主动导引头系统技术方案

本文公开了用于检测和/或跟踪移动目标的主动导引头系统。该系统包括：生成从系统输出的照射波束的照射模块；用于整形输出波束的视场(FOV)的立体角的光学组件；光路扫描模块，其适于围绕扫描轴成成角度地偏转输出波束的输出光路，以执行一个或更多个扫描循环；以及成像模块，其适于对来自光束的输出光路周围的特定视场的波束的光谱范围中的光进行成像。在一些情况下，输出光束的立体角被整形成使得其具有沿着波束的特定一侧延伸的细长FOV横截面；并且输出光路在横过波束的细长FOV的长轴的方向上成角度地偏转，以便扫掠波束的细长FOV，从而用一维扫描覆盖期望的关注的区域(FOR)。在一些实现方式中，该系统适用于监测FOR，以用于检测和跟踪目标。监测可以包括目标检测阶段，在该阶段期间，光束的FOV被设置为小于FOR的范围，并且FOR在扫描成像模式下被成像。监测可以包括目标跟踪阶段，在该阶段期间，根据与被跟踪的目标相关联的特定估计属性来调节一个或更多个成像参数。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】主动导引头系统
和背景导引头(seekerhead)(在下文中也可互换地称为导引头(seeker))是制导系统(制导系统通常安装在可移动平台(诸如导弹)上)，其可操作来捕获/成像从目标返回的辐射(例如，发射的和/或反射/散射的辐射)，并处理捕获的/成像的辐射，以检测目标，并且然后跟踪和跟随目标。导引头可分为两种主要类型：被动导引头和主动导引头，被动导引头不主动用辐射束照射目标，而主动导引头通常包括用于照射目标的辐射源。例如在第5,389,791号美国专利中公开了被动导引头的示例，该专利公开了常规的速率稳定的IR导引头，该导引头具有一种改进，这种改进导致更宽的FOV以及少得多的图像模糊。该改进包括可旋转地安装在导引头传感器的光学组件前面的圆形光楔。由导引头的圆形传感器生成的初级扫描矢量和由旋转楔形体生成的次级扫描矢量的组合产生了与单独的传感器的扫描图案相比具有更宽的总FOV的扫描图案，同时提供具有零或接近零的空间扫描速度的偶然点。这种点使得“快照”数据能够得到收集，而很少或没有图像模糊。被动导引头类型的缺点是来自目标的信号发射(强度)不能受拦截器控制，并且可能取决于许多不可预测的参数，诸如目标发射率、目标温度、目标轨迹等。因此，这类导引头的信噪比(SNR)可能相对较低。这是因为被动导引头通常不包括任何辐射源，并且不主动照射目标，而是仅被配置成检测来自目标的辐射发射/散射/反射。应当注意，在以下描述中，术语SNR用于表示信号强度与检测器的仪器噪声和由检测器感测到的背景(例如杂波)辐射的比值。这一缺点在跟随高角速度目标(由于目标高速或大错距)需要高度灵活的检测和跟踪的时候尤其明显，因为在这种情况下，应该以高速率(短曝光时间)进行检测，因此在每幅图像上获得的信号强度以及对应的SNR可能较差，并且可能妨碍被动导引头的可靠检测和/或跟踪。在一些情况下，为了克服被动导引头的缺点，使用主动导引头，除了辐射检测器之外主动导引头通常还包括辐射源(例如光源)。辐射源用于主动照射目标，以便从目标返回足够的辐射强度。因此，主动导引头通常提供改进的寻的(seeking)性能，因为目标被主动导引头主动照射，因此从目标返回的信号强度和对应的SNR可能比被动导引头系统高得多。主动导引头系统的示例在例如第5,200,606号美国专利中以及在第4,024,392号美国专利中被公开，第5,200,606号美国专利公开了一种光阑镜，该光阑镜允许传出的透射激光束通过并将返回的反射波束反射到检测器阵列上；第4,024,392号美国专利公开了一种万向主动光学系统，该系统具有激光束输出，该激光束输出与万向节系统在大角度上的瞬时视场一致，以产生主动激光导引头。概述如上所述，主动导引头(主动导引头)通常用于检测和跟踪移动目标，特别是当需要可靠且灵活地检测和跟踪快速移动的目标(例如，具有高角速度的目标)时。传统主动导引头的主要缺点是，为了在足够短的检测时间T内且可靠地检测到目标，它们需要一个大功率的辐射源来照射关注的区域(FOR)，即目标所在的整个立体角被预期。因此，由于需要使用一个大功率的辐射源，由携带导引头的平台(例如导弹)携带的导引头的有效载荷也应该包括相对较大并且较重的为辐射源提供能量的能量源。因此，主动导引头有效载荷(包括导引头自身及其动力源)的重量和可选的尺寸可能变得太重/太大而无法被灵活的平台(例如拦截器)承载。这给可能采用主动导引头的平台和任务带来了严重的限制(例如，这取决于承载主动导引头的平台的尺寸和/或平台任务的持续时间)。本专利技术提供了一种新颖的主动导引头系统和方法，以用于改进传统主动导引头系统的上述缺点。有利的是，利用本专利技术的导引头系统和方法，大大地放宽了对采用大功率辐射源的需求。