本发明涉及海面机动目标监测，具体而言，涉及一种雨雪及海雾场景中雷视融合探测系统及方法。
背景技术：
1、海雾是在海洋或沿海地区的低层大气中，由于水汽凝结而产生大量的水滴或冰晶使大气水平能见度小于1km的天气现象，会对海上的交通、作业、生产和军事活动等造成严重影响。与海雾相同，海面上的雨雪同样会对海上目标探测造成影响。
2、目前，现有专利多聚焦于单视角、单雷达的海面机动目标探测，如现有专利雷达和光电一体化综合探测识别装置(申请号：cn203310993)、雷达和光学设备一体化结构装置(申请号：cn209471246)，其探测范围有限，整体结构不够灵活，无法实现水平方向上的全方位、多角度探测，同时雷达和光学红外设备无法实现灵活的任务分配，造成光学红外设备的工作时间变长、寿命减短，不具备对海面机动目标的精准探测能力。
技术实现思路
1、本发明要解决的技术问题是：
2、为了解决现有探测系统的探测范围有限，无法实现水平方向上的全方位、多角度探测，雷达与光学红外设备无法实现灵活的任务分配，造成光学红外设备寿命短，探测能力不精准的问题。
3、本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案：
4、本发明提供了一种雨雪及海雾场景中雷视融合探测系统，所述探测系统包括由上至下依次设置的四阵面雷达转台、连接支架和光学红外转台，
5、所述四阵面雷达转台包括四阵面转轴、四阵面底座和阵面侧板，所述四阵面转轴的底端与连接支架转动连接，四阵面转轴的顶端与板状的四阵面底座的中心处连接，所述四阵面底座的上端面四周外沿处转动连接有四个阵面侧板，每个阵面侧板的外侧均设有雷达，四个雷达的探测范围依次递增；
6、所述连接支架为冂状支架，所述光学红外转台包括光学红外转台底座、光学红外转轴和光学红外成像装置，所述光学红外转台底座用于安装在置于海面的探测机构上，所述光学红外转轴的底端与光学红外转台底座转动连接，所述光学红外转轴的上端开设有凹槽，所述光学红外成像装置通过两侧的侧转轴安装在凹槽内，所述连接支架的两侧侧板套接在光学红外转轴的外部并固定。
7、进一步地，四个阵面侧板上的雷达两两相对设置，且相邻两个雷达的夹角为90°。
8、进一步地，还包括控制处理模块，所述控制处理模块设置在连接支架的上表面，控制处理模块内部集成电子陀螺仪。
9、进一步地，还包括电源，所述电源分别与四阵面转轴、阵面侧板、光学红外转轴和侧转轴上的驱动电机连接，用于驱动四阵面转轴转动、阵面侧板的俯仰、光学红外转轴的转动和光学红外成像装置的俯仰。
10、进一步地，所述四阵面转轴的转速可达30圈/min；所述雷达可为相控阵毫米波雷达，俯仰向波束视角为20°，水平方位向视角为10°，工作频段为77-81ghz，四个雷达的探测距离呈等比数列设置；所述光学红外成像装置的俯仰角为45°，分辨率为1920*1080；所述电子陀螺仪的分辨率为0.061(°/s)/lsb。
11、一种利用雨雪及海雾场景中雷视融合探测系统的方法，包括以下步骤：
12、步骤一、以四阵面雷达转台中心为原点，建立平面坐标系，首先，四阵面雷达转台工作，光学红外转台待机；四阵面雷达转台高速转动以机械扫描的方式探测目标，待雷达在某一时刻检测到机动目标后进行下一步骤；
13、步骤二、待雷达检测到目标后，通过对雷达回波的信号处理，获取目标的距离、速度信息，通过控制处理模块的电子陀螺仪获取目标的方位信息，再将距离、速度信息和方位信息传送至控制处理模块进行坐标数据转换，最后控制处理模块将目标的坐标位置信息及转动命令发送至四阵面雷达转台和光学红外转台；
14、步骤三、四阵面雷达转台根据目标的距离调整雷达的阵面朝向，使得对应探测距离的雷达朝向目标的方向继续探测；光学红外转台接收到目标的坐标位置信息后开始工作，转动到目标的位置方位，之后，光学红外成像装置调整姿态使得目标处于视野中心，对准目标的位置进行照射；
15、步骤四、四阵面雷达转台和光学红外成像装置持续工作，每当雷达探测到目标后，将坐标位置信息发送到光学红外转台，并记录每个目标的相关信息；当目标消失后，四阵面雷达转台继续转动探测，光学红外转台停止转动进入待机状态，继续等待雷达探测到目标后重复以上步骤。
