阅读说明：本技术 主动导引头系统 (Active seeker system ) 是由 沙哈尔·利维 于 2018-09-05 设计创作，主要内容包括：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。(Active seeker systems for detecting and/or tracking moving targets are disclosed herein. The system comprises: an illumination module that generates an illumination beam output from the system; an optical assembly for shaping a solid angle of a field of view (FOV) of the output beam; an optical path scanning module adapted to angularly deflect an output optical path of the output beam about a scanning axis to perform one or more scanning cycles; and an imaging module adapted to image light in a spectral range of the beam from the particular field of view around an output optical path of the light beam. In some cases, the solid angle of the output beam is shaped such that it has an elongated FOV cross-section extending along a particular side of the beam; and the output optical path is angularly deflected in a direction transverse to the long axis of the elongate FOV of the beam so as to sweep the elongate FOV of the beam to cover the desired area of interest (FOR) with a one-dimensional scan. In some implementations, the system is adapted to monitor FOR detecting and tracking a target. The monitoring may include an object detection phase during which the FOV of the light beam is set to be less than the range of FOR, and FOR is imaged in a scanning imaging mode. The monitoring may include a target tracking phase during which one or more imaging parameters are adjusted according to a particular estimated attribute associated with the target being tracked.)

具体实施方式

图1A-图1B是示出根据本发明一些实施例的主动导引头系统100的框图。

主动导引头系统100包括照射模块110、波束整形组件130、扫描模块140、成像模块120、和控制器150(在本文中控制器可互换地被称为控制系统/单元)。

照射模块110被配置用于生成辐射束LB，以用于向输出光路OP传播，以形成从系统100沿着输出光路OP传播的输出波束OB。辐射束通常是光学波束(例如在可视、IR或其他范围内的光)，但也可以是具有电磁辐射的非光学波束——诸如射频(RF)。成像模块120被配置用于对于由照射模块生成的辐射束LB的光谱范围中的辐射进行成像。实际上，本文所指的成像模块通常是可在辐射束LB的光学范围内操作的成像器。然而，一般来说，成像模块120还可操作用于在其他光谱范围(例如，非光学的范围)内对辐射成像，例如，它可包括可操作用于在RF范围内对辐射成像的一个或更多个天线模块的集合(例如，天线阵列)。波束整形组件130包括一个或更多个波束整形器，该一个或更多个波束整形器被配置用于对辐射束LB进行整形，以至少修改其FOV，并且还可能修改成像模块的FOV。波束整形组件130被配置并且可操作用于调节输出波束的FOV并且还可能调节成像模块的FOV，使得在快照操作模式下，FOV覆盖整个FOR，而在扫描操作模式下，输出波束的FOV(并且可能还有成像的FOV)仅覆盖FOR的一部分。扫描模块140一般来说在扫描模式下操作，并且被配置用于围绕至少一个扫描轴/角度成角度地偏转光路OP的方向，以执行一维扫描。为此目的，扫描模块140被配置并可操作用于扫掠输出波束OB的视场以覆盖关注的区域FOR。

应当注意，在本发明的一些实施例中，成像模块的光路和照射模块的光路可以是分开的(例如，间隔开的共同对准的光路)。光学组件(例如波束整形模块和/或其他光学模块)也可以是成像模块和照射模块的不同的/分开的光学组件(然而可以可选地包括沿着成像和照射的光路的一些光学元件)。

为此，根据本发明的一些实施例，照射模块110和成像模块120二者的光学/传播轴/路径都耦合到扫描模块，使得在扫描操作期间，这两个光学/传播路径都通过扫描模块被偏转在一起以扫描FOR。例如，根据本发明的一个实施例，扫描模块140包括可致动的万向节(例如，一个具有适当扫描致动器的轴万向节)，照射模块110和成像模块120均安装/装备在该万向节上。因此，当致动万向节时，照射模块110和成像模块120两者的光路都被偏转以扫描(即，照射和成像)FOR。可替代地或附加地，照射模块110和成像模块120、或它们中的任何一者可以不直接装备在万向节上，而是万向节装备有反射镜/偏转器，该反射镜/偏转器适于将照射模块110和/或成像模块120的光路耦合到由扫描模块扫描的输出光路OP。

