合使用来对无人机进行目标跟踪识别，利用光电跟踪装置和雷达的优势互补，可以实现对无人机等“低慢小目标”的有效探测、识别。然而在实际工程中，由于光电跟踪装置和雷达均需要全方位探测，因此工作过程中经常会发生工作视场遮蔽问题，极大限制了对于目标跟踪识别范围。虽然现有技术中，对光电跟踪装置和雷达采用共架设计虽然可以解决遮蔽问题，但二者在转动过程中存在相互扰动影响，从而降低目标跟踪识别的精度。

发明内容

有鉴于此，有必要提供一种分布式雷达引导光电跟踪识别装置及方法，用于解决现有技术中，由于光电跟踪装置和雷达之间存在工作视场遮蔽，因此限制了目标跟踪识别范围的技术问题。

一方面，本发明提供了一种分布式雷达引导光电跟踪识别装置，包括：第一雷达、第二雷达、第一惯性导航装置、第二惯性导航装置、光电跟踪装置和数据处理中心，第一雷达和光电跟踪装置与第一惯性导航装置相连接，第二雷达与第二惯性导航装置相连接，第一雷达、第二雷达和光电跟踪装置与数据处理中心相连接，其中：

第一雷达和第二雷达用于获取待跟踪目标的运动状态信息；

第一惯性导航装置用于获取第一雷达和光电跟踪装置的第一惯性测量数据；

第二惯性导航装置用于获取第二雷达的第二惯性测量数据；

数据处理中心用于根据待跟踪目标的运动状态信息、第一惯性测量数据和/或第二惯性测量数据进行数据解算得到待跟踪目标的实时球坐标值；

光电跟踪装置用于根据实时球坐标值对待跟踪目标进行跟踪识别。

进一步的，装置还包括雷达交换机，雷达交换机与第一雷达、第二雷达和数据处理中心相连，用于实现第一雷达和第二雷达与数据处理中心之间的数据交互和指令控制。

进一步的，第一惯性导航装置和第二惯性导航装置为安装在运载体上的捷联式三轴惯性测量设备，光电跟踪装置为粗精复合轴成像跟踪设备。

进一步的，第一雷达预设有第一方位角范围，第二雷达预设有第二方位角范围，且第一雷达的第一方位角范围和第二雷达的第二方位角范围对应覆盖区域不包括光电跟踪装置所在区域。

