CN108614273B - 一种机载双波段光电广域侦察与跟踪装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机载双波段光电广域侦察与跟踪装置，所述装置包括：光电转塔(1)；所述光电转塔(1)包括：可见光电视(3)、红外热像仪(4)、陀螺组件(5)、伺服模块(6)、测角模块(9)、控制管理模块(10)、图像处理与跟踪模块(11)和通信接口模块(12)；所述伺服模块(6)用于驱动光电转塔(1)的瞄准线搜索或跟踪目标；所述测角模块(9)用于测量伺服模块(6)的角位置，确定瞄准线的实时指向；所述控制管理模块(10)用于控制光电转塔(1)在广域搜索模式和跟踪监视模式之间的切换；接收所述图像处理与跟踪模块(11)与测角模块(9)的数据，进行数据处理；并发送到伺服模块(6)和所述图像处理与跟踪模块(11)。

Description

一种机载双波段光电广域侦察与跟踪装置及方法

技术领域

本发明涉及机载光电侦察、跟踪监视技术领域，特别涉及一种机载双波段光电广域侦察与跟踪装置及方法，能够实现对海面和地面目标进行快速成像搜索和稳定跟踪，大幅度提高了其在海上和地面搜索救援中的使用效能。

背景技术

面对海上日益增多的搜索救援任务，通过在机载平台上装备的机载光电探测设备可望显著提高对海面和地面目标的搜救能力。目前，可装备无人机、直升机、中高速固定翼飞机的机载光电探测设备一般是采用球形结构的光电转塔，配备可见光摄像和红外热像仪作为成像探测设备、激光测距仪作为距离测量设备。

现有机载光电探测设备存在的主要问题是：

1、机载光电探测设备功能单一。具备对海面和地面目标的跟踪监视的机载光电探测设备不具备快速搜索能力，而执行侦察行动任务的机载光电侦察***只考虑如何大范围快速成像探测，不具备目标跟踪功能。

2、基于光敏胶片的机载远程倾斜相机(Long Range Oblique Photography(LOROP)是为应对高空远距离快速获取敌方大范围区域图像需求而发展起来的，可在距离目标区外10～50海里获得清晰高分辨率图片。随着光电成像探测器的成熟，逐步采用光电成像探测器替代光敏胶片。此类机载光电侦察***主要特征：长光学焦距+扫描成像。例如U.S.Pat.No.6,366,734B1、U.S.Pat.No.6,374,047B1、U.S.Pat.No.6,477,326B1、U.S.Pat.No.6,694,094B2、U.S.Pat.No.6,658207B1这组专利公布的采用卡塞格林光学***的可见光和红外波段的双波段机载侦察***，优选特例中，中波红外焦距为1270mm(2.7°×2.7°)，可见光可在1270mm(2.7°×2.7°)、1829mm(1.58°×1.58°)、2134mm(1.35°×1.35°)三个焦距选一。但这类***使用高度为中高空，故只能在云少或无云层遮挡的良好天气下使用，若在云层下(如飞高1000米以下)使用，因焦距长、视场小，飞行速度V与飞行高度H的比值V/H(速高比)过大，造成漏扫。这难以满足要求能在各种天气下进行对海或对陆搜索救援的需求。

3、以前机载光电侦察***快速扫描成像的扫描方式主要有两种：一种是光电成像设备的瞄准线扫描方向与飞机航向一致，对成像区域扫描是通过飞机前进实现的推扫式扫描，另一种是在保持飞机前向运动的同时，光电成像探测设备瞄准线沿垂直于飞机航向的方向重复进行左右运动扫描来实对成像区域扫描的摆扫式扫描。由于摆扫式扫描扩大了扫描成像的范围，搜索效率高，是以前侦察***主要采用的一种扫描成像方式。但摆扫式扫描的不足在于：在飞机前向运动时，因光电成像探测设备瞄准线垂直于飞机航向左右运动扫描，使其距被探测目标的距离在不停地变化，导致设备探测获得的图像的成像分辨率随左右扫描角变化而不停的变化。这给机载侦察***带来不利影响，特别是对海搜索时，需要探测的目标或大或小，分辨率不停变化可能导致对探测目标的漏警，降低了机载侦察***的广域侦察能力和效率。同时，获得的分辨率不停变化的图像也不利于后期对探测区域的图像整合和处理。

