CN109507687A - 一种搜索跟踪一体化装置及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种搜索跟踪一体化装置，包括二维伺服转台、成像探测模块、搜索模块和控制模块；二维伺服转台用于带动搜索模块和成像探测模块执行沿方位轴和俯仰轴的转动；成像探测模块用于实现对空中飞行目标的实时成像探测并向控制模块发送图像数据；搜索模块用于执行对动态飞行目标的搜索功能并将搜索到的目标数据信息传递给控制模块；控制模块用于接收搜索模块发送的目标数据信息并传递给二维伺服转台，以及接收并处理成像探测模块发送的图像数据，解算指向偏差并传递给二维伺服转台。本发明的装置通过空间上的优化布局，使得搜索和光电跟踪可以在同一平台上协同工作，搜索模块与光电探测器视野互不遮挡，结构更紧凑，布设所需的空间要求低。

Description

一种搜索跟踪一体化装置及其实现方法

技术领域

本发明涉及侦测与跟踪技术领域，特别涉及一种搜索跟踪一体化装置及其实现方法。

背景技术

现有的搜索和光电跟踪设备均为独立的***：

1)搜索设备，主要分为光电搜索设备和搜索雷达两类。搜索雷达又可分为相控阵搜索模块和机扫雷达两类。机扫雷达包括雷达天线和扫描转台，采用机械旋转的方式进行360°扫描；相控阵搜索模块采用相控阵使微波束旋转，来实现360°扫描。

2)光电跟踪设备，被广泛地用于对空中目标的跟踪。主要包括光电探测器及二维伺服转台。二维伺服转台包括T型结构与U型结构两种。光电跟踪设备通过增加光学传输通道，还可以用于激光发射瞄准。

在现有技术中，由于缺少一体化设计技术，搜索设备和光电跟踪设备未集成在一起，会导致下述问题：

1)布设时，为了避免视野相互遮挡，搜索模块和光电跟踪设备必须安装在两个距离较远的平台上，因此，要求的布设场地较大；

2)由于搜索模块和光电跟踪设备位于两个平台，两者的坐标体系不一致，每次布设完毕后，必须对两套设备的坐标系进行标定，耗时耗力；

3)由于在***的坐标获取和解析过程中均存在误差，搜索模块与光电跟踪设备之间的目标位置数据存在误差，使得两者在联动工作时的目标引导任务成功率很低。

发明内容

本发明的目的是克服上述背景技术中不足，提供一种搜索跟踪一体化装置及其实现方法，采用一体化结构设计，通过空间上的优化布局，使得搜索和光电跟踪可以在同一平台上协同工作，搜索模块与光电探测器视野互不遮挡，使得结构更紧凑，且布设所需的空间要求低；同时，设备位于同一转动平台上，相对坐标系一致，无需标定即可以联合工作，可以大幅提高布设效率以及目标引导的任务成功率。

为了达到上述的技术效果，本发明采取以下技术方案：

一种搜索跟踪一体化装置，包括二维伺服转台、成像探测模块、搜索模块和控制模块；所述二维伺服转台用于带动搜索模块和成像探测模块执行沿方位轴和俯仰轴的转动，实现对空中飞行目标进行指向和跟踪；成像探测模块用于实现对空中飞行目标的实时成像探测并向控制模块发送图像数据；搜索模块用于执行对动态飞行目标的搜索功能并将搜索到的目标数据信息传递给控制模块；控制模块用于接收搜索模块发送的目标数据信息，并传递给二维伺服转台，控制二维伺服转台对飞行目标进行追踪，以及接收并处理成像探测模块发送的图像数据，解算指向偏差并传递给二维伺服转台；使用时，搜索模块通过持续扫描搜索目标，一旦发现目标后，控制模块对目标的方位进行解算并发送给二维伺服转台，引导二维伺服转台带动成像探测模块对目标进行实时跟踪。

进一步的，所述二维伺服转台包括方位轴驱动电机、俯仰轴驱动电机和机架，所述机架用于提供各功能模块的安装支撑，在机架的俯仰轴上(即二维伺服转台俯仰轴)设有成像探测模块安装座；在机架方位轴上(即二维伺服转台方位轴)设有搜索模块安装座，在机架内部设有方位轴驱动电机、俯仰轴驱动电机及控制模块的安装平台；所述方位轴驱动电机安装在机架内部，用于带动成像探测模块和搜索模块执行绕方位轴方向的转动；俯仰轴驱动电机安装在机架内部，用于带动成像探测模块执行绕俯仰轴的转动。

进一步的，所述二维伺服转台与搜索模块具有独立的旋转轴，二维伺服转台驱动成像探测模块绕二维伺服转台方位轴和俯仰轴旋转，实现对目标的捕获与跟踪；搜索模块安装在二维伺服转台的方位轴转台上，随着二维伺服转台一起沿二维伺服转台方位轴转动，同时独立地绕搜索模块方位轴旋转扫描。