16、进一步地，在步骤一中，以四阵面雷达转台的中心为原点，以正北方向为x轴正方向，正东方向为y轴正方向建立x-o-y坐标系，目标的x轴、y轴坐标计算公式如下，
17、x＝r·cosw (1)
18、y＝r·sinw (2)
19、其中，r为目标与雷达的径向距离，w为目标相对于雷达的方位角；
20、待雷达在检测到机动目标后，使用雷达信号处理中的单元平均选大恒虚警检测器进行目标判决；对雷达的原始回波数据先做距离向的快速傅里叶变换得到距离单元的矩阵，再遍历每个距离单元，以单个距离单元定义为检测单元，以检测单元为中心的四周设置保护单元，再以保护单元向外一周设置训练单元；设置待检测单元为h，在其左右两边设定若干等长的保护单元，然后在保护单元的左半区间和右半区间分别求取数量相同的训练单元的均值h1和h2，计算公式如下，
21、
22、
23、其中，n为左半区间和右半区间的训练单元个数，l为左半区间第l个的训练单元，r为右半区间第r个的训练单元；
24、则训练单元的总杂波功率的水平估计z为h1和h2之间的最大值，计算公式如下，
25、z＝max(h1,h2) (5)
26、检测的阈值设置为g，有如下表达式，
27、g＝a·z (6)
28、其中，a是一个门限系数；
29、又由于go-cfar遵循奈曼-皮尔逊准则，虚警率pfa的计算公式如下，
30、
31、其中，n表示训练单元的个数，i表示第i个训练单元；
32、门限系数a则通过所需的虚警率pfa得到，进而带入公式(4)得到检测的阈值g。
33、进一步地，在步骤二中，获取目标的距离信息具体包括相控阵毫米波雷达发射的电磁波为线性调频连续波，雷达的接收天线通过获取回波的adc采样数据，经过对adc进行快速傅里叶变换处理，得到距离fft的频谱，再乘以距离分辨率就得到了目标的距离信息；线性调频连续波的发射信号s(t)t数学模型如下所示，
34、
35、其中，a为信号的幅度，μ为调频斜率，为发射信号的初始相位，f0为调频起始频率；
36、雷达接收到的回波信号是发射信号经过时延τ的结果，回波信号s(t)r如下式所示，
37、
38、通过接收信号与发射信号的混频(相乘)处理后得到差频(中频)信号s(t)if如下式所示，
39、s(t)if＝a cos[2π(f0τ+μτt-μτ2/2)] (10)
40、差频(中频)信号的频率fb为，
41、fb＝2πμτ (11)
42、可得出目标的距离r与时延τ的关系，计算公式如下式所示，
43、
44、
45、其中，tc为脉冲持续时间，b为信号的带宽，c为电磁波的传播速度；
46、联立上式可以得到目标的距离r，计算公式如下所示，
47、
48、获取目标的速度信息，具体为，fmcw雷达发射时间间隔为tc的两个脉冲，经过距离fft变换后将在同一位置出现不同相位的峰值，该相位差与目标的速度v相关，根据公式(10)差频信号的相位差为，
49、
50、则目标的速度v为，
51、
52、进一步地，在步骤三中，所述光学红外转台指接收到控制处理模块发送的位置信息后，光学红外转台迅速通过方位角反解出所需的旋转位移量，再通过光学红外转轴旋转一定的圈数，使得光学红外转轴带动光学红外成像装置转动到目标的方位；同时四阵面雷达转台转动方向相反的度数，使得雷达的朝向不随着光学红外转台的转动而改变，光学红外转台底座转动的周长与光学红外转轴旋转的弧度相等，等式关系如下所示，
53、2πd＝2πθh/360 (17)
54、其中，θ为光学红外转轴的转动角度，h为光学红外转轴的转动半径，d为光学红外转台底座的旋转半径；
55、因此，光学红外转台底座旋转一定圈数的总周长与光学红外转轴的转动角度关系式如下所示，
56、θ＝360·k·d/h (18)
57、其中，k为光学红外转台底座的旋转圈数。
58、进一步地，在步骤四中，每当雷达探测到目标后，都将坐标位置信息发送到光学红外转台，并记录每个目标距离、坐标、速度、时间，最终用于绘制成机动目标的航迹图。
59、相较于现有技术，本发明的有益效果是：
