一种多机光电雷达的曝光同步方法及系统与流程

1.本发明属于光电技术领域，具体涉及多机光电雷达的协同预警领域。


背景技术：

2.光电雷达属于光学谱段的被动探测设备，用于对非合作目标进行早期预警。和雷达探测的机理不同的是，雷达通过主动发出电磁波、接收回波信号的主动探测机制，可以获得目标的三维位置信息，但光电雷达由于被动成像机制，难以测算出距离，因此通常只能给出极坐标系下的方位角和高度角，这样只能获得目标的二维信息。为了使光电雷达也具有获得目标三维位置信息的能力，目前最通用的方法是通过多机协同对目标进行定位。多机定位的基本原理是三角测量，但是在具体实施时，有多种误差源可以影响定位精度，比如传感器(如组合导航单元)的姿态角度误差、位置误差、各个结构框架之间的安装误差、多机的曝光同步误差等。其中多机的曝光同步误差影响很大，它的本质是多机的扫描机制缺乏同步性，因此对共同发现的感兴趣运动目标不满足同时曝光成像的条件，最终对定位精度产生较大的影响。
3.现有公开的技术中，中国发明申请《一种多镜头相机同步曝光控制系统及方法》(cn107172371a)主要适用于单机的多镜头、不适合多机的扫描成像场景；论文《一种irst双机协同被动探测机动目标定位新方法》(张峰，《航空学报》,2019.11.14)以及论文《红外探测与追踪的双机被动定位模型》(郝振兴，罗继勋，胡朝晖，李文超；《探测与控制学报》,2016.02.26)中均没有考虑到这种曝光的同步误差。


技术实现要素：

4.本发明提出了一种多机光电雷达的曝光同步方法及系统，解决了多机光电雷达的扫描机制缺乏同步性，对共同发现的感兴趣运动目标不满足同时曝光成像的条件，最终对定位精度产生较大的影响的问题。
5.方案一、一种多机光电雷达的曝光同步方法，所述方法包括如下步骤：
6.s1、对目标进行粗定位：用最小曝光时刻误差准则，通过前方交会的方法实现对目标的粗定位，得到目标的观测估计值；
7.s2、对目标进行位置预测：通过对目标的观测估计值进行卡尔曼滤波，得到目标在未来某时刻的位置预测值并广播给所有载机；
8.s3、对预测位置进行扫描：根据所述位置预测值，各个载机调整自身当前的视轴角度，在下一周期对同一目标同步曝光。
9.进一步，所述最小曝光时刻误差准则是指利用多个载机对目标进行同时观测，并通过比较各个载机的观测结果，选取时差最小的两个载机对目标进行定位。
10.进一步，所述前方交会的方法是一种通过多个观测点的视线交汇来确定目标位置的方法，具体为在多机光电雷达的定位中，每个载机通过其自身的光电雷达对目标进行观测，并记录下目标在载机坐标系下的观测数据，通过将多个载机的观测数据进行处理，得到
多个载机的视线在载机坐标系下的交点，即为目标在未来某时刻的位置预测值。
11.进一步，所述步骤s1具体为：
12.s401、在所有载机广播的信息报告序列中，获得每个报告时间戳和上一个报告时间戳的后向差分δtk，其中，k表示报告序列中的第k个报告；
13.s402、维护一个时间长度超过2t的报告序列集合，其中，t表示所有载机的扫描周期，得到最小的δtk；
14.s403、确定δtk在信息报告序列中对应的一对报告，并通过报告中的目标在载机坐标系下的观测数据确定两个目标在载机坐标系下的交点，即为目标的观测估计值。
15.进一步，所述步骤s2具体为：
16.s501、获取目标运动模型的预测方程
17.s502、获取目标观测模型的预测方程
18.s503、获取目标状态后验估计值，采用
[0019][0020]
实现，其中表示目标状态后验估计值，表示目标的观测估计值，k表示卡尔曼增益；
[0021]
s504、获取目标在t
pred
时刻的位置预测值，采用
[0022][0023]
实现，其中，y
pred
表示目标在t
pred
时刻的位置预测值，