进一步的，所述成像探测模块安装于成像探测模块安装座上，成像探测模块由一种或多种光学成像探测器构成。

进一步的，所述光学成像探测器为可见光成像探测器、微光成像探测器、红外成像探测器、望远镜或测距机。

进一步的，光学成像探测器上还设有激光发射单元，则本搜索跟踪一体化装置还可以用于光电跟踪瞄准和激光发射。

进一步的，所述二维伺服转台上设有光学传输通道，二维伺服转台的底部侧面留有作为激光进入通道的窗口，通过增加激光光源，可实现对动态目标的干扰和毁伤处置。

进一步的，所述搜索模块通过搜索模块安装座固定在二维伺服转台方位轴上，且搜索模块与成像探测模块安装时在高低方向错开。

进一步的，所述搜索模块为光电搜索设备、机械扫描雷达或相控阵扫描雷达中的一种。

同时，本发明还公开了上述的一种搜索跟踪一体化装置的实现方法，包含以下步骤：

A.搜索模块执行对动态目标的搜索扫描；

B.搜索模块在发现目标时则将告警信息和目标位置发送给控制模块；

C.控制模块将处理后的目标位置作为引导信息发送给二维伺服转台，二维伺服转台根据引导信息驱动方位轴和俯仰轴旋转，带动成像探测模块指向目标；

D.成像探测模块对目标进行成像探测并将视频信息发送给控制模块；

E.控制模块对视频信息进行处理，提取视频中的飞行目标，解算目标瞄准偏差，并根据偏差量驱动二维伺服转台转动，实现对飞行目标的高精度跟踪。

具体的，步骤C中控制模块收到搜索模块发出的目标位置后先进行坐标转换处理，将基于雷达坐标系的目标位置转换到基于二维伺服转台坐标系的目标位置，再将处理后的目标位置作为引导信息发送给二维伺服转台，因坐标系转换为通用知识，不在此赘述。

在步骤E中，控制模块对收到的视频信息进行的处理主要包括先提取视频图像中的动态目标，获取目标在图像中的像素位置(x₁，y₁)，并与图像中心十字叉的像素位置(x₀，y₀)相减，获得目标在图像中的瞄准偏差(x₁-x₀，y₁-y₀)，并将该偏差转换为角度瞄准偏差(θ_x，θ_y)，具体转换公式如下，

其中,(α,β)为成像探测模块的探测器的视场角，(m,n)为成像探测模块的探测器像素数。

控制模块获取角度瞄准偏差(θ_x，θ_y)后，以角度瞄准偏差(θ_x，θ_y)作为控制量，由方位电机驱动二维伺服转台沿方位轴转动，由俯仰电机驱动二维伺服转台沿俯仰轴转动，实现闭环控制，其中，闭环控制算法属于通用技术，此处不再赘述。

在目标运动过程中，通过前述的图像处理和闭环控制保持对目标的高精跟踪，即确保目标始终位于中心十字叉处。

本发明与现有技术相比，具有以下的有益效果：

本发明的搜索跟踪一体化装置采用了一种新的二维伺服转台结构，实现了搜索与光电跟踪一体化设计，使得两类装置可以在同一平台上协同工作，结构紧凑，布设所需的空间要求低；同时，采用了高低错开的空间优化布局，视野互不遮挡，可在360°方位内同步实现搜索和跟踪；

且在本发明的搜索跟踪一体化装置中，采用搜索模块直接引导光电跟踪瞄准装置(二维伺服转台及成像探测模块)的方式，在获取空中目标后，经控制模块直接转发数据，把目标的方位发送给光电跟踪瞄准装置，引导光电跟踪瞄准装置对目标进行实时跟踪，跟踪响应速度高。

附图说明

图1是本发明的搜索跟踪一体化装置主视图。

图2是本发明的搜索跟踪一体化装置侧视图。

图3是本发明的搜索跟踪一体化装置中相应旋转轴的示意图。

图4是本发明的搜索跟踪一体化装置的工作流程示意图。

图5是本发明的一个实施例中搜索跟踪一体化装置的工作时的视频图像界面示意图。

附图标记：1-二维伺服转台，2-成像探测模块，3-搜索模块，4-搜索模块安装座，5-二维伺服转台方位轴，6-二维伺服转台俯仰轴，7-搜索模块方位轴，8-视频图像界面，9-图像中心十字叉，10-目标。

具体实施方式

下面结合本发明的实施例对本发明作进一步的阐述和说明。

实施例：

实施例一：

如图1及图2所示，一种搜索跟踪一体化装置，其基本组成包括二维伺服转台1、成像探测模块2、搜索模块3和控制模块。

其中，二维伺服转台1用于带动搜索模块3和成像探测模块2执行沿二维伺服转台方位轴5和二维伺服转台俯仰轴6的转动，对空中飞行的目标进行指向和跟踪。二维伺服转台1包括方位轴驱动电机、俯仰轴驱动电机和机架。