在一些实施例中，波束整形组件130包括至少一个全局波束整形器130.1，该全局波束整形器130.1被配置并可操作以对输出波束OB的FOV(输出波束OB的FOV在下文中被表示为L-FOV)进行全局调节(例如，放大/减小L-FOV的总立体角φ)，同时可能不改变输出波束OB的横截面的纵横比。在一些实施例中，全局波束整形器130.1仅沿着照射的光路(而不是沿着成像模块的光路)定位，从而可以使用更简单的(非成像类型的)波束整形光学器件。可替代地，在一些实施例中，成像模块120的光路也穿过全局波束整形器130.1，使得L-FOV调节的全局调节也调节成像模块的FOV(成像模块的FOV在下文中表示为I-FOV)。如以上和以下更详细描述的，在一些实施例中，成像模块的FOV(I-FOV)保持大于输出波束OB的FOV(L-FOV)，使得由成像模块捕获的图像还包括以下区域：在这些区域中，不应该存在对于从目标返回(反射/散射)的输出波束OB的辐射进行发信号/成像/收集，但是在这些区域中必须只有杂波辐射和可能的仪器噪声将会被感测/成像/收集。因此，这些区域用于评估可能影响目标响应的SNR的全局噪声/杂波，从而能够提高SNR。为此，成像模块可以具有比照射器更宽的光谱范围。成像模块还可以观察比输出光路更宽的FOV，即不仅对来自输出光路的光/辐射进行成像。

在一些实施例中，波束整形组件130包括至少一个非对称波束整形器130.2，该非对称波束整形器130.2被配置并可操作来对输出波束OB的FOV(L-FOV)的纵横比施加非对称调节。如以上和以下更详细描述的，非对称波束整形器130.2可以被配置和可操作用于在细长的纵横比之间修改照射波束的纵横比，以形成输出波束OB，该输出波束OB具有所谓的线形横截面——沿着横过光路的横轴延伸的细长横截面。在这种情况下，输出波束OB将会照射具有细长横截面的视场L-FOV。可选地，非对称波束整形器被配置用于对输出波束OB进行整形，使得波束在其宽和窄的横向维度之间具有40∶1的纵横比(例如，纵横比可以在10-50的范围内，并且波束相对于其宽轴的角度范围可以在1毫弧度到10毫弧度的范围内)。优选地，在这种情况下，输出波束OB的FOV被调节成使得输出波束OB的横截面的长边/横向维度的宽度至少与目标应该受到检测/跟踪的FOR的宽度一样宽，同时横截面的短边/横向维度的宽度小于FOR。因此，这使得能够在单次1D扫描中扫描整个FOR。

在一些实施例中，波束整形组件130还包括波束扩展器模块130.3，波束扩展器模块130.3被配置并且可操作以相对于成像FOV(I-FOV)的立体角扩展/收缩照射FOV(L-FOV)的立体角。这可用于调节成像FOV和/或照射FOV，使得成像FOV(I-FOV)大于照射FOV(L-FOV)，从而实现改进的噪声/杂波估计，如以上和以下更详细描述的。应当注意，可替代地，系统100可以被配置成使得成像FOV(I-FOV)被设置为固有地大于照射FOV(L-FOV)，同时没有对FOV比的任何特定的调节。

因此，根据一些实施例，扫描模块140被配置用于围绕一个扫描轴(通常是横向扫描轴)成角度地偏转光路OP的方向，以执行一维扫描。为此目的，扫描模块140被配置用于扫掠输出波束的视场(L-FOV)，优选地连同成像的视场I-FOV一起扫掠，以覆盖关注的区域FOR。在这种情况下，扫描模块包括万向节，在万向节上安装有用于偏转输出波束和成像的光路的偏转反射镜，或者成像模块120和/或照射模块110直接安装在万向节上。

另外，可选地，在一些实施例中，扫描模块140还可以包括旋转致动器，该旋转致动器耦合到非对称波束整形器130.2和/或万向节，以用于围绕轴(例如，围绕非对称波束整形器的光轴)旋转非对称波束整形器，使得线形输出波束可以被旋转，以扫描FOR。