[0024]
其中t
pred
＝t
now
+t，t
now
为当前时刻，i3表示3
×
3的单位矩阵，表示kronecker积；并将所述位置预测值广播给所有载机。
[0025]
方案二、一种多机光电雷达的曝光同步系统，所述系统包括：
[0026]
对目标进行粗定位的模块：用最小曝光时刻误差准则，通过前方交会的方法实现对目标的粗定位，得到目标的观测估计值；
[0027]
对目标进行位置预测的模块：通过对目标的观测估计值进行卡尔曼滤波，得到目标在未来某时刻的位置预测值；
[0028]
发送预测位置的模块：将目标在未来某时刻的位置预测值广播给所有载机。
[0029]
本发明所述方法的有益效果为：
[0030]
(1)提出了一种多机编队场景下的曝光同步方法，可以在广域搜索的前提下，对运动目标同步曝光。在多机的曝光未同步时，对目标的成像时间并不相同，如果采用常规的三角测量方法对感兴趣目标进行定位，则不严格满足曝光的同步性；本发明所述方法用非同步时的图像粗略估计目标位置，得到位置的观测估计值；再用卡尔曼滤波预测目标在未来某个时刻的位置预测值；然后调整各个载机的扫描相位，使其在下一扫描周期对目标在预测位置进行成像，使用本发明所述的方法进行多机定位时，可以极大提高定位精度。
[0031]
(2)本发明所述的方法应用的机载领域，不仅仅指狭义上的飞行器，光电雷达系统通常安装在无人或有人的飞行器、车辆、舰船、水下设备上，用于对非合作侵入的目标进行
预警，所以本发明所述的方法可以应用在任何搭载光电雷达的“载机”，具有广阔的应用范围。
[0032]
本发明所述系统及方法可以应用在空间、陆地及水面的光电雷达目标探测领域以及上述区域的光电雷达协同预警领域。
附图说明
[0033]
图1为本发明实施例中光电雷达结构图；
[0034]
图2为本发明实施例中单个载机对某一空域的扫描成像过程示意图；
[0035]
图3为本发明实施例中多机编队时的扫描示意图；
[0036]
图4为本发明实施例中多机的曝光未同步时对目标的成像时间示意图；
[0037]
图5为本发明实施例中多机扫描过程中对目标同一时刻进行曝光示意图；
[0038]
图6为本发明实施例中提供的多机光电雷达的曝光同步方法流程图；
[0039]
图7为本发明实施例中提供的多机光电雷达的曝光同步方法示例图；
[0040]
图8为本发明实施例中关于信息报告序列和误差项的示意图；
[0041]
图9为本发明实施例中一个时间长度超过2t的报告集合示意图；
[0042]
图10为本发明实施例中采用前方交会方法，求解出目标位置的观测估计值示意图；
[0043]
图11为本发明实施例中用卡尔曼滤波估计出目标在tm时刻的状态后验估计值示意图；
[0044]
图12为本发明实施例中计算得到的目标在t
pred
时刻的预测位置信息示意图；
[0045]
图13为本发明实施例中方位角α
pred
和俯仰角β
pred
示意图；
[0046]
图14为本发明实施例中载机将自身的扫描区域划分为n个子区域的示意图；
[0047]
图15为本发明实施例中一个扫描周期内目标位置预测示意图；
[0048]
图16为本发明实施例中在t
pred
时刻，所有载机对目标同时成像示意图；
[0049]
图17为本发明实施例中曝光同步前数据链消息总线上对目标的报告序列示意图；
[0050]
图18为本发明实施例中曝光同步后数据链消息总线上对目标的报告序列示意图。
具体实施方式
[0051]
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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，本领域普通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，都属于本发明的保护范围。
