用于原点估计和目标归类的尾随空中目标的尾流湍流的光雷达回溯

摘要

武器定位光雷达系统通过使用流动场测量以从检测到目标的位置向后跟随尾随空中目标的尾流湍流直到不再能观察到尾流为止来估计空中目标的向后轨迹。系统可使用向后轨迹以估计目标的原点。系统也可使用沿向后轨迹的流动场测量以将目标归类。目标归类可被用于提炼原点估计、影响对抗火力或者适应性调整流动场测量。

说明书

技术领域

本发明涉及跟踪到来的空中目标的路径以回溯到火力源和武器位 置的武器定位系统，特别涉及也称为光雷达系统的新类型的武器定位 激光雷达(Light Detection And Ranging)，该武器定位雷达使用流 动场测量，以从检测到目标的点向后回溯尾随空中目标的尾流湍流， 以估计向后轨迹。向后轨迹可被用于估计目标的原点(POO)。流动 场测量也可被用于将空中目标归类，这可被用于提炼POO估计或者 影响指向POO上的对抗火力。

背景技术

武器定位雷达(RAdio Detection And Ranging)系统跟踪到来的 包括弹壳、火箭、迫击炮、导弹等的抛射体的路径，并且，计算发射 抛射体的点。这些武器定位系统使用多普勒雷达以检测抛射体的硬体 并然后在抛射体轨迹的后面一部分上向前跟踪硬体的位置。这些系统 一般假定弹道学轨迹以沿估计的飞行路径回溯到地球交点以为有效的 对抗火力策略估计原点(POO)。武器定位系统还预测碰撞区域并且 向友军传送数据，从而使得有时间实施有效的防御措施。武器定位系 统在尺寸上便于传输并且重视精度、可动性、可靠性和低寿命周期成 本。当前，武器定位雷达系统在两大类的传感器即中程和长程上是可 用的。例子包括：Raytheon的TPQ-36Firefinder系统具体被设计为 对抗中程敌军武器系统，直到24千米的范围，而TPQ-37Firefinder 系统可定位长程系统甚至表面发射导弹，直到50千米。

现在参照图1a～1c，在一般的战场方案中，隐藏在山、沙丘或树 林12后面的敌军大炮10向友军发射抛射体14。为了向大炮10引导 有效的对抗火力，必须确定作为抛射体火力的POO的大炮的位置。 武器定位多普勒雷达系统16，诸如TPQ-36或TPQ-37，在较大的关 注域(FOR)22上扫描覆盖较窄的瞬时视场(FOV)20的微波能量 束18，以检测并然后跟踪到来的抛射体14。多普勒雷达系统分析返回 信号的频率如何被抛射体的移动修改。这种变动给出抛射体相对于雷 达系统的径向速度的直接和精确的测量。多普勒雷达可提供目标硬体 的3D位置(例如，方位角和仰角的粗略测量和精确的估计范围)。

一旦建立稳定的跟踪，武器定位雷达系统就跟随硬体抛射体14 的向前轨迹以测量大量的跟踪点24。武器定位系统假定弹道轨迹并且 对跟踪点24施加弹道计算以沿估计的弹道轨迹25回溯到地球交点以 估计POO 26。POO 26被转送到反击炮28，该反击炮28计算火力方 案并将对抗火力(例如，抛射体30)引向估计POO处的大炮10。

在理想情况下，武器定位系统会从首先被雷达系统观察到抛射体 的点即抛射体从山、沙丘或树林12后面出现的点或者如果存在清楚的 视线则从大炮10的抛射体发射点检测和跟踪抛射体。实际上，在系统 可检测抛射体并建立稳定的跟踪之前，存在与许多米的行进距离对应 的延迟。有助于该延迟的因素包括花费在扫描束18的窄FOV 20上以 与抛射体14的飞行路径相交并且检测抛射体的硬体的有限时间量。某 些抛射体的雷达断面可能非常低，以至于不能在第一次通过时检测到 抛射体。在初始检测之后，可能需要附加的扫描或两次扫描以建立稳 定的跟踪。

如果抛射体在其飞行轨迹中足够早地被检测和跟踪、如果抛射体 在飞行路径的任何部分中不推动或者机动(即，它不背离纯粹的弹道 轨迹)以及如果其飞行路径不受大风或者不稳定空气干扰，那么多普 勒雷达可提供POO的相当良好的估计。如果不满足这些条件，那么 估计的POO将不精确，并且，反击炮将效率低下。

发明内容

为了提供本发明的一些方面的基本理解，以下给出本发明的发明 内容。发明内容不是要识别本发明的关键或决定性要素或者将本发明 的范围划界。其唯一目的是作为后面给出的具体实施方式和限定的权 利要求的序言以简化的形式给出本发明的一些概念。

本发明提供通过使用流动场测量以从检测到目标的位置向后向火 力源跟随跟踪空中目标的尾流湍流估计空中目标的向后轨迹的武器定 位雷达系统。系统可使用向后轨迹以估计目标的原点。系统也可使用 沿着向后轨迹的流动场测量以将目标归类。目标归类可被用于提炼原 点估计、影响选择的对抗火力措施或者适应性调整流动场测量。

在实施例中，激光束从检测到目标的位置向后照射尾随空中目标 的尾流，直到尾流不再可被武器定位雷达系统观察。激光束具有被选 择为区分尾流湍流与自然出现的大气现象的空间图案和时间波形。从 尾随空中目标的尾流中和周围的空气体积中的分子、气雾剂和颗粒物 质反向散射的激光能量被检测和处理以计算一个或更多个大气流动场 图像。各图像包含诸如但不限于空间分解径向速度或时间或空间的微 分、其时刻或函数的流动场测量的轮廓。流动场测量的轮廓被处理以 估计空中目标从目标的检测位置到不再能观察到尾流的位置的向后轨 迹。

在实施例中，向后经过不再能观察到尾流的位置投影向后轨迹， 以估计空中目标的原点。在另一实施例中，流动场测量被处理以提取 签名并指定空中目标的目标类别。目标归类可被用于提炼估计POO (例如，调整POO估计或者重新确定POO周围的误差框的尺寸)、 影响对抗火力(例如，对抗火力的类型或量)或者适应性调整目标类 别的时间波形。