为实现等分辨率扫描成像，以前的机载侦察***，如U.S.Pat.No.6,130,705利用扫描成像的多幅连续图像和飞机INS/GPS信息或其它信息计算出***至目标的距离，使用该距离值来驱动变焦镜头至合适的焦距来达到要求的分辨率。但该方法不足在于要求***时刻调节瞄准线左右运动的扫描速率，以避免出现漏扫。

4、还有与执行空中侦察相关的一个重要问题是运动补偿。所谓运动补偿，是指在光电成像探测设备在其光电成像探测器积分期间(或者说是曝光期间)，通过机械或电子手段，消除飞机运动和瞄准线扫描带来的目标在光电成像探测器光敏面上成像点的移动，实现对目标的清晰成像。

目前，应用于机载侦察***中的运动补偿技术体制主要有两种，具体如下：

1)回扫步进－凝视***。在该***中，万向架伺服***驱动光电成像探测设备的瞄准线连续不停地扫描运动，在光电成像探测器积分期间，万向架伺服***运动由一个回扫镜来补偿。因此，该回扫镜是在积分期间启动，而且其运动方向与万向架伺服***扫描方向相反，以实现光电成像探测设备的瞄准线指向维持不动。例如，U.S.Pat.Pub.No.:US2013/0142500A1所述***采用两个独立的回扫镜来分别补偿飞机运动和垂直于飞机航向的左右扫描运动，U.S.Pat.No.:8,928,750B所述***采用一个具有两维自由度的回扫镜来同时补偿飞机运动和垂直于飞机航向的左右扫描运动。不足在于，需要额外增加软硬件设施，增加了***体积重量和成本，降低了可靠性。

2)电子运动补偿系绕，也可称为时间延迟积分(TDI)运动补偿***。在该***中，万向架伺服***驱动光电成像探测设备的瞄准线连续不停地扫描运动，在光电成像探测器积分期间，通过光电成像探测器的读出电路控制像元中的电荷沿扫描方向移动到下一个邻近像元，电荷移动速率与在光敏面上的成像点的移动速率相等，以此来补偿扫描运动。这是在U.S.Pat.No.5,155,597和U.S.Pat.No.6,256,057中所述的方法。由于该方法是在光电成像探测器内以处理算法实现的，无附加尺寸和重量代价。不足在于，电子运动补偿只适用于电荷耦合器件(CCD)，目前的面阵红外焦平面器件和互补金属氧化物半导体(CMOS)器件不能采用该技术。

因此，目前采用的运动补偿技术不足在于主要只补偿飞机前向运动和垂直于飞机航向的左右扫描运动带来的像模糊，未针对使用的器件类型，选择相应的运动补偿技术体制，造成***体积重量大、成本高。

发明内容

本发明的目的在于克服目前机载侦察***存在的上述缺陷，提出一种采用转塔结构形式的机载双波段光电侦察与跟踪装置，在保留其常规的跟踪监视能力的同时，实现在两个以上光波段分别或同时实现成像扫描搜索。

为了实现上述目的，本发明提供了一种机载双波段光电广域侦察与跟踪装置，所述装置包括：光电转塔1；所述光电转塔1包括：可见光电视3、红外热像仪4、陀螺组件5、伺服模块6、测角模块9、控制管理模块10、图像处理与跟踪模块11和通信接口模块12；其特征在于，

所述可见光电视3，用于对可见光和近红外波段进行探测成像；

所述红外热像仪4，用于对中波红外或长波红外波段进行探测成像；

所述陀螺组件5，用于检测内环万向架7和外环万向架8摇摆时的姿态变化速率，用于控制伺服模块6实现稳定瞄准线；

所述伺服模块6，用于接收控制管理模块10的数据，驱动光电转塔1的瞄准线搜索或跟踪目标；

所述测角模块9，用于测量伺服模块6的角位置，确定瞄准线的实时指向，并发送到所述控制管理模块10；

所述图像处理与跟踪模块11，用于对可见光电视3和红外热像仪4获取的图片和/或视频进行处理，包括：目标检测、甄别、关联和目标位置计算；并将处理后的数据发送到所述控制管理模块10；

所述通信接口模块12用于将机载惯导13提供的导航信息发送给所述控制管理模块10；

所述控制管理模块10，用于控制光电转塔1在广域搜索模式和跟踪监视模式两种工作模式间的切换、接收所述图像处理与跟踪模块11与测角模块9的数据，进行数据处理；并发送到伺服模块6和所述图像处理与跟踪模块11。

