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CN112164196B - 一种基于光电成像技术的入侵目标警戒定位装置及方法 - Google Patents

一种基于光电成像技术的入侵目标警戒定位装置及方法 Download PDF

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CN112164196B CN202011039880.5A CN202011039880A CN112164196B CN 112164196 B CN112164196 B CN 112164196B CN 202011039880 A CN202011039880 A CN 202011039880A CN 112164196 B CN112164196 B CN 112164196B
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Abstract

本发明公开了一种基于光电成像技术的入侵目标警戒定位装置及方法，装置包括光电扫描仪、光电观瞄仪和信息处理器；光电扫描仪和光电观瞄仪间隔一定距离分开架设；光电扫描仪的扫描像机以连续周转实现空域探测并输出周视扫描图像，当光电扫描仪目标检测电路从周视图像中检测到运动目标后将目标角指向发送给光电观瞄仪，光电观瞄仪指向指定目标对目标进行图像识别及跟踪测角；信息处理器接收到来自光电扫描仪和光电观瞄仪对同一目标的连续测角数据后实现全向多目标警戒定位功能；本发明装置中光电扫描仪采用周转扫描实现了大范围监控，采用光电观瞄仪实现目标识别及定位，采用红外成像传感器后具有全天时警戒探测能力，目标识别能力远高于雷达系统。

Description

一种基于光电成像技术的入侵目标警戒定位装置及方法
技术领域
本发明属于安防监控技术领域，具体涉及一种入侵目标警戒定位装置及方法。
背景技术
在安防应用领域，需要对重点区域进行从地面到空中的大范围警戒，防止车辆、人员以及飞行器的非法入侵。特别是近年来，随着小型无人机大量普及，利用微小型无人机进行非法活动的事件层出不穷并造成极大损失(比如越境贩毒走私、擅自在机场附近等禁飞区飞行带来严重安全隐患、重大活动安全隐患等)，应对无人机的警戒探测压力与日剧增。
目前，常采用警戒雷达执行全方位大范围探测警戒任务，雷达系统存在目标性质难于判断、超低空复杂背景下低速目标漏警率高等不足；另外在很多无线电管制区，雷达发射功率受到严格限制，导致其探测能力不能满足使用要求。
光电系统具有被动探测及高分辨成像特性，具备良好的复杂背景条件下的目标识别能力，因此在安防领域获得广泛应用，目前常用数量众多的分布式(周界)摄像机系统方案，主要用于完成重要地区周界及内部的监控，并不具备对较远距离逼近警戒区的目标的早期预警及威胁判断能力，特别是不具备对空搜索警戒能力。除了雷达系统外，目前还没有同时具备目标定位及目标识别能力的适于执行大范围警戒任务的其它系统。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种基于光电成像技术的光电扫描仪与若干只光电观瞄仪配合应用，实现对临近监控区域的入侵目标探测及对全监控区目标的精确跟踪、定位、识别的方法。
本发明的技术方案如下：
一种基于光电成像技术的入侵目标警戒定位装置，包括信息处理器、光电扫描仪和不少于一台的光电观瞄仪；光电扫描仪与光电观瞄仪通过电缆或无线方式与信息处理器信息交互；所述的光电扫描仪与光电观瞄仪间隔一定距离架设，架设点之间的连线形成观测基线；
所述的光电扫描仪包括扫描像机、电控转台、方位测角组件；扫描像机在电控转台的驱动下在水平方向扫描，实现对警戒区域的周期性扫描成像；方位测角组件实现扫描方位角度参数的测量；俯仰方向的警戒范围由扫描像机的垂直视场确定；