另一方面，本发明还提供了一种分布式雷达引导光电跟踪识别方法，应用于上述的分布式雷达引导光电跟踪识别装置，包括：

基于第一雷达和/或第二雷达捕获待跟踪目标的跟踪轨迹信息；

基于第一惯性导航装置和/或第二惯性导航装置获取惯性测量数据；

根据跟踪轨迹信息和惯性测量数据进行数据解算得到待跟踪目标的实时球坐标值；

根据实时球坐标值调整光电跟踪装置的角度，对待跟踪目标进行跟踪识别。

进一步的，跟踪轨迹信息包括待跟踪目标的方位角、俯仰角、距离和速度，实时球坐标值为以光电跟踪装置基座为参考的坐标系下的坐标值。

进一步的，基于第一雷达和/或第二雷达获取待跟踪目标的跟踪轨迹信息，包括：

基于第一雷达或第二雷达扫描得到待跟踪目标的扫描数据；

数据处理中心根据扫描数据生成搜索轨迹，并根据搜索轨迹生成跟踪指令发送给第一雷达和/或第二雷达；

第一雷达和/或第二雷达根据跟踪指令对待跟踪目标进行跟踪并得到跟踪数据，数据处理中心根据跟踪数据生成跟踪轨迹信息。

进一步的，根据跟踪轨迹信息和惯性测量数据进行数据解算得到待跟踪目标的实时球坐标值，包括：

在不同参考系下构建各参考坐标系，参考坐标系包括双雷达地理坐标系和光电跟踪装置基座坐标系；

根据跟踪轨迹信息确定待跟踪目标在双雷达地理坐标系的球坐标值；

基于坐标变换将双雷达地理坐标系的球坐标值转换为光电跟踪装置基座坐标系的实时球坐标值。

进一步的，各参考坐标系还包括光电跟踪装置地理坐标系，基于坐标变换将雷达地理坐标系的球坐标值转换为光电跟踪装置基座坐标系的实时球坐标值，包括：

根据双雷达地理坐标系的球坐标值得到待跟踪目标在双雷达地理坐标系的直角坐标值；

根据双雷达地理坐标系的直角坐标值得到待跟踪目标在光电跟踪装置地理坐标系的直角坐标值；

根据光电跟踪装置地理坐标系的直角坐标值得到待跟踪目标在光电跟踪装置基座坐标系的直角坐标值；

对光电跟踪装置基座坐标系的直角坐标值进行数据平滑处理和补偿俯仰码盘零位后得到待跟踪目标在光电跟踪装置基座坐标系的球坐标值。

进一步的，光电跟踪装置包括伺服转台、粗跟踪红外相机和精跟踪可见相机，根据实时球坐标值调整光电跟踪装置的角度，对待跟踪目标进行跟踪识别，包括：

伺服转台根据实时球坐标值带动粗跟踪红外相机和精跟踪可见相机转动到实时球坐标值所在位置；

基于粗跟踪红外相机对待跟踪目标进行闭环跟踪；

基于精跟踪可见相机对待跟踪目标进行目标识别。

与现有技术相比，采用上述实施例的有益效果是：本发明通过分布式雷达布局设计，在避免雷达和光电跟踪装置转动扰动影响的前提下，实现对目标的全方位跟踪识别，并通过对应的分布式雷达光电跟踪识别方法进行实时解算得到准确的待跟踪目标的实时球坐标值，提高目标跟踪识别的精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显然，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为本发明提供的分布式雷达引导光电跟踪装置的一个实施例的结构示意图；

图2为本发明实施例的运载体布局的结构示意图；

图3为本发明提供的分布式雷达引导光电跟踪方法的一个实施例的流程示意图。

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。

应当理解，示意图的附图并未按实物比例绘制。本发明中使用的流程图示出了根据本发明的一些实施例实现的操作。应当理解，流程图的操作可以不按顺序实现，没有逻辑的上下文关系的步骤可以反转顺序或者同时实施。此外，本领域技术人员在本发明内容的指引下，可以向流程图添加一个或多个其他操作，也可以从流程图中移除一个或多个操作。

附图中所示的一些方框图是功能实体，不一定必须与物理或逻辑上独立的实体相对应。可以采用软件形式来实现这些功能实体，或在一个或多个硬件模块或集成电路中实现这些功能实体，或在不同网络和/或处理器系统和/或微控制器系统中实现这些功能实体。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本发明的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

图1为本发明提供的分布式雷达引导光电跟踪识别装置的一个实施例的结构示意图，结合图1所示，分布式雷达引导光电跟踪识别装置100包括：第一雷达110、第二雷达120、第一惯性导航装置130、第二惯性导航装置140、光电跟踪装置150和数据处理中心160，第一雷达110和光电跟踪装置150与第一惯性导航装置130相连接，第二雷达120与第二惯性导航装置140相连接，第一雷达110、第二雷达120和光电跟踪装置150与数据处理中心160相连接，其中：

第一雷达110和第二雷达120用于获取待跟踪目标的运动状态信息；

第一惯性导航装置130用于获取第一雷达110和光电跟踪装置150的第一惯性测量数据；

第二惯性导航装置140用于获取第二雷达120的第二惯性测量数据；

数据处理中心160用于根据待跟踪目标的运动状态信息、第一惯性测量数据和/或第二惯性测量数据进行数据解算得到待跟踪目标的实时球坐标值；

光电跟踪装置150用于根据实时球坐标值对待跟踪目标进行跟踪识别。

在本发明的具体实施例中，分布式雷达引导光电跟踪识别装置还包括雷达交换机170，雷达交换机170与第一雷达110、第二雷达120和数据处理中心160相连，用于实现第一雷达110和第二雷达120与数据处理中心160之间的数据交互和指令控制。

在本发明的具体实施例中，第一惯性导航装置130和第二惯性导航装置140为安装在运载体上的捷联式三轴惯性测量设备，光电跟踪装置150为粗精复合轴成像跟踪设备。

具体地，图2为本发明一个实施例的运载体布局的结构示意图，如图2所示，第一雷达110和第二雷达120通过雷达交换机170来与数据处理中心160进行连接，实现数据交互和指令控制。

第一惯性导航装置130安装在前方舱上表面，与第一雷达110和光电跟踪装置150，获取第一雷达110和光电跟踪装置150的第一惯性测量数据；第二惯性导航装置140安装在后方舱上表面，与第二雷达120连接，获取第二雷达120的第二惯性测量数据，其中惯性测量数据包括位置、方向、速度和姿态角等信息。