上述技术方案中，所述装置还包括：显示操控模块2，与所述通信接口模块12相连，用于显示光电转塔1获取的视频图像、工作状态，接收操作员操作控制指令，完成图像处理与计算。

上述技术方案中，所述可见光电视3包括：可透过可见光和近红外的光学镜头14和具备TDI运动补偿能力的CCD摄像机15，所述CCD摄像机15采用大面阵CCD探测器，电荷读出是沿着垂直方向进行，能在垂直方向双端进行电荷输出，CCD摄像机15的垂直方向沿转塔方位扫描方向布置，使TDI运动补偿方向与光电转塔1沿方位扫描方向一致。

上述技术方案中，所述红外热像仪4包括：可透过中波红外或长波红外的红外光学镜头19、反光镜20、光学回扫镜21和红外焦平面探测器22；所述光学回扫镜21在红外焦平面探测器22积分期间进行摆扫，摆扫与光电转塔1方位扫描一致，但摆扫方向与扫描方向相反。

上述技术方案中，所述伺服模块6包括：内环万向架7和外环万向架8，二者构成两轴四框架稳定平台；所述内环万向架7包括内俯仰环架和内方位环架，其中，可见光电视3、红外热像仪4安装在内环万向架7上；所述外环万向架8随动于内环万向架7，包括外俯仰环架和外方位环架。

上述技术方案中，所述测角模块9包括：安装在伺服模块6每个环架上的角位置传感器。

基于上述装置，当所述装置处于广域搜索模式时，本发明还提供了一种机载双波段光电广域侦察与跟踪方法，所述方法包括：

步骤1)稳定光电转塔1的瞄准线；

控制管理模块10利用从陀螺组件5、伺服***6和测角单元9获取的信息，采用电流环和速度环双环控制方法，实现光电转塔1瞄准线稳定；

步骤2)将光电转塔1的瞄准线调转到期望的地理区域；

设控制管理模块10根据操作员指令生成扫描目标位置为：经度λ_r、纬度L_r、高度H_r，机载惯导13提供的载机当前地理坐标为经度λ_t、纬度L_t、高度H_t，将扫描目标位置和载机当前地理坐标转换到地球直角坐标系，分别表示为向量[x_r y_r z_r]^T和[x_t y_t z_t]^T，则两点之间的向量表示为：

此向量在瞄准线坐标系下表示为：

式中，R为载机到扫描目标位置的斜距，

为地球坐标系到瞄准线坐标系的坐标转换矩阵；

步骤3)确定搜索时光电转塔1的瞄准线的扫描速度。

上述技术方案中，所述步骤3)具体包括：

步骤3-1)计算光电转塔1瞄准线的转动引起的目标运动速度；

光电转塔1瞄准线的转动引起的目标运动速度满足哥氏定理：

式中，r^s＝[0 0 R]^T，

为瞄准线坐标系到导航坐标系的坐标转换矩阵，ω^s为瞄准线的运动角速度，rⁿ为导航坐标系下的目标向量；

设瞄准线转动引起的目标角速度为ω^s＝[ω_x ω_y ω_z]^T，则：

则有

步骤3-2)计算载机平动引起的目标速度

V_E为载机在导航坐标系下的东向速度，V_N为载机在导航坐标系下的北向速度；

步骤3-3)计算扫描速度；

瞄准线与地面的交点在地理表面的运动速度V是由瞄准线的转动和载机的平动引起的，因此该运动速度Vⁿ为：

在扫描过程中，要求瞄准线与地面的交点在地理表面的运动速度Vⁿ在方位向的速度为可见光电视3和红外热像仪4一维向的运动补偿速度ω₀，俯仰向的运动速度理论为零，因此有：

基于上述装置，当所述装置处于跟踪监视模式时，本发明提供了一种机载双波段光电广域侦察与跟踪方法，所述方法包括：

步骤1)计算目标的位置，对目标进行自动跟踪；

根据图像处理与跟踪模块11在对可见光电视3和/或红外热像仪4获得图像中搜索发现目标并给出跟踪目标位置后，光电转塔1转入自动跟踪，图像处理与跟踪模块11连续从可见光电视3和/或红外热像仪4获得的当前帧图像提取目标，并计算目标位置；

步骤2)对载机运动进行补偿；

机载惯导13提供载机在导航坐标系下东向速度V_E和北向速度V_N，测角模块9给出光电转塔1当前的瞄准线指向，生成光电转塔1调整瞄准线的补偿速度，在自动跟踪过程中消除飞机平动；该补偿速度为：