如上所述，系统100适于分两个时期操作。在第一时期(即目标检测时期/阶段)，系统操作以在相对较大的FOR内搜索和检测目标。在第二时期，系统操作以跟踪目标。根据一些实施例，该系统在两种操作模式下(扫描成像模式和快照模式)进行配置并操作。如下文更详细描述的，在一些实现方式中，系统被配置用于在检测时期期间在扫描模式下操作，并且在跟踪时期期间在两种模式下操作，最初在扫描模式下操作，而然后转变为在快照模式下操作(例如，在确定目标接近时)。控制器150被配置并可操作用于在两个阶段/时期控制和/或调整系统的操作，以便优化目标的SNR(例如，保持SNR高于特定的阈值水平)，同时还调节检测和/或跟踪的灵活性(速度/速率和/或灵活性)，从而能够以改进的SNR和灵活性检测和跟踪快速移动目标，同时降低照射功率要求，并因此减小系统的重量和尺寸。为此，控制器150被配置并可操作用于调节照射参数和成像参数，并选择成像和照射模式。在一些情况下，成像在快照模式下进行，而在其他情况下，成像在扫描模式下进行，由此，扫描模块被配置成以重复(例如循环)的方式进行例如一维扫描。为此，当扫描模块140将输出光路的方向偏转特定角度111时，每个循环扫描一次FOR，以便每个循环覆盖一次FOR。

图1B是系统100的框图，以一目了然的方式更详细地显示了控制器150的不同模块以及它们如何连接到系统100的其他模块。应当注意，控制器通常是计算机化系统，或者是计算机化系统与模拟/电子电路模块的组合，并且图中所示的模块151至159可以实现为软件实现的模块、硬件模块、电子电路和/或上述的任意组合。

现在参考图2A和图2B，它们是更详细地示出根据本发明的一些实施例在目标检测时期(图2A中显示的1100)和跟踪时期(图2B中显示的1200)中执行的控制器150和系统100的操作的方法1000的流程图，在目标检测时期目标受到检测，在检测到目标之后执行跟踪时期，以跟踪目标。

更具体地转向图2A所示的检测时期1100，例如可以执行以下操作：

可选地，在操作1110中，可以例如从外部源(诸如系统1000外部的雷达系统)接收指示待检测和跟踪的目标的航向位置的输入数据。在这种情况下，系统1000(例如，转向控制器159)可以操作(参见可选操作1115)平台转向模块，以将平台引导向目标的航向位置。

为此，在对目标的检测开始之前，导引头获得其LOS方向。这可以采用在导引头上安装的星***来完成，或者使用由导引头自己的检测相机实现的星***来完成。测量导引头的LOS的另一选项是陀螺仪(这将在下面更详细地描述)。然后，在1115中，导引头将其视线(LOS)对准寻的区域方向(朝向FOR，例如朝向FOR的边缘)。在照射波束与整个寻的区域(即，与FOR)不正确对准的情况下，可以执行一些预调节(如下面参考图5B举例说明和描述的)。

在操作1117中，(例如，基于在上面的操作1110中获得的数据进行估计)估计与目标的距离R和平台与目标的接近速度V_C。在这点上，应该注意的是，术语接近速度是指平台与目标之间的径向速度(或者换句话说，与目标的距离的变化率dR/dt)。

如下面参考方法1000所述，照射器随后被打开，并且目标检测和跟踪被启动。FCT(例如，帧速率FR＝1/T)和相机曝光时间τ可以随着时间流逝而动态地被调节。这使得检测到的信号随着导引头-目标距离的减小而变得更强。对于捕获FOR或其一部分的每个图像，执行图像分析算法，以便确定强度高于阈值的辐射(例如，辐射闪光)是否已经到达图像中关注的检测区域。如果是，则检测到目标，而如果不是，则目标检测时期继续，直到检测到目标为止。

随着目标检测时期的继续，导引头系统100基于尚未发现目标的信息重新计算目标的预测/预期定位，以使平台机动最小化，且然后执行校正机动。

在检测到目标之后，如下面参考跟踪时期1200所述，导引头保持照射和跟踪目标，同时在检测到的信号变得太强的情况下调节(例如扩展)FOR的立体角和/或降低成像模块的曝光时间(即积分时间)τ，以便防止图像饱和。在某个阶段，当相对于导引头的目标立体角变得大于照射器立体角时，照射器波束整形器调节波束形状。

返回到检测时期，在该阶段，目标还没有被检测到，可以执行操作1120(例如，通过FOR控制模块155，将系统的FOR参数设置/调节到特定的初始大范围，以有效搜索目标。例如，初始大FOR范围可以设置在Ω～6e^-6至50e^-6球面度范围内。