光电跟踪装置150由安装在前方舱上表面的伺服转台180带动以控制方向转动实现制定角度的探测，实施例中伺服转台180的转角范围为：方位角范围0°～360°，俯仰角范围-5°～+85°，跟踪误差不超过0.5mrad。

此外实施例中的光电跟踪装置150为粗精复合轴成像跟踪设备，包括粗跟踪红外相机、精跟踪可见相机和图像信号处理器等，其中粗跟踪红外相机用于对目标的粗略红外探测，精跟踪可见相机用于对目标进行可见谱段的变焦成像探测，图像信号处理器用于处理粗跟踪红外相机的精跟踪可见相机得到的探测图像。

与现有技术相比，本方案的分布式雷达引导结构可以有效实现对待跟踪目标的全方位探测，并有效避免了现有技术中共架设计带来的转动过程扰动影响，可以实现更高的引导精度。

在本发明的具体实施例中，第一雷达110预设有第一方位角范围，第二雷达120预设有第二方位角范围，且第一雷达110的第一方位角范围和第二雷达120的第二方位角范围对应覆盖区域不包括光电跟踪装置150所在区域。

具体地，实施例中通过根据第一雷达110和第二雷达120的相对位置关系，设置第一雷达110和第二雷达120对外辐射微波的第一方位角范围和第二方位角范围，包括第一雷达110的起始的方位角

为了更好实施本发明实施例中的分布式雷达引导光电跟踪识别装置，在分布式雷达引导光电跟踪识别装置基础之上，对应的，如图3所示，本发明还提供了一种分布式雷达引导光电跟踪识别方法，包括：

S301、基于第一雷达和/或第二雷达捕获待跟踪目标的跟踪轨迹信息；

S302、基于第一惯性导航装置和/或第二惯性导航装置获取惯性测量数据；

S303、根据跟踪轨迹信息和惯性测量数据进行数据解算得到待跟踪目标的实时球坐标值；

S304、根据实时球坐标值调整光电跟踪装置的角度，对待跟踪目标进行跟踪识别。

具体地，本发明提供的分布式雷达引导光电跟踪识别方法，应用于本发明的分布式雷达引导光电跟踪识别装置，实现根据跟踪轨迹信息和关系策略数据进行实时解算得到准确的待跟踪目标的实时球坐标值，并根据实时球坐标值调整光电跟踪装置角度，实现对待跟踪目标进行准确的跟踪识别。

在本发明的具体实施例中，跟踪轨迹信息包括待跟踪目标的方位角、俯仰角、距离和速度，实时球坐标值为以光电跟踪装置基座为参考的坐标系下的坐标值。

具体地，跟踪轨迹信息通过第一雷达和/或第二雷达对待跟踪目标进行雷达跟踪后生成得到，包括但不限于待跟踪目标的方位角、俯仰角、距离和速度，用于为后续引导光电跟踪识别提供数据基础。实时球坐标值通过数据处理中心根据通过第一雷达和/或第二雷达得到的跟踪轨迹信息以及通过第一惯性导航装置和/或第二惯性导航装置得到的惯性测量数据进行数据解算得到，是以光电跟踪装置基座为参考的坐标系下的坐标值，用于确定光电跟踪装置转动方向。

在本发明的具体实施例中，基于第一雷达和/或第二雷达获取待跟踪目标的跟踪轨迹信息，包括：

基于第一雷达或第二雷达扫描得到待跟踪目标的扫描数据；

数据处理中心根据扫描数据生成搜索轨迹，并根据搜索轨迹生成跟踪指令发送给第一雷达和/或第二雷达；

第一雷达和/或第二雷达根据跟踪指令对待跟踪目标进行跟踪并得到跟踪数据，数据处理中心根据跟踪数据生成跟踪轨迹信息。

具体地，当通过数据处理中心下发搜索指令到第一雷达和第二雷达时，第一雷达和第二雷达处于搜索状态，并各自在相应的方位角范围内搜索待跟踪目标；当第一雷达或第二雷达搜索到待跟踪目标时，将扫描数据发送给数据处理中心，数据处理中心根据扫描数据生成搜索轨迹，并根据搜索轨迹生成跟踪指令发送给第一雷达和/或第二雷达，第一雷达和/或第二雷达根据跟踪指令开始跟踪状态并生成跟踪数据，若搜索跟踪成功，数据处理中心根据跟踪数据生成跟踪轨迹信息，若搜索跟踪失败，则第一雷达和/或第二雷达重新搜索目标。