本发明的优势在于：

1、本发明的装置实现机载光电设备搜索和跟踪功能于一体，提高设备使用效能；

该装置除了凝视跟踪外，还可实现局域扫描和广域扫描功能，扫描时，该装置在地理坐标系中实现方位向扇形扫描或圆周扫描；

2、本发明的方法实现对搜索区域近恒分辨率成像探测，提高搜索效率；

该方法实现的近恒分辨率扫描带来的优势：一是消除了飞机平动造成图像运动模糊的影响；二是隔离了飞机角运动对扫描轨迹的影响，扫描轨迹不会受飞机姿态角变化的影响；三是扫描覆盖效率较高，扫描轨迹基本上是圆弧带的叠加，重叠率降低，扫描效率提高；四是获取的每一幅图像的分辨率近似相等，以相近分辨率的图像拼接生成广域态势图，有利于图像处理及感兴趣目标的自动提取和识别，显著提高海上和陆地上的搜索效率。

3、本发明的方法采用不同运动补偿机制，实现双向运动补偿，提高***扫描效率，减小***体积重量，提高可靠性；

可见光电视采用TDI运动补偿技术，红外热像仪内部集成回扫反射镜，使CCD和红外焦平面器件在积分时间内确保光轴与被成像区域相对静止，实现广域扫描和局域扫描成像，并具备方位向双向扫描能力，提高***扫描效率。

4、本发明的装置具有在任意视场角下进行快速搜索的能力；

该装置的两个传感器可在任意视场下同时或分别清晰成像(装置实现运动补偿)，解决飞机在中低空条件下带来的高速高比(飞行速度V与飞行高度H的比值)与光电传感器视场之间的失配问题，不仅避免对海面和地面目标的漏扫，而且也提高了搜索能力。

5、本发明的装置具备同时在可见光和中波/长波等两个以上光波波段进行快速搜索的能力，提高目标识别探测能力。

附图说明

图1为本发明的机载双波段光电广域侦察与跟踪装置组成示意图；

图2为本发明的可见光电视组成示意图；

图3为本发明的红外热像仪组成示意图；

图4为本发明的近恒分辨率扫描控制方法获得的扫描轨迹图；

图5为载机坐标系下圆弧扫描区域覆盖示意图；

图6为本发明的装置垂直于载机飞行航向进行近恒分辨率扫描示意图；

图7为现有装置扫描方向垂直于飞机航向的扫描区域示意图。

附图标识：

1、光电转塔 2、操控显示模块 3、可见光电视 4、红外热像仪

5、陀螺组件 6、伺服模块 7、内环万向架 8、外环万向架

9、测角模块 10、控制管理模块 11、图像处理与跟踪模块

12、通信接口模块 13、机载惯导 14、光学镜头 15、CCD摄像机

16、光学镜头覆盖的CCD区域 17、成像像素区域 18，TDI像素区域

19、红外光学镜头 20、反光镜 21、光学回扫镜 22、红外焦平面探测器

具体实施方式

下面结合附图及优选实施例对本发明作进一步的详述。

如图1所示，一种机载双波段光电广域侦察与跟踪装置，所述装置包括：光电转塔1和显示操控模块2；所述光电转塔1包括：可见光电视3、红外热像仪4、陀螺组件5、伺服模块6、测角模块9、控制管理模块10、图像处理与跟踪模块11和通信接口模块12；

如图2所示，所述可见光电视3具有运动补偿功能，是一种即可凝视成像探测，又可快速扫描成像探测，工作波段为可见光和近红外波段探测的摄像机，包括：可透过可见光和近红外的光学镜头14和具备TDI运动补偿能力的CCD摄像机15。所述CCD摄像机15采用大面阵CCD探测器，CCD探测器的像元数为N(水平)×M(垂直)，电荷读出是沿着垂直方向进行，能在垂直方向双端进行电荷输出，CCD摄像机15的垂直方向沿转塔方位扫描方向布置，使TDI运动补偿方向与光电转塔1沿方位扫描方向一致，成像像素区域17确定视频输出格式为M1(水平)×N1(垂直)，TDI像素区域18确定TDI运动补偿级数为M2，成像像素区域17和TDI像素区域18的具体大小可根据使用需求进行调整。

例如，CCD摄像机15选用像元数N(水平)×M(垂直)为2758(水平)×2208(垂直)，视频输出格式M1(水平)×N1(垂直)设定为1920(水平)x1080(垂直)，则TDI级数M2为288级，将视频输出格式M1(水平)×N1(垂直)设定为1280(水平)x1024(垂直)，则TDI级数M2为最高可提高到928级。