具体的，机架采用新的构型设计，用于提供各功能模块的安装支撑。在机架俯仰轴上设有成像探测模块安装座；在机架方位轴上设有一个搜索模块安装座4，搜索模块安装座4与搜索模块3的底部相连；在机架内部设有方位轴驱动电机、俯仰轴驱动电机及控制模块的安装平台。

方位轴驱动电机用于带动成像探测模块2和搜索模块3执行绕二维伺服转台方位轴5方向的转动，方位轴驱动电机安装在机架内部的安装平台上。俯仰轴驱动电机用于带动成像探测模块2执行绕二维伺服转台俯仰轴6的转动。俯仰轴驱动电机安装在机架内部的安装平台上。

成像探测模块2用于实现对空中目标的实时成像探测并向控制模块发送图像数据，具体包括一种或多种光学成像探测器。成像探测模块2安装在二维伺服转台俯仰轴6上的成像探测模块安装座上，可随着二维伺服转台1绕二维伺服转台方位轴5和二维伺服转台俯仰轴6转动。

搜索模块3用于执行对动态目标的搜索功能并将搜索到的目标数据信息传递给控制模块。搜索模块3通过搜索模块安装座4固定在二维伺服转台方位轴5上。搜索模块3与成像探测模块2安装时在高低方向错开，两者视野互不遮挡。

具体的，如图3所示，二维伺服转台1与搜索模块3具有独立的旋转轴。二维伺服转台1驱动成像探测模块2绕二维伺服转台方位轴5和二维伺服转台俯仰轴6旋转，实现对目标的捕获与跟踪；搜索模块3安装在二维伺服转台1的方位轴转台上，随着二维伺服转台1一起沿二维伺服转台方位轴5转动，同时搜索模块3独立地绕搜索模块方位轴7旋转扫描。

控制模块用于在搜索阶段接收搜索模块3发送的目标数据信息，并传递给二维伺服转台1，控制二维伺服转台1对目标进行追踪；同时，控制模块用于在跟踪阶段接收并处理成像探测模块2发送的图像数据，解算指向偏差并传递给二维伺服转台1。控制模块安装在二维伺服转台1内部的安装平台上。

作为优选，本实施例中，搜索模块3采用光电搜索设备、机械扫描雷达或相控阵扫描雷达中的一种。

具体的，成像探测模块2可采用可见光成像探测器、微光成像探测器、红外成像探测器、望远镜和测距机中的一种或多种。

同时，通过在二维伺服转台1内增加光学传输通道以及在成像探测模块2上增加激光发射单元，可使得本实施例的搜索跟踪一体化装置还可以用于光电跟踪瞄准和激光发射。作为优选，本实施例中，在二维伺服转台1的底部侧面留有窗口，作为激光进入通道的窗口，通过增加激光光源，可实现对动态目标的干扰和毁伤处置。

实施例二

如图4所示，实施例一的搜索跟踪一体化装置在工作中由搜索模块3获取到目标信息后，直接传递目标的方位角、俯仰角及距离信息给光电跟踪装置，具体工作流程如下：

步骤一：搜索模块3执行对动态目标的搜索扫描；

步骤二：搜索模块3一旦发现移动目标，则将目标信息(告警信息和目标位置)发送给控制模块；

步骤三：控制模块将处理后的目标位置作为引导信息发送给二维伺服转台1，二维伺服转台1根据引导信息驱动方位轴和俯仰轴旋转，带动成像探测模块2指向目标；

步骤四：成像探测模块2对目标进行成像探测，将视频信息发送给控制模块；

步骤五：控制模块对视频信息进行处理：提取视频中的飞行目标，解算目标瞄准偏差，并根据偏差量驱动二维伺服转台1转动，实现对飞行目标的高精度跟踪。

具体的，步骤三中控制模块收到搜索模块3发出的目标位置后先进行坐标转换处理，然后将基于雷达坐标系的目标位置转换到基于二维伺服转台1坐标系的目标位置，再将处理后的目标位置作为引导信息发送给二维伺服转台1，因坐标系转换为通用知识，不在此赘述。

如图5所示，在步骤五中，控制模块对收到的视频信息进行的处理主要包括先提取视频图像界面8中的动态目标10，获取目标10在图像中的像素位置(x₁，y₁)，并与图像中心十字叉9的像素位置(x₀，y₀)相减，获得目标在图像中的瞄准偏差(x₁-x₀，y₁-y₀)，并将该偏差转换为角度瞄准偏差(θ_x，θ_y)，具体转换公式如下，

