1.本发明属于机载光电系统地面搜索侦察
技术领域：
：，具体涉及一种适用于小型飞行器光电系统高效扫描方法。
背景技术：
：：2.当前机载光电吊舱对地面的搜索侦察应用中，主要是利用载体的机动性对下方或前下方区域进行实时扫描，受小型飞行器布局限制，横向悬挂方式集成的光电系统，采用横滚扫描、并利用平台飞行路径实现区域侦察是较高效的搜索侦察工作模式。考虑到平台飞行高度、速度有限，采用低空、小俯仰角横滚扫描方式较有利于系统的安全。目前采用横滚扫描方式的应用，主要是高空、远距离侦察，通常采用大俯仰角、过顶侦察模式，该种应用下，俯仰角仅需对航向位移进行补偿。但在小型飞行器侦察应用中，俯仰角较小，利用以前的扫描方法时，横滚方向转动在地面的扫过的区域会产生明显的变形，形成一个弧形的条带，两端扫描点向前方延伸，与飞行器距离大大加长，视轴距离产生较大的变化，极大地限缩基于一定可视级别(如基于探测级别、识别级别等)的有效搜索幅宽，造成实际有效扫描区域变窄，如图1所示。同时，在高空、远距离的侦察应用中，由于覆盖面大，对扫描的效率要求相对较低，但小型飞行器的侦察应用中，由于飞行速度慢、高度低，视场覆盖面小，建立一套优化的扫描参数对提升扫描效率尤为重要。另一方面，小型飞行器飞行状态容易受到外界环境影响，为了确保搜索侦察品质(最大搜索幅宽、一定的重叠率)，侦察采用基于地理坐标点的指向控制方法，但在实际搜索侦察中，其品质仍然受平台的影响，当飞行器飞行状态发生改变，仍然按照先前设定的扫描参数扫描时，在扫描俯仰角度上会产生累积误差，误差超过一定限度，将会导致扫描重叠区域过大或者过小，使扫描重叠率无法满足需求，甚至使扫描机构达到机械限位。技术实现要素：3.(一)要解决的技术问题4.本发明要解决的技术问题是：针对应用在小型飞行器横向悬挂方式装载的光电系统，如何提供一种对地面区域侦察的扫描方法，要求该方法可以实现在小俯仰角的应用场景下的高效扫描，同时避免漏扫，既能提高搜索效率又能保证侦察品质。5.(二)技术方案6.为解决上述技术问题，本发明提供一种适用于小型飞行器光电系统高效扫描方法，所述方法包括如下步骤：7.步骤1：依据飞行器在扫描起始时刻的飞行状态，计算出一套优化的扫描参数，该扫描参数在扫描模式启动时装订，飞行过程中结合姿态信息实时调整视轴指向扫描点位置，完成扫描过程；8.步骤2：采用基于地理坐标点的指向控制方法，使地面上扫描条带平直，在飞行航迹两侧形成一定幅宽的规则区域，最大限度利用探测器的探测能力。9.其中，所述步骤1中计算扫描参数，在探测器视距限制下，根据飞行器高度、速度和预设扫描条件，利用优化算法计算出扫描幅宽、初始俯仰角和各扫描点位置参数，并最终生成扫描点位置坐标序列。10.其中，所述步骤1包括：11.步骤11：设定计算条件，包括飞行状态，探测器参数及预设扫描条件；所述飞行状态包括飞行器的飞行高度、速度；所述探测器参数包括视距、视场；所述预设扫描条件包括扫描频率、重叠率；12.步骤12：计算扫描参数最优值；所述扫描参数最优值包括初始俯仰角，最大横滚角，步进幅数；13.步骤13：计算单视场在地面的映射区域；14.步骤14：计算横向和纵向的视场重叠区域；15.步骤15：计算扫描横向步进量和纵向步进量；16.步骤16：生成扫描点位置坐标序列。17.其中，所述步骤2中进行地面区域扫描控制，根据陀螺、编码器、惯导系统器件提供的实时数据，结合步骤1的扫描参数，得到当前扫描点位置，并进行解算，解算结果用以控制伺服机构，使传感器视轴指向当前的扫描点，借助飞行器机动性实现连续扫描。18.其中，所述步骤2包括：19.步骤21：启动扫描任务；20.步骤22：建立坐标系，以当前的飞行器位置为坐标系原点，采用北东地坐标系作为导航坐标系，采用前右下坐标系作为载体坐标系；21.步骤23：依据探测器参数、飞行状态及预设扫描条件，装订匹配的扫描参数和扫描点位置坐标序列；22.步骤24：实时获取姿态信息；23.步骤25：计算当前时刻北东地坐标系下飞行器位置；24.步骤26：计算当前时刻北东地坐标系下扫描点位置，建立当前扫描点向量；25.步骤27：将扫描点向量通过姿态传感器数据转换到飞行器载体坐标系下；所述姿态传感器数据包括航向数据、俯仰数据、横滚数据；26.