CN108490446B - 一种光电三坐标搜索跟踪装置及方法 - Google Patents

一种光电三坐标搜索跟踪装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种光电三坐标搜索跟踪装置，所述装置包括：光电探测组件(1)、激光测距组件(2)、伺服机构(3)和处理组件(4)；所述光电探测组件(1)通过切换为搜索或跟踪模式进行目标的搜索或跟踪；所述激光测距组件(2)用于按照处理组件(4)给出的目标角位置，调整俯仰反射镜(12)俯仰角，将激光光束指向该角度，以测定目标的距离；所述光电探测组件(1)和激光测距组件(2)一并安装在伺服机构(3)上；所述伺服机构(3)用于驱动光电探测组件(1)和激光测距组件(2)进行目标搜索跟踪和测距；所述处理组件(4)用于处理光电探测组件(1)获取的图像信息，提取目标角位置信息，并控制激光测距组件(2)对目标测距。

Description

一种光电三坐标搜索跟踪装置及方法
技术领域
本发明属于光电探测和激光测距技术领域，涉及一种利用光电探测设备进行目标搜索或者跟踪、激光测距机对光电搜索发现的目标或者跟踪的目标进行测距，以准确及时测量目标位置，特别涉及一种光电三坐标搜索跟踪装置及方法。
背景技术
小型和超小型无人机使用方便，管控难度大，未经许可容易进入敏感区域，如民航飞机场，对飞机起降安全带来严重隐患。小型和超小型无人机属于典型的飞行高度低、目标特征小、飞行速度慢为特征的“低小慢”目标，而且因飞行高度低，距离地面树木及建筑物近，故背景复杂。
目前，具备对空目标探测的技术手段主要有三种：工作在厘米波及更长波长波段的雷达、工作在毫米波波段的毫米波雷达、工作在可见光和红外波段的光电探测设备。雷达波低仰角跟踪能力差、抗杂波能力低，特别是探测低空小目标能力低；考虑到需要主动发射电磁波，可能对周围电磁环境造成干扰。因此，该类型雷达不适合用于在复杂背景下(如城市区域)探测“低小慢”目标。
光电探测设备为被动工作方式的探测设备，主要是通过接收目标反射光和/或目标红外辐射，来实现目标探测，典型设备有工作在可见光波段的电视摄像机、工作在中波红外和/或长波红外的红外热成像仪，以及通过向目标发射激光来探测和/或测量目标距离的激光雷达和激光测距仪。由于工作在光波波段，波长一般为0.45～1.0μm、3～5μm和8～12μm，波长短，分辨率高，故能有效探测跟踪飞行在复杂背景下的“低小慢”目标，并在跟踪时使用激光测距仪测回目标距离。但受激光测距机激光器发射激光脉冲的能量限制，为实现在较远距离上对小尺寸目标进行测距，激光束散角一般较小，因此，激光测距机一般只能在光电探测设备精确跟踪目标时使用：必须将稳定跟踪目标，使其精确处于光电探测设备的视场中心。但在使用光电探测设备进行大范围目标搜索时，因目标可随机出现在光电探测设备视场中任意位置。因此，光电警戒设备只能获得搜索探测到目标的方位和俯仰角，不具有目标距离测量能力，这在探测“低小慢”目标时，因缺乏目标距离值，不能对目标进行威胁判断，使得光电探测设备搜索效能大幅下降。
综上，如何采取合适的设计和使用方式，使激光测距机能在光电探测设备搜索过程中能准确及时获取光电探测设备探测到的目标的距离值，实现光电三坐标警戒探测，一直是发展搜索类光电探测设备的一项重要研究内容。
发明内容
本发明的目的在于解决目前光电探测设备进行搜索时难以获得被搜索目标距离问题。为此，提出了一种将光电探测设备与激光测距机有机集成的光电三坐标搜跟装置，实现在光电探测设备搜索和跟踪模式下精确获得目标方位、俯仰和距离三维坐标，从而精确及时确定目标的空间位置。
为了实现上述目的，本发明提供了一种光电三坐标搜索跟踪装置及方法，所述装置在两种工作模式下工作：搜索模式和跟踪模式，所述装置包括：光电探测组件1、激光测距组件2、伺服机构3和处理组件4；所述光电探测组件1通过切换为搜索或跟踪模式进行目标的搜索或跟踪；所述激光测距组件2用于按照处理组件4给出的目标俯仰角，确定在俯仰向的激光发射和接收瞄准线的偏移角，将激光发射波束和接收瞄准线指向该角度方向，测定目标的距离；所述光电探测组件1和激光测距组件2一并安装在伺服机构3上；所述伺服机构3用于驱动光电探测组件1和激光测距组件2进行目标搜索跟踪和测距；所述处理组件4用于处理光电探测组件1获取的图像信息，提取目标角位置信息，并控制激光测距组件2对已获得角位置信息的目标测距。
作为上述装置的一种改进，所述激光测距组件2用于测定被光电探测组件1搜索或跟踪目标的距离；所述激光测距组件2包括：激光测距光学窗口8、俯仰反射镜12、激光发射机13、激光接收机14；其中：
所述激光测距光学窗口8是激光测距组件2的保护窗口，所述激光测距光学窗口8的透光波段与激光测距组件2的工作波段一致；
所述俯仰反射镜12能根据处理组件4给出的目标俯仰角，实时调整俯仰反射角度，将激光发射机13发射出的激光光束反射至指定的目标俯仰角，并接收被目标反射回的激光回波反射到激光接收机14，在该装置跟踪模式，跟踪时激光发射波束方向17和跟踪时激光回波接收方向18一般与光电探测组件1的跟踪时反射镜法线方向16平行，确保对光电探测组件1稳定跟踪的目标进行测距；在该装置搜索模式，通过调整俯仰反射镜12俯仰角，能将搜索时激光发射波束方向19和搜索激光接收方向20指向被探测到目标的俯仰角；
所述激光发射机13用于将电能转换为满足测距要求的激光束，包括：激光器、激光器电源和激光发射光学***；其中，激光器电源为激光器提供电能，激光器将电能转换为激光，并将激光传递到激光激光发射光学***，激光发射光学***将激光整束后发射到俯仰反射镜12；
所述激光接收机14用于将目标反射回的激光回波转换为电信号，经处理，获得从激光测距组件2至被测目标的距离，包括：激光回波探测器、激光接收光学***、测距处理电子组件；其中，激光接收光学***汇聚俯仰反射镜12反射回的激光回波，并聚焦到激光探测器，激光探测器将激光回波转为电信号传递到测距处理电子组件，由测距处理电子组件结合激光器发射时间，计算得出目标距离。
作为上述装置的一种改进，所述伺服机构3包括：俯仰组件5和方位组件6；所述俯仰组件5用于承载光电探测组件1和激光测距组件2，并驱动光电探测组件1和激光测距组件2在俯仰向进行跟踪目标，以及确定光电探测组件1在搜索时的俯仰角；所述方位组件6用于承载俯仰组件5，并驱动光电探测组件1进行方位向搜索，以及驱动光电探测组件1和激光测距组件2在方位向进行跟踪目标。
作为上述装置的一种改进，所述装置在扫描搜索过程中会出现光电探测器运动图像模糊，当采用前置反射镜进行图像运动补偿时，所述光电探测组件1包括：光电探测光学窗口7、搜索跟踪切换反射镜9、光学***10和光电探测器11；其中：
所述光电探测光学窗口7是光电探测组件1的保护窗口，所述光电探测光学窗口7的透光波段与光电探测组件1的工作波段一致；所述光电探测光学窗口7与激光测距组件2并列安装在同一侧；
所述搜索跟踪切换反射镜9，用于将透过光电探测光学窗口7的光波反射到光学***10，所述搜索跟踪切换反射镜9包括：反射镜和伺服控制组件；所述伺服控制组件通过调整反射镜的反射角度实现该装置搜索和跟踪模式的切换，通过实时控制搜索跟踪切换反射镜9进行小范围摆动来补偿该装置的光电探测组件1在搜索模式时因快速搜索带来的目标成像在光电探测器11光敏面上的运动，使光电探测器11在积分期间能清晰成像；
所述光学***10，用于汇聚搜索跟踪切换反射镜9反射过来的目标光信号，将其聚焦成像到光电探测器11的光敏面上；
所述光电探测器11用于将光学***10汇聚的目标光信号转换为目标电信号，并将该目标电信号传递到处理组件4进行处理。