所述光电观瞄仪包括视频像机、视频跟踪器、图像显示器、观瞄仪俯仰倾角测量组件、观瞄仪方位指向器和处理器；视频像机摄取的场景图像信息输入至视频跟踪器，由视频跟踪器自动跟踪场景图像中的入侵目标，并解算出入侵目标相对于瞄准点的角跟踪偏差量；图像显示器显示瞄准点及场景图像；观瞄仪俯仰倾角测量组件和观瞄仪方位指向器分别测量得到瞄准点对应的俯仰观测角和方位观测角，处理器根据角跟踪偏差量分别对俯仰观测角和方位观测角进行修正，得到观瞄仪目标俯仰观测角和观瞄仪目标方位观测角；
所述信息处理器从光电扫描仪输出的扫描图像中检测出入侵目标，读取入侵目标所在的扫描仪目标方位观测角和扫描仪目标俯仰观测角，并将其发送至光电观瞄仪，引导光电观瞄仪截获目标；
信息处理器根据同一目标的扫描仪方位观测角、扫描仪目标俯仰观测角、观瞄仪目标俯仰观测角、观瞄仪目标方位观测角以及观测基线的长度数据，解算得到入侵目标的位置参数。
上述基于光电成像技术的入侵目标警戒定位装置中，光电扫描仪与信息处理器结构上集成为一体。
上述基于光电成像技术的入侵目标警戒定位装置中，所述光电观瞄仪结构上为手持式便携系统。
上述基于光电成像技术的入侵目标警戒定位装置中，光电观瞄仪架设在三脚架上，观瞄仪俯仰倾角测量组件和观瞄仪方位指向器设置在三脚架的观瞄仪基座上。
上述基于光电成像技术的入侵目标警戒定位装置中，扫描像机由多个成像传感器组合而成，每只成像传感器对垂直方向的不同视角的视场成像。
上述基于光电成像技术的入侵目标警戒定位装置中，所述的光电扫描仪还包括驱动扫描像机俯仰指向调节的俯仰调节机构。
上述基于光电成像技术的入侵目标警戒定位装置中，还包括显控计算机，用于显示扫描像机和视频像机的图像，以及扫描方位角度参数、观瞄仪目标俯仰观测角、观瞄仪目标方位观测角、角跟踪偏差量、入侵目标的位置信息。
上述基于光电成像技术的入侵目标警戒定位装置中，所述的扫描像机和视频像机的成像传感器为红外传感器。
一种基于光电成像技术的入侵目标警戒定位方法，包括以下步骤：
【1】光电扫描仪的扫描像机扫描完成警戒区域的周期探测并输出扫描图像至信息处理器；
【2】信息处理器检测出光电扫描仪输出图像中的入侵目标后，输出扫描仪目标方位观测角和扫描仪目标俯仰观测角至光电观瞄仪；
【3】操作人员根据扫描仪目标方位观测角、扫描仪目标俯仰观测角，操作光电观瞄仪指向目标区域，通过图像显示器观察到目标图像后，将瞄准点粗略对准目标，同时启动视频跟踪器截获锁定入侵目标，观瞄仪俯仰倾角测量组件和观瞄仪方位指向器分别测量得到瞄准点对应的俯仰观测角和方位观测角，处理器根据角跟踪偏差量分别对俯仰观测角和方位观测角进行修正，并连续输出观瞄仪目标俯仰观测角和观瞄仪目标方位观测角参数；
【4】信息处理器接收同一时刻的扫描仪目标方位观测角、扫描仪目标俯仰观测角、观瞄仪目标俯仰观测角、观瞄仪目标方位观测角以及观测基线的长度，并解算得到入侵目标的位置参数。
本发明具有以下的有益技术效果：
一、本发明通过光电扫描仪和若干台光电观瞄仪组合的技术方案，实现了警戒区域的全方位多目标警戒定位功能；该装置采用光电全被动探测技术，无电磁能量发射，因而特别适用于无线电管制区的安防应用需求，装置中光电扫描仪采用周转扫描实现了大范围搜索探测，采用光电观瞄仪实现目标跟踪识别及定位，如果采用红外成像传感器后还可实现优良的全天时警戒探测能力。由于采用高分辨率光电观瞄仪，目标识别能力远高于雷达系统。
二、本发明采用间隔一段距离设置的光电扫描仪和光电观瞄仪或者多台分开架设的光电观瞄仪对同一目标的测量数据并通过三角测量法计算目标距离，是一种可以获得目标方位角、高低角、距离量的三坐标探测系统，与传统的只能获得目标方位角和距离量或者目标的方位角和高低角的两坐标探测系统相比，目标信息获取能力更强，对目标的威胁判断更准确。