如图3所示，所述红外热像仪4是一种即可凝视成像探测，又可快速扫描成像探测、工作波段为中波红外或长波红外波段探测的红外热像仪，包括：可透过中波红外或长波红外的红外光学镜头19、反光镜20、光学回扫镜21和红外焦平面探测器22。所述光学回扫镜21可在红外焦平面探测器22积分期间进行摆扫，摆扫与光电转塔1方位扫描一致，但摆扫方向与扫描方向相反，摆扫速率为光电转塔1方位扫描速率×红外光学镜头19变倍比/2，使目标在红外焦平面探测器22焦平面上的成像不随光电转塔1方位扫描而移动，从而实现运动补偿。

所述陀螺组件5用于检测内环万向架7和外环万向架8摇摆时的姿态变化速率，用于伺服模块6实现稳定瞄准线，包含：安装在伺服模块6每个环架上的速率传感器。

所述伺服模块6用于稳定和驱动光电转塔1的瞄准线搜索或跟踪目标，包括：内环万向架7和外环万向架8，二者构成两轴四框架稳定平台。所述内环万向架7包括内俯仰环架和内方位环架，可见光电视3、红外热像仪4安装在内环万向架7上；所述外环万向架8随动于内环万向架7，包括外俯仰环架和外方位环架。

所述测角模块9用于测量伺服模块6的角位置，包括：安装在伺服模块6每个环架上的角位置传感器。

所述控制管理模块10，用于控制光电转塔1在广域搜索模式和跟踪监视模式两种工作模式间的切换；接收所述图像处理与跟踪模块11与测角模块9的数据，进行数据处理；并发送到伺服模块6和所述图像处理与跟踪模块11；并将处理结果通过通信接口模块12发送到显示控制模块2进行显示；

所述图像处理与跟踪模块11用于对可见光电视3和红外热像仪4获取的图片和/或视频进行处理，包括：目标检测、甄别、关联和目标位置计算等。

所述通信接口模块12用于与显示操控模块2进行控制信息交互，向显示操控模块2传送视频图像，接收载机***控制指令，特别是机载惯导13提供的导航信息。

所述显示操控装置2用于显示光电转塔1获取的视频图像、工作状态，接收操作员操作控制指令，完成相关图像处理与计算。

所述机载惯导13用于直接向光电转塔1提供载机平台的导航信息，导航信息包括：位置、航向、姿态和速度，为机载平台的卫星导航/惯性导航组合导航***，也可以为安装在光电转塔1外部的专门为其提供导航信息的惯性导航***。

所述机载双波段光电广域侦察与跟踪装置，设置两种工作模式：广域搜索模式和跟踪监视模式。所述广域搜索模式，主要用于大面积对海、对陆成像搜索，装置处于该模式时，可见光电视3启动TDI运动补偿，红外热像仪4启动光学回扫镜21反扫，当光电转塔1沿方位向扫描时，能补偿在CCD摄像机15和红外焦平面探测器22积分期间目标成像在探测器面上因运动带来的像模糊，使可见光电视3和红外热像仪4的两个传感器可在任意视场下同时或分别清晰成像，实现装置快速成像搜索；所述跟踪监视模式，主要用于将光电转塔1的瞄准线持续指向指定目标，对目标进行持续成像和跟踪，装置处于该模式时，可见光电视3关闭TDI运动补偿，红外热像仪4关闭并使光学回扫镜21恢复原位，可见光电视3和红外热成像仪4均可对目标进行凝视成像，在操作员指定目标后，光电装置对目标进行实时连续成像跟踪和监视。操作员通过显示操控装置2进行广域搜索模式和跟踪监视模式互切换，也可在广域搜索模式发现目标后自动切换到跟踪监视模式。

基于上述实施例的装置，本发明提供了一种机载双波段光电广域侦察与跟踪方法，为上述装置处于广域搜索模式时实现近似等分辨率扫描的控制方法(简称近恒分辨率扫描控制方法)。