作为上述装置的一种改进，所述装置在扫描搜索过程中出现光电探测器运动图像模糊时，当采用后置光学回扫镜进行图像运动补偿时，所述光电探测组件1包括：光学窗口7、搜索跟踪切换反射镜9、光学***10、光学回扫镜21和光电探测器11；
所述光学窗口7是光电探测组件1的保护窗口，所述光学窗口7的透光波段与光电探测组件1的工作波段一致；所述光学窗口7与激光测距组件2并列安装在同一侧；
所述搜索跟踪切换反射镜9，用于将透过光学窗口7的光波反射到光学***10，包括：反射镜和伺服控制组件；所述伺服控制组件通过调整反射镜的反射角度实现该装置搜索和跟踪模式的切换；
所述光学***10，用于汇聚搜索跟踪切换反射镜9反射过来的目标光信号，将其聚焦成像到光电探测器11的光敏面上；
所述光学回扫镜21用于通过自身小范围摆动来补偿光电探测组件1在搜索模式时因快速搜索带来的目标成像在光电探测器11光敏面上运动，使光电探测器11在积分期间能清晰成像；
所述光电探测器11用于将光学***10汇聚的目标光信号转换为目标电信号，并将目标电信号传递到处理组件4进行处理。
作为上述装置的一种改进，所述装置扫描搜索过程中出现光电探测器运动图像模糊时，当采用电子运动补偿方法时，所述光电探测组件1包括：光电探测光学窗口7、搜索跟踪切换反射镜9、光学***10和光电探测器11；
所述光电探测光学窗口7是光电探测组件1的保护窗口，所述光电探测光学窗口7的透光波段与光电探测组件1的工作波段一致；所述光电探测光学窗口7与激光测距组件2安装在同一侧；
所述搜索跟踪切换反射镜9，用于将透过光电探测光学窗口7的光波反射到光学***10，包括：反射镜和伺服控制组件；所述伺服控制组件通过调整反射镜反射角度实现该装置搜索和跟踪模式的切换；
所述光学***10，用于汇聚搜索跟踪切换反射镜9反射过来的目标光信号，将其聚焦成像到光电探测器11的光敏面上；
所述光电探测器11采用具有时间延迟积分功能的CCD摄像机，根据CCD摄像机的电荷读出技术，通过电子运动补偿方法解决该装置在搜索模式时带来的图像运动模糊问题。
作为上述装置的一种改进，所述装置工作模式的切换是通过处理组件4发指令调整搜索跟踪切换反射镜9中的反射角度来实现的，具体实现过程如下：
当搜索跟踪切换反射镜9的搜索时反射镜法线方向15沿扫描搜索方向与跟踪时反射镜法线方向16间的偏转角度为θ时，该装置处于搜索模式；
搜索时反射镜法线方向15的偏离角度方向与该装置的旋转搜索方向相同；偏转角度θ的大小满足：
Figure GDA0002401087770000051
其中，t提为光电探测组件1的提取目标角位置所需的时间，v搜为所述光电探测组件1的方位搜索角速度，ε方为所述光电探测组件1方位向的视场角；
当搜索跟踪切换反射镜9的反射镜法线方向位于跟踪时反射镜法线方向16时，该装置处于跟踪模式，所述激光测距组件2的俯仰反射镜12法线方向平行指向光电探测组件1的成像视场中心23；在光电探测组件1稳定跟踪目标后，目标处于光电探测组件1的成像视场中心23，所述激光测距组件2发射激光光束，测回该目标相对于该装置的直线距离。
作为上述装置的一种改进，所述光电探测组件1的方位搜索角速度为：
v搜＝(1-η)ε方fr
若光电探测组件1的成像视场22为ε方×∈俯，∈俯为俯仰向视场，ε方为方位向视场；若相邻两幅图像在方位向有重叠，则重叠部分与整幅图像之比为重叠率η，fr为所光电探测组件1的成像帧频。
一种光电毫米波三坐标搜索跟踪方法，所述方法具体包括：
步骤1)所述装置的搜索跟踪切换反射镜9的搜索时反射镜法线方向15沿扫描搜索方向与与跟踪时反射镜法线方向16的偏转角度为θ时，该装置工作在搜索模式；
步骤2)所述装置的俯仰组件5驱动光电探测组件1和激光测距组件2到搜索俯仰角β；
步骤3)所述装置的方位组件6驱动俯仰组件5、光电探测组件1和激光测距组件2沿方位向以v搜进行匀速旋转；
步骤4)所述装置的光电探测组件1启动图像运动补偿手段或方法，以帧频fr进行成像探测，将探测到的清晰图像发送到处理组件4处理；
步骤5)所述处理组件4对图像进行处理，自动提取图像中的第一目标24；若在第i幅图像中提取到第一目标24，并测定第一目标24相对于该装置的光电探测组件1的成像视场中心23的方位角为xi和俯仰角为yi，标记为目标相对角位置(xi,yi)；设第i幅图像的成像视场中心23相对于该装置零位向的角位置(αi,β)，则该幅图像中的第一目标24相对于该装置的零位向的角位置是(αi+xi,β+yi)；
步骤6)根据第一目标24的角位置(αi+xi,β+yi)中的俯仰角yi，激光测距组件2在随该装置旋转搜索至目标方位角αi+xi的过程中将俯仰反射镜12的俯仰指向调整至目标俯仰角yi，使搜索时激光发射波束方向19和搜索时激光接收方向20在俯仰向指向目标；根据第一目标24的角位置(αi+xi,β+yi)中的方位角αi+xi，当激光测距组件2的搜索时激光发射波束方向19和搜索时激光接收方向20随该装置旋转搜索至目标方位角αi+xi时，激光测距组件2发射激光光束26，从而使激光光束26照射到第一目标24。激光测距组件2通过测量从发射到从第一目标24返回所需时间ti，从而测回目标距离Ri：
Ri＝cti/2
式中，c为电磁波速度；
步骤7)根据步骤5)和步骤6)，获得第i幅图像中的第一目标24的三维坐标为(αi+xi,β+yi,Ri)；
步骤8)所述装置继续步骤4)至步骤7)，假设在第i+3幅图像中发现的第二目标25的三维坐标为(αi+3+xi+3,β+yi+3,Ri+3)；
步骤9)所述装置重复步骤4)到步骤7)，继续沿搜索俯仰角β进行全方位搜索覆盖；
步骤10)所述装置连续三次以上探测并获得第一目标24和第二目标25的三维坐标，由此获得第一目标24和第二目标25的航速和航向目标航迹信息，实现对第一目标24和第二目标25的跟踪和威胁判断；
步骤11)通过处理组件4将搜索俯仰角β改变为另一搜索俯仰角β′，则装置沿新的搜索俯仰角β′重复步骤3)至步骤10)进行全方位搜索。
作为上述方法的一种改进，所述光电探测组件1的方位搜索角速度v搜为：
v搜＝(1-η)ε方fr
若光电探测组件1的成像视场22为ε方×∈俯，∈俯为俯仰向视场，ε方为方位向视场；若相邻两幅图像在方位向有重叠，则重叠部分与整幅图像之比为重叠率η，fr为所光电探测组件1的成像帧频。
本发明的优点在于：
1、本发明的装置通过光电探测设备搜索目标，确定目标方位俯仰角位置后，快速引导激光测距机向该目标角位置发射激光光束，以测定目标的距离，二者之间时间延迟短，对获得的目标三维坐标测量精度和实时性影响小，从而解决在复杂背景下对“低小慢”目标的搜索警戒难题；
2、本发明的装置在光电探测设备前布置搜跟切换反射镜，调整搜跟切换反射镜在方位向的偏转角度，实现本装置搜索和跟踪模式的切换；同时配置的激光测距组件能在俯仰方向调整测距范围。在搜索模式时，搜跟切换反射镜在方位向偏转一定角度，在本装置快速方位搜索时获取目标清晰图像，经处理提取出目标相对于该装置的方位和俯仰角位置，然后将目标俯仰角度用于调整激光测距组件俯仰反射镜的俯仰角度，当激光测距组件的激光发射和激光接收方向即将划过目标所处方位角时，激光测距组件发射激光并探测目标的激光回波，实现目标距离的测量。通过这种协同工作方式，从而解决光电探测设备在搜索过程中获取目标距离的难题；
3、本发明的装置处于跟踪模式时，光电探测设备实时跟踪目标，激光测距机测量被光电探测设备跟踪的目标距离，从而获得高速率高精度的目标三维坐标数据；