在实施例中，当射束从检测位置回溯尾流时，适应性调整激光束 的时间波形。当尾流老化时，流动场将改变。可基于尾流的“年龄” 适应性调整波形，以保留流动场测量的质量，这里，“年龄”在这里 被用作沿向着原点向后测量的尾流路径的位置的代表。作为替代方案， 波形可被适应性调整以进行不同的流动场测量。

在实施例中，光雷达系统任意地对三维范围分解模式或二维角度/ 角度模式适应性调整时间波形。系统从检测位置向后以范围分解模式 照射尾流直到不能再以范围分解模式观察尾流为止，并然后切换到角 度-角度模式，直到尾流不再能观察。系统可渐近地选择较小范围分解 率，直到仅存在2D信息。在雷达系统提供检测的位置和估计的弹道 轨迹的实施例中，光雷达系统结合来自雷达和3D和2D光雷达的信息 以估计向后轨迹。

在实施例中，在三维范围分解模式中，系统在各范围切片处处理 方位角和仰角的流动场测量以估计各范围切片处的尾流的中心。系统 通过中心估计三维轨迹作为向后轨迹。

在实施例中，在二维角度/角度模式中，具有估计的弹道轨迹的系 统处理方位角和仰角上的流动场测量以估计一系列的尾流中心和角度 轨迹。系统通过尾流中心拟合曲线以提供向后轨迹的方位角和仰角分 量。系统映射估计的弹道轨迹的二维方位角和仰角投影处于与任何曲 线点的最小角度分离处的估计弹道轨迹的范围坐标，以提供向后轨迹 的范围分量。

在实施例中，根据流动场测量、目标归类和光雷达功能，适应性 调整尾流中和周围的空气体积中的反向散射激光能量的空间采样。

在实施例中，当回溯尾流湍流时，从尾流内或外的流动场测量提 取风速的估计。风速被用于补偿向后轨迹和POO估计。

对于本领域技术人员来说，结合附图参照优选实施例的以下的详 细描述，本发明的这些和其它特征和优点将十分明显。

附图说明

上述的图1a～1c是示出使用已知的武器定位雷达以检测和跟踪到 来的抛射体以估计回到抛射体原点的弹道轨迹以引导对抗火力的示 图；

图2是由穿过流体的超声抛射体产生的湍流尾流和冲击波的阴影 示图；

图3a、图3b和图3c分别是通过湍流尾流、范围分解和角度/角度 流动场图像给出的测量频率偏移对沿光雷达视线的范围的示图；

图4a～4c是检测到来的空中目标并且沿尾随目标的尾流湍流回溯 以估计向后轨迹和POO以引导对抗火力的武器定位雷达和光雷达系 统的实施例的示图；

图5是用于检测空中目标并且沿尾随目标的尾流湍流回溯以估计 轨迹的武器定位光雷达系统的实施例的框图；

图6a和图6b是包含雷达和范围分解和角度/角度光雷达部件的武 器定位系统的实施例的流程图；

图7是使用三维范围分解光雷达以估计向后轨迹的实施例的示 图；

图8a和图8b分别是用于使用角度/角度光雷达以估计向后轨迹的 实施例的轨迹的角度/角度示图和对三维空间的投影。

具体实施方式

本发明提供通过从检测到目标的位置向后到不再可通过光雷达系 统观察尾流跟随来自尾随空中目标的尾流湍流的激光能量反向散射估 计诸如超音或超声抛射体、火箭、迫击炮、导弹等的空中目标的向后 轨迹的武器定位雷达系统。武器定位系统可使用向后轨迹以估计目标 的POO。系统也可使用沿向后轨迹的尾流的签名以将目标归类。尾流 签名可与由光雷达或雷达系统提供的目标签名组合以提炼归类。目标 归类可被用于提炼POO估计或影响对抗火力。

使用光雷达使目标硬体轨迹的直接测量从检测点延伸回到更接近 POO的不再能观察到尾流的点，由此提炼轨迹和POO的估计。给定 尾流湍流的足够永久性，武器定位光雷达系统可在理论上跟踪尾流以 回到光雷达系统可首先观察目标自身的点。范围分解光雷达系统不限 于假定弹道轨迹，并且可容纳推动或机动以使轨迹回溯到POO。并且， 光雷达系统可被用于沿目标飞行路径的程度测量径向风速以补偿估计 的向后轨迹。可以使用角度/角度光雷达，以使尾流变得不再能观察的 点进一步向POO回溯，从而提炼在移交中提供和/或由范围分解光雷 达产生的估计的弹道或非弹道轨迹。

现在参照图2，穿过诸如空气的流体52的超声抛射体50形成领 先的弓形声音冲击波54、压缩冲击波56、扩展波58和包含尾流涡旋 62的湍流尾流60。对于超声抛射体，从鼻子、体部和尾随边缘放射的 冲击波54、56和58会消失。

领先的弓形声音冲击波54由压缩流体52的抛射体50的尖端形 成，该抛射体50以大于声音的速度穿过该流体52。抛射体的尖端的 物理圆锥形状确定抛射体尖端的该冲击波的曲线的形状。

由于抛射体的钝形状，可进一步沿抛射体轮廓的长度看到几个二 次压缩波56。随着抛射体的断面面积从尖端向主体直径增加，空气的 体积位移压缩。如果在平滑的轮廓上存在任何不规则的表面变化，那 么它们将用作将出现二次压缩的点。为了均衡恢复，各压缩需要等价 膨胀。可从抛射体的后部看到尾随第二主压缩冲击波。两个主冲击波 是超声飞行的抛射体的特征。相反，当抛射体的断面面积减小时，由 于允许接近表面的压缩空气的体积膨胀成产生的新体积，因此出现膨 胀。膨胀波导致流体流动以分散开。可在子弹轮廓的后角附近看到膨 胀扇58。