[0052]
实施例1、
[0053]
本实施例提供一种多机光电雷达的曝光同步方法，所述方法包括如下步骤：
[0054]
s1、对目标进行粗定位：用最小曝光时刻误差准则，通过前方交会的方法实现对目标的粗定位，得到目标的观测估计值；
[0055]
s2、对目标进行位置预测：通过对目标的观测估计值进行卡尔曼滤波，得到目标在未来某时刻的位置预测值并广播给所有载机；
[0056]
s3、对预测位置进行扫描：根据所述位置预测值，各个载机调整自身当前的视轴角度，在下一周期对同一目标同步曝光。
[0057]
光电雷达系统通常安装在无人或有人的飞行器、车辆、舰船、水下设备上，用于对非合作侵入的目标进行预警。为不失一般性，本发明中提到的“载机”可以是上述任何可以搭载光电雷达系统的载体，而不限于是狭义上的飞行器。
[0058]
光电雷达系统的组成如图1所示，主要包括控制器、扫描框架、光电成像系统(含光学系统和探测器)、定位定姿系统、综合处理器、信息处理系统和数据链系统，其中光电成像系统安装在扫描框架内。光电雷达通常工作在广域搜索模式下，具体的工作过程是：综合处理器根据输入的扫描起始角和扫描周期控制扫描框架运动，同时输出周期性的曝光触发脉冲给探测器，进而使探测器以一定的帧频工作、输出连续的图像序列。
[0059]
信息处理系统对图像执行目标检测、跟踪和多机目标配准等算法，然后将计算后的信息报告序列(含目标id、目标的位置信息、曝光时刻、成像的视轴角度等信息)通过数据链系统上报到消息总线上、进而发送给机队的其他载机。数据链同时接收机队中其他载机的数据输出，将其他载机的信息报告序列发送给本机的信息处理系统。
[0060]
单个载机对某一空域的扫描成像过程如图2所示；多机编队时的扫描示意图如图3所示，它们的扫描周期和扫描角度相同。多机对扫描重叠区域内的目标可以共同成像；多机的曝光未同步时，对感兴趣目标的成像时间并不相同，示意图如图4所示。其中，载机1在t1时刻扫描到目标，载机2在t2时刻扫描到目标，载机3在t3时刻扫描到目标；如果此时采用三角测量方法对感兴趣目标进行定位，则不严格满足曝光的同步性。此时的定位误差除了与传感器误差有关外，还和各个载机位置、目标的位置、视轴方向、目标的运动速度矢量、多机曝光时刻的同步误差有关。
[0061]
我们希望，多机在扫描的过程中，可以对感兴趣目标进行在同一时刻曝光(即曝光同步)，这样可实现对目标的精准定位，即如图5所示。
[0062]
基本思想是用非同步时的图像粗略估计目标位置，得到位置的观测估计值；再用卡尔曼滤波预测目标在未来某个时刻的位置预测值；然后调整各个载机的扫描相位，使其在下一扫描周期对目标在预测位置进行成像，并不断重复上述过程，流程图如图6所示。
[0063]
本方法的一个示例如图7所示，载机1在t1时刻扫描到目标，载机2在t2时刻扫描到目标，载机3在t3时刻扫描到目标，同时t
2-t1《t
3-t2。根据最小曝光时刻误差准则，选择时间维度上更接近的t1和t2的图像计算t2时刻位置的观测估计值。再通过卡尔曼滤波得到t2时刻目标的状态后验估计值，并计算出t4时刻目标的位置预测值,然后载机1～载机3调整各自的扫描视轴角度，使在t4时刻可以对目标同时曝光。
[0064]
实施例2、
[0065]
本实施例是对实施例1的进一步限定，所述步骤s1，对目标进行粗定位具体的方法为：
[0066]
步骤1.1：在所有载机广播的信息报告序列中(其中，i表示载机id，m表示当前最新的报告编号)，对每个信息报告得到该报告时间戳和上一个报告时间戳的后向差分，称为第k个曝光时刻误差项δtk：
[0067][0068]
其中，i和j分别是载机的id，k表示报告序列中的第k个报告。每个报告包括的元
素有：