4、本发明的装置在进行搜索时，为解决光电探测器件因快速搜索带来的图像模糊问题，针对光电探测器的特点，提出了两种机械运动补偿方法和一种电子运动补偿方法。其中，第一种机械运动补偿方法是采用搜索跟踪反射镜，在光电探测器积分期间逆装置方位搜索方向回扫，实现运动补偿；第二种机械运动补偿方法是在光电探测器前设置光学回扫镜，该回扫镜在光电探测器积分期间逆装置方位搜索方向回扫，实现运动补偿；电子运动补偿方法是当采用具有时间延迟积分能力的电荷耦合器件(CCD)作为光电探测器时，在CCD上采用电子运动补偿实现运动补偿。通过采取这三种有针对性的措施，确保光电探测组件在搜索过程中能过对目标进行清晰成像。
附图说明
图1为本发明的光电三坐标搜索跟踪装置组成框图；
图2为本发明的光电三坐标搜索跟踪装置外形示意图；
图3(a)为本发明的光电三坐标搜索跟踪装置在搜索模式下由搜索切换反射镜回扫或电子运动补偿实现搜索的顶视图；
图3(b)为图3(a)的侧视剖面图；
图3(c)为图3(a)的前视剖面图；
图4(a)为本发明的光电三坐标搜索跟踪装置在搜索模式下由光学回扫镜回扫实现搜索的顶视图；
图4(b)为图4(a)的侧视剖面图；
图4(c)为图4(a)的前视剖面图；
图5为本发明的光电三坐标搜索跟踪装置在搜索模式下的成像搜索示意图。
附图标识：
1、光电探测组件 2、激光测距组件 3、伺服机构
4、处理组件 5、俯仰组件 6、方位组件
7、光电探测光学窗口 8、激光测距光学窗口 9、搜索跟踪切换反射镜
10、光学*** 11、光电探测器 12、俯仰反射镜
13、激光发射机 14、激光接收机 15、搜索时反射镜法线方向
16、跟踪时反射镜法线方向 17、跟踪时激光发射波束方向
18、跟踪时激光回波接收方向 19、搜索时激光发射波束方向
20、搜索时激光接收方向 21、光学回扫镜
22、成像视场 23、成像视场中心
24、第一目标 25、第二目标 26、激光光束
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的说明。
如图1和图2所示，一种光电三坐标搜索跟踪装置，所述装置具有两种工作模式：搜索模式和跟踪模式，所述装置包括：光电探测组件1、激光测距组件2、伺服机构3和处理组件4；其中，光电探测光学窗口7和激光测距光学窗口8布置在同一侧，光电探测组件1和激光测距组件2并排安装在伺服机构3的俯仰组件5上，然后整体由伺服机构3的方位组件6承载。
所述激光测距组件2用于测定被光电探测组件1搜索或跟踪目标的距离；如图3和图4所示，所述激光测距组件2包括：激光测距光学窗口8、俯仰反射镜12、激光发射机13、激光接收机14；其中：
所述激光测距光学窗口8是激光测距组件2的保护窗口，所述激光测距光学窗口8的透光波段与激光测距组件2的工作波段一致；
所述俯仰反射镜12能根据处理组件4给出的目标俯仰角，实时调整俯仰反射角度，将激光发射机13发射出的激光光束反射至指定的目标俯仰角，并接收被目标反射回的激光回波反射到激光接收机14，如图3(b)、图3(c)和图4(b)、图4(c)所示，在该装置跟踪模式，跟踪时激光发射波束方向17和跟踪时激光回波接收方向18一般与光电探测组件1的跟踪时反射镜法线方向16平行，确保对光电探测组件1稳定跟踪的目标进行测距；在该装置搜索模式，通过调整俯仰反射镜12俯仰角，能将搜索时激光发射波束方向19和搜索激光接收方向20指向被探测到目标的俯仰角；
所述激光发射机13用于将电能转换为满足测距要求的激光束，一般包含激光器、激光器电源和激光发射光学***；其中，激光器电源为激光器提供电能，激光器将电能转换为激光，并将激光传递到激光激光发射光学***，激光发射光学***将激光整束后发射到俯仰反射镜12；
所述激光接收机14用于将目标反射回的激光回波转换为电信号，经处理，获得从激光测距组件2至被测目标的距离，包括：激光回波探测器、激光接收光学***、测距处理电子组件；其中，激光接收光学***汇聚俯仰反射镜12反射回的激光回波，并聚焦到激光探测器，激光探测器将激光回波转为电信号传递到测距处理电子组件，由测距处理电子组件结合激光器发射时间，计算得出目标距离。
所述伺服机构3用于驱动光电探测组件1和激光测距组件2进行搜索或跟踪目标，并测定目标距离和/或径向速度；所述伺服机构3包括：俯仰组件5和方位组件6；其中：
所述方位组件6承载俯仰组件5及光电探测组件1和激光测距组件2，在搜索模式下，驱动光电探测组件1沿方位向进行搜索，以及在跟踪模式下驱动光电探测组件1和激光测距组件2在方位向进行跟踪目标；
所述俯仰组件5承载光电探测组件1和激光测距组件2，在跟踪模式下，驱动光电探测组件1和激光测距组件2在俯仰向进行跟踪目标，以及在搜索模式下将光电探测组件1指向到指定的俯仰角；
所述处理组件4用于控制装置搜索和跟踪模式切换；显示、处理光电探测组件1获取的图像信息，提取目标角位置信息；控制激光测距组件2对已获得角位置信息的目标进行测距。
所述装置处于搜索模式时，装置在伺服机构3的驱动下，沿方位方向连续旋转，实现全方位区域的警戒搜索，通过伺服机构3可调整装置在俯仰方向上的扫描搜索角度，进而实现对整个空域的警戒搜索。在搜索过程中，使用光电探测组件1不停地对扫描搜索过的区域进行成像探测，探测图像经处理组件4进行处理后，发现目标并提取出目标的方位、俯仰的二维角位置信息。同时，处理组件4利用该信息，控制激光测距组件2向该目标发射激光，测量该目标的距离，从而获得目标的三维坐标信息。当装置每扫描搜索到该目标一次，就获得一次该目标的三维坐标信息。如果连续至少三次搜索到该目标，则经处理组件4处理后给出目标精确的航迹。
所述装置处于跟踪模式时，装置将一直指向目标。在跟踪过程中，装置利用光电探测组件1持续不间断的跟踪锁定指定目标，使目标始终处于光电探测组件1的成像视场中心23，光电探测组件1实时给出目标的角位置，激光测距组件2测定该目标的距离，从而实时给出目标的三维坐标信息。
所述光电探测组件1是采用光电探测器11来搜索或跟踪目标，获取目标视频图像信息后送到处理组件4处理，经处理组件4对图像信息进行处理，获得目标方位和俯仰角。当光电探测组件1在方位方向上快速扫描搜索时，因光电探测器11在探测目标时，需要一段时间对接受到的光波信号进行积分，在积分期间，目标在光电探测器11光敏面上的成像将产生移动，从而使光电探测器11获取的图像模糊，严重影响光电探测器11获取的图像质量。因此，当光电探测组件1进行快速扫描搜索时，必须采取图像运动补偿措施，使光电探测器11在积分期间，成像在光电探测器11光敏面的目标和背景像不产生移动，从而使光电探测器11获取到清晰不模糊的图像。根据可采用的图像运动补偿方式，光电探测组件1的组成可采用不同的技术方案。
在本发明中，给出了三种可解决所述装置在扫描搜索过程中光电探测器11运动图像模糊的图像运动补偿方案：前置反射镜运动补偿方法和后置光学回扫镜方法两种机械补偿方案，和一种电子运动补偿方法。
(1)如图3(a)所示，当采用前置反射镜运动补偿方法，所述光电探测组件1包括：光电探测光学窗口7、搜索跟踪切换反射镜9、光学***10和光电探测器11；其中：
所述光电探测光学窗口7是光电探测组件1的保护窗口，透光波段与光电探测组件1的工作波段一致；光电探测光学窗口7与激光测距组件2安装在同一侧；
所述搜索跟踪切换反射镜9，用于将透过光电探测光学窗口7的光波反射到光学***10，包括：反射镜，伺服控制组件；伺服控制组件通过调整反射镜反射角度实现该装置搜索和跟踪模式的切换，通过实时控制搜索跟踪切换反射镜9进行小范围摆动来补偿该装置的光电探测组件1在搜索模式时因快速搜索带来的目标成像在光电探测器11光敏面上运动，使光电探测器11在积分期间能清晰成像；
所述光学***10，用于汇聚搜索跟踪切换反射镜9反射过来的目标光信号，将其聚焦成像到光电探测器11的光敏面上；
所述光电探测器11，用于将光学***10汇聚的目标光信号转换为目标电信号，并将目标电信号传递到处理组件4进行处理。