当抛射体的断面在轮廓的后部以正方形截止突然中止时，产生湍 流尾流60。在抛射体的表面上受控的流体流动随着空气流动速度增加 突然被捕获到湍流涡旋中并且瞬时产生急剧下降，并然后试图突然返 回到包围的压力。尾流涡旋62的旋转流动将在一系列的压缩和膨胀阶 段之后最终恢复并且与稳定的周围空气流动合并。在该尾流中看到的 相位脉冲是由于尾流中的流体通过一系列的后冲击渐近地返回到正常 的周围流体流动的能量状态。近距离观察在尾流中产生的涡旋表明， 存在紧接着抛射体之后看到小湍流涡旋的一些分形本质和后面在流动 场中发展的涡旋的渐近放大(摘自 waterrocket.explorer.free.fr/aerodynamics.htm)。

湍流尾流60在抛射体通过之后可持续几秒(根据风和空气条件)。 湍流尾流60的持续意味着，对于一定的时间，它将保持光雷达可观察。 根据尾流的性质和风条件，尾流可保持光雷达可观察，一直回到可首 先从雷达系统观察抛射体自身的点。光雷达可以或者可以不必从范围 分解模式切换到角度/角度模式以使尾流回溯到该点。

尾流涡旋62从抛射体50的尾端发出，并且，与水中的漩涡类似， 其空气动力表面基本上是涡旋分子、气雾剂和颗粒物质的区域。这些 涡旋可由它们的动力流动性能以及可能由密度和压力表征。涡旋的动 态流动性能可由空间分解径向速度或时间或空间的微分、其时刻或函 数表征。光雷达系统可被用于测量湍流尾流的这些特性中的一个或更 多个，以估计抛射体从检测到目标的位置向后到不再能观察到尾流的 轨迹。

并且，不同类别的抛射体(例如，尺寸、速度、空气动力表面、 推进、机动等)以及可能的特定的抛射体具有可通过动力流动特性中 的一个或更多个识别的特有的尾流签名。目标归类可被用于修改估计 的向后轨迹以改善POO估计或误差箱、控制对抗火力或者控制光雷 达以更好地跟踪尾流。以战术火箭为例，假定不存在风，并且在火箭 发射之后也不存在引导。这种火箭将仅在推进马达熄火之后遵循弹道 轨迹。尺寸、速度和尾流签名可帮助确定威胁是推进火箭且甚至可能 足以确定它是否是特定类别的战术火箭。各火箭具有一定的质量，并 且，各推进器具有它在特定的时间周期上赋予火箭的一定推力。这是 足以通过添加于推进器对轨迹的影响中明显改善弹道计算的信息。类 似地，对于弹道计算，已知激光引导抛射体在其到达其最高点之前将 不开始其机动是重要的输入，这会省略许多最高点后跟踪信息并且使 弹道计算基于飞行路径的最高点前部分。

现在参照图3a～3c，光雷达系统被用于沿光雷达视线64(图2) 用激光束照射湍流尾流60以检测和处理从尾随空中目标的尾流中和 周围的空气体积中的分子、气雾剂和颗粒物质反向散射的频率分解激 光能量70(图3a)以对给定的FOV计算一系列的流动场图像72(对 于3D范围分解光雷达，为图3b)或者流动场图像74(对于2D角度/ 角度光雷达，为图3c)。各图像包含一个或更多个流动场测量的空间 分解轮廓。对于范围分解，流动场测量76可被处理以估计各范围切片 的尾流的中心78。通过这些中心的轨迹提供向后轨迹的估计。对于角 度-角度，将所有范围分解范围切片的流动场测量的总和组装成单个图 像的流动测量80可被处理以通过尾流中心估计角度轨迹82。通过这 些中心的轨迹提供向后轨迹的Az/El角度分量的估计。通过参照提供 给角度/角度算法的估计弹性轨迹导出范围分量。

如图3a所示，在实施例中，光雷达系统检测沿光雷达LOS的频 率分解激光能量70，该频率分解激光能量70表示为频率偏移84对沿 LOS的范围64。如果抛射体是大致迎面的，那么沿LOS的单个FOV 可足以捕获整个尾随尾流。更一般地，光雷达LOS可倾斜(slew)以 捕获整个尾随尾流。尾流签名86可与背景大气的尾流和随机签名90 的任一侧的冲击波签名88区分。湍流尾流签名86的区别性和持久性 给出检测和处理反向散射激光能量并回溯尾流、由此回溯硬体空中目 标向着目标原点的路径以提供向后轨迹的机会。

在构成中，光雷达系统检测沿LOS的频率偏移。测量的径向速度 根据v(径向)＝c*Δf_D/(2*f_L)直接来自频率偏移，这里，v是分子/气 雾剂/颗粒物质的径向速度，c是光速，Δf_D是激光频率的测量偏移，f_L是激光频率。该构成常被称为多普勒光雷达和雷达偏移。除了射束是 激光能量而不是RF能量以外，多普勒光雷达与多普勒雷达类似。

在构成中，光雷达系统检测沿LOS的随时间的频率偏移。根据惯 例，它可以或者可以不被视为多普勒光雷达。通过测量“随时间的” 频率偏移，系统可直接测量或计算雷达速度加大量的其导数、时刻或 函数，以表征湍流尾流。径向速度直接与频率偏移成比例。系统也可 针对加速度(第一导数)、猛冲(jerk)和折断(snap)计算速度的 导数。系统可计算各种“时刻”作为流动场测量的统计总效果。例如， 平均径向速度会为第1时刻且径向速度的传播会为第2时刻。第2时 刻可被用作尾流中的各点上的循环强度的测量。也可计算诸如旋转角 度动量、循环强度、瞬时分散速率和折射湍流强度的动力流动的其它 更复杂的函数。当湍流尾流被回溯以优化给定流动场测量的性能或进 行不同的测量时，光雷达波形可被适应性调整。

为了初始化尾随空中目标的湍流尾流的回溯，武器定位光雷达系 统具有空中目标的硬体位置的初始线索。该线索至少包括检测位置上 的硬体的三维位置(例如，Az/El/范围)，一般是已建立稳定的跟踪 的最早检测位置。该线索也可包含初始检测时间和速度，以允许光雷 达系统从初始检测获取下程点上的空中目标硬体并且从该点回溯湍流 尾流。线索还可包含基于来自向前的初始检测位置的跟踪点的估计弹 道轨迹。初始线索一般由武器定位多普勒雷达系统提供，原因是它具 有优异能力以扫描较大的FOR以检测空中目标硬体并且提供精确的 角度/角度/范围位置信息。武器定位雷达系统可以是与武器定位光雷 达系统的级联系统，或者可以是操作战区中的另一资产。作为替代方 案，线索可由武器定位光雷达系统自身或另一光雷达资产提供。武器 定位光雷达系统可被用于陆海空。