三、本发明采用无人值守的光电扫描仪获取目标的角度信息后，引导光电观瞄仪操作人员进行目标搜索；在观瞄仪中设置了视频跟踪器，辅助操作人员精确跟踪动态目标，操作简便、目标角指向数据测量精度高。
附图说明
图1为本发明入侵目标警戒定位装置组成原理图；
图2为本发明观瞄仪组成原理示意图；
图3为本发明观瞄仪角跟踪偏差量示意图；
图4为本发明带有三脚架的观瞄仪组成原理示意图；
图5为本发明入侵目标位置计算原理图；
图6为本发明采用多只观瞄仪的入侵目标警戒定位装置组成原理图；
附图标记如下：1-光电扫描仪；2-光电观瞄仪；2a-光电观瞄仪A；2b-光电观瞄仪B；3-信息处理器；4-显控计算机；5-电源；6-观测基线；7-目标水平面投影点；11-扫描像机；12-电控转台；13-转台基座；131-扫描仪方位驱动电机；132-扫描仪方位测角组件；14-三脚架；15-扫描仪线缆；16-扫描仪方位轴线；17-扫描仪基点；171-扫描仪目标方位观测角；172-扫描仪目标俯仰观测角；173-目标与扫描仪水平投影距离；21-视频像机；22-视频跟踪器；23-图像显示器；231-角跟踪偏差量；232-瞄准点；24-观瞄仪俯仰倾角测量组件；25-观瞄仪方位指向器；26-观瞄仪接插件；27-电池；28-观瞄仪基点；281观瞄仪目标方位观测角；282-观瞄仪目标俯仰观测角；283-目标与观瞄仪水平投影距离；29-观瞄仪线缆；31-观瞄仪基座；32-观瞄仪三脚架。
具体实施方式
如图1所示，本发明的入侵目标警戒定位装置包括显控计算机4、电源5、信息处理器3、光电扫描仪1和不少于一只的光电观瞄仪2；所述的光电扫描仪1与光电观瞄仪1间隔一定距离架设，并通过电缆或无线方式与信息处理器3电联接；光电扫描仪1架设位置在水平面投影点坐标定义为扫描仪基点17，光电观瞄仪在水平面投影点坐标定义为观瞄仪基点28，扫描仪基点17和观瞄仪基点28连线形成观测基线6；光电扫描仪1和信息处理器3之间通过扫描仪线缆15连接，光电观瞄仪2与信息处理器3通过观瞄仪电缆29连接；
所述的光电扫描仪1包括扫描像机11、电控转台12、方位测角组件132；扫描像机11安装在电控转台12上，所述电控转台12与扫描仪方位驱动电机131转轴连接，方位驱动电机131定子与转台基座13联接，转台基座13则安装在三脚架14上；扫描仪方位驱动电机131转轴上还连接有扫描仪方位测角组件132，扫描仪方位测角组件132轴线垂直于水平面；当采用有线通信方式时，扫描像机11通扫描仪线缆15与信息处理器3电联接，扫描图像信息及扫描仪方位测角组件132的角度信息经扫描仪线缆15输出。光电扫描仪1为无人值守设备。
扫描像机11在扫描仪方位驱动电机131驱动下以连续方位周转或往复扇形扫描完成警戒空域的周期探测并输出扫描图像，方位测角组件132实现扫描方位角度参数的测量。垂直方向的空域探测范围由扫描像机11的光学透镜组参数决定。以扫描像机11采用垂直分辨率1200像素探测器、垂直视场设计为16°、连续周转的设计为例：其瞬时视场为0.23mrad，对几何尺寸0.3m*0.3m的目标(小型4旋翼无人机)探测距离可以达到1.3km以远，如果扫描像机11的垂直视场下沿置于0°，16°就是垂直空域探测范围上沿，在距离1.3km处对高度为350米，该设计对距离1.3km、飞行高度小于350米的小型目标可以进行全方位有效探测。
作为一种优选方式，扫描像机11由多个成像传感器组合而成，多个成像传感器在垂直方向分别对不同角度探测成像，以提高垂直空域探测范围。
作为另一种优选方式，光电扫描仪1还包括驱动扫描像机11俯仰指向调节的俯仰调节机构；俯仰调节机构驱动扫描像机11进行俯仰调节，分时对对不同仰角空域探测成像，提高垂直空域探测范围。