此外，操作1130由控制器150执行，以便在检测模式下优化来自目标的信号的SNR(考虑到目标可能是远程的，并且FOR被设置为大范围，以便能够在大区域内检测目标)。为此，为了操作足够高的SNR，在这个阶段，成像模式控制模块157执行操作1132，将照射和成像模式设置为扫描成像模式，如上所述，这(与快照模式相比)提供了改进的SNR。为此，成像模式控制模块157执行操作1132.2，并操作波束整形器130来调节照射波束FOV(L-FOV)的角度范围(φ)，使其小于FOR的角度范围Ω：φ<<Ω。此外，可选地，FCT控制模块156执行操作1137(具体是1137.2和1137.4)，以基于帧中目标的预期SNR动态地调节成像器的按每一帧或更多帧计的曝光时间，从而减少/优化捕获覆盖整个FOR的图像所需的持续时间T(T在本文称为FOR捕获持续时间(FCT)和/或扫描循环持续时间)。

可选地，为了进一步实现改进的SNR，同时降低或消除与扫描相关联的滚动快门效应，成像模式控制模块157可以执行操作1132.4，并且操作非对称波束整形器130.2来调节照射波束OB的纵横比(图3中的AR)，使得输出波束OB的横截面被拉长(线状)，并且适合于在FOR上执行1D扫描。在这种情况下，宽度(在波束的长边上与FOR的宽度匹配，因此在单次一维扫描中可以扫掠整个FOR)。

此外，可选地，成像模式控制模块157可以执行操作1132.6，以操作波束整形器模块130，特别是操作可选的波束扩展器模块130.3，以设置/调节成像FOV(I-FOV)的角度范围(立体角)与照射波束FOV(L-FOV)的角度范围的比率，使得成像FOV大于照射波束的FOV(L-FOV)。如上所述，这提供了从I-FOV捕获的图像的一些预定部分固有地将不会受到输出波束的照射辐射从目标的反射/散射的影响。因此，如下所述，一旦接收到这种图像，噪声估计器153处理图像的这些部分，以估计从环境返回的噪声/杂波的水平，从而能够估计/改进目标信号的SNR和/或还利用误警率(FAR)模块(诸如恒定FAR(CFAR))以消除/减少/滤除可能与高杂波/噪声水平相关联的检测误警。

因此，在设置了上述参数(例如，FOR、τ、T、I-FOV、L-FOV、和/或AR)之后，成像模式控制模块157执行操作1135，以用于操作光路扫描模块140扫描FOR，同时优化/减少扫描循环的持续时间T(FCT)，并且成像模式控制模块157还执行操作1137，用于在每个扫描循环期间操作图像模块120以抓取/捕获多个图像(例如M个图像)，从而获得指示在每个扫描循环被照射的整个FOR的图像数据。可选地，如上所述，针对光路扫描模块140的操作，进行操作1135.2，以执行一维扫描。

在每个扫描循环中，目标检测模块152处理在扫描循环期间捕获的指示FOR的M个抓取图像的数据，以检测目标。

可选地，成像模式控制模块157动态地调节M个图像中不同图像的曝光时间τ，以便优化/减少FOR捕获持续时间(FCT)，同时保持SNR高于可接受的阈值水平。这可以例如通过根据在扫描循环期间抓取的M个图像中的每个图像或几个图像执行可选操作1137.2和1137.4来实现，以便动态地优化/减少M个图像的曝光时间。更具体地，在操作1137.2中，成像模式控制模块157估计与目标的距离R。可以例如基于在上面的操作1117中获得的初始距离R和接近速度V_c以及从该操作起经过的时间来估计距离R。如上所述，目标的SNR通常是1/R的函数(例如，理论上与1/R⁴成比例)。因此，在操作1137.2中，估计出由于目标距离的减小/改变而导致的SNR的预期的改进/改变。在操作1137.4中，根据SNR的改变/改进来设置/调节在扫描循环期间待捕获的随后的M个图像中的一个或更多个图像的曝光时间τ。更具体地说，SNR是曝光时间τ的函数，且因此一旦在1137.2中确定在接下来的图像中SNR预期会改进(由于与目标的距离正在接近)，然后依次缩短随后的图像的曝光时间τ，以便减小FOR捕获持续时间(FCT)，同时保持SNR刚好在可接受的阈值之上。