现在参照图4a～4c，用于检测和跟踪空中目标102及其湍流尾流 104以估计其POO 106并将对抗火力引向POO的武器定位系统100 的实施例包括武器定位雷达系统108、武器定位光雷达系统110和对 抗火力点112。

在一般的战场方案中，隐藏在山、沙丘或树林116后面的敌军大 炮114向友军发射空中目标102。空中目标102从其POO 106遵循可 以或者可以不为弹道的实际轨迹117。从纯弹道轨迹的偏离可归因于 初始推进、后期机动或风条件。

诸如TPQ-36或TPQ-37系统的武器定位雷达系统108在较大的 关注域(FOR)122上扫描覆盖较窄的瞬时视场(FOV)120的微波 能量束118，以检测并然后跟踪到来的空中目标102的硬体。空中目 标的初始检测一般出现在沿其轨迹126的点上，该点明显比空中目标 变得雷达可观察(例如，从山后出现)晚。一旦建立稳定的跟踪，雷 达系统就产生包含空中目标的检测位置并且可能包含检测时间和空中 目标速度的线索。雷达系统可跟随硬体空中目标102的向前轨迹以测 量大量的跟踪点124以形成可具有线索的弹道轨迹的初始估计。

雷达系统110从检测到目标的位置126向后到光雷达系统不再能 观察到尾流用激光束125照射尾随空中目标102的尾流104。在实施 例中，光雷达重新获取空中目标102并且从该点开始回溯尾流104。 尾流不再能观察的位置优选与光雷达系统沿其LOS 130首先可观察空 中目标的位置128对应。尾流分散或风可导致尾流在光雷达可将尾流 回溯到该位置之前丢失可观察性。一般地，光雷达系统将必须倾斜激 光束125以从检测位置126向后到不再能观察到尾流获取尾流104。

激光束125具有被选择为区分尾流湍流与自然出现的大气现象的 空间图案和时间波形。从尾随空中目标的尾流104中和周围的空气体 积中的分子、气雾剂和颗粒物质反向散射的频率分解激光能量被检测 和处理，以包含一个或更多个大气流动场图像。各图像包含诸如但不 限于空间分解径向速度或时间或空间的微分、其时刻或函数的流动场 测量的轮廓。流动场测量的轮廓被处理以通过尾流104产生跟踪点132 并且从目标的检测位置到不再能观察到尾流的位置通过跟踪点132估 计空中目标的向后轨迹134。

光雷达系统投影向后经过不再能观察到尾流的位置的向后轨迹 134，以估计空中目标102的原点106，由此估计大炮114的位置。POO  106被转送到对抗火力点112，该对抗火力点112计算火力方案并且将 对抗火力(例如，抛射体136)引向估计POO上的大炮114。激光系 统也可投影向前轨迹138以估计空中目标102的冲击点140。光雷达 系统可处理流动场测量以提取尾流签名以指定空中目标的目标类别。 目标归类可被用于提炼估计POO(例如，调整POO估计或重新确定 POO周围的误差框的尺寸)、影响对抗火力(例如，对抗火力的类型 或量)或者适应性调整目标类别的时间波形。光雷达系统可组合由雷 达或光雷达系统提供的尾流签名与空中目标硬体签名以改善归类。

在实施例中，光雷达系统任意地对三维(3D)范围分解模式或二 维(2D)角度/角度模式适应性调整激光束125的时间波形。系统从检 测位置126向后以范围分解模式照射尾流104，直到不能再以范围分 解模式观察尾流，并然后切换到角度-角度模式，直到尾流不再能观察。 系统结合来自雷达和3D和2D光雷达的信息以估计向后轨迹。

在实施例中，当射束从检测位置126回溯尾流104时，光雷达系 统适应性调整激光束125的时间波形。当尾流老化时，流动场将改变。 可基于尾流的年龄适应性调整波形，以保留流动场测量的质量，例如， 当尾流老化时，从平均Lagrangian场的速度游弋减小，计算强度减小， 并且，尾流的空间尺寸可膨胀。因此，当尾流老化时，收发器可通过 产生将在更大的大气体积上平均的更长的时间激光脉冲宽度提供更好 的性能，并且提供更好的速度分辨率。更好的速度分辨率作为空间转 变的结果获得更窄的更长脉冲宽度的极限并且导致更低速度噪声底部 和更好的速度分辨率。作为替代方案，波形可被适应性调整以进行不 同的流动场测量。

在实施例中，光雷达单元的收发器根据流动场测量、目标归类和 光雷达函数适应性调整尾流中和周围的空气体积中的反向散射激光能 量的空间采样。根据意图的应用的成本和复杂性考虑，收发器可任意 地为单个空间采样[更准确地说，为对于相干光雷达衍射受限但对直接 检测光雷达未必衍射受限的角度-角度程度采样]或多个空间采样。在 单个空间束收发器的情况下，射束扫描图案可被实时调整以对诸如但 不限于以下方面的功能优化收发器功能：从雷达移交；定位尾流的高 度湍流核心；或寻找特性大气环流结构；所有这些关注节省时间和电 力同时增加轨迹状态估计器精度。在多空间束大气采样配置的情况下， 投影束和随后从大气检测的反向散射可通过100％填充因子相邻或者 被粗略配置为具有<100％的填充因子。可在诸如但不限于线、弧、圆、 盘和稀疏规则/不规则网格的各种不同的几何中选择多束图案。空间采 样几何的选择由目标类型和诸如搜索、表征、跟踪的功能给出，并且， 可被手动或自动选择。

在实施例中，光雷达系统可在尾流湍流被回溯时任意地在尾流内 或外从流动场测量提取风速的估计。例如，尾流内的平均雷达速度是 径向风速的估计。光雷达系统可使用风速以补偿向后轨迹和POO估 计。