[0069]
光电雷达所在的载机id；
[0070]
时间戳其中t(
·
)表示提取报告的时间戳；
[0071]
光电雷达的视轴角度其中φ(
·
),κ(
·
)分别表示提取报告的方位角、俯仰角、横滚角；
[0072]
光电雷达的坐标位置其中x(
·
)，y(
·
)，z(
·
)分别表示提取报告中笛卡尔坐标下的x坐标、y坐标、z坐标；
[0073]
目标在探测器像平面上的坐标其中x(
·
)，y(
·
)分别表示提取报告中目标在像平面坐标系的x坐标、y坐标，一个关于和δtk的示意图如图8所示。
[0074]
步骤1.2：维护一个时间长度超过2t的报告集合步骤1.2：维护一个时间长度超过2t的报告集合如图9所示，每经过t时间更新一次，其中t为所有载机的扫描周期。同时得到ξm对应的曝光时刻误差项集合对pm中的曝光时刻误差项δtk进行排序，得到最小的δtk，即min(pm)，然后得到它对应的1对，设为将中较新的时刻定义为tm。然后提取中每一个的的
[0075]
图9中，可以看出，pm最小的δtk是δt
k-3
，根据它可以得到：
[0076]
步骤1.3：对中的一对，采用前方交会方法，求解出目标位置的观测估计值示意图如图9所示。
[0077]
设的形式为(x
tg
，y
tg
，z
tg
)
t
，设(x1，y1)
t
、(x2，y2)
t
为中的1对设(x
s1
，y
s1
，z
s1
)
t
、(x
s2
，y
s2
，z
s2
)
t
为中的1对设为中由和确定的旋转矩阵，b表示本体坐标系，n表示导航坐标系，e表示地心地固坐标系。
[0078]
对的一对对未知量(x
tg
，y
tg
，z
tg
)
t
构造共线方程组如下：
[0079][0080]
具体计算步骤如下：
[0081]
步骤1.3.1：计算旋转矩阵
[0082][0083][0084]
步骤1.3.2：计算中间变量(x
i1
，y
i1
，z
i1
)
t
和(x
i2
，y
i2
，z
i2
)
t
，(x
il
，y
i1
，z
i1
)
t
＝r1[(x
tg
，ytg
，z
tg
)
t-(x
s1
，y
s1
，z
s1
)
t
]；(x
i2
，y
i2
，z
i2
)
t
＝r2[(x
tg
，y
tg
，z
tg
)
t-(x
s2
，y
s2
，z
s2
)
t
]；
[0085]
步骤1.3.3：计算b矩阵
[0086][0087]
其中，
[0088][0089][0090]
上式中，r
1，(1，1)
表示r1矩阵中(1，1)位置的元素值，其余的r
i，(j，k)
同理。
[0091]
步骤1.3.4：计算l向量：
[0092][0093]
其中，
[0094][0095]
步骤1.3.5：计算迭代的残差δ
x
：
[0096]
δ
x
＝(b
t
b)-1bt
l；
[0097]
步骤1.3.6：更新(x
tg
，y
tg
，z
tg
)
t
为(x
tg
，y
tg
，z
tg
)
t-δ
x
，并判断：如果||δ
x
||2＜δ
t
(其中δ
t
为预设的阈值，||
·
||2表示二范数)，则返回步骤1.3.1，否则退出循环，得到最终的
[0098]
实施例3、
[0099]
本实施例是对实施例1的进一步限定，所述步骤s2，对目标进行位置预测的具体方法为：
[0100]
步骤2.1：用卡尔曼滤波估计出目标在tm时刻的状态后验估计值如图10所示；
[0101]
设状态变量的形式为卡尔曼滤波方程中的为上一个ξm(命名为ξn)得到的
[0102]
在卡尔曼滤波中，运动模型的预测方程如下：
[0103][0104]
其中(i3表示3
×
3的单位矩阵，表示kronecker积，t
m，n
＝t
m-tn，tn为ξn对应的观测值时间)。
[0105]
观测模型的预测方程如下：