应当理解，根据在扫描循环期间获取的M个图像的曝光时间τ的动态调节，扫描控制器(扫描模块)140在扫描循环期间以变化的扫描速度(例如，扫描角速度)操作。由此，这产生了依赖于时间的扫描轮廓，也就是在捕获相应的M个图像所需的相应定位处停留足够的曝光时间{τ}。

检测模块152执行操作1139，以处理与M个图像相关联的数据，以识别从目标反射/散射的辐射并确定目标位置。这是例如通过识别那些强度足够大到在噪声之上的图像中的像素，和/或利用图像分析算法(例如，统计图像分析)来确定一个或更多个图像中像素强度的外部相关性和/或内部相关性来实现的。

为此，可选地，FOR帧图像处理器151将从成像模块120接收的图像分割成与成像FOV(I-FOV)的区域(在相应的图像被抓取时正受到照射的区域)相关联的图像片段(即，其FOV与照射波束OB的L-FOV重叠的图像片段)(这些图像片段在本文中被称为“目标指示图像片段”)以及与成像FOV(I-FOV)的在相应图像的捕获期间没有被照射的区域相关联的片段(在本文中被称为“杂波指示图像片段”)。可选地，FOR帧图像处理器执行操作1135.2，以利用“杂波指示图像片段”(即在照射的L-FOV之外的图像片段)，并将它们提供给噪声估计器模块153。后者处理这些图像片段，以评估全局噪声/杂波的值，并由此改进与照射的L-FOV重叠的图像部分中的目标检测的SNR，和或利用例如CFAR技术来减少误检测(误警)。可选地，FOR帧图像处理器还包括扫描减轻器模块151.2，扫描减轻器模块151.2从光学扫描模块140和/或从成像模式控制模块157接收指示在扫描循环中获得的M个图像中的每个图像的坐标相对于FOR的坐标的数据，且更具体地，接收指示FOR中的每个目标指示图像片段的坐标的数据，并且基于它们各自的坐标，合并(例如串联)目标指示图像片段来获得FOR的图像帧，该图像帧指示在扫描循环期间成像的FOR区域。后者然后被提供给检测模块152，以用于执行上述操作1139，基于由此获得的FOR的图像帧来检测FOR中的目标的位置。

一旦检测到目标，系统100进行到跟踪时期1200，如图2B所示。在跟踪时期，控制器重复执行如图2B所示的以下操作，以用于跟踪目标。

在操作1210中，控制器150获得指示检测到的目标位置的数据，并且可选地，在操作1215中，转向控制器159利用该数据，以用于操作该平台的转向控制器来使平台转向并且将该平台引导向目标。

为此，为了将平台导航(操纵)到目标，转向控制器可以包括闭环控制器，该闭环控制器适于针对转向模块基于经处理的FOR帧图像进行操作，以便使连续图像中由从目标返回的光照射的像素的标识之间的差异最小化，从而使平台相对于目标的角速度最小化，并因此将平台引导向目标。

当跟踪目标时，控制器150(更具体地说，是成像模式控制模块157)重复操作，以执行操作1220，获得指示在FCT T(在扫描或快照模式下)的整个FOR的图像(多个图像)的FOR帧数据。最初(至少在跟踪时期的开始)，经由扫描成像模式获得FOR帧数据。在这种情况下，可以执行上述操作1132、1135和1139，以及可选地执行它们的子操作，以在扫描成像模式下跟踪和定位目标。通常，与检测阶段的FOR相比，当启动跟踪阶段时，FOR减小，并且照射的视场L-FOV处于FOR的数量级，但是可能仅稍微小于FOR。

一般来说，如下面将更详细描述的，在某个阶段，成像模式控制模块157可以将成像模式改变为快照模式。在这种情况下，成像模式控制模块157如下操作波束整形器。非对称波束整形器132.2将波束的横截面调节为点状波束(即具有1∶1数量级的纵横比AR)。全局波束整形器132.1可以(在需要的情况下)被调节成使得照射FOV(L-FOV)与整个FOR重叠(由此，成像FOV(I-FOV)也可以在这个阶段被调节，或者它被先验地设置为也覆盖整个FOR)。因此，成像模块***作以在每个FOR帧持续时间T抓取捕获整个FOR的单个图像，由此图像的积分时间τ被设置为大约τ～T。由成像模块120在每个FOR帧成像循环获得的FOR图像随后被可选地提供给FOR帧图像处理器151，FOR帧图像处理器151可以适于对FOR的单个图像执行操作1139。具体而言，快照减轻器模块151.1操作用于将图像分割成显示被照射的整个FOR的片段(目标指示图像片段)和FOR之外的片段(杂波指示图像片段)。目标指示图像片段随后被提供给目标检测模块，用于检测目标在FOR中的位置，并且杂波指示图像片段可以如上所述被提供给噪声估计器153，用于估计噪声/杂波的全局水平。