现在参照图5，武器定位光雷达系统200的实施例包括：产生激 光束204的激光发射器202；将激光束204的空间图案整形并且将射 束引向空中目标或其尾随尾流的LOS和射束控制系统206；检测从尾 随空中目标的尾流中和周围的空气体积中的分子、气雾剂和颗粒物质 反向散射的频率分解激光能量的光雷达接收器208；处理检测的激光 能量以计算一个或更多个大气流动场图像的光雷达信号处理器210， 每个所述图像包含一个或更多个流动场测量的轮廓；和处理流动场测 量的轮廓以估计空中目标从目标的检测位置到不再能观察到尾流的位 置的向后轨迹、估计POO、估计POI或将目标归类以及执行其它的 系统级功能的系统处理器212。功率调节器214接收电力并且提供各 种系统部件需要的调节电力源。热管理系统216为激光发射器、接收 器、LOS和射束控制系统、多个处理器和功率调节器提供冷却。

武器定位光雷达系统一般从诸如AN/TP-37Firefinder系统的武 器定位雷达系统接收已检测到威胁空中目标(例如，弹道炮、激光制 导抛射体、非制导火箭、制导导弹)的线索信号218。作为替代方案， 可通过越来越多地对区域空中防御和对抗火力应用使用的基于地面的 电光红外搜索和跟踪系统暗示。具有无源红外传感器的有源光雷达传 感器的望远镜孔径共享是可能的。系统还将接收雷达/光雷达传感器位 置转变信息。

一旦武器定位雷达系统或其它的暗示系统开发了跟踪，它就一般 传送关于硬体的状态矢量信息，包括其3D位置和速度。一旦获取足 够的跟踪信息以计算假定的弹道轨迹，该信息就被传送到武器定位光 雷达系统。

在从武器定位雷达系统接收线索时，系统处理器212基于在给定 的时刻由武器定位雷达系统测量的3-D位置和速度(例如，GPS或 IRIG-B时间标签)预测威胁空中目标随时间的将来的角度位置，由此 校正时间潜伏期和最后的光雷达更新与武器定位光雷达系统的重新获 取之间的相应的角度偏移。此时，系统处理器将从武器定位雷达系统 接收的目标位置坐标(例如，罗盘轴承和相对于在雷达位置上测量的 水平面的仰角)转换成光雷达参照框中的光雷达束控制指向角。它然 后通过命令将这些指向角发送给光雷达束整形和伺服控制器220，以 通过时间最佳的方式将传感器视线向这些指向角倾斜并然后针对基本 移动干扰使视线稳定化。

在适当情况下，光雷达收发器202通过从光雷达信号处理器210 到激光控制器222的模式命令被激活，该激光控制器222又激活频率 控制224和激光局部振荡器(LO)226并且命令调制器228用适于有 效地重新获取和跟踪空中目标硬体或尾流检测的波形频率调制LO的 光学输出。在本实施例中，调制器的输出被单独的高增益激光放大器 230放大。一种替代方案是使用局部振荡器以对于诸如多脉冲相干波 形的高峰值功率波形注入播种/锁定从属振荡器。一般地，可以利用适 于大气速度流动测量的许多时间波形中的许多。它们可具有时间带宽 积，范围为从空间转变限制测量能力的几乎等于1到可在一些测量方 案中更有效的时间带宽积>1。

激光束204可以是单个或多个射束。在一些情况下，可以使用多 个射束以测量横向速度。激光束具有UV～LWIR光谱范围中的波长， SWIR中的人眼安全波长一般>1.4微米。激光束204可以是脉冲或连 续波射束。频率调制如果被使用则在理想情况下可被调整以改变范围 分辨率和多普勒分辨率。在用于硬体检测的一些情况下，脉冲宽度(相 反，为用于范围压缩的光谱带宽)将需要较短，比方说10ns/44MHz 转变限制带宽，并且，在其它的情况下，为了寻找空间更大、更低的 速度团(plume)，需要100纳秒(4.4MHz或更小的空间带宽)的脉 冲而以1m/s的分辨率测量风速。实施例提供范围分解多普勒信息，并 且，可使用相干线性FM调频脉冲或者多脉冲相干波形以提供多普勒 和范围。某些范围分解多普勒感测波形在现有技术中是已知的(例如， Halmos,US 6972400,“Multi-mode Vibration Sensor Laser,”Halmos, US 6875978,“Modelocked Waveform for synthetic Aperture Ladar,” 和Halmos US 7505488,“Synthetic Aperture Ladar with Chirped  Modelocked Waveform”)。这些实施例能够在分解范围的能力劣化时 以角度/角度模式动作。其它的实施例可仅提供角度/角度测量能力。 因此，可以修改回声的外出的激光波形和/或信号处理，以选择最佳地 服务硬目标重构或大气流动场轨迹计算的范围和速度分辨率。这种灵 活性允许跟踪算法在信号噪声比允许或者跟踪算法需要时从3D流动 场成像移动到2D角度-角度成像。

外出的激光束204通过发射/接收(T/R)开关232被发送以在“单 一静态”配置中与接收器208共享孔径。作为替代方案，激光束、外 出的激光束和到来的反向散射激光能量可被发送，以分开没有T/R开 关并且仅被用于传送激光束的“双/多静态”配置中的激光望远镜孔径。

外出的射束被引向LOS和射束控制系统206，以使射束通过介入 的大气指向目标。外出的激光束扩展以最佳地填充输出望远镜孔径并 且向着目标被投影。如果它是单个像素相干检测收发器，那么外出的 激光束将在理想情况下在角度广度上被衍射限制。作为替代方案，发 射的射束可被整形成用于多像素接收器的非衍射限制高斯横向强度轮 廓或非高斯矩形/正方形轮廓洪水束、平板光、稀疏采样斑点阵列或最 适于尾流/硬体跟踪的其它照射几何。

适当地使用内部和外部万向节以提供LOS控制。内部/外部万向 节存在多种替代方案和变更，包括但不限于：定日镜、定天镜和装有 万向节的望远镜支座中的双/多静态孔径配置(单独的发射和接收孔 径)。在单静态和双/多静态孔径配置中，存在替代性射束控制技术， 包括但不限于：可编程光学相位阵列、Risley棱镜、分段/旋转的全息 光学元件和基于偏光的衍射光栅。