其中,(α,β)为成像探测模块2的探测器的视场角，(m,n)为成像探测模块2的探测器像素数。

控制模块获取角度瞄准偏差(θ_x，θ_y)后，以角度瞄准偏差(θ_x，θ_y)作为控制量，由方位电机驱动二维伺服转台1沿方位轴转动，由俯仰电机驱动二维伺服转台1沿俯仰轴转动，实现闭环控制，其中，闭环控制算法属于通用技术，此处不再赘述。

在目标运动过程中，通过前述的图像处理和闭环控制保持对目标的高精跟踪，即确保目标始终位于图像中心十字叉9处。

由上可知，本发明的搜索跟踪一体化装置中，实现了搜索模块3与光电跟踪瞄准装置的相对坐标系一致，无需标定即可以联合工作，且经过试验测定得出设备布设时间从3个小时减少到0.5小时，目标引导任务的成功率超过90％。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种搜索跟踪一体化装置，其特征在于，包括二维伺服转台、成像探测模块、搜索模块和控制模块；所述二维伺服转台用于带动搜索模块和成像探测模块执行沿二维伺服转台方位轴和二维伺服转台俯仰轴的转动，实现对空中飞行目标进行指向和跟踪；成像探测模块用于实现对空中飞行目标的实时成像探测并向控制模块发送图像数据；搜索模块用于执行对动态飞行目标的搜索功能并将搜索到的目标数据信息传递给控制模块；控制模块用于接收搜索模块发送的目标数据信息，并传递给二维伺服转台，控制二维伺服转台对飞行目标进行追踪，以及接收并处理成像探测模块发送的图像数据，解算指向偏差并传递给二维伺服转台。

2.根据权利要求1所述的一种搜索跟踪一体化装置，其特征在于，所述二维伺服转台包括方位轴驱动电机、俯仰轴驱动电机和机架，所述机架用于提供各功能模块的安装支撑，在机架的俯仰轴上设有成像探测模块安装座；在机架的方位轴上设有搜索模块安装座，在机架内部设有方位轴驱动电机、俯仰轴驱动电机及控制模块的安装平台；

所述方位轴驱动电机安装在机架内部，用于带动成像探测模块和搜索模块执行绕二维伺服转台方位轴方向的转动；俯仰轴驱动电机安装在机架内部，用于带动成像探测模块执行绕二维伺服转台俯仰轴的转动。

3.根据权利要求2所述的一种搜索跟踪一体化装置，其特征在于，所述二维伺服转台与搜索模块具有独立的旋转轴，搜索模块通过搜索模块安装座安装在二维伺服转台方位轴上，随着二维伺服转台一起沿二维伺服转台方位轴转动，同时独立地绕搜索模块方位轴旋转扫描，二维伺服转台驱动成像探测模块绕二维伺服转台方位轴和二维伺服转台俯仰轴旋转，实现对目标的捕获与跟踪。

4.根据权利要求2所述的一种搜索跟踪一体化装置，其特征在于，所述成像探测模块安装于成像探测模块安装座上，成像探测模块由一种或多种光学成像探测器构成。

5.根据权利要求4所述的一种搜索跟踪一体化装置，其特征在于，所述光学成像探测器为可见光成像探测器、微光成像探测器、红外成像探测器、望远镜或测距机。

6.根据权利要求4所述的一种搜索跟踪一体化装置，其特征在于，所述光学成像探测器上还设有激光发射单元。

7.根据权利要求4所述的一种搜索跟踪一体化装置，其特征在于，所述二维伺服转台上设有光学传输通道，二维伺服转台的底部侧面留有作为激光进入通道的窗口。

8.根据权利要求2所述的一种搜索跟踪一体化装置，其特征在于，所述搜索模块通过搜索模块安装座固定在二维伺服转台的方位轴上，且搜索模块与成像探测模块安装时在高低方向错开。

9.根据权利要求1至8中任一所述的一种搜索跟踪一体化装置，其特征在于，所述搜索模块为光电搜索设备、机械扫描雷达或相控阵扫描雷达中的一种。

10.如权利要求1至9中任一所述的一种搜索跟踪一体化装置的实现方法，其特征在于，包含以下步骤：

A.搜索模块执行对动态目标的搜索扫描；

B.搜索模块在发现目标时则将告警信息和目标位置发送给控制模块；

C.控制模块将处理后的目标位置作为引导信息发送给二维伺服转台，二维伺服转台根据引导信息驱动二维伺服转台方位轴和二维伺服转台俯仰轴旋转，带动成像探测模块指向目标；

D.成像探测模块对目标进行成像探测并将视频信息发送给控制模块；

E.控制模块对视频信息进行处理，提取视频中的飞行目标，解算目标瞄准偏差，并根据偏差量驱动二维伺服转台转动，实现对飞行目标的高精度跟踪。