[0106][0107]
其中，观测值的形式为(x，y，z)
t
，观测矩阵h＝i3。
[0108]
卡尔曼滤波的输出结果为状态后验估计值计算公式如下：
[0109][0110]
其中，k为卡尔曼增益。
[0111]
步骤2.2：计算目标在t
pred
时刻的预测位置信息并将其广播到所有的载机。
[0112]
预测方程如下：
[0113][0114]
其中，其中t
pred
＝t
now
+t，t
now
为当前时刻，示意图如图12所示。
[0115]
实施例4、
[0116]
本实施例是对实施例1的进一步限定，所述步骤s3，对预测位置进行扫描的具体方法为：
[0117]
步骤3.1：每个载机分别计算出在地心地固坐标系下对y
pred
位置成像时的视轴角度，包括方位角α
pred
和俯仰角β
pred
，其中，方位角α
pred
和俯仰角β
pred
如图13所示。
[0118]
计算过程如下：
[0119][0120][0121]
其中，是本机在t
pred
的位置预测值，预测方程如下：
[0122][0123]
其中，表示当前载机从定位定姿系统获得的位置和速度。
[0124]
步骤3.2：每个载机计算出各自(α
pred
，β
pred
)所属的扫描子区域，并得到该子区域的视轴角度(α
*
，β
*
)。
[0125]
每个载机将自身的扫描区域划分为n个子区域，如图14所示，每个子区域是一次曝光覆盖的区域。设每个子区域的标识为bi，i∈[1，n]。每个子区域bi都对应一个视轴方位角αi和俯仰角βi，上述的n、(αi，βi)均为已知量。
[0126]
设整个扫描区域的视轴角度集合为：{(αi，βi)}。在该集合中搜索和(α
pred
，β
pred
)距
离最近的区域编号：
[0127][0128]
设i
*
对应的子区域标识为b
*
，对应的角度为(α
*
，β
*
)。
[0129]
步骤3.3：每个载机的综合处理器引导扫描框架将当前时刻t
now
的视轴角度调整为各自计算出的(α
*
，β
*
)，同时重新以固定频率输出曝光触发脉冲、使多机的曝光触发脉冲的相位和频率校正一致。
[0130]
举例：在一个扫描周期内，设对目标位置预测值所在的区域(第i
*
个扫描子区域)的扫描时间为如图15所示，因为t
pred
＝t
now
+t，则在当前时刻t
now
需要扫描的子区域也应是区域b
*
，因此在当前时刻t
now
，当前载机需要将扫描的视轴角度调整为b
*
对应的(α
*
，β
*
)，如此便可以保证在t
pred
时刻，所有的载机都可以对目标同时成像，示意图如图16所示。
[0131]
实施例5、
[0132]
本实施例是对实施例1的进一步限定，经过调整后，各载机对感兴趣目标的曝光时刻会收敛为同一时刻。数据链消息总线上对目标的报告序列的变化如图17和图18所示，图17为曝光同步前数据链消息总线上对目标的报告序列示意图，图18为曝光同步后数据链消息总线上对目标的报告序列示意图，可以看出，曝光同步前，各载机对目标的成像是异步的，它们上报目标的报告时刻较为分散，有着较大的曝光同步误差。而经过曝光同步后，所有载机几乎会同时上报目标的信息、实现对目标的同步曝光，此时按计算出的目标位置精度会大幅提高。
[0133]
实施例6、
[0134]
作为一个整体的技术方案，本实施例提供一种多机光电雷达的曝光同步系统，所述系统包括：
[0135]
对目标进行粗定位的模块：用最小曝光时刻误差准则，通过前方交会的方法实现对目标的粗定位，得到目标的观测估计值；
[0136]
对目标进行位置预测的模块：通过对目标的观测估计值进行卡尔曼滤波，得到目标在未来某时刻的位置预测值；
[0137]
发送预测位置的模块：将目标在未来某时刻的位置预测值广播给所有载机。

技术特征：