与射束控制系统相关的是有利于从雷达系统移交到光雷达系统视 线控制并且与几何位置参照连接以提供原始预测的到来的火力点的6 自由度(6-DOF)惯性参照236。可任意地作为共用光学机械“捷联 式”参照或者替代性地通过光学数据传送、先导激光对准射束、自动 准直器、扩展棱镜回射器等提供惯性参照。然后，通过诸如圆锥状、 栅状或随机扫描的各种自适应手段搜索来自雷达的移交体积，直到希 望的信号被检索并且回溯被视为有效。

激光能量237通过目标硬体和/或尾流中的大气雾剂、分子和颗粒 物质被反向散射掉并且通过大气和LOS和射束控制系统206返回。返 回能量的行进路径与通过T/R开关232(可以是偏光射束分离器、空 间分离孔径或其它手段)或者替代性地通过单独的接收孔径传送的激 光不同。

在相干检测光雷达接收器208中，射束分离器238提取局部振荡 器射束的一部分，并且，混合器240在光学上混合局部振荡器射束的 一部分与反向散射能量以产生外差热信号。一般地，光雷达接收器使 用解调光学混合信号的“平方定律”检测器242，以例如测量随时间 变而的频率偏移。光雷达信号处理器210处理解调的信号以计算一个 或更多个流动场图像以提取诸如目标范围和频率偏移的信息(范围分 解图像)。单个像素外差接收器的替代方案是：用于空间分解涡流/ 尾流结构的多像素相干光雷达接收器，用于提高跟踪文件的质量和/ 或减少搜索时间；相干双平衡接收器；用于测量侧风的大气散斑图案 的图像；用于减小接收器的时间带宽并且在一些配置中测量加速度－ 多普勒偏移的零差和自差接收器。具有局部振荡器的光学波混合相干 接收器的替代方案是通过在本领域中公知的各种干涉多普勒检索技术 测量光谱偏移和宽度的直接检测高光谱分辨率光雷达(HSRL)多普 勒接收器。

由于目标相对于光雷达收发器移动，因此由于该相对移动，在返 回信号中存在频率偏移。该频率偏移可根据空中目标的速度和视角在 较宽的范围的值上改变，因此，为了在给定的中间频率上以其为中心 以简化信号处理，响应测量频率偏移在频率偏移器244中偏移LO信 号的频率可能是有利的。作为替代方案，在直接检测接收器中，跟踪 光谱干涉计的自由光谱范围的中间的伺服可偏移以简化信号处理并且 增强动态范围或接收器。

存在用于根据任务需求和方案建立光雷达主动跟踪的多种方法。 在一个实施例中，通过来自线索传感器的移交信息和具有圆锥或其它 类型的空间图案的随后的光雷达搜索获取硬体反向散射能量。接收器 中的像素的数量和投影的射束图案(可能<100％采样几何)将影响搜 索过程。为了沿尾流涡流痕迹启动回溯，一旦空中目标后面的尾流涡 流被检测，系统处理器212就命令射束整形和伺服控制器220沿空中 目标轨迹的相反方向倾斜。光雷达信息被用于将来自空中目标的尾缘 的尾流的物理广度映射到不再能观察到尾流涡流签名的点，该点可以 是空中目标从树林或者从诸如山的陆地特征后面出现的点。系统处理 器212通过尾流体积估计中心路径，并且，从其预定空中目标从其原 点的整个轨迹。可通过诸如Kalman过滤器、粒子过滤器、最大可能 性过滤器和其它的技术的各种方法，实现取证(forensic)尾流回溯算 法和搜索。将通过光雷达收集并且在重构尾流路径时使用关于流行风 和大气对流/平流中的尾流分散和尾流空间广度生长的信息。会在移动 到齐射中的另一到来的空中目标之前在光雷达的功率孔径产品允许的 短时间内完成回溯，作为替代方案，可存在多个射束控制系统和多个 光雷达收发器设置以帮助线索传感器跟踪多个空中目标和/或增强单 个空中目标回溯的速度和精度。

由于尾流涡流随局部风行进，因此，武器定位光雷达系统还能够 测量可被系统处理器212使用的风速和方向，以更好地预测实际空中 目标轨迹。可直接从尾流涡流的多普勒签名计算风的激光视线径向分 量。如果不存在风速的径向分量，那么多普勒偏移的统计分布将具有 在尾流的全空间广度上平均的零速度的平均值。从它的任何明显的偏 离是径向风速的测量。作为替代方案，径向风速可被测量为从尾流附 近的未干扰风的返回中的多普勒偏移。在与尾流测量不同的角度偏移 下进行多普勒测量将允许也计算风速的不同矢量分量，从而产生尾流 附近的风速矢量的完整测量。沿预期到来火力轨迹在不同的位置上使 用武器定位光雷达炮位将允许更好的3D风场和涡流散发重构。3D风 场检索的另一方法是使用武器定位光雷达系统以在多像素光雷达或者 可能在快速扫描若干像素接收器中测量范围分解和空间分解斑点/多 普勒空间结构的时间相关性。空间构建反向散射光的时间相关函数被 用于推断性地测量用于在激光探针体积内使尾流平流的假定Taylor 冷冻湍流假说的侧风。全3D对仅视线(从传感器的径向)风速检索 是成本能力系统交易的事项，并且，对于一些任务方案可能是不必要 的。

作为替代方案，武器定位光雷达系统可基于可能敌方火炮位置的 先验信息和战术战斗空间中的相应空中目标轨迹启动有限检索模式。 给定由光雷达传感器提供的相对于一般的武器定位雷达系统的一般更 窄的关注场，这会不是优选的模式，但是，在关于敌军的其它信息(例 如，关于敌军火炮架设、火力的最佳方向、地形限制等的情报)已知 的一些情况下，该自线索模式可能是有效的。在该模式中，武器定位 光雷达系统会在通过光雷达防护的硬体检测或尾流检测时立即进入跟 踪模式。