(2)如图4(a)所示，当采用后置光学回扫镜方法，所述光电探测组件1包括：光电探测光学窗口7、搜索跟踪切换反射镜9、光学***10、光学回扫镜21和光电探测器11；
光电探测光学窗口7、搜索跟踪切换反射镜9、光学***10、光电探测器11与前述的前置反射镜运动补偿方法中描述的主要功能相同，不同在于调整了搜索跟踪切换反射镜9的控制和用途，使搜索跟踪切换反射镜9只用于装置的搜索模式和跟踪模式的切换。装置的光电探测组件1在搜索模式时的运动补偿由实时控制搜跟切换反射镜8进行小范围摆动，改为搜索跟踪切换反射镜9不摆动，而是由控制光学回扫镜21进行小范围摆动来补偿该装置的光电探测组件1在搜索模式时因快速搜索带来的目标成像在光电探测器11光敏面上运动来实现。
(3)电子运动补偿方法
根据光电探测组件1的工作波段，光电探测器11可作不同的选择。一般地，光电探测组件1工作在可见光和近红外波段时，光电探测器11可采用CCD或CMOS摄像机；光电探测组件1工作在中波或长波红外波段时，光电探测器11可采用敏感中波或长波红外的红外面阵焦平面探测器，而且，红外面阵焦平面探测器一般采用CMOS方式的读出电路。如果光电探测组件1工作在可见光和近红外波段时，光电探测器11采用的是CCD摄像机，则可选择具有时间延迟积分(TDI)功能的CCD摄像机。根据CCD摄像机特有的电荷读出技术，设计采用TDI技术，通过电子运动补偿方法来解决该装置在搜索模式时带来的图像运动模糊问题。
采用该电子运动补偿方法时，如图3(a)所示，所述光电探测组件1的组成与采用前置反射镜运动补偿方法的光电探测组件1相似，不同之处在于搜跟切换反射镜8只承担完成装置搜索模式和跟踪模式的切换，不承担搜索时的图像运动补偿。图像运动补偿则由CCD摄像机的集成的电子运动补偿措施完成。
所述光电三坐标搜索跟踪装置工作模式的调整是由处理组件4发指令来调整搜跟切换反射镜8中的反射角度来实现的，具体实现方法如下：
(1)搜索模式。如图3(a)和图4(a)所示，当搜索跟踪切换反射镜9的搜索时反射镜法线方向15与跟踪时反射镜法线方向16相差一定偏转角度θ时，该装置处于搜索模式；
(2)跟踪模式。当搜索跟踪切换反射镜9的反射镜法线方向位于跟踪时反射镜法线方向16时，该装置处于跟踪模式。该模式下，激光测距组件2的跟踪时激光发射波束方向17和跟踪时激光回波接收方向18平行指向光电探测组件1的成像视场中心23，在光电探测组件1将目标稳定跟踪后，目标处于光电探测组件1的视场中心23，激光测距组件2发射激光，测回该目标相对于该装置的直线距离。
当该装置处于搜索模式时，该装置的工作状态参数由以下方式确定：
(1)从获取目标角位置至获取距离时的时间延迟t延；
该装置在搜索模式时，先由光电探测组件1获取目标的方位和俯仰角，即目标的角位置，然后，激光测距组件2在等待装置旋转到目标方位角过程中，调整俯仰反射镜12的俯仰角指向至目标的俯仰角，当装置旋转到目标方位角时，向该目标发射激光光束测距来获得目标的距离值，这之间的时间延迟t延反应了该装置获取目标三维坐标的实时性。光电探测组件1获取目标角位置所需时间取决于光电探测组件1的处理组件4处理获取的图像、提取并测定目标方位和高低角所需的时间t提；该装置旋转角度达到目标的方位角后，触发激光测距组件2发射激光光束开始测距，该装置旋转到达目标的方位角所需时间为t转；激光测距组件2获取目标距离所需时间取决于处理组件4发出控制激光测距组件2进行测距，按指定方位和高低角发射激光光束进行测距时所需时间t测，由于激光测距组件2从触发激光发射机13起，至激光接收机14接收激光回波并处理得到目标距离的时间很短，因此，t测可以忽略不计。
因此，时间延迟t延为：
t延＝t提+t转 (1)
其中，该装置旋转到达目标的方位角时间t转，与目标可能在光电探测组件1的视场位置直接相关。t转的最大值是当目标位于光电探测组件1视场中最大偏值，该值为方位向的视场角ε方，若该装置搜索角速度为v搜，则：
Figure GDA0002401087770000121
(2)搜索跟踪切换反射镜9在方位方向的偏转角度θ；
搜索时反射镜法线方向15的偏离角度方向与该装置的旋转搜索方向相同；偏转角度θ的大小取决于光电探测组件1的目标角位置所需的时间t提、装置的方位搜索角速度v搜；同时，因在跟踪模式下激光测距组件2发出的激光光束26照向光电探测组件1的成像视场中心23，为保证在光电探测组件1提取到目标角位置时，激光测距组件2的激光光束26刚好扫到可能处在光电探测组件1的视场方位边缘角的目标，故还应加上光电探测组件1的半个视场角，即为：
Figure GDA0002401087770000122
(3)回扫速度v回；
该装置处于搜索模式下，如图3(a)所示，该装置以速度v搜进行方位搜索扫描，在光电探测器11积分期间，搜索跟踪切换反射镜9中的伺服控制组件控制搜索跟踪切换反射镜9中的反射镜以与该装置搜索方向相反的方向进行回扫；如图4(a)所示，该装置以速度v搜进行方位搜索扫描，在光电探测器11积分期间，光学回扫镜21以与该装置搜索方向相反的方向进行回扫。搜索跟踪切换反射镜9或光学回扫镜21的回扫速度v回大小为方位搜索角速度v搜的二分之一，即：
v回＝-v搜/2 (4)
当光电探测器11积分结束后读出成像数据期间，搜跟切换反射镜8中的伺服控制组件控制搜索跟踪切换反射镜9中的反射镜或光学回扫镜21返回回扫前的状态，等到光电探测器11再次积分时，搜索跟踪切换反射镜9或光学回扫镜21重复上述工作状态。
(4)光电探测组件1搜索角速度v搜；
如图5所示，光电探测组件1的成像视场22为ε方×∈俯，为使该装置在方位向搜索不漏扫，相邻两幅图像在方位向有一定的重叠，重叠部分与整幅图像之比为重叠率η，光电探测组件1搜索形成的每一幅图像的有效视场角为：
ε’方＝(1-η)ε方 (5)
光电探测组件1完成360°全方位需要的成像幅数κ为：
κ＝2π/((1-η)ε方) (6)
光电探测组件1的成像帧频为fr，完成全方位搜索所需时间T’为：
T′＝κ/f＝2π/((1-η)ε方fr) (7)
另外，装置以方位搜索角速度v搜匀速旋转，完成360°全方位搜索时间T为：
T＝2π/v搜 (8)
为便于图像处理和目标提取，可使光电探测组件1在当前圈上获取图像的方位角位置与上一圈获取图像的角位置相同，则要求T＝T′，因此，装置的方位搜索角速度v搜确定为：
v搜＝(1-η)ε方fr (9)
(5)方位角δ延a、俯仰角偏差δ延p和在径向方向的距离偏差ΔR；
设目标在相对于该装置的方位和俯仰方向的速度分量分别为v延a和v延p，相对于该装置的径向方向为v延z，设定该装置探测目标的距离为R，则在时间延迟t延期间，目标因运动而在方位、俯仰角方向产生的偏差δ延a、δ延p和在径向方向产生距离偏差ΔR为：
δ延a＝atan(v延a·t延/R)
δ延p＝atan(v延p·t延/R) (10)
ΔR＝v延z·t延
(6)激光测距组件2的激光光束的束散角δm；
δm≥3δG+δ延 (11)
式中，δG为光电探测装置1测量目标方位角误差；δ延是该装置探测目标时所允许的最近距离R时，因目标运动产生的偏差。
(7)激光测距组件2的俯仰反射镜12俯仰调节范围σ；
激光测距组件2在俯仰向按照光电探测组件1给出的目标俯仰角控制发射激光光束，因激光测距组件2的跟踪时激光发射波束方向17和跟踪时激光回波接收方向18指向光电探测组件1俯仰视场中间，则要求俯仰调节范围σ不小于光电探测组件1的俯仰视场∈俯/2，即：
σ≥∈俯/2 (12)
示例：光电探测组件1的光电探测器11采用制冷型中波红外焦平面，该焦平面器件的像元数为640×512，帧频fr＝100Hz，光电探测器11的视场取ε方×∈俯＝3°×4°。选择将焦平面器件的640像元作为俯仰方向，是为了提高所述装置搜索时在俯仰方向上的覆盖范围。