本专利技术基于专利技术人的理解，即为了实现可靠地自导引到快速移动目标，在系统的检测操作和跟踪操作的不同阶段期间，应当采用具有不同的和/或动态地被调节的成像曝光/积分时间τ和/或具有不同和/或动态地被调节的总FOR帧捕获时间(FCT)的不同辐射照射方案。在这一点上，应当注意的是，短语快速移动目标在本文中用于指示可能获得(如从导引头参考系观察到的)相对于平台(例如拦截器)大的角速度的目标。为此，应当理解的是，短语曝光时间τ和/或积分时间在本文中可互换使用，以表示用于捕获图像的成像模块的曝光时间。在本文中使用短语“FOR帧捕获时间”和/或“FOR捕获时间”(在本文中也缩写为FCT)来表示捕获指示整个FOR的图像数据所需的总时间。当在快照模式下操作时，在单个图像中捕获整个FOR，因此FOR帧捕获时间(FCT)T实际上等于曝光时间τ。然而，当在扫描模式下操作时，抓取M个图像以覆盖整个FOR，并且因此在这种情况下，FOR帧捕获时间(FCT)可以是M个图像的曝光时间τ的总和(根据本专利技术，M个图像的曝光时间可以不同并且动态地被调节)。因此，根据本专利技术的各种实施例，主动导引头被配置并可操作用于动态地调节照射和成像方案的各种参数，由此，将根据系统的操作阶段(例如，目标检测阶段和/或目标跟踪阶段)和/或根据目标与导引头的距离，照射目标并且使目标成像。所调节的参数可以包括例如照射强度、FOR(Ω)、成像曝光时间(τ)、FCT(T)等。在这点上，应理解以下内容。在本文中术语FCT用于表示系统获取覆盖整个FOR的图像(多个图像)的总时间(T)。(以每个FOR捕获循环为单位的)这种图像集合在本文中被称为FOR帧数据/图像。可以通过扫描成像技术获取FOR帧数据，在这种情况下，FOR帧的信息由在扫描循环期间捕获的不同FOV的若干(例如，M个)图像组成。可替代地或附加地，可以通过快照成像技术或通过快照成像技术来获取FOV帧数据，在这种情况下，检测帧的信息通常由FOV等于或大于FOR的一个快照图像组成。在本文中，术语关注的区域(FOR)用于表示在每个帧周期被成像的整个立体角。在本文中，术语“照射和成像模式”用于表示用于捕获目标预期驻留的FOR的FOR帧图像的照射和成像技术。这可以包括快照成像模式和扫描成像模式。在快照成像模式中，系统以帧速率运行，由此，在每个帧周期，照射辐射同时充满(flood)整个FOR，并且在检测器/成像器上捕获整个FOR的快照。在这种情况下，投影的照射辐射的立体角视场(FOV)被设置为覆盖整个FOR，且因此等于或大于FOR的立体角。因此，成像系统的FOV也在该模式下被设置为等于或大于FOR。应当注意的是，在本文中使用的术语视场(FOV)通常表示成像和/或照射的立体角。在根据本专利技术的系统的各种实现方式中，成像和照射的FOV可以不相似，并且更具体地来说可以具有不同的范围/立体角。为此，成像FOV(在本文中表示为I-FOV)是成像系统的总FOV。照射器FOV是照射器波束的立体角，称为L-FOV。在扫描成像模式下，照射辐射以远小于FOR的视场(FOV)立体角投影到FOR上。在这种情况下，帧周期对应于扫描循环，在扫描循环期间，照射辐射被扫描，以覆盖整个FOR。扫描循环的每个“步骤”持续特定的“积分周期”，在该“积分周期”期间，成本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种主动导引头系统，包括：/n照射模块，所述照射模块被配置并能够操作来生成用于沿着所述系统的输出光路传播的光束；/n成像模块，所述成像模块能够操作用于对来自所述输出光路的所述光束的光谱范围中的光进行成像；/n光学组件，所述光学组件包括波束整形器，所述波束整形器适于对所述光束进行整形，以形成输出光束，所述输出光束具有沿横过所述输出光路的特定横轴延伸的细长横截面，以用于照射特定视场；以及/n光路扫描模块，所述光路扫描模块被配置并能够操作用于围绕扫描轴成角度地偏转所述输出光路的方向，以通过扫掠细长输出光束的视场来执行一维扫描循环，以覆盖关注的区域(FOR)。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170912 IL 2544601.一种主动导引头系统，包括：
照射模块，所述照射模块被配置并能够操作来生成用于沿着所述系统的输出光路传播的光束；
成像模块，所述成像模块能够操作用于对来自所述输出光路的所述光束的光谱范围中的光进行成像；
光学组件，所述光学组件包括波束整形器，所述波束整形器适于对所述光束进行整形，以形成输出光束，所述输出光束具有沿横过所述输出光路的特定横轴延伸的细长横截面，以用于照射特定视场；以及
光路扫描模块，所述光路扫描模块被配置并能够操作用于围绕扫描轴成角度地偏转所述输出光路的方向，以通过扫掠细长输出光束的视场来执行一维扫描循环，以覆盖关注的区域(FOR)。