由于调制器、光雷达接收器和模拟光雷达信号处理器部件中的一 些随时间和温度的参数漂移，因此，光雷达信号处理可能是次最佳的。 由于参数漂移，线性FM(线性调频)波形可例如变为非线性，由此 当在信号处理器中压缩脉冲时导致旁瓣增强。一种在这些条件下改善 线性的方法是，为了校正或补偿非线性，预弯曲传送的波形，由此确 保光谱旁瓣拒绝的改善。在发明名称为“Method and Apparatus for  Synthesizing and Correcting Phase Distortions in Ultra-wide  Bandwidth Optical Waveforms”的美国专利申请No.20110299849中 教导了线性FM线性调频预弯曲方法。线性FM波形还具有用于旋转 使信号处理复杂化的目标斑点解相关次数的限制，从而降低SNR和范 围压缩效率，因此，可以使用替代性波形，诸如步进音调、音调串和 随机频率步进脉冲。

一旦在空中目标硬体上实现稳定的跟踪，系统处理器212就可命 令光雷达信号处理器210改变调制格式以更好地检测和跟踪通过空中 目标的尾缘和空气动力表面与尾流涡流散布相关的多普勒签名。在该 模式中，光雷达检测从混入涡流中的气雾剂液滴(冷凝水)和/或颗粒 (例如，灰尘、战场烟和/或火箭排气)和/或分子散射的返回激光束。 基于尾流的年龄或质量、进行的流动场测量、威胁类别或有限尝试和 误差的估计，可以使用不同的波形和信号处理算法以实现这一点。可 首先对尾流的更年轻和更有活力的部分对范围分解模式适应性调整波 形和信号处理算法，并且随着尾流老化对角度-角度模式适应性调整 它。在这些模式中的每一个中，波形和信号处理算法可被适应性调整 以优化流动场测量。

在一个实施例中，波形可被定制为在等同于空中目标的已知类别 的平均涡流尺寸的物理尺寸的感测体积上感测可归因于尾流涡流的多 普勒频率的传播。如果测量的多普勒数据揭示频率的不同传播和/或尾 流涡流的不同的物理广度，或者如果它揭示从机动导弹的控制表面的 涡流散发的签名，那么系统处理器212可命令光雷达信号处理器切换 到更有效的调制波形和处理模态，诸如短光谱转换限制脉冲。

空中目标硬体的中间附近的涡流散发的特性的知识，除了空中目 标的状态矢量和物理尺寸以外，提供关于空中目标的类别甚至类型的 有用信息，这可改善对抗火力方案的轨迹估计。例如，在硬体跟踪过 程中通过光雷达测量的物理尺寸(长度和直径)连同速度信息可指示 空中目标为推进战术火箭的类别。已知这种类别的威胁在火箭马达仍 然点火时在飞行的初始阶段跟随非弹性轨迹。该信息可被用于更精确 地计算轨迹的无法观察部分，并因此更好地预测对抗火力的原点。目 标类别和/或类型的知识也可被传送到战场指挥官，以帮助理解战术情 况以及友军和敌方火箭、火炮和迫击炮瞄准的高值资产的危险。目标 类别的知识也可被用于适应性调整波形以更有效地提取更适于该目标 类别的流动场测量。

现在参照图6a～6b、图7和图8a～8b，描述用于结合来自武器定 位雷达系统的硬体轨迹估计与来自武器定位光雷达系统的3D范围分 解和2D角度-角度尾流轨迹估计以估计空中目标的轨迹的实施例。武 器定位雷达系统初始化模式(步骤300)以跟踪尾流涡流、建立用于 从武器定位雷达系统位置和取向移交到武器定位光雷达系统位置和取 向的坐标转变参数(步骤302)并且建立雷达和光雷达系统之间的数 据传送协议(步骤304)。武器定位光雷达系统周期性地运行Built In  Test(BIT)(步骤306)，直到从检测到空中目标的雷达系统接收线 索(步骤308)。雷达系统跟踪空中目标硬体(步骤310)并且将跟踪 状态矢量移交到光雷达系统(步骤312)。光雷达系统在目标跟随其 真空中轨迹315时将光雷达收发器311的LOS倾斜到空中目标313 的预定LOS(步骤314)并且激活光雷达收发器和空中目标尾流的跟 踪(步骤316)。

光雷达系统对3D范围分解模式适应性调整光雷达波形(步骤 318)，并且初始化接收的频率分解反向散射能量的处理以对当前的 FOV 319在不同的范围切片处计算流动场图像317(步骤320)。系 统可进一步适应性调整光雷达波形以在尾流被回溯时优化或改变流动 场测量。在各范围切片中，光雷达系统从流动场测量323估计尾流的 中心321(步骤322)。可通过各种方式估计尾流中心321。流动场测 量323中的一个可以是从径向速度轮廓导出的循环强度。峰值循环强 度的角度位置(例如，Az/El)是尾流中心的一个估计。另一方法是通 过例如径向速度或循环的流动场测量的阈值确定尾流的物理广度并且 确定物理广度的几何中心。光雷达系统可直接从尾流的流动场测量(例 如，平均径向速度)或者从尾流外面的流动场测量确定范围分解径向 风速(步骤324)。光雷达系统通过当前的尾流中心(和任何先前跟 踪的FOV)估计目标轨迹326(步骤331)。光雷达系统倾斜光雷达 LOS以使尾流保持在光雷达FOV内(步骤330)。

光雷达系统继续倾斜光雷达LOS并接收和处理反向散射能量以 估计尾流中心以回溯尾流，直到尾流不再能观察。一般地，当不能从 检测能量和流动场测量觉察尾流签名时，尾流不再能观察。尾流可在 当前FOV中的全部或一些中可观察或者在所有FOV中不可观察。光 雷达系统可确定尾流是否不再能观察，并且，如果是，则通过各种方 式确定它在当前FOV的哪里。在本实施例中，在循环中的一些点上， 光雷达系统处理器确定尾流估计的最后的有效中心的位置并且确定它 是否接近光雷达FOV的边缘(步骤332)。如果是，则系统倾斜LOS (步骤330)并且继续。如果不是，那么系统退出范围分解模式。可 从进行尾流中心估计的流动场测量(例如，是否存在湍流流动的证据)、 从产生尾流签名的不同的流动场测量或者通过尾流中心(例如，在什 么点上轨迹变噪声)或者估计系统能量以分解范围的另一度量从目标 轨迹确定最后的有效尾流中心估计的位置。