装置搜索时，光电探测组件1获取的图像与下一幅图像之间的重叠率η＝10％，根据公式(9)，则方位搜索角速度v搜为：
v搜＝100×(1-0.1)×3°＝270°/s
提取并测定目标方位和高低角所需的时间t提与处理组件4的处理能力直接相关。按照目前的技术水平，处理组件4完全能在光电探测器11完成下一幅图像输出到处理组件4前完成，因此，可取t提＝1/fr＝0.01s。
由公式(2)当该装置旋转经过目标的方位角时间t转的最大值t转大为：
Figure GDA0002401087770000141
根据公式(1)，从获取目标角位置至获取距离时的时间延迟t延＝0.015s。
中小型无人机的飞行速度较慢，例如使用电池为动力的四旋翼无人机的飞行速度一般在每小时数十千米，采用小型内燃机为动力中小型固定翼无人机飞行速度较快，一般在每小时飞行100～300千米左右。以中小型固定翼无人机为例，假设无人机飞行速度为＝200km/h，考虑两种极限情况下，根据公式(10)，时间延迟t延对获取目标三维坐标的影响：
(a)无人机迎头飞行该装置，此时时间延迟t延引起的目标距离测量误差ΔR最大，为：
ΔR＝v×t延＝200km/h×0.015s＝0.8m
(b)无人机飞行方向为该装置搜索的切线方向，假设无人机与该装置之间的距离R＝1km，此时时间延迟t延引起的目标方位角误差δ延a最大，为：
δ延a＝atan(v/R×t延)＝atan(200km/h×0.015s/1km)≈0.046°
上述计算是基于比较极限情况下得到的。可见因从获取目标角位置至获取距离时的时间延迟t延而产生的测量误差较小，故能保证对目标的高精度探测。
根据公式(3)，搜索跟踪切换反射镜9在方位方向的偏转角度θ为：
θ＝0.01s×270°/s+3°/2＝4.2°
如图5所示，所述光电三坐标搜索跟踪装置在搜索模式下实现目标搜索和获取目标的方位、俯仰和距离三维坐标值的步骤如下：
步骤1)所述装置的搜索跟踪切换反射镜9的搜索时反射镜法线方向15与跟踪时反射镜法线方向16的偏转角度为θ，使该装置工作在搜索模式；
步骤2)所述装置的俯仰组件5驱动光电探测组件1和激光测距组件2到搜索俯仰角β；
步骤3)所述装置的方位组件6驱动俯仰组件5、光电探测组件1和激光测距组件2沿方位向以v搜进行匀速旋转；
步骤4)所述装置的光电探测组件1启动图像运动补偿手段或方法，以帧频fr进行成像探测，将探测到的清晰图像发送到处理组件4处理；
步骤5)处理组件4对图像进行处理，自动提取图像中的第一目标24；假设在第i幅图像中提取到第一目标24，并测定第一目标24相对于该装置的光电探测组件1的成像视场中心23的方位角为xi和俯仰角为yi，标记为目标相对角位置(xi,yi)。设第i幅图像的成像视场中心23相对于该装置零位向的角位置(αi,β)，则该幅图像中的第一目标24相对于该装置的零位向的角位置是(αi+xi,β+yi)；
步骤6)根据第一目标24的角位置(αi+xi,β+yi)中的俯仰角yi，激光测距组件2在随该装置旋转搜索至目标方位角αi+xi的过程中将俯仰反射镜12的俯仰指向调整至目标俯仰角yi，使搜索时激光发射波束方向19和搜索时激光接收方向20在俯仰向指向目标；根据第一目标24的角位置(αi+xi,β+yi)中的方位角αi+xi，当激光测距组件2的搜索时激光发射波束方向19和搜索时激光接收方向20随该装置旋转搜索至目标方位角αi+xi时，激光测距组件2发射激光光束26，从而使激光光束26照射到第一目标24。激光测距组件2通过测量从发射到从第一目标24返回所需时间ti，从而测回目标距离Ri：
Ri＝cti/2 (13)
式中，c为电磁波速度；
步骤7)根据步骤5)和步骤6)，获得第i幅图像中的第一目标24三维坐标为(αi+xi,β+yi,Ri)；
步骤8)所述装置继续步骤4)至步骤7)，假设在第i+3幅图像中发现的第二20的三维坐标为(αi+3+xi+3,β+yi+3,Ri+3)；
步骤9)所述装置重复步骤4)到步骤7)，继续沿搜索俯仰角β进行全方位搜索覆盖；
步骤10)所述装置连续三次以上探测并获得第一目标24和第二目标25的三维坐标，采用通用的数学处理方法，即可获得第一目标24和第二目标25的航速、航向等目标航迹信息，实现对第一目标24和第二目标25的跟踪和威胁判断；
步骤11)通过处理组件4将搜索俯仰角β改变为另一搜索俯仰角β′，则装置沿新的搜索俯仰角β′重复步骤3)至步骤7)进行全方位搜索。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (18)

1.一种光电三坐标搜索跟踪装置，所述装置在两种工作模式下工作：搜索模式和跟踪模式，其特征在于，所述装置包括：光电探测组件(1)、激光测距组件(2)、伺服机构(3)和处理组件(4)；所述光电探测组件(1)通过切换为搜索或跟踪模式进行目标的搜索或跟踪；所述激光测距组件(2)用于按照处理组件(4)给出的目标角位置，调整俯仰反射镜(12)俯仰角，将激光光束指向目标角度方向，以测定目标的距离；所述光电探测组件(1)和激光测距组件(2)一并安装在伺服机构(3)上；所述伺服机构(3)用于驱动光电探测组件(1)和激光测距组件(2)进行目标搜索跟踪和测距；所述处理组件(4)用于处理光电探测组件(1)获取的图像信息，提取目标角位置信息，并控制激光测距组件(2)对已获得角位置信息的目标测距；
所述装置在扫描搜索过程中会出现光电探测器运动图像模糊，当采用前置反射镜进行图像运动补偿时，所述光电探测组件(1)包括：光电探测光学窗口(7)、搜索跟踪切换反射镜(9)、光学***(10)和光电探测器(11)；其中：
所述光电探测光学窗口(7)是光电探测组件(1)的保护窗口，所述光电探测光学窗口(7)的透光波段与光电探测组件(1)的工作波段一致；所述光电探测光学窗口(7)与激光测距光学窗口(8)并列安装在同一侧；
所述搜索跟踪切换反射镜(9)，用于将透过光电探测光学窗口(7)的光波反射到光学***(10)，所述搜索跟踪切换反射镜(9)包括：反射镜和伺服控制组件；所述伺服控制组件通过调整反射镜的反射角度实现该装置搜索和跟踪模式的切换，通过实时控制搜索跟踪切换反射镜(9)进行小范围摆动来补偿该装置的光电探测组件(1)在搜索模式时因快速搜索带来的目标成像在光电探测器(11)光敏面上的运动，使光电探测器(11)在积分期间能清晰成像；
所述光学***(10)，用于汇聚搜索跟踪切换反射镜(9)反射过来的目标光信号，将其聚焦成像到光电探测器(11)的光敏面上；
所述光电探测器(11)用于将光学***(10)汇聚的目标光信号转换为目标电信号，并将该目标电信号传递到处理组件(4)进行处理；
所述装置工作模式的切换是通过处理组件(4)发指令调整搜索跟踪切换反射镜(9)中的反射角度来实现的，具体实现过程如下：
当搜索跟踪切换反射镜(9)的搜索时反射镜法线方向(15)沿扫描搜索方向与跟踪时反射镜法线方向(16)相差偏转角度θ时，该装置处于搜索模式；
搜索时反射镜法线方向(15)的偏离角度方向与该装置的旋转搜索方向相同；偏转角度θ的大小满足：
Figure FDA0002672097620000021
其中，t提为光电探测组件(1)的提取目标角位置所需的时间，v搜为所述光电探测组件(1)的方位搜索角速度，ε方为方位向视场角；
当搜索跟踪切换反射镜(9)的反射镜法线方向位于跟踪时反射镜法线方向(16)时，该装置处于跟踪模式，所述激光测距组件(2)的俯仰反射镜(12)法线方向平行指向光电探测组件(1)的成像视场中心(23)；在光电探测组件(1)稳定跟踪目标后，目标处于光电探测组件(1)的成像视场中心(23)，所述激光测距组件(2)发射激光光束，测回该目标相对于该装置的直线距离。