如图2和图3所示，光电观瞄仪2包括视频像机21、视频跟踪器22、图像显示器23、观瞄仪俯仰倾角测量组件24、观瞄仪方位指向器25、观瞄仪接插件26、内部处理器和电池27；光电观瞄仪2可以采用集成式，比如手持式或肩抗式一体化结构，也可以分体式结构，将视频像机21、观瞄仪俯仰倾角测量组件24、观瞄仪方位指向器25集成在其他装置上，并通过有线或无线的方式与光电观瞄仪2的其他部件联接。
视频像机21摄取的场景图像信息输入视频跟踪器22，视频跟踪器22自动跟踪场景图像中的入侵目标并解算目标相对于瞄准点232的角跟踪偏差量231，场景图像、瞄准点232和角跟踪偏差量231等显示信息通过图像显示器23显示；瞄准点232等图形显示信息由视频跟踪器22产生；光电观瞄仪2安装有观瞄仪俯仰倾角测量组件24和观瞄仪观瞄仪方位指向器25，观瞄仪俯仰倾角测量组件24和观瞄仪方位指向器25分别测量得到瞄准点232对应的俯仰观测角和方位观测角，内部处理器根据角跟踪偏差量231分别对俯仰观测角和方位观测角进行修正，得到观瞄仪目标俯仰观测角282和观瞄仪目标方位观测角281；场景图像、观瞄仪目标俯仰观测角282和观瞄仪目标方位观测角281以及瞄准点232的指向角信息经观瞄仪接插件216和观瞄仪线缆29输出。
如图4所示，作为一种优选方式，观瞄仪架设在三脚架上进行观测，观瞄仪俯仰倾角测量组件24和观瞄仪方位指向器25则设置在观瞄仪三脚架32的观瞄仪基座31上。操作人员通过调节观瞄仪基座31实现对入侵目标的跟踪。
信息处理器3用于接收光电扫描仪1、光电观瞄仪2以及显控计算机4的各种信息，完成光电扫描仪1、光电观瞄仪2以及显控计算机4之间的信息交互。
信息处理器3内部存储有若干入侵目标的图像信息，一旦识别光电扫描仪1输出图像中的入侵目标后，立刻计算得到入侵目标所在的扫描仪目标方位观测角171和扫描仪目标俯仰观测角172，并将其发送至光电观瞄仪2；处理过程中信息处理器3接收来自光电扫描仪1的扫描图像信息和扫描仪方位测角组件132输出的转角信息并完成以下处理：从扫描图像中检测出目标，读取目标位置对应的扫描仪目标方位观测角171和扫描仪目标俯仰观测角172；然后将扫描图像及扫描仪目标方位观测角171和扫描仪目标俯仰观测角172发送至显控计算机4和光电观瞄仪2；上述过程随光电扫描仪扫描周期连续实时进行。在结构上光电扫描仪1与信息处理器3可以集成为一体，便于携带和运输。
应用时，操作人员在扫描仪目标方位观测角171和扫描仪目标俯仰观测角172参数引导下，操作光电观瞄仪2指向目标方向，操作人员通过图像显示器23观察到目标图像后，将瞄准点232粗略对准目标后，启动视频跟踪器23截获并连续跟踪目标。
光电扫描仪1和光电观瞄仪2之间的架设距离既观测基线6的长度会影响目标测距精度，观测基线6越长系统测距精度越高，但是观测基线6的增长会导致光电观瞄仪2依据扫描仪目标方位观测角171和扫描仪目标俯仰观测角172截获目标的时间增加，例如：在光电观瞄仪2的水平视场设计为6°、观测基线6的长度为50米时，光电观瞄仪2依据扫描仪目标方位观测角171和扫描仪目标俯仰观测角172指向目标方向，此时，距离1千米的目标进入光电观瞄仪2的视场的概率约为50％，此时需要左右小范围移动光电观瞄仪2，扩大目标搜索范围截获目标，增加数秒的目标截获时间。因此观测基线6的长度不宜过长，一般设置为百米左右。
视频跟踪器23截获目标后对目标持续自动跟踪解算目标相对于瞄准点232的角跟踪偏差量231，并实时修正瞄准点232的人工瞄准偏差，获得观瞄仪目标方位观测角281和观瞄仪目标俯仰观测角282，输出给信息处理器3；其中ΔX和ΔY分别表示角跟踪偏差量231在水平和垂直方向的偏差。信息处理器3根据该时刻扫描仪目标方位观测角171、扫描仪目标俯仰观测角172、观瞄仪目标方位观测角281、观瞄仪目标俯仰观测角282以及观测基线长度，实时进行入侵目标距离解算，获取目标位置信息。