在跟踪期间(例如，在每个FOR帧成像循环或者间或(例如每几个循环))，控制器150执行操作1230，以重复地监测在FOR帧图像/数据中出现的被跟踪目标的参数，并对应地调节一个或更多个跟踪参数，诸如FOR、I-FOV、L-FOV、FCT(T)、曝光时间τ和/或成像模式(扫描或快照模式)。在下文中，术语帧速率(FR)用于表示(通过扫描模式或快照模式)获取FOR帧的速率1/T。

可选地，控制器150执行操作1231，以确定/估计目标的SNR。例如，控制器150处理目标在最近(例如，最后)一个或更多个FOR帧中出现的像素，以确定目标被检测到时的SNR。例如，确定这些像素的强度高于全局噪声/杂波值的程度，并且考虑到例如基于可能由噪声估计确定的这些参数(例如，考虑在一个或更多个循环期间获得的杂波成像片段)的噪声的标准差/波动性(时间和/或空间)，确定检测有多重要/可靠。应该注意的是，目标的SNR(T-SNR)应该保持在特定的SNR阈值(SNR-TH)之上，以便确保可靠的检测和跟踪，但是，在远高于阈值的高SNR的情况下，可以增加跟踪的灵活性(例如，只要保持在阈值之上，以一定程度上降低SNR为代价来增加帧速率1/T)。

此外，可选地，控制器150执行操作1232，以确定/估计目标相对于平台(相对于系统100)的角速度。例如，控制器150可以处理在FOR内的在相应的最近(例如，最后)两个或更多FOR帧出现目标的位置(坐标)，以确定FOR中目标相对于平台的横向(例如，垂直和/或水平)速度，该横向速度与目标的相对角速度相关联。应当注意，对于较高的角速度，需要较大的FOR立体角来可靠地跟踪目标，以确保目标不会从FOR帧中丢失。通常，目标越近，其相对于平台的成角速度可能越高，且因此需要更大的FOR立体角(本文中是在指定R-FOR之后)。

为此，在可选操作1234中，控制器150(例如，FOR控制模块155)可选地将系统的FOR范围调节到所需的R-FOR(其基于监测的角速度和SNR来确定)，以便可靠地跟踪目标。这可以通过调节波束整形模块和或扫描模块来执行，以在捕获每个FOR帧期间((在快照模式或扫描模式下)在FOR帧抓取循环的每个持续时间T期间)覆盖所需的FOR。

在这一点上，应该理解，对于给定的帧速率T和给定的成像模式(扫描或快照)，当扩展FOR时，SNR下降，而当将FOR设置为较小的范围时，SNR增加。因此，一旦确定了FOR(R-FOR)的所需立体角，控制器150就可以估计预期目标的SNR(E-SNR)，即预期目标在接下来的FOR帧中被检测到时的SNR。

因此，在操作1233中，控制器150(例如，帧速率控制模块156)可以基于在前面的FOR帧中监测到的目标的角速度和SNR(如在上面的操作1231和1232中确定的目标的SNR和角速度)，可选地调节帧速率FR＝1/T。

随着目标接近/变得更靠近系统，这通常产生更好的灵活性(即更高的帧速率)。这是因为，尽管目标的角速度以及因此所需的FOR立体角可能随着目标的接近而增加，但是从目标返回的辐射量也以R^-4的因数增加。因此，利用这种技术，随着目标接近，更灵活的跟踪被动态地调节，从而能够改进对快速移动目标的跟踪。

可选地，在操作1235中，控制器150(例如成像模式控制模块157)操作以用于基于所监测的角速度和SNR来选择照射和成像模式。在这点上，成像模式控制模块157可以根据角速度和SNR来确定例如是继续在扫描模式下操作还是启动在快照模式下操作。在来自目标的预期SNR足够高(例如，远高于阈值)的情况下，当目标正在以高角速度移动时(这可能是当目标相对紧靠时的情况)，成像模式控制模块157可以切换到快照模式，尽管该模式相比于扫描模式与稍低的SNR相关联，但受与扫描相关联的滚动快门伪像的影响较小/不受其影响。