步骤28：计算光电系统外托架、内托架角度，即解算光电吊舱方位角度及俯仰角度，从而获得视轴指向当前扫描点所需要转动的角度；27.步骤29：输出伺服控制指令，控制伺服输出，调整方位和俯仰机构，使视轴指向当前扫描点。28.其中，所述步骤2还包括：29.步骤210：判断扫描模式告警条件及扫描模式退出条件；符合扫描模式告警条件时，发出扫描告警信息；符合扫描模式退出条件时，退出扫描模式，否则重复步骤24。30.其中，所述步骤210中，建立警示机制来对由于飞行状态与扫描参数不匹配而造成的累积误差超限进行警示，及时报告出当前扫描状态，情况严重时退出扫描模式，以此来保证扫描数据的有效性和可靠性。31.其中，所述步骤210中，实时监控飞行器状态，当飞行状态改变不符合设定参数时，即符合扫描模式告警条件时，给出扫描告警信息，严重时，即符合扫描模式退出条件时，退出扫描模式。32.其中，所述步骤210包括：33.步骤2101：以实际飞行状态计算实际初始俯仰角；34.步骤2102：以机械限位限制作为扫描模式退出条件；35.步骤2103：以最小横滚角度扫描距离限制作为第一扫描模式告警条件；36.步骤2104：以最大横滚角度扫描距离限制作为第二扫描模式告警条件；37.步骤2105：以横向扫描重叠率限制作为第三扫描模式告警条件；38.步骤2106：以纵向扫描重叠率限制作为第四扫描模式告警条件。39.其中，所述扫描方法在光电系统的cpu中运行。40.(三)有益效果41.与现有技术相比较，本发明提供了一种适用于小型飞行器光电系统高效扫描方法，该方法提供了优化扫描参数计算，在保证一定重叠率下使扫描效率最高，最大限度提升侦察效率；提供了扫描的控制，最大限度利用探测器的探测能力，并且有利于多个飞行器集群作业进行联合扫描；该方法提供了扫描模式退出机制，对扫描有效性和可靠性进行保证。42.本发明技术方案可以实现在低空、小俯仰角的应用场景下全覆盖、高效地扫描飞行航迹周围区域，具有隐蔽性好，扫描范围大，效率高的特点，降低了对飞行器飞行控制要求，在智能化、集群作战模式越来越受到重视的背景下，上述扫描控制方法具有良好的应用前景。同时还可拓展应用于现有高空、远距离侦察装备，以丰富装备的应用方式。附图说明43.图1是未补偿扫描工作示意图。44.图2是扫描补偿效果示意图。45.图3是本发明所涉及应用载体及相关组件示意图。46.图4是一个扫描循环中各扫描点的排布示意图。47.图5是扫描幅宽示意图。48.图6是扫描单视场纵向长度示意图。具体实施方式49.为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。50.为解决上述技术问题，本发明提供一种适用于小型飞行器光电系统高效扫描方法，所述方法包括如下步骤：51.步骤1：依据飞行器在扫描起始时刻的飞行状态，计算出一套优化的扫描参数，该扫描参数在扫描模式启动时装订，飞行过程中结合姿态信息实时调整视轴指向扫描点位置，完成扫描过程；52.步骤2：采用基于地理坐标点的指向控制方法，使地面上扫描条带平直，在飞行航迹两侧形成一定幅宽的规则区域，如图2所示，最大限度利用探测器的探测能力，并且有利于多个飞行器集群作业进行联合扫描。53.其中，所述步骤1中计算扫描参数，在探测器视距限制下，根据飞行器高度、速度和预设扫描条件，利用优化算法计算出扫描幅宽、初始俯仰角和各扫描点位置参数，并最终生成扫描点位置坐标序列。54.其中，所述步骤1包括：55.步骤11：设定计算条件，包括飞行状态，探测器参数及预设扫描条件；所述飞行状态包括飞行器的飞行高度、速度；所述探测器参数包括视距、视场；所述预设扫描条件包括扫描频率、重叠率；56.步骤12：计算扫描参数最优值；所述扫描参数最优值包括初始俯仰角，最大横滚角，步进幅数；57.步骤13：计算单视场在地面的映射区域；58.步骤14：计算横向和纵向的视场重叠区域；59.步骤15：计算扫描横向步进量和纵向步进量；60.步骤16：生成扫描点位置坐标序列。61.其中，所述步骤2中进行地面区域扫描控制，根据陀螺、编码器、惯导系统器件提供的实时数据，结合步骤1的扫描参数，得到当前扫描点位置，并进行解算，解算结果用以控制伺服机构，使传感器视轴指向当前的扫描点，借助飞行器机动性实现连续扫描。62.