视频跟踪器是光电自动跟踪系统中的常见的一种目标坐标位置检测模块，其基本功能是从摄像机输出的连续视频图像中实时锁定跟踪被指定目标，并解算输出目标质心在图像中的坐标位置，图像中的坐标原点可以人工设置，一般设置于图像中心，并以“十”字分划形式绘制在图像上便于操作者观察。因其具备较高的运动目标自动跟踪能力及跟踪稳定性，在自动光电指向设备中广泛应用。
如图5所示，信息处理器3进行目标距离解算时：观瞄仪水平面投影点28、扫描仪水平面投影点17以及目标水平面投影点7都定义处于水平面，光电观瞄仪2观测目标的方位指向与观测基线6的夹角定义为观瞄仪目标方位观测角281，光电扫描仪1观测目标的方位指向与观测基线6的夹角定义为扫描仪目标方位观测角171，根据三角函数关系，入侵目标与扫描仪水平投影距离173为：
d1＝L*(sinα*sin2β)/(cosβ*sinα+cosα*sinβ)；
入侵目标与观瞄仪水平投影距离283为：
d2＝L*(sin2α*sinβ)/(cosβ*sinα+cosα*sinβ)；
其中L为观测基线6的长度；β为扫描仪目标方位观测角171；α为观瞄仪目标方位观测角281；d1为目标与扫描仪水平投影距离173；d2为目标与观瞄仪水平投影距离283；λ为扫描仪目标俯仰观测角172；θ为观瞄仪目标俯仰观测角282；
进一步，由已知的θ角和λ角可以分别计算得到目标相对光电观瞄仪和扫描仪的直线距离，在L已知的情况下，得到了入侵目标的准确位置参数。
图6给出了由单台光电扫描仪和多套观瞄仪构成的入侵目标警戒定位装置，入侵目标警戒定位装置由1台光电扫描仪与多台光电观瞄仪联合工作，图中2a为光电观瞄仪A，2b为光电观瞄仪B。信息处理器3从光电扫描仪1扫描图像中检测到多个目标，根据多台光电观瞄仪布设位置，分别将不同目标的扫描仪目标方位观测角171和扫描仪目标俯仰观测角172分配给相应方向的光电观瞄仪，引导多台光电观瞄仪跟踪目标，实现多目标的全方位警戒定位。
本发明采用周转扫描的光电扫描仪实现了大范围监控，采用光电观瞄仪实现目标识别及定位，采用红外成像传感器后具有全天时警戒探测能力，目标识别能力远高于雷达系统，由于该装置为光电全被动探测技术，因而特别适用于无线电管制区的安防警戒应用。

Claims (7)

1.一种基于光电成像技术的入侵目标警戒定位方法，其特征在于：包括以下步骤：
【1】建立基于光电成像技术的入侵目标警戒定位装置；
所述的入侵目标警戒定位装置包括信息处理器(3)、一台光电扫描仪(1)和多台的光电观瞄仪(2)；
光电扫描仪(1)与光电观瞄仪(2)通过电缆或无线方式与信息处理器(3)信息交互；所述的光电扫描仪(1)与光电观瞄仪(2)间隔一定距离架设，架设点之间的连线形成观测基线(6)；
所述的光电扫描仪(1)包括扫描像机(11)、电控转台(12)、方位测角组件(132)；扫描像机(11)在电控转台(12)的驱动下在水平方向扫描，实现对警戒区域的周期性扫描成像；方位测角组件(132)实现扫描方位角度参数的测量；俯仰方向的警戒范围由扫描像机(11)的垂直视场确定；
所述光电观瞄仪(2)包括视频像机(21)、视频跟踪器(22)、图像显示器(23)、观瞄仪俯仰倾角测量组件(24)、观瞄仪方位指向器(25)和处理器；视频像机(21)摄取的场景图像信息输入至视频跟踪器(22)，由视频跟踪器(22)自动跟踪场景图像中的入侵目标，并解算出入侵目标相对于瞄准点(232)的角跟踪偏差量(231)；图像显示器(23)显示瞄准点(232)及场景图像；观瞄仪俯仰倾角测量组件(24)和观瞄仪方位指向器(25)分别测量得到瞄准点(232)对应的俯仰观测角和方位观测角，处理器根据角跟踪偏差量(231)分别对俯仰观测角和方位观测角进行修正，得到观瞄仪目标俯仰观测角(282)和观瞄仪目标方位观测角(281)；