2.根据权利要求1所述的光电三坐标搜索跟踪装置，其特征在于，所述激光测距组件(2)能够在俯仰向调整激光光束发射和激光回波接收方向，所述激光测距组件(2)包括：激光测距光学窗口(8)、俯仰反射镜(12)、激光发射机(13)、激光接收机(14)；其中：
所述激光测距光学窗口(8)是激光测距组件(2)的保护窗口，所述激光测距光学窗口(8)的透光波段与激光测距组件(2)的工作波段一致；
所述俯仰反射镜(12)用于根据处理组件(4)给出的目标俯仰角，实时调整俯仰反射角度，将激光发射机(13)发射出的激光光束反射至指定的目标俯仰角，并接收被目标反射回的激光回波反射到激光接收机(14)；
所述激光发射机(13)用于将电能转换为满足测距要求的激光束，所述激光发射机(13)包括：激光器、激光器电源和激光发射光学***；其中，所述激光器电源为激光器提供电能，所述激光器将电能转换为激光，并将激光传递到激光发射光学***，所述激光发射光学***将激光整束后发射到俯仰反射镜(12)；
所述激光接收机(14)用于将目标反射回的激光回波转换为电信号，处理后获得从激光测距组件(2)至被测目标的距离，所述激光接收机(14)包括：激光探测器、激光接收光学***和测距处理电子组件；其中，激光接收光学***汇聚俯仰反射镜(12)反射回的激光回波，并聚焦到激光探测器，所述激光探测器将激光回波转为电信号传递到测距处理电子组件，由测距处理电子组件结合激光器发射时间，计算得出目标距离。
3.根据权利要求1所述的光电三坐标搜索跟踪装置，其特征在于，所述伺服机构(3)包括：俯仰组件(5)和方位组件(6)；所述俯仰组件(5)用于承载光电探测组件(1)和激光测距组件(2)，并驱动光电探测组件(1)和激光测距组件(2)在俯仰向进行跟踪目标，以及确定光电探测组件(1)在搜索时的俯仰角；所述方位组件(6)用于承载俯仰组件(5)，并驱动光电探测组件(1)和激光测距组件(2)进行方位向搜索，以及驱动光电探测组件(1)和激光测距组件(2)在方位向进行跟踪目标。
4.根据权利要求1所述的光电三坐标搜索跟踪装置，其特征在于，所述光电探测组件(1)的方位搜索角速度为：
v搜＝(1-η)ε方fr
若光电探测组件(1)的成像视场(22)为ε方×∈俯，∈俯为俯仰向视场角，ε方为方位向视场角；若相邻两幅图像在方位向有重叠，则重叠部分与整幅图像之比为重叠率η，fr为所光电探测组件(1)的成像帧频。
5.一种光电三坐标搜索跟踪装置，其特征在于，一种光电三坐标搜索跟踪装置，所述装置在两种工作模式下工作：搜索模式和跟踪模式，其特征在于，所述装置包括：光电探测组件(1)、激光测距组件(2)、伺服机构(3)和处理组件(4)；所述光电探测组件(1)通过切换为搜索或跟踪模式进行目标的搜索或跟踪；所述激光测距组件(2)用于按照处理组件(4)给出的目标角位置，调整俯仰反射镜(12)俯仰角，将激光光束指向目标角度方向，以测定目标的距离；所述光电探测组件(1)和激光测距组件(2)一并安装在伺服机构(3)上；所述伺服机构(3)用于驱动光电探测组件(1)和激光测距组件(2)进行目标搜索跟踪和测距；所述处理组件(4)用于处理光电探测组件(1)获取的图像信息，提取目标角位置信息，并控制激光测距组件(2)对已获得角位置信息的目标测距；
所述装置在扫描搜索过程中出现光电探测器运动图像模糊时，当采用后置光学回扫镜进行图像运动补偿时，所述光电探测组件(1)包括：光电探测光学窗口(7)、搜索跟踪切换反射镜(9)、光学***(10)、光学回扫镜(21)和光电探测器(11)；
所述光电探测光学窗口(7)是光电探测组件(1)的保护窗口，所述光电探测光学窗口(7)的透光波段与光电探测组件(1)的工作波段一致；所述光电探测光学窗口(7)与激光测距光学窗口(8)并列安装在同一侧；
所述搜索跟踪切换反射镜(9)，用于将透过光电探测光学窗口(7)的光波反射到光学***(10)，包括：反射镜和伺服控制组件；所述伺服控制组件通过调整反射镜的反射角度实现该装置搜索和跟踪模式的切换；
所述光学***(10)，用于汇聚搜索跟踪切换反射镜(9)反射过来的目标光信号，将其聚焦成像到光电探测器(11)的光敏面上；
所述光学回扫镜(21)用于通过自身小范围摆动来补偿光电探测组件(1)在搜索模式时因快速搜索带来的目标成像在光电探测器11光敏面上运动，使光电探测器(11)在积分期间能清晰成像；
所述光电探测器(11)用于将光学***(10)汇聚的目标光信号转换为目标电信号，并将目标电信号传递到处理组件(4)进行处理；
所述装置工作模式的切换是通过处理组件(4)发指令调整搜索跟踪切换反射镜(9)中的反射角度来实现的，具体实现过程如下：
当搜索跟踪切换反射镜(9)的搜索时反射镜法线方向(15)沿扫描搜索方向与跟踪时反射镜法线方向(16)相差偏转角度θ时，该装置处于搜索模式；
搜索时反射镜法线方向(15)的偏离角度方向与该装置的旋转搜索方向相同；偏转角度θ的大小满足：
Figure FDA0002672097620000041
其中，t提为光电探测组件(1)的提取目标角位置所需的时间，v搜为所述光电探测组件(1)的方位搜索角速度，ε方为方位向视场角；
当搜索跟踪切换反射镜(9)的反射镜法线方向位于跟踪时反射镜法线方向(16)时，该装置处于跟踪模式，所述激光测距组件(2)的俯仰反射镜(12)法线方向平行指向光电探测组件(1)的成像视场中心(23)；在光电探测组件(1)稳定跟踪目标后，目标处于光电探测组件(1)的成像视场中心(23)，所述激光测距组件(2)发射激光光束，测回该目标相对于该装置的直线距离。
6.根据权利要求5所述的光电三坐标搜索跟踪装置，其特征在于，所述激光测距组件(2)能够在俯仰向调整激光光束发射和激光回波接收方向，所述激光测距组件(2)包括：激光测距光学窗口(8)、俯仰反射镜(12)、激光发射机(13)、激光接收机(14)；其中：
所述激光测距光学窗口(8)是激光测距组件(2)的保护窗口，所述激光测距光学窗口(8)的透光波段与激光测距组件(2)的工作波段一致；
所述俯仰反射镜(12)用于根据处理组件(4)给出的目标俯仰角，实时调整俯仰反射角度，将激光发射机(13)发射出的激光光束反射至指定的目标俯仰角，并接收被目标反射回的激光回波反射到激光接收机(14)；
所述激光发射机(13)用于将电能转换为满足测距要求的激光束，所述激光发射机(13)包括：激光器、激光器电源和激光发射光学***；其中，所述激光器电源为激光器提供电能，所述激光器将电能转换为激光，并将激光传递到激光发射光学***，所述激光发射光学***将激光整束后发射到俯仰反射镜(12)；
所述激光接收机(14)用于将目标反射回的激光回波转换为电信号，处理后获得从激光测距组件(2)至被测目标的距离，所述激光接收机(14)包括：激光探测器、激光接收光学***和测距处理电子组件；其中，激光接收光学***汇聚俯仰反射镜(12)反射回的激光回波，并聚焦到激光探测器，所述激光探测器将激光回波转为电信号传递到测距处理电子组件，由测距处理电子组件结合激光器发射时间，计算得出目标距离。
7.根据权利要求5所述的光电三坐标搜索跟踪装置，其特征在于，所述伺服机构(3)包括：俯仰组件(5)和方位组件(6)；所述俯仰组件(5)用于承载光电探测组件(1)和激光测距组件(2)，并驱动光电探测组件(1)和激光测距组件(2)在俯仰向进行跟踪目标，以及确定光电探测组件(1)在搜索时的俯仰角；所述方位组件(6)用于承载俯仰组件(5)，并驱动光电探测组件(1)和激光测距组件(2)进行方位向搜索，以及驱动光电探测组件(1)和激光测距组件(2)在方位向进行跟踪目标。
8.根据权利要求5所述的光电三坐标搜索跟踪装置，其特征在于，所述光电探测组件(1)的方位搜索角速度为：