首先描述所述方法涉及到的坐标系及坐标系间坐标转换关系为：

1)定义地球坐标系e，地球上的点用球坐标系表示为经度λ、纬度L、高度H，机载惯导13可测得该值。地球直角坐标系(x,y,z)与球坐标系的关系为：

2)定义导航坐标系n，采用东天北地理坐标系，导航坐标系绕地球缓慢旋转，地球坐标系e到导航坐标系n的坐标变换为：

3)定义飞机机体坐标系b，机头方向为y轴，飞机航向角ψ、俯仰角θ和横滚角γ由机载惯导13测得，为飞机导航坐标系n到机体坐标系b的坐标变换为：

4)定义瞄准线坐标系s，由机体坐标系先沿方位轴转动

再沿俯仰轴转动β₀+β_i，再沿内方位轴转动

若在光电转塔1处于广域搜索模式，还应再沿方位轴转动

该值为可见光电视3和红外热像仪4完成捕获一帧图像时光电转塔1沿方位向转动的角度。机体坐标系b到瞄准线坐标系的坐标变换为：

所述方法包括：

步骤1)稳定光电转塔1的瞄准线；

控制管理模块10利用从陀螺组件5、伺服***6和测角单元9获取的信息，采用电流环和速度环双环控制方法，实现光电转塔1瞄准线稳定；

步骤2)将光电转塔1的瞄准线调转到期望的地理区域；

设控制管理模块10根据操作员指令生成扫描目标位置为：经度λ_r、纬度L_r、高度H_r，机载惯导13提供的载机当前地理坐标为经度λ_t、纬度L_t、高度H_t，利用公式(1)将扫描目标位置和载机当前地理坐标转换到地球直角坐标系，分别表示为向量[x_r y_r z_r]^T和[x_t y_t z_t]^T，则两点之间的向量表示为：

此向量在瞄准线坐标系下表示为：

式中，R为载机到扫描目标位置的斜距，

为地球坐标系到瞄准线坐标系的坐标转换矩阵；

步骤3)确定搜索时光电转塔1的瞄准线的扫描速度；具体包括：

步骤3-1)计算光电转塔1瞄准线的转动引起的目标运动速度；

光电转塔1瞄准线的转动引起的目标运动速度满足哥氏定理：

式中，r^s＝[0 0 R]^T，

为瞄准线坐标系到导航坐标系的坐标转换矩阵，ω^s为瞄准线的运动角速度，rⁿ为导航坐标系下的目标向量；

设瞄准线转动引起的目标角速度为ω^s＝[ω_x ω_y ω_z]^T，则：

则有

步骤3-2)计算载机平动引起的目标速度

V_E为载机在导航坐标系下的东向速度，V_N为载机在导航坐标系下的北向速度；

步骤3-3)计算扫描速度；

瞄准线与地面的交点在地理表面的运动速度V是由瞄准线的转动和载机的平动引起的，因此该运动速度Vⁿ为：

在扫描过程中，要求瞄准线与地面的交点在地理表面的运动速度Vⁿ在方位向的速度为可见光电视3和红外热像仪4一维向的运动补偿速度ω₀，俯仰向的运动速度理论为零，因此有：

计算实例：图4为上述控制方法进行仿真的地理扫描轨迹图，仿真的初始条件是飞行高度5km，飞行速度180km/h，基本上是圆弧带的叠加，重叠率降低，而且扫描轨迹非常接近地理圆弧。

图5为在载机坐标系下进行圆弧扫描的区域覆盖仿真图，该扫描方式虽然能等分辨率扫描，但因未补偿载机运动带来的扫描区移动，从而造成扫描带大范围地理重叠。

所述近恒分辨率扫描控制方法能获得近恒分辨率扫描图像，图像分辨率为：

如图6所示，光电转塔1垂直于载机飞行航向进行近恒分辨率扫描的过程为：假设飞机位于O₁时，光电转塔1瞄准线从a₁点开始圆弧扫描，飞机至地面(海面)的距离为R，到b₁点后，飞机到达O₂，飞机至地面(海面)的距离为R’，光电转塔1停止扫描，开始调舷，调舷至b₂点后，飞机到达O₃，飞机至地面(海面)的距离为R，然后光电转塔1从b₂点开始圆弧扫描，到a₂点后，飞机到达O₄，光电转塔1停止扫描，开始调舷，调舷至a₃点后，飞机到达05，开始新一轮扫描。

在该扫描过程中，当光电转塔1从a₁点开始扫描时，光电转塔1距a₁点的斜距O₁a₁＝R，从a₁点扫描到b₁点所用的时间为t，飞机从O₁达到O₂，O₁O₂＝Vt，O₂至b₁点的斜距O₂b₁＝R′。在图6中的ΔOO₁b₁中，O₁O＝H，O₁b₁＝R，因此，Ob₁为：