1.一种多机光电雷达的曝光同步方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：s1、对目标进行粗定位：用最小曝光时刻误差准则，通过前方交会的方法实现对目标的粗定位，得到目标的观测估计值；s2、对目标进行位置预测：通过对目标的观测估计值进行卡尔曼滤波，得到目标在未来某时刻的位置预测值并广播给所有载机；s3、对预测位置进行扫描：根据所述位置预测值，各个载机调整自身当前的视轴角度，在下一周期对同一目标同步曝光。2.根据权利要求1所述的多机光电雷达的曝光同步方法，其特征在于，所述最小曝光时刻误差准则是指利用多个载机对目标进行同时观测，并通过比较各个载机的观测结果，选取时差最小的两个载机对目标进行定位。3.根据权利要求1所述的多机光电雷达的曝光同步方法，其特征在于，所述前方交会的方法是一种通过多个观测点的视线交汇来确定目标位置的方法，具体为在多机光电雷达的定位中，每个载机通过其自身的光电雷达对目标进行观测，并记录下目标在载机坐标系下的观测数据，通过将多个载机的观测数据进行处理，得到多个载机的视线在载机坐标系下的交点，即为目标在未来某时刻的位置预测值。4.根据权利要求1所述的多机光电雷达的曝光同步方法，其特征在于，所述步骤s1具体为：s401、在所有载机广播的信息报告序列中，获得每个报告时间戳和上一个报告时间戳的后向差分δt
k
，其中，k表示报告序列中的第k个报告；s402、维护一个时间长度超过2t的报告序列集合，其中，t表示所有载机的扫描周期，得到最小的δt
k
；s403、确定δt
k
在信息报告序列中对应的一对报告，并通过报告中的目标在载机坐标系下的观测数据确定两个目标在载机坐标系下的交点，即为目标的观测估计值。5.根据权利要求4所述的多机光电雷达的曝光同步方法，其特征在于，所述步骤s2具体为：s501、获取目标运动模型的预测方程s502、获取目标观测模型的预测方程s503、获取目标状态后验估计值，采用实现，其中表示目标状态后验估计值，表示目标的观测估计值，k表示卡尔曼增益；s504、获取目标在t
pred
时刻的位置预测值，采用实现，其中，y
pred
表示目标在t
pred
时刻的位置预测值，其中t
pred
＝
now
+，t
now
为当前时刻，i3表示3
×
3的单位矩阵，
表示kronecker积；并将所述位置预测值广播给所有载机。6.一种多机光电雷达的曝光同步系统，其特征在于，所述系统包括：对目标进行粗定位的模块：用最小曝光时刻误差准则，通过前方交会的方法实现对目标的粗定位，得到目标的观测估计值；对目标进行位置预测的模块：通过对目标的观测估计值进行卡尔曼滤波，得到目标在未来某时刻的位置预测值；发送预测位置的模块：将目标在未来某时刻的位置预测值广播给所有载机。

技术总结
多机光电雷达的曝光同步方法及系统。属于光电技术领域，具体涉及多机光电雷达的协同预警领域。其解决了多机光电雷达的扫描机制缺乏同步性，最终对定位精度产生较大的影响的问题。所述方法包括如下步骤：对目标进行粗定位：用最小曝光时刻误差准则，对目标粗定位，得到目标的观测估计值；对目标进行位置预测：通过对目标的观测估计值进行卡尔曼滤波，得到目标在未来某时刻的位置预测值并广播给所有载机；对预测位置进行扫描：根据所述位置预测值，各个载机调整自身当前的视轴角度，在下一周期对同一目标同步曝光。本发明所述系统及方法可以应用在空间、陆地及水面的光电雷达目标探测领域以及上述区域的光电雷达协同预警领域。域以及上述区域的光电雷达协同预警领域。域以及上述区域的光电雷达协同预警领域。


技术研发人员：赵嘉鑫 惠守文 李文明 史泽昊 李嘉成 卢钢 王海伟
受保护的技术使用者：长春长光睿视光电技术有限责任公司
技术研发日：2023.05.09
技术公布日：2023/8/13