2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述波束整形器被配置并且能够操作用于整形所述光束，使得所述细长输出光束的视场具有线形，并且所述细长光束的宽横向维度和窄横向维度之间的横向纵横比大约是40。


3.根据权利要求1或2所述的系统，其中，所述细长输出光束延伸以覆盖所述FOR的第一横向维度，并且所述光路扫描模块被配置并且能够操作用于通过以下操作来执行所述一维扫描循环：偏转所述输出光路的方向以围绕所述扫描轴扫描特定角度范围，以便扫掠所述光束以覆盖在所述一维扫描循环中被成像的所述FOR的第二维度。


4.根据前述权利要求中任一项所述的系统，包括控制系统，所述控制系统能够连接到所述成像系统，并被配置且能够操作用于通过接收在所述一维扫描循环期间由所述成像系统捕获的图像序列而在搜索所述目标时监测所述关注的区域，并且处理所述图像以检测由所述光束照射的所述目标；所述检测包括确定所述光束从所述目标反射/散射的返回光是否被所述图像序列中的至少一个图像的一个或更多个像素捕获到。


5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述控制系统被配置成并且能够操作用于通过确定由所述像素捕获的光强度是否超过特定的预定信噪比(SNR)阈值来确定所述一个或更多个像素。


6.根据权利要求4或5所述的系统，其中，从所述目标反射/散射并由所述至少一个图像的所述一个或更多个像素捕获的所述返回光的强度是τ和1/R的函数，其中，R是在所述成像模块和所述目标之间的距离，并且τ是所述至少一个图像的曝光时间；并且其中，所述控制器适于在所述扫描期间估计所述目标的距离R的变化，并且利用所述距离的所述变化来动态地调节所述图像的曝光时间τ，由此减小所述扫描循环的总时间T，同时将所述目标检测的SNR优化为高于预定阈值。