60、本发明一种雨雪及海雾场景中雷视融合探测系统及方法，以四阵面雷达转台为原点建立平面直角坐标系，未检测到目标时，四阵面雷达转台高速转动，检测到目标后，通过对雷达回波的信号处理获取目标的距离和速度信息，通过电子陀螺仪获取目标的方位信息，控制处理模块根据目标的距离、速度和方位信息发送命令至四阵面转台和光学红外转台，使四阵面雷达根据目标距离调整阵面朝向，光学红外转台旋转一定圈数后对准目标进行照射，进而记录相关信息；待目标消失后，四阵面雷达转台继续高速转动，光学红外转台进入待机状态；
61、本发明通过四阵面相控阵雷达对海面机动目标进行360°全方位探测，当通过go-cfar算法检测到目标后，可根据目标的距离来调整对应探测区间的雷达的阵面朝向，进而调用光学红外转台对阵改方向协同照射，获取机动目标的多重信息。本发明能够精准高效地探测海面机动目标，记录目标的相关航迹信息，当目标的距离变化时，可调整对应参数的雷达更加精准地探测，同时也是融合红外视觉的协同探测。能够应对1公里范围内海面机动目标的检测、跟踪、取证问题，解决了传统雷达转台无法全方位探测的问题，实现了雷达转台与光学红外转台的一体化系统机械结构设计和一体化数据处理方法，本发明专利提出的相关结构、技术、方法具有十分广阔的市场前景和应用价值。
1.一种雨雪及海雾场景中雷视融合探测系统，其特征在于：所述探测系统包括由上至下依次设置的四阵面雷达转台、连接支架(3)和光学红外转台，
2.根据权利要求1所述的一种雨雪及海雾场景中雷视融合探测系统，其特征在于：四个阵面侧板(12)上的雷达(13)两两相对设置，且相邻两个雷达(13)的夹角为90°。
3.根据权利要求2所述的一种雨雪及海雾场景中雷视融合探测系统，其特征在于：还包括控制处理模块(4)，所述控制处理模块(4)设置在连接支架(3)的上表面，控制处理模块(4)内部集成电子陀螺仪。
4.根据权利要求3所述的一种雨雪及海雾场景中雷视融合探测系统，其特征在于：还包括电源，所述电源分别与四阵面转轴(11)、阵面侧板(12)、光学红外转轴(22)和侧转轴上的驱动电机连接，用于驱动四阵面转轴(11)转动、阵面侧板(12)的俯仰、光学红外转轴(22)的转动和光学红外成像装置(23)的俯仰。
5.根据权利要求4所述的一种雨雪及海雾场景中雷视融合探测系统，其特征在于：所述四阵面转轴(11)的转速可达30圈/min；所述雷达(13)可为相控阵毫米波雷达(13)，俯仰向波束视角为20°，水平方位向视角为10°，工作频段为77ghz-81ghz，四个雷达(13)的探测距离呈等比数列设置；所述光学红外成像装置(23)的俯仰角为45°，分辨率为1920*1080；所述电子陀螺仪的分辨率为0.061(°/s)/lsb。
6.一种利用权利要求1-5中任一权利要求所述的雨雪及海雾场景中雷视融合探测系统的方法，其特征在于，包括以下步骤：
7.根据权利要求6所述的一种雨雪及海雾场景中雷视融合探测方法，其特征在于：在步骤一中，以四阵面雷达转台的中心为原点，以正北方向为x轴正方向，正东方向为y轴正方向建立x-o-y坐标系，目标的x轴、y轴坐标计算公式如下，
8.根据权利要求7所述的一种雨雪及海雾场景中雷视融合探测方法，其特征在于：在步骤二中，获取目标的距离信息包括相控阵毫米波雷达发射的电磁波为线性调频连续波，雷达(13)的接收天线通过获取回波的adc采样数据，经过对adc进行快速傅里叶变换处理，得到距离fft的频谱，再乘以距离分辨率就得到了目标的距离信息；
9.根据权利要求8所述的一种雨雪及海雾场景中雷视融合探测方法，其特征在于：在步骤三中，所述光学红外转台指接收到控制处理模块(4)发送的位置信息后，光学红外转台迅速通过方位角反解出所需的旋转位移量，再通过光学红外转轴(22)旋转一定的圈数，使得光学红外转轴(22)带动光学红外成像装置(23)转动到目标的方位；同时四阵面雷达转台转动方向相反的度数，使得雷达(13)的朝向不随着光学红外转台的转动而改变，光学红外转台底座(21)的转动的周长与光学红外转轴(22)旋转的弧度相等，等式关系如下所示，
10.根据权利要求9所述的一种雨雪及海雾场景中雷视融合探测方法，其特征在于：在步骤四中，每当雷达(13)探测到目标后，都将坐标位置信息发送到光学红外转台，并记录每个目标距离、坐标、速度、时间，最终用于绘制成机动目标的航迹图。