其中，所述步骤2包括：63.步骤21：启动扫描任务；64.步骤22：建立坐标系，以当前的飞行器位置为坐标系原点，采用北东地坐标系作为导航坐标系，采用前右下坐标系作为载体坐标系；65.步骤23：依据探测器参数、飞行状态及预设扫描条件，装订匹配的扫描参数和扫描点位置坐标序列；66.步骤24：实时获取姿态信息；67.步骤25：计算当前时刻北东地坐标系下飞行器位置；68.步骤26：计算当前时刻北东地坐标系下扫描点位置，建立当前扫描点向量；69.步骤27：将扫描点向量通过姿态传感器数据转换到飞行器载体坐标系下；所述姿态传感器数据包括航向数据、俯仰数据、横滚数据；70.步骤28：计算光电系统外托架、内托架角度，即解算光电吊舱方位角度及俯仰角度，从而获得视轴指向当前扫描点所需要转动的角度；71.步骤29：输出伺服控制指令，控制伺服输出，调整方位和俯仰机构，使视轴指向当前扫描点。72.其中，所述步骤2还包括：73.步骤210：判断扫描模式告警条件及扫描模式退出条件；符合扫描模式告警条件时，发出扫描告警信息；符合扫描模式退出条件时，退出扫描模式，否则重复步骤24。74.其中，所述步骤210中，建立警示机制来对由于飞行状态与扫描参数不匹配而造成的累积误差超限进行警示，及时报告出当前扫描状态，情况严重时退出扫描模式，以此来保证扫描数据的有效性和可靠性。75.其中，所述步骤210中，实时监控飞行器状态，当飞行状态改变不符合设定参数时，即符合扫描模式告警条件时，给出扫描告警信息，严重时，即符合扫描模式退出条件时，退出扫描模式。76.其中，所述步骤210包括：77.步骤2101：以实际飞行状态计算实际初始俯仰角；78.步骤2102：以机械限位限制作为扫描模式退出条件；79.步骤2103：以最小横滚角度扫描距离限制作为第一扫描模式告警条件；80.步骤2104：以最大横滚角度扫描距离限制作为第二扫描模式告警条件；81.步骤2105：以横向扫描重叠率限制作为第三扫描模式告警条件；82.步骤2106：以纵向扫描重叠率限制作为第四扫描模式告警条件。83.其中，所述扫描方法在光电系统的cpu中运行。84.实施例185.本实施例所介绍的扫描方法以软件形式运行在图3中所示光电吊舱的“解算及控制单元”中。同时需要“二次电源”、“通讯单元”、“伺服机构”、“陀螺”、“编码器”、“红外传感器”及“惯导系统”等各组件的支持。当然，本发明可以以各种形式实现公开而不应被本实施例所限制，在本发明的基础上所作出的改进、修饰、替换等，均应在本发明保护范围之内。86.本发明第一步进行扫描参数计算，最终生成一个扫描循环的扫描点位置坐标序列，如表1所示。扫描循环由初始扫描点p(0)开始，经过一个扫描条带及两个扫描半条带完成，扫描点排布如图4中所示。一个完整的扫描过程即为若干个扫描循环顺序相接来完成，直至符合扫描退出条件。该计算具体包括如下步骤：87.11.设定计算条件，包括飞行状态(高度、速度)，探测器参数(视距、视场)及预设扫描条件(扫描频率、重叠率)。88.在本实施例中，传感器视场5.4°×4.3°(a＝5.4,b＝4.3)，视距l＝4000m，飞行高度h＝1500m，速度v＝50m/s，扫描频率f＝1hz(周期t＝1s)，重叠率p≥30％，初始横滚角α0＝0。89.12.计算出扫描参数最优值(初始俯仰角，最大横滚角，步进幅数)。在本实施例中，采用遗传算法进行最优值的求取，在初始俯仰角β0∈[1040]，最大横滚角αmax∈[050]，步进幅数n∈[115]时，随机产生种群，种群大小300，取变异算子0.1，交叉算子0.9，迭代次数200次，以视距条件和重叠率条件作为适应度，经计算可得到：初始俯仰角β0＝22.02431，扫描最大横滚角αmax＝41.35739，横向步进幅数n＝5(不含中间扫描点)，扫描幅宽2ymax＝2640.893m，最大视距lscanmax＝4000m，横滚扫描重叠率proll＝0.3，航向扫描重叠率pcourse＝0.319188。[0090]13.计算单视场在地面的映射区域。以如下公式计算得到：[0091]扫描一条带时飞行器飞行距离：x＝(n×2+1)×t×v＝(5×2+1)×1×50＝550m。