在图6中的ΔOO′₁b₁中，＝O₁O₂＝Vt，由于光电转塔1从a₁点扫描到b₁点的时候大约在10秒以内，在此时间内，对于低速飞机，飞机飞行距离OO′₁在500m以内，该值远小于飞高H和扫描时至目标的斜距R，因此，O′₂b₁可近似为：

在图6中的ΔO₂O′₂b₁中，O₂b₁＝R′为：

设光电转塔1在a₁点的地面分辨率(GSD)_a1，b₁点的地面分辨率(GSD)_b1，则这两点代表了地面分辨距离的最大值，其地面分辨距离变化率为：

计算实例：

飞行高度H：5km，斜距R＝15km，飞机飞行速度V＝180km/h＝50m/s。假设扫描速度为30°/s，扫描范围：±ψ＝±80°，因此，t＝160°/30°/s＝5.33s，故有：

如果斜距R＝30km，则此时分辨率变化为：

因此，该光电转塔1的扫描方式导致的图像分辨率较小，可近似看做近恒分辨率扫描。

现有***采用的运动补偿技术主要只补偿飞机前向运动和垂直于飞机航向的左右扫描运动带来的像模糊，扫描方向垂直于飞机航向，如图7所示，但每一扫描区域距离载机的距离变化较大，造成获得的扫描图像的分辨率变化大，影响搜索效率和效果。

当所述装置处于跟踪监视模式时，所述方法包括：

步骤1)计算目标的位置，对目标进行自动跟踪；

根据图像处理与跟踪模块11在对可见光电视3和/或红外热像仪4获得图像中搜索发现目标并给出跟踪目标位置后，光电转塔1转入自动跟踪，图像处理与跟踪模块11连续从可见光电视3和/或红外热像仪4获得的当前帧图像提取目标，并计算目标位置；

步骤2)对载机运动进行补偿；

机载惯导13提供载机在导航坐标系下东向速度V_E和北向速度V_N，测角模块9给出光电转塔1当前的瞄准线指向，生成光电转塔1调整瞄准线的补偿速度，在自动跟踪过程中消除飞机平动；该补偿速度为：

Claims (7)

1.一种机载双波段光电广域侦察与跟踪方法，基于一种机载双波段光电广域侦察与跟踪装置实现，所述装置包括：光电转塔(1)；所述光电转塔(1)包括：可见光电视(3)、红外热像仪(4)、陀螺组件(5)、伺服模块(6)、测角模块(9)、控制管理模块(10)、图像处理与跟踪模块(11)和通信接口模块(12)；

所述可见光电视(3)，用于对可见光和近红外波段进行探测成像；

所述红外热像仪(4)，用于对中波红外或长波红外波段进行探测成像；

所述陀螺组件(5)，用于检测内环万向架(7)和外环万向架(8)摇摆时的姿态变化速率，用于控制伺服模块(6)实现稳定瞄准线；

所述伺服模块(6)，用于接收控制管理模块(10)的数据，驱动光电转塔(1)的瞄准线搜索或跟踪目标；

所述测角模块(9)，用于测量伺服模块(6)的角位置，确定瞄准线的实时指向，并发送到所述控制管理模块(10)；

所述图像处理与跟踪模块(11)，用于对可见光电视(3)和红外热像仪(4)获取的图片和/或视频进行处理，包括：目标检测、甄别、关联和目标位置计算；并将处理后的数据发送到所述控制管理模块(10)；

所述通信接口模块(12)用于将机载惯导(13)提供的导航信息发送给所述控制管理模块(10)；

所述控制管理模块(10)，用于控制光电转塔(1)在广域搜索模式和跟踪监视模式两种工作模式间的切换；接收所述图像处理与跟踪模块(11)与测角模块(9)的数据，进行数据处理；并发送到伺服模块(6)和所述图像处理与跟踪模块(11)；

当所述装置处于广域搜索模式时，所述方法包括：

步骤1)稳定光电转塔(1)的瞄准线；

控制管理模块(10)利用从陀螺组件(5)、伺服模块(6)和测角模块(9)获取的信息，采用电流环和速度环双环控制方法，实现光电转塔(1)瞄准线稳定；

步骤2)将光电转塔(1)的瞄准线调转到期望的地理区域；

设控制管理模块(10)根据操作员指令生成扫描目标位置为：经度λ_r、纬度L_r、高度H_r，机载惯导(13)提供的载机当前地理坐标为经度λ_t、纬度L_t、高度H_t，将扫描目标位置和载机当前地理坐标转换到地球直角坐标系，分别表示为向量[x_r y_r z_r]^T和[x_t y_t z_t]^T，则两点之间的向量表示为：