尽管如此，根据一些实施例，在预期的SNR还不允许在快照模式下操作的情况下，成像模式控制模块157通过执行可选操作1236来适当地调节扫描方案以减轻这种伪像，从而减轻/减少滚动快门伪像。例如，在涉及1D扫描的情况下，成像模式控制模块确定FOR中目标角速度的方向，并且优选地将1D扫描方向(扫描轴)调节为大约垂直于目标角速度的方向，使得从FOR帧中减少/抑制滚动快门效应。这可以通过操作波束整形模块大约在角速度的方向上对准细长扫描波束，同时操作扫描模块的万向节组件在垂直方向上进行扫描来实现。这种调节在包括旋转致动器的系统的实施例中是可能的，该旋转致动器可连接到扫描模块(连接到万向节)140和/或非对称波束整形模块130.2，以用于改变它们围绕光路的纵轴的取向。

一旦调节了上述参数，控制器140继续执行操作1240，以重复操作该系统以在所选择的成像和照射模式下以及帧速率和FOR范围中获取接下来的FOR帧(多个FOR帧)。在操作1250中，控制器150还处理接下来的FOR帧以识别目标，并使操作1200继续，直到达到目标或者除非另有指示为止。

图3举例说明了当目标变得更靠近系统时其操作可从一维扫描模式可控地切换到快照模式的导引头系统。如图所示，光源(激光设备)110产生具有特定固定波束形状的光束，该光束沿着光路传播并与波束整形器相互作用，从而根据系统的操作模式产生具有期望横截面的输出光束。在扫描模式CS-MOD-1中，波束具有沿着横过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；以及在快照模式CS-MOD-II中，波束具有覆盖FOR的点形状。在扫描模式下，波束整形器130操作来对光束进行整形，使得细长输出光束的视场具有线形，并且该细长输出光束具有在细长光束的宽横向维度和窄横向维度之间例如大约40的横向纵横比(例如纵横比可以在10-50的范围内，并且波束相对于其宽轴的角度范围可以在1到10毫弧度的范围内)。光路扫描模块执行多个循环的一维扫描，使得在每个循环中，输出光路的方向被偏转，以围绕扫描轴扫描特定的角度范围/片段，从而使光束扫掠以照射在每个一维扫描循环被照射和成像的扫描帧的FOR。扫描轴是横过输出光路的横轴，且可以是水平的、垂直的或旋转轴；扫描轴不正交于特定的横轴，并且可以例如平行于特定的横轴。

为此目的，如上所述，控制系统150通过以下方式来执行监测阶段，以在搜索目标时监测关注的区域：接收由成像系统在每个一维扫描循环期间捕获的图像序列，并通过在一个或更多个像素上捕获从目标反射/散射的光束的返回光，处理这些图像以确定由光束照射的目标是否被一个或更多个像素检测到。

为此，控制器150被预编程有特定的预定的信噪比(SNR)阈值，以确定由像素捕获的光强度是否超过该阈值。从目标反射/散射的并由一个或更多个像素捕获的返回光的强度与τ/R⁴成比例(R是成像模块和目标之间的距离；τ是M帧中每一个的曝光时间)。

随着目标的距离R变得更短，控制器150操作以动态地减少一维扫描循环的持续时间T，以便改进跟踪灵活性。由此，优化了在一维扫描循环期间扫描的扫描帧的帧速率1/T。这可以通过实际减少(动态地调节)扫描期间)捕获的图像的曝光时间来实现。可以通过将(用诸如雷达或IR传感器的其他系统完成的)目标定位和速度的先前测量结果应用于目标状态向量预测模型，并测量***自身的定位来估计距离R。同样如上所述，成像系统可以包括一维光电检测器阵列，并且被配置成在一维光电检测器阵列上成像细长输出光束的视场。可选地，成像系统可以包括二维光电检测器阵列，并且被配置成在二维光电检测器阵列的像素的子集(图4A和图4B中的SS)上成像由细长输出光束照射的视场。在这种情况下，可以在该特定的子集中使用谱线滤波器来降低噪声水平。误警处理器也可以用于处理由二维光电检测器阵列捕获的图像，以通过将由该像素子集捕获的光强度的参数和与由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。噪声相关参数包括：背景恒定水平和斜率，和/或结构尺寸，和/或与先前图像的比较，杂波等。