在典型的光雷达系统中，在分解角度/角度测量的能力之前，分解 范围的能力会劣化。因此，在范围分解模式中不再能观察的尾流可继 续以角度/角度模式沿尾流向后的一定时间和距离可观察。系统可在切 换到角度/角度模式之前渐近地减小范围分辨率。光雷达系统从任意地 来自在移交时提供的跟踪雷达、范围分解光雷达或者它们的结合的最 佳可用估计产生角度/角度范围轨迹的估计333(步骤334)，并且， 对于角度-角度模式适应性调整光雷达波形(步骤336)。系统还可适 应性调整光雷达波形以在回溯尾流时优化和改变流动场测量。

光雷达收发器311接收当前FOV 319的反向散射能量并且比较当 前流动场的单个流动场图像(图3c所示的类型)(步骤338)。光雷 达系统处理流动场图像以确定尾流中心的角度轨迹(步骤339)。在 实施例中，系统取得图像的垂直切片并且选择峰值循环强度(例如， 径向速度轮廓的第2时刻)作为尾流中心以形成角度轨迹。系统通过 使用标准回归或轨迹投影技术通过角度轨迹拟合曲线340。曲线340 提供估计的回溯轨迹的方位角和仰角分量。在图8a中，曲线340被示 为具有弹道轨迹333的3D估计的角度/角度投影341。如上所述，光 雷达系统倾斜光雷达LOS以使尾流保持在光雷达FOV内(步骤342)， 直到尾流对于角度-角度处理不再能观察。如上所述，可通过测试最后 的有效尾流中心(例如，角度轨迹点)是否在光雷达FOV的边缘附 近确定尾流可观察性(步骤344)。如果是，那么系统倾斜光雷达FOV 并且继续处理接收的能量。如果不是，那么系统尽可能远地跟踪尾流。

为了向角度-角度导出3D目标轨迹346指定范围分量，光雷达系 统确定代表曲线340的径向投影的3D圆锥表面348(步骤350)。线 段352表示圆锥表面348与估计的弹道轨迹333之间的最近距离。线 段是在图8a的角度/角度投影和图8b的3D示图中表示的一个这种 线段352。光雷达系统关联估计的弹道轨迹341的点Q上的范围分量 与曲线340的点P上的角度/角度分量以提供3D目标轨迹346的角度 /角度/范围坐标(步骤354)。在附录A中给出严密的报告。

光雷达系统可从从尾随空中目标的湍流尾流的测量导出的向后轨 迹346计算各种输出。系统投影经过尾流不再能观察的位置的向后轨 迹以估计空中目标的原点(POO)(步骤360)。类似地，系统可向 前投影向后轨迹以估计冲击点(POI)(步骤362)。系统可从硬体雷 达签名和/或尾流光雷达签名向空中目标指定目标类别或类型(步骤 364)。尾流光雷达签名可使用用于定位尾流中心和估计轨迹的相同或 不同的流动场测量。可以使用提炼POO或POI估计的指定的目标类 别，以修改周围的“误差框”、适应性调整范围分解或角度/角度波形 或者影响指向原点的对抗火力。目标归类可提供关于威胁的本质和克 制威胁所需要的对抗火力的类型和量的信息。系统可基于轨迹的向前 投影预测关于POI的冲击区域(即，误差框)，并且基于归类预测潜 在的目标机动(步骤366)。光雷达系统将指向对抗火力点的各种输 出传送到命令和控制中心或者传回到用于分布的雷达系统(步骤 368)。

虽然表示和描述了本发明的几个解释性的实施例，但本领域技术 人员可以想到大量的变更和替代性实施例。在不背离在所附的权利要 求中限定的本发明的精神和范围的情况下，可以提出和设想这种变更 和替代性实施例。

附录A：

图8a示出表示来自武器定位雷达系统测量或范围分解光雷达测 量的空中目标的估计弹道轨迹的角度/角度投影341和来自湍流尾流中 的涡流测量的回溯分析的激光导出(角度/角度)空中目标轨迹340的 接合的几何。虚线353代表点“P”上的光雷达导出空中目标轨迹曲 线340的切线，虚线354代表该曲线的法线，该法线在点“Q”上与 弹道轨迹曲线交切。

注意，图8b中的弹道轨迹曲线333上的点在这里被绘制为角度/ 角度空间中的投影341，但也承载范围信息。目的是关联雷达弹道轨 迹曲线333上的所有点Q的范围信息与光雷达导出空中目标轨迹曲线 340上的适当的角度/角度坐标。在数学上，这与找到P点上的角度/ 角度坐标使得P上的光雷达导出轨迹曲线的法线穿过Q等价。

通过假定可通过定义如下的二次多项式描述两个曲线开始：

弹道轨迹341：${\theta }_{EL}={\mathrm{a\theta }}_{AZ}^2+{\mathrm{b\theta }}_{AZ}+c$

光雷达导出轨迹340：

可根据标准实际通过各角度/角度测量的二次多项式(即二次)回 归分析，找到雷达导出弹道轨迹曲线的系数a、b和c和光雷达导出弹 道轨迹曲线的系数d、e和f。也可根据标准实际找到诸如确定系数的 拟合质量度量。这里假定已完成回归分析处理，使得这里系数是恒定 的。

光雷达导出轨迹曲线340的切线353的斜率为(2dθ_AZ+e)。因此， 作为光雷达导出轨迹曲线的法线的线段352的斜率是(-1/ (2dθ_AZ+e))。这样，穿过线段352的线354的方程可写作：

通过的线：

现在，我们有两个同时发生的描述通过的线和弹道轨迹曲线在 点Q上的交点的方程，由此求出θ_AZ(Q)。通过组合，我们有：

对作为最接近空中交通工具的最高点的非外部根的最大根θ_AZ(Q)解出该二次方程(注意，对于弹道轨迹，a总为负)

弹道轨迹将具有与方位坐标θ_AZ(Q)相关联的空中目标的范围坐 标R(Q)。这是与光雷达导出轨迹曲线上的点P相关的范围的最佳估 计。现在可对由[θ_AZ(P),θ_EL(P),R(Q)]给出的光雷达导出空中目标轨迹曲 线346上的各点P给出整个3D(角度/角度/范围)坐标。这是被传送到 武器定位光雷达系统以计算空中目标的估计的原点和冲击点的信息。