[0092]最大横滚角度时飞行补偿的距离：xhalf＝n×t×v＝5×1×50＝250m[0093]第一个扫描点视距在地面投影：[0094]扫描幅宽(单侧)：ymax＝h×tanαmax＝1500×tan41.35739＝1320.5m[0095]最大横滚角度扫描距离，如图5中所示：[0096][0097]最小横滚角度扫描距离：[0098]可求单视场地面区域映射，[0099]横向宽度：wview＝lscanmin×tana＝4000×tan5.4＝378.1m[0100]纵向长度，如图6中所示：[0101][0102]14.计算横向和纵向的视场重叠区域。[0103]一条带横向重叠宽度：[0104]woverlap_total＝wview×2×n‑2×ymax＝378.1×2×5‑2×1320.5＝1140m[0105]单个视场重叠宽度：[0106]单个视场重叠长度：loverlap＝lview‑x＝807.86‑550＝257.86m[0107]15.计算扫描横向步进量和纵向步进量。[0108]扫描点横向步进量：wstep＝wview‑woverlap＝378.1‑114＝264.1m[0109]扫描点纵向步进量：lstep＝lview‑loverlap＝x＝550m[0110]16.生成扫描点位置坐标序列。[0111]以中间扫描点作为第一个扫描点，将其位置坐标设定为(ptable_x＝0,ptable_y＝0)，按照图4中所示扫描点排布，可以得到表1中所示各扫描点位置坐标序列。[0112]表1.一个扫描循环中各扫描点的位置坐标序列表[0113][0114][0115]第二步，进行地面区域扫描控制，包括如下步骤：[0116]21.启动扫描任务：在飞行器飞行过程中，光电吊舱默认并不在扫描模式下工作，在外部系统给出进入扫描模式的指令后，光电吊舱进入扫描模式的状态，此时刻定义为t0，假设t0＝0。[0117]22.建立坐标系：在本实施例中以当前时刻飞行器位置为坐标原点，采用北(x)东(y)地(z)坐标系作为导航坐标系，采用前(x)右(y)下(z)坐标系作为载体坐标系。[0118]23.参数装订。根据预设的输入条件：传感器视距、视场，飞行高度、速度，扫描频率、重叠率装订匹配的扫描参数，包括初始俯仰角β0，扫描最大横滚角αmax，横向步进幅数n(不含中间扫描点)，及各扫描点的位置坐标序列。在本实施例中，传感器视场5.4°×4.3°(a＝5.4,b＝4.3)，视距l＝4000m，飞行高度h＝1500m，速度v＝50m/s，扫描频率f＝1hz(周期t＝1s)，重叠率p≥30％，初始横滚角α0＝0，在此条件下，依据本发明在第一步进行的扫描参数计算可得到：初始俯仰角β0＝22.02431，扫描最大横滚角αmax＝41.35739，横向步进幅数n＝5(不含中间扫描点)，及各扫描点的位置坐标序列表。各扫描点分布如图4所示，其中x为飞行器纵向，y为飞行器横向。[0119]24.实时获取飞行器状态信息，在本实施例中，姿态信息由飞行器的惯导系统实时提供。具体信息包括：飞行速度v、高度h，航向角俯仰角θ，横滚角γ。[0120]25.计算出飞行器位置。在t时刻，飞行器在北东地坐标系下位置为：[0121][0122]26.计算出扫描点位置。在t时刻，通过查表(如表1所示)可得到在飞行器航向上的扫描点位置[0123]当前扫描点的位置为：[0124]其中：[0125]n：已经扫描过的扫描循环数量，[0126]lstep：扫描点纵向步进量。[0127]经过航向修正后，可以得到扫描点在北东地坐标系下的位置为：[0128][0129]当前时刻扫描点向量为：[0130][0131]27.将扫描点向量转换到飞行器载体坐标系下：[0132][0133]28.解算光电吊舱方位角度及俯仰角度，即视轴指向当前扫描点所需要转动的角度。[0134][0135][0136]29.输出伺服控制指令，调整方位和俯仰机构，使视轴指向当前扫描点。[0137]210.依据本发明后述第三步中提供的扫描模式告警条件及扫描模式退出条件，判断是否满足。若符合扫描模式退出条件，则扫描流程结束，给出伺服归零指令，调整方位和俯仰机构回到初始位置(α0＝0,β0＝22.02431)。若不符合扫描退出条件，则跳转到步骤24继续扫描，符合告警条件时，报出告警信息。