v搜＝(1-η)ε方fr
若光电探测组件(1)的成像视场(22)为ε方×∈俯，∈俯为俯仰向视场角，ε方为方位向视场角；若相邻两幅图像在方位向有重叠，则重叠部分与整幅图像之比为重叠率η，fr为所光电探测组件(1)的成像帧频。
9.一种光电三坐标搜索跟踪装置，所述装置在两种工作模式下工作：搜索模式和跟踪模式，其特征在于，所述装置包括：光电探测组件(1)、激光测距组件(2)、伺服机构(3)和处理组件(4)；所述光电探测组件(1)通过切换为搜索或跟踪模式进行目标的搜索或跟踪；所述激光测距组件(2)用于按照处理组件(4)给出的目标角位置，调整俯仰反射镜(12)俯仰角，将激光光束指向目标角度方向，以测定目标的距离；所述光电探测组件(1)和激光测距组件(2)一并安装在伺服机构(3)上；所述伺服机构(3)用于驱动光电探测组件(1)和激光测距组件(2)进行目标搜索跟踪和测距；所述处理组件(4)用于处理光电探测组件(1)获取的图像信息，提取目标角位置信息，并控制激光测距组件(2)对已获得角位置信息的目标测距；
所述装置扫描搜索过程中出现光电探测器运动图像模糊时，当采用电子运动补偿方法时，所述光电探测组件(1)包括：光电探测光学窗口(7)、搜索跟踪切换反射镜(9)、光学***(10)和光电探测器(11)；
所述光电探测光学窗口(7)是光电探测组件(1)的保护窗口，所述光电探测光学窗口(7)的透光波段与光电探测组件(1)的工作波段一致；所述光电探测光学窗口(7)与激光测距光学窗口(8)安装在同一侧；
所述搜索跟踪切换反射镜(9)，用于将透过光电探测光学窗口(7)的光波反射到光学***(10)，包括：反射镜和伺服控制组件；所述伺服控制组件通过调整反射镜反射角度实现该装置搜索和跟踪模式的切换；
所述光学***(10)，用于汇聚搜索跟踪切换反射镜(9)反射过来的目标光信号，将其聚焦成像到光电探测器(11)的光敏面上；
所述光电探测器(11)采用具有时间延迟积分功能的CCD摄像机，根据CCD摄像机的电荷读出技术，通过电子运动补偿方法解决该装置在搜索模式时带来的图像运动模糊问题；
所述装置工作模式的切换是通过处理组件(4)发指令调整搜索跟踪切换反射镜(9)中的反射角度来实现的，具体实现过程如下：
当搜索跟踪切换反射镜(9)的搜索时反射镜法线方向(15)沿扫描搜索方向与跟踪时反射镜法线方向(16)相差偏转角度θ时，该装置处于搜索模式；
搜索时反射镜法线方向(15)的偏离角度方向与该装置的旋转搜索方向相同；偏转角度θ的大小满足：
Figure FDA0002672097620000061
其中，t提为光电探测组件(1)的提取目标角位置所需的时间，v搜为所述光电探测组件(1)的方位搜索角速度，ε方为方位向视场角；
当搜索跟踪切换反射镜(9)的反射镜法线方向位于跟踪时反射镜法线方向(16)时，该装置处于跟踪模式，所述激光测距组件(2)的俯仰反射镜(12)法线方向平行指向光电探测组件(1)的成像视场中心(23)；在光电探测组件(1) 稳定跟踪目标后，目标处于光电探测组件(1)的成像视场中心(23)，所述激光测距组件(2)发射激光光束，测回该目标相对于该装置的直线距离。
10.根据权利要求9所述的光电三坐标搜索跟踪装置，其特征在于，所述激光测距组件(2)能够在俯仰向调整激光光束发射和激光回波接收方向，所述激光测距组件(2)包括：激光测距光学窗口(8)、俯仰反射镜(12)、激光发射机(13)、激光接收机(14)；其中：
所述激光测距光学窗口(8)是激光测距组件(2)的保护窗口，所述激光测距光学窗口(8)的透光波段与激光测距组件(2)的工作波段一致；
所述俯仰反射镜(12)用于根据处理组件(4)给出的目标俯仰角，实时调整俯仰反射角度，将激光发射机(13)发射出的激光光束反射至指定的目标俯仰角，并接收被目标反射回的激光回波反射到激光接收机(14)；
所述激光发射机(13)用于将电能转换为满足测距要求的激光束，所述激光发射机(13)包括：激光器、激光器电源和激光发射光学***；其中，所述激光器电源为激光器提供电能，所述激光器将电能转换为激光，并将激光传递到激光发射光学***，所述激光发射光学***将激光整束后发射到俯仰反射镜(12)；
所述激光接收机(14)用于将目标反射回的激光回波转换为电信号，处理后获得从激光测距组件(2)至被测目标的距离，所述激光接收机(14)包括：激光探测器、激光接收光学***和测距处理电子组件；其中，激光接收光学***汇聚俯仰反射镜(12)反射回的激光回波，并聚焦到激光探测器，所述激光探测器将激光回波转为电信号传递到测距处理电子组件，由测距处理电子组件结合激光器发射时间，计算得出目标距离。
11.根据权利要求9所述的光电三坐标搜索跟踪装置，其特征在于，所述伺服机构(3)包括：俯仰组件(5)和方位组件(6)；所述俯仰组件(5)用于承载光电探测组件(1)和激光测距组件(2)，并驱动光电探测组件(1)和激光测距组件(2)在俯仰向进行跟踪目标，以及确定光电探测组件(1)在搜索时的俯仰角；所述方位组件(6)用于承载俯仰组件(5)，并驱动光电探测组件(1)和激光测距组件(2)进行方位向搜索，以及驱动光电探测组件(1)和激光测距组件(2)在方位向进行跟踪目标。
12.根据权利要求9所述的光电三坐标搜索跟踪装置，其特征在于，所述光电探测组件(1)的方位搜索角速度为：
v搜＝(1-η)ε方fr
若光电探测组件(1)的成像视场(22)为ε方×∈俯，∈俯为俯仰向视场角，ε方为方位向视场角；若相邻两幅图像在方位向有重叠，则重叠部分与整幅图像之比为重叠率η，fr为所光电探测组件(1)的成像帧频。
13.一种根据权利要求1-4之一所述的装置实现的光电三坐标搜索跟踪方法，其特征在于，所述方法具体包括：
步骤1)所述装置的搜索跟踪切换反射镜(9)的搜索时反射镜法线方向(15)沿扫描搜索方向与跟踪时反射镜法线方向(16)相差偏转角度θ时，该装置工作在搜索模式；
步骤2)所述装置的俯仰组件(5)驱动光电探测组件(1)和激光测距组件(2)到搜索俯仰角β；
步骤3)所述装置的方位组件(6)驱动俯仰组件(5)、光电探测组件(1)和激光测距组件(2)沿方位向以v搜进行匀速旋转；
步骤4)所述装置的光电探测组件(1)启动图像运动补偿手段或方法，以帧频fr进行成像探测，将探测到的清晰图像发送到处理组件(4)处理；
步骤5)所述处理组件(4)对图像进行处理，自动提取图像中的第一目标(24)；若在第i幅图像中提取到第一目标(24)，并测定第一目标(24)相对于该装置的光电探测组件(1)的成像视场中心(23)的方位角为xi和俯仰角为yi，标记为目标相对角位置(xi,yi)；设第i幅图像的成像视场中心(23)相对于该装置零位向的角位置(αi,β)，则该幅图像中的第一目标(19)相对于该装置的零位向的角位置是(αi+xi,β+yi)；
步骤6)根据第一目标(24)的角位置(αi+xi,β+yi)中的俯仰角yi，激光测距组件(2)在随该装置旋转搜索至目标方位角αi+xi的过程中将俯仰反射镜(12)的俯仰指向调整至目标俯仰角yi，使搜索时激光发射波束方向(19)和搜索时激光接收方向(20)在俯仰向指向目标；根据第一目标(24)的角位置(αi+xi,β+yi)中的方位角αi+xi，当激光测距组件(2)的搜索时激光发射波束方向(19)和搜索时激光接收方向(20)随该装置旋转搜索至目标方位角αi+xi时，激光测距组件(2)发射激光光束(26)，从而使激光光束(26)照射到第一目标(24)；激光测距组件(2)通过测量从发射到从第一目标(24)返回所需时间ti，从而测回目标距离Ri：
Ri＝cti/2
式中，c为电磁波速度；
步骤7)根据步骤5)和步骤6)，获得第i幅图像中的第一目标(24)的三维坐标为(αi+xi,β+yi,Ri)；