所述信息处理器(3)从光电扫描仪(1)输出的扫描图像中检测出入侵目标，读取入侵目标所在的扫描仪目标方位观测角(171)和扫描仪目标俯仰观测角(172)，并将其分配给相应方向的光电观瞄仪(2)，引导多台光电观瞄仪(2)跟踪入侵目标；
信息处理器(3)根据同一入侵目标的扫描仪方位观测角(171)、扫描仪目标俯仰观测角(172)、观瞄仪目标俯仰观测角(282)、观瞄仪目标方位观测角(281)以及观测基线(6)的长度数据，解算得到入侵目标的位置参数；
所述光电观瞄仪(2)集成为手持式或肩抗式结构；
【2】光电扫描仪(1)的扫描像机(11)扫描完成警戒区域的周期探测并输出扫描图像至信息处理器(3)；
【3】信息处理器(3)检测出光电扫描仪(1)输出图像中的入侵目标后，输出扫描仪目标方位观测角(171)和扫描仪目标俯仰观测角(172)至光电观瞄仪(2)；
【4】操作人员根据扫描仪目标方位观测角(171)、扫描仪目标俯仰观测角(172)，操作光电观瞄仪(2)指向入侵目标区域，通过图像显示器(23)观察到入侵目标图像后，将瞄准点(232)粗略对准入侵目标，同时启动视频跟踪器(23)截获锁定入侵目标，观瞄仪俯仰倾角测量组件(24)和观瞄仪方位指向器(25)分别测量得到瞄准点(232)对应的俯仰观测角和方位观测角，处理器根据角跟踪偏差量(231)分别对俯仰观测角和方位观测角进行修正，并连续输出观瞄仪目标俯仰观测角(282)和观瞄仪目标方位观测角(281)参数；
【5】信息处理器接收同一时刻的扫描仪目标方位观测角β、扫描仪目标俯仰观测角λ、观瞄仪目标俯仰观测角θ、观瞄仪目标方位观测角α,分别计算得到入侵目标与扫描仪水平投影距离d1和入侵目标与观描仪水平投影距离d2，其中L为观测基线的长度；
计算公式为：
d1＝L*(sinα*sin2β)/(cosβ*sinα+cosα*sinβ)；
d2＝L*(sin2α*sinβ)/(cosβ*sinα+cosα*sinβ)；
并根据观瞄仪目标俯仰观测角θ、扫描仪目标俯仰观测角λ和观测基线的长度L，计算得到入侵目标的准确位置参数。
2.根据权利要求1所述的基于光电成像技术的入侵目标警戒定位方法，其特征在于：光电扫描仪(1)与信息处理器(3)结构上集成为一体。
3.根据权利要求1所述的基于光电成像技术的入侵目标警戒定位方法，其特征在于：光电观瞄仪(2)架设在三脚架(32)上，观瞄仪俯仰倾角测量组件(24)和观瞄仪方位指向器(25)设置在三脚架(32)的观瞄仪基座(31)上。
4.根据权利要求1所述的基于光电成像技术的入侵目标警戒定位方法，其特征在于：扫描像机(11)由多个成像传感器组合而成，每只成像传感器对垂直方向的不同视角的视场成像。
5.根据权利要求1所述的基于光电成像技术的入侵目标警戒定位方法，其特征在于：所述的光电扫描仪(1)还包括驱动扫描像机(11)俯仰指向调节的俯仰调节机构。
6.根据权利要求1所述的基于光电成像技术的入侵目标警戒定位方法，其特征在于：还包括显控计算机(4)，用于显示扫描像机(11)和视频像机(21)的图像，以及扫描方位角度参数、观瞄仪目标俯仰观测角(282)、观瞄仪目标方位观测角(281)、角跟踪偏差量(231)、入侵目标的位置信息。
7.根据权利要求1所述的基于光电成像技术的入侵目标警戒定位方法，其特征在于：所述的扫描像机(11)和视频像机(21)的成像传感器为红外传感器。
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