[0138]第三步，该扫描方法实时监控飞行器状态，判断告警及退出条件，当飞行状态改变不符合设定参数时，给出告警信息，严重时退出扫描模式。具体包括如下步骤：[0139]2101.以实际飞行状态计算实际初始俯仰角。在本实施例中，传感器视场5.4°×4.3°(a＝5.4,b＝4.3)，视距l＝4000m，飞行高度h＝1500m，速度v＝50m/s，扫描频率f＝1hz(周期t＝1s)，重叠率p≥30％，初始横滚角α0＝0。由本发明提供的高效扫描参数计算方法可知：初始俯仰角β0＝22.02431，扫描最大横滚角αmax＝41.35739，横向步进幅数n＝5(不含中间扫描点)，扫描幅宽2ymax＝2640.893m，最大视距lscanmax＝4000m，横滚扫描重叠率proll＝0.3，航向扫描重叠率pcourse＝0.319188。假设实际飞行速度为v′，实际飞行高度为h′。[0140]第一个扫描点视距在地面投影：[0141][0142]经过n个扫描循环之后的第一个扫描点视距在地面投影为：[0143]x′max＝xmax+n×2x‑n×(4n+2)×v′[0144]＝3708.1+n×2×550‑n×(4×5+2)×v′[0145]＝3708.1+(1100‑22v′)×n[0146]得到实际初始俯仰角：[0147]2102.以机械限位限制作为扫描模式退出条件：当β′0接近光电吊舱在俯仰上的机械限位(βlimit1,βlimit2)时，应保证能够退出扫描模式，即需满足其中：δδ1、δδ2作为工程经验误差值，可根据实际情况添加。[0148]2103.以最小横滚角度扫描距离限制作为第一扫描模式告警条件：当β0′不能满足条件时，说明最小横滚角度扫描距离：超过传感器视距，不能保证对目标的有效探测，应给出扫描告警信息。[0149]2104.以最大横滚角度扫描距离限制作为第二扫描模式告警条件：[0150]最大横滚角度时实际飞行补偿的距离：x′half＝n×t×v′＝5v′[0151]实际扫描最大横滚角：[0152]实际扫描幅宽(单侧)：ym′ax＝h′×tanα′max＝ymax＝1320.5m[0153]由最大横滚角度扫描距离限制条件：[0154][0155]可得到实际第一个扫描点视距在地面投影：[0156][0157]由此得到实际初始俯仰角：[0158][0159]当β0′不能满足该条件时，说明最大横滚角度扫描距离：l′scanmax>l，超过传感器视距，不能保证对目标的有效探测，应给出扫描告警信息。[0160]2105.以横向扫描重叠率限制作为第三扫描模式告警条件：[0161]实际最小横滚角度扫描距离：[0162]单视场地面区域映射实际横向宽度：w′view＝l′scanmin×tana＝l′scanmin×tan5.4[0163]一条带实际横向重叠宽度：[0164]w′overlap_total＝w′view×2×n‑2×y′max＝w′view×2×5‑2×1320.5＝l′scanmin×tan5.4×10‑2641[0165]单个视场实际重叠宽度：[0166]实际横向扫描重叠率为：[0167][0168]那么为保证一定的重叠率(本实施例中p≥30％)，既不产生漏扫又能保证扫描效率，需满足条件：p+δδ5≤p′w，在本实施例中即为0.3+δδ5≤p′w，当超过限制条件，应给出扫描告警信息。[0169]2106.以纵向扫描重叠率限制作为第四扫描模式告警条件：[0170]扫描一条带时飞行器实际飞过的距离：x′＝(n×2+1)×t×v′＝11v′[0171]单视场地面区域映射实际纵向长度：[0172][0173]实际纵向扫描重叠率为：[0174][0175]那么为保证一定的重叠率(本实施例中p≥30％)，既不产生漏扫又能保证扫描效率，需满足条件：p+δδ6≤p′l，在本实施例中即为0.3+δδ6≤p′l，当超过限制条件，应给出扫描告警信息。[0176]以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本
技术领域：
：的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。当前第1页12当前第1页12