步骤8)所述装置继续步骤4)至步骤7)，假设在第i+3幅图像中发现的第二目标(25)的三维坐标为(αi+3+xi+3,β+yi+3,Ri+3)；
步骤9)所述装置重复步骤4)到步骤7)，继续沿搜索俯仰角β进行全方位搜索覆盖；
步骤10)所述装置连续三次以上探测并获得第一目标(24)和第二目标(25)的三维坐标，由此获得第一目标(24)和第二目标(25)的航速和航向目标航迹信息，实现对第一目标(24)和第二目标(25)的跟踪和威胁判断；
步骤11)通过处理组件(4)将搜索俯仰角β改变为另一搜索俯仰角β′，则装置沿新的搜索俯仰角β′重复步骤3)至步骤10)进行全方位搜索。
14.根据权利要求13所述的光电三坐标搜索跟踪方法，其特征在于，所述光电探测组件(1)的方位搜索角速度v搜为：
v搜＝(1-η)ε方fr
若光电探测组件(1)的成像视场(22)为ε方×∈俯，∈俯为俯仰向视场角，ε方为方位向视场角；若相邻两幅图像在方位向有重叠，则重叠部分与整幅图像之比为重叠率η，fr为所光电探测组件(1)的成像帧频。
15.一种根据权利要求5-8之一所述的装置实现的光电三坐标搜索跟踪方法，其特征在于，所述方法具体包括：
步骤1)所述装置的搜索跟踪切换反射镜(9)的搜索时反射镜法线方向(15)沿扫描搜索方向与跟踪时反射镜法线方向(16)相差偏转角度θ时，该装置工作在搜索模式；
步骤2)所述装置的俯仰组件(5)驱动光电探测组件(1)和激光测距组件(2)到搜索俯仰角β；
步骤3)所述装置的方位组件(6)驱动俯仰组件(5)、光电探测组件(1)和激光测距组件(2)沿方位向以v搜进行匀速旋转；
步骤4)所述装置的光电探测组件(1)启动图像运动补偿手段或方法，以帧频fr进行成像探测，将探测到的清晰图像发送到处理组件(4)处理；
步骤5)所述处理组件(4)对图像进行处理，自动提取图像中的第一目标(24)；若在第i幅图像中提取到第一目标(24)，并测定第一目标(24)相对于该装置的光电探测组件(1)的成像视场中心(23)的方位角为xi和俯仰角为yi，标记为目标相对角位置(xi,yi)；设第i幅图像的成像视场中心(23)相对于该装置零位向的角位置(αi,β)，则该幅图像中的第一目标(19)相对于该装置的零位向的角位置是(αi+xi,β+yi)；
步骤6)根据第一目标(24)的角位置(αi+xi,β+yi)中的俯仰角yi，激光测距组件(2)在随该装置旋转搜索至目标方位角αi+xi的过程中将俯仰反射镜(12)的俯仰指向调整至目标俯仰角yi，使搜索时激光发射波束方向(19)和搜索时激光接收方向(20)在俯仰向指向目标；根据第一目标(24)的角位置(αi+xi,β+yi)中的方位角αi+xi，当激光测距组件(2)的搜索时激光发射波束方向(19)和搜索时激光接收方向(20)随该装置旋转搜索至目标方位角αi+xi时，激光测距组件(2)发射激光光束(26)，从而使激光光束(26)照射到第一目标(24)；激光测距组件(2)通过测量从发射到从第一目标(24)返回所需时间ti，从而测回目标距离Ri：
Ri＝cti/2
式中，c为电磁波速度；
步骤7)根据步骤5)和步骤6)，获得第i幅图像中的第一目标(24)的三维坐标为(αi+xi,β+yi,Ri)；
步骤8)所述装置继续步骤4)至步骤7)，假设在第i+3幅图像中发现的第二目标(25)的三维坐标为(αi+3+xi+3,β+yi+3,Ri+3)；
步骤9)所述装置重复步骤4)到步骤7)，继续沿搜索俯仰角β进行全方位搜索覆盖；
步骤10)所述装置连续三次以上探测并获得第一目标(24)和第二目标(25)的三维坐标，由此获得第一目标(24)和第二目标(25)的航速和航向目标航迹信息，实现对第一目标(24)和第二目标(25)的跟踪和威胁判断；
步骤11)通过处理组件(4)将搜索俯仰角β改变为另一搜索俯仰角β′，则装置沿新的搜索俯仰角β′重复步骤3)至步骤10)进行全方位搜索。
16.根据权利要求15所述的光电三坐标搜索跟踪方法，其特征在于，所述光电探测组件(1)的方位搜索角速度v搜为：
v搜＝(1-η)ε方fr
若光电探测组件(1)的成像视场(22)为ε方×∈俯，∈俯为俯仰向视场角，ε方为方位向视场角；若相邻两幅图像在方位向有重叠，则重叠部分与整幅图像之比为重叠率η，fr为所光电探测组件(1)的成像帧频。
17.一种根据权利要求9-12之一所述的装置实现的光电三坐标搜索跟踪方法，其特征在于，所述方法具体包括：
步骤1)所述装置的搜索跟踪切换反射镜(9)的搜索时反射镜法线方向(15)沿扫描搜索方向与跟踪时反射镜法线方向(16)相差偏转角度θ时，该装置工作在搜索模式；
步骤2)所述装置的俯仰组件(5)驱动光电探测组件(1)和激光测距组件(2)到搜索俯仰角β；
步骤3)所述装置的方位组件(6)驱动俯仰组件(5)、光电探测组件(1)和激光测距组件(2)沿方位向以v搜进行匀速旋转；
步骤4)所述装置的光电探测组件(1)启动图像运动补偿手段或方法，以帧频fr进行成像探测，将探测到的清晰图像发送到处理组件(4)处理；
步骤5)所述处理组件(4)对图像进行处理，自动提取图像中的第一目标(24)；若在第i幅图像中提取到第一目标(24)，并测定第一目标(24)相对于该装置的光电探测组件(1)的成像视场中心(23)的方位角为xi和俯仰角为yi，标记为目标相对角位置(xi,yi)；设第i幅图像的成像视场中心(23)相对于该装置零位向的角位置(αi,β)，则该幅图像中的第一目标(24)相对于该装置的零位向的角位置是(αi+xi,β+yi)；
步骤6)根据第一目标(24)的角位置(αi+xi,β+yi)中的俯仰角yi，激光测距组件(2)在随该装置旋转搜索至目标方位角αi+xi的过程中将俯仰反射镜(12)的俯仰指向调整至目标俯仰角yi，使搜索时激光发射波束方向(19)和搜索时激光接收方向(20)在俯仰向指向目标；根据第一目标(24)的角位置(αi+xi,β+yi)中的方位角αi+xi，当激光测距组件(2)的搜索时激光发射波束方向(19)和搜索时激光接收方向(20)随该装置旋转搜索至目标方位角αi+xi时，激光测距组件(2)发射激光光束(26)，从而使激光光束(26)照射到第一目标(24)；激光测距组件(2)通过测量从发射到从第一目标(24)返回所需时间ti，从而测回目标距离Ri：
Ri＝cti/2
式中，c为电磁波速度；
步骤7)根据步骤5)和步骤6)，获得第i幅图像中的第一目标(24)的三维坐标为(αi+xi,β+yi,Ri)；
步骤8)所述装置继续步骤4)至步骤7)，假设在第i+3幅图像中发现的第二目标(25)的三维坐标为(αi+3+xi+3,β+yi+3,Ri+3)；
步骤9)所述装置重复步骤4)到步骤7)，继续沿搜索俯仰角β进行全方位搜索覆盖；
步骤10)所述装置连续三次以上探测并获得第一目标(24)和第二目标(25)的三维坐标，由此获得第一目标(24)和第二目标(25)的航速和航向目标航迹信息，实现对第一目标(24)和第二目标(25)的跟踪和威胁判断；
步骤11)通过处理组件(4)将搜索俯仰角β改变为另一搜索俯仰角β′，则装置沿新的搜索俯仰角β′重复步骤3)至步骤10)进行全方位搜索。
18.根据权利要求17所述的光电三坐标搜索跟踪方法，其特征在于，所述光电探测组件(1)的方位搜索角速度v搜为：
v搜＝(1-η)ε方fr
若光电探测组件(1)的成像视场(22)为ε方×∈俯，∈俯为俯仰向视场角，ε方为方位向视场角；若相邻两幅图像在方位向有重叠，则重叠部分与整幅图像之比为重叠率η，fr为所光电探测组件(1)的成像帧频。
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