在本发明的具体实施例中，根据跟踪轨迹信息和惯性测量数据进行数据解算得到待跟踪目标的实时球坐标值，包括：

在不同参考系下构建各参考坐标系，参考坐标系包括双雷达地理坐标系和光电跟踪装置基座坐标系；

根据跟踪轨迹信息确定待跟踪目标在双雷达地理坐标系的球坐标值；

基于坐标变换将双雷达地理坐标系的球坐标值转换为光电跟踪装置基座坐标系的实时球坐标值。

在本发明的具体实施例中，各参考坐标系还包括光电跟踪装置地理坐标系，基于坐标变换将雷达地理坐标系的球坐标值转换为光电跟踪装置基座坐标系的实时球坐标值，包括：

根据双雷达地理坐标系的球坐标值得到待跟踪目标在双雷达地理坐标系的直角坐标值；

根据双雷达地理坐标系的直角坐标值得到待跟踪目标在光电跟踪装置地理坐标系的直角坐标值；

根据光电跟踪装置地理坐标系的直角坐标值得到待跟踪目标在光电跟踪装置基座坐标系的直角坐标值；

对光电跟踪装置基座坐标系的直角坐标值进行数据平滑处理和补偿俯仰码盘零位后得到待跟踪目标在光电跟踪装置基座坐标系的球坐标值。

具体地，数据解算过程中，首先需要定义各个参考坐标系，如下：

定义地理坐标系G0，以正北方向、正东方向和地向方向作为坐标轴方向，坐标原点为地心；

定义第一雷达和第二雷达组成的双雷达地理坐标系G1，以正北方向、正东方向和地向方向作为坐标轴方向，坐标原点为第一雷达中心点；

定义光电跟踪装置地理坐标系G2，以正北方向、正东方向和地向方向作为坐标轴方向，坐标原点为伺服转台两轴交点；

定义光电跟踪装置基座坐标系T2，Z轴与伺服转台方位轴平行垂直向下，Y轴平行于伺服转台俯仰轴（伺服转台俯仰角和方位角为0°时），X轴朝向光电跟踪视轴方向，坐标系符合右手定则，原点为伺服转台两轴交点；

定义第一惯性导航装置坐标系A2，以运载体前方舱正前方向、正右方向和正下方向作为坐标轴方向，坐标原点为第一惯性导航装置；

定义第二惯性导航装置坐标系M2，以运载体后方舱正前方向、正右方向和正下方向作为坐标轴方向，坐标原点为第二惯性导航装置；

定义第一惯性导航装置参考坐标系D2，与A2坐标系重合。

实施例以第一雷达引导光电跟踪识别为例，首先根据跟踪轨迹信息确定待跟踪目标在双雷达地理坐标系G1下的球坐标值

其中，

根据双雷达地理坐标系G1下的直角坐标值计算得到待跟踪目标在光电跟踪装置地理坐标系G2下的坐标轴：

其中，

然后根据光电跟踪装置地理坐标系G2下的坐标轴计算待跟踪目标在光电跟踪装置基座坐标系T2下的直角坐标值：

其中，

其中，

然后在T2坐标系下对坐标数据进行数据平滑处理：定义滑窗长度为N（N≥1），当N=1时，数据不做平滑。k时刻为最新的采样时刻，当采样点数k

平滑前k时刻的坐标值为：

平滑后的坐标值为：

其中，

根据平滑后的坐标值进行补偿俯仰码盘零位后计算在光电跟踪装置基座坐标系T2系下的球坐标值：

其中，

在本发明的具体实施例中，光电跟踪装置包括伺服转台、粗跟踪红外相机和精跟踪可见相机，根据实时球坐标值调整光电跟踪装置的角度，对待跟踪目标进行跟踪识别，包括：

伺服转台根据实时球坐标值带动粗跟踪红外相机和精跟踪可见相机转动到实时球坐标值所在位置；

基于粗跟踪红外相机对待跟踪目标进行闭环跟踪；

基于精跟踪可见相机对待跟踪目标进行目标识别。

具体地，伺服转台初始位于零位，即方位角与俯仰角均为0°，根据数据处理中心得到的实时球坐标值

与现有技术相比，本方案的分布式雷达引导光电跟踪识别方法基于本方案的分布式雷达引导光电跟踪识别装置，通过分布式雷达作为引导进行光电跟踪识别，并通过坐标换算、数据平滑处理和补偿俯仰码盘零位等方式得到准确的待跟踪目标的实时球坐标值，实现高精度的目标跟踪识别。

以上，仅为本发明较佳的具体实施方式，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，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。