7.根据权利要求5或6所述的系统，其中，从所述目标散射并由所述图像序列中的所述一个或更多个像素捕获的所述返回光的强度与T/(R4*Ω)成比例，其中，R是在所述成像模块和所述目标之间的距离，Ω是由所述扫描循环覆盖的总关注的区域(FOR)的立体角，并且T是所述扫描循环的持续时间；并且其中，所述控制器适于执行用于跟踪所述目标的多个扫描循环，同时动态地调节所述扫描循环的持续时间T和在所述扫描循环中被扫描的所述FOR的立体角Ω中的至少一者。


8.根据权利要求7所述的系统，其中，在跟踪所述目标期间，所述控制器适于随着所述目标的所述距离R变得更短而动态地减小所述扫描循环的持续时间T，由此分别动态地优化在所述一维扫描循环期间扫描的FOR帧的帧速率1/T。


9.根据权利要求7或8所述的系统，其中，所述控制器适于在跟踪所述目标期间确定所述目标的角速度，并且动态地调节由一个或更多个扫描循环覆盖的所述FOR的立体角Ω，由此优化所述跟踪的灵活性。


10.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述成像系统包括一维光电检测器阵列，并且其中，所述成像系统被配置成在所述一维光电检测器阵列上对所述细长输出光束的视场进行成像。


11.根据权利要求1至9中任一项所述的系统，其中，所述成像系统包括二维光电检测器阵列。


12.根据权利要求11所述的系统，其中，所述成像系统被配置成具有比所述照射模块的视场更大的视场，由此将由所述细长输出光束照射的所述视场成像到所述二维光电检测器阵列的像素的子集上。


13.根据权利要求12所述的系统，包括误警处理器，所述误警处理器适于处理由所述二维光电检测器阵列捕获的图像，以通过将由所述像素的子集捕获的光强度的参数和与由所述二维光电检测器阵列的其他像素测量的光强度相关联的对应噪声相关参数进行比较来确定对目标的误检测。


14.根据权利要求13所述的系统，其中，所述噪声相关参数是利用以下项中的一项或更多项来估计的：与所述杂波的标准差相关联的平均背景杂波水平和斜率、所述图像中结构的估计尺寸、以及所述图像之间的比较。


15.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述扫描轴是横过所述输出光路的横轴。


16.根据权利要求15所述的系统，其中，所述扫描轴不正交于所述特定横轴。


17.根据权利要求16所述的系统，其中，所述扫描轴平行于所述特定横轴。


18.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述光路扫描模块包括能够围绕所述扫描轴旋转的万向节，所述万向节被配置并能够操作用于执行所述输出光路的方向的所述成角度地偏转。


19.根据权利要求18所述的系统，其中，所述万向节包括用于围绕所述扫描轴旋转的致动模块。


20.根据权利要求18或19中任一项所述的系统，其中，所述成像模块被安装在所述万向节上。


21.根据权利要求18或19中任一项所述的系统，其中，所述成像模块在所述万向节外部，并且相对于所述万向节具有固定的成像光路，并且其中，所述光学组件包括一个或更多个成像光学元件，所述一个或更多个成像光学元件被布置在所述万向节上并被配置且能够操作用于引导来自所述输出光路的光沿着所述固定的成像光路传播，以便由所述成像模块成像。


22.根据权利要求15至20中任一项所述的系统，其中，所述照射模块被安装在所述万向节上。


23.根据权利要求15至20中任一项所述的系统，其中，所述照射模块在所述万向节外部，并且具有固定的光投影光路，所述光束沿着所述固定的光投影光路从所述照射模块发出，并且其中，所述光学组件包括一个或更多个导光光学元件，所述一个或更多个导光光学元件被布置在所述万向节上并被配置且...

【专利技术属性】
技术研发人员：沙哈尔·利维，
申请(专利权)人：以色列宇航工业有限公司，
类型：发明
国别省市：以色列;IL