此向量在瞄准线坐标系下表示为：

式中，R为载机到扫描目标位置的斜距，

为地球坐标系到瞄准线坐标系的坐标转换矩阵；

步骤3)确定搜索时光电转塔(1)的瞄准线的扫描速度；

所述步骤3)具体包括：

步骤3-1)计算光电转塔(1)瞄准线的转动引起的目标运动速度；

光电转塔(1)瞄准线的转动引起的目标运动速度满足哥氏定理：

式中，r^s＝[0 0 R]^T，

为瞄准线坐标系到导航坐标系的坐标转换矩阵，ω^s为瞄准线的运动角速度，rⁿ为导航坐标系下的目标向量；

设瞄准线转动引起的目标角速度为ω^s＝[ω_x ω_y ω_z]^T，则：

则有：

步骤3-2)计算载机平动引起的目标速度

V_E为载机在导航坐标系下的东向速度，V_N为载机在导航坐标系下的北向速度；

步骤3-3)计算扫描速度；

瞄准线与地面的交点在地理表面的运动速度V是由瞄准线的转动和载机的平动引起的，因此该运动速度Vⁿ为：

在扫描过程中，要求瞄准线与地面的交点在地理表面的运动速度Vⁿ在方位向的速度为可见光电视(3)和红外热像仪(4)一维向的运动补偿速度ω₀，俯仰向的运动速度理论为零，因此有：

2.根据权利要求1所述的机载双波段光电广域侦察与跟踪方法，其特征在于，所述装置还包括：显示操控模块(2)，与所述通信接口模块(12)相连，用于显示光电转塔(1)获取的视频图像、工作状态，接收操作员操作控制指令，完成图像处理与计算。

3.根据权利要求1或2所述的机载双波段光电广域侦察与跟踪方法，其特征在于，所述可见光电视(3)包括：可透过可见光和近红外的光学镜头(14)和具备TDI运动补偿能力的CCD摄像机(15)，所述CCD摄像机(15)采用大面阵CCD探测器，电荷读出是沿着垂直方向进行，能在垂直方向双端进行电荷输出，CCD摄像机(15)的垂直方向沿所述光电转塔(1)方位扫描方向布置，使TDI运动补偿方向与所述光电转塔(1)沿方位扫描方向一致。

4.根据权利要求1或2所述的机载双波段光电广域侦察与跟踪方法，其特征在于，所述红外热像仪(4)包括：可透过中波红外或长波红外的红外光学镜头(19)、反光镜(20)、光学回扫镜(21)和红外焦平面探测器(22)；所述光学回扫镜(21)能在红外焦平面探测器(22)积分期间进行摆扫，摆扫与光电转塔(1)方位扫描一致，但摆扫方向与扫描方向相反。

5.根据权利要求1或2所述的机载双波段光电广域侦察与跟踪方法，其特征在于，所述伺服模块(6)包括：内环万向架(7)和外环万向架(8)，二者构成两轴四框架稳定平台；所述内环万向架(7)包括内俯仰环架和内方位环架，其中，可见光电视(3)、红外热像仪(4)安装在内环万向架(7)上；所述外环万向架(8)随动于内环万向架(7)，包括外俯仰环架和外方位环架。

6.根据权利要求1或2所述的机载双波段光电广域侦察与跟踪方法，其特征在于，所述测角模块(9)包括：安装在伺服模块(6)每个环架上的角位置传感器。

7.根据权利要求1所述的机载双波段光电广域侦察与跟踪方法，当所述装置处于跟踪监视模式时，所述方法还包括：

计算目标的位置，对目标进行自动跟踪；

根据图像处理与跟踪模块(11)在对可见光电视(3)和/或红外热像仪(4)获得图像中搜索发现目标并给出跟踪目标位置后，光电转塔(1)转入自动跟踪，图像处理与跟踪模块(11)连续从可见光电视(3)和/或红外热像仪(4)获得的当前帧图像提取目标，并计算目标位置；

对载机运动进行补偿；

机载惯导(13)提供载机在导航坐标系下东向速度V_E和北向速度V_N，测角模块(9)给出光电转塔(1)当前的瞄准线指向，生成光电转塔(1)调整瞄准线的补偿速度，在自动跟踪过程中消除飞机平动；该补偿速度为：

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