图4A和图4B分别示出了成像模块在两个不同扫描时间的FOV。在图中，大矩形代表总的FOV(I-FOV)；大虚线椭圆是整个寻的区域FOR。小的细长的暗椭圆是扫描模式横截面CS-MOD-1的照射波束，其限定了小的寻的区域。小的寻的区域周围的小矩形(SS)标记了关注的检测区域，该关注的检测区域是检测器上可能有检测信号的最小区域(从小的寻的区域到某个边缘)。形成FOV上的其他区域的目标检测是不可能的，因为激光从不照射FOV的其他区域(照射器和成像模块是固定的)。如上所述，这个小的矩形意味着更少的误警检测和更少的数据需要分析。为了进一步降低检测期间的背景噪声，可以在这个小矩形上安装适合照射器波长的窄光谱滤波器。这种滤波器减少了残余背景噪声(杂散光、星等)而不影响目标信号。

图4A显示了当整个寻的区域在总的FOV中心处并且小的寻的区域是在整个寻的区域中心处的水平切片的情况。在万向节向上扫描之后，在稍后的扫描阶段达到图4B对应的情况。在这个阶段，小寻的区域是整个寻的区域顶部区的窄切片。而且，检测ROI(SS)发生在检测器上的相同定位处。

应该注意的是，一般来说，万向节单元将有效载荷瞄准相关方向并稳定其LOS。在本发明中，万向节也用于扫描。如果万向节有一个以上的自由度，则其他扫描选项是可能的。在这方面，参考图5A-5C。图5A示出了当整个细长寻的区域相对于成像模块的参考系旋转时的情况。在参考系中，单次向上/向下扫描不会扫描整个寻的区域。为此，如图5B所示，可以使用具有(相对于参考系的)旋转自由度以及其后的上/下自由度的万向节(应当注意，旋转也可以由***完成)。图5C显示了上/下自由度和左/右自由度的同时使用，其允许扫描整个寻的区域，尽管它与参考系未对准。扫描方向/轴用虚线对角线标记。

因此，光路扫描模块可以包括可围绕扫描轴旋转的万向节，以提供输出光路的方向的角度偏转。万向节可以包括用于围绕扫描轴旋转的致动模块。成像模块可以被安装在万向节上。照射模块和成像模块都可以被安装在可移动万向节上。

一般来说，成像模块可以在万向节外部，并且相对于万向节具有固定的成像光路。在这种情况下，光学组件包括布置在万向节上的一个或更多个成像光学元件，并且该一个或更多个成像光学元件引导来自输出光路的光沿着固定的成像光路传播，以便由成像模块成像。类似地，照射模块可以在万向节的外部，并且具有固定的光投影光路，光束沿着该固定的光投影光路从照射模块发出。在这种情况下，光学组件包括布置在万向节上的一个或更多个导光光学元件，该一个或更多个导光光学元件用于引导来自固定光投影光路的光束沿着输出光路传播。

扫描模块可以包括扫描光学偏转器(多个扫描光学偏转器)，以提供输出光路的方向的角度偏转。为此，可以使用MEMs转向镜(多个MEMs转向镜)。

还应当注意，照射模块可以配置有固定的光投影光路，光束沿着该固定的光投影光路从照射模块发出；和/或成像模块可以配置有固定的成像光路。因此，光学模块包括用于进行以下操作的光学元件：用于引导来自投影光路的光沿着由扫描光学偏转器(多个扫描光学偏转器)限定的输出光路传播；和/或用于引导来自由扫描光学偏转器(多个扫描光学偏转器)限定的输出光路的光沿着成像光路传播。

如上所述，控制系统150执行监测阶段，以确定由光束照射的目标是否被图像序列中的像素(多个像素)检测到。控制系统150还可以被配置成在检测到目标时启动目标跟踪阶段，以用于将承载系统的平台转向目标。在目标跟踪阶段，控制系统150操作以停止一维扫描的操作，使得输出光束被连续地引导向向前的方向，从而在该阶段，目标被连续地照射。此外，控制系统通过调节输出光束的横截面使得输出光束的横截面的横向纵横比大约为1并且扩展输出光束的FOV立体角，来操作波束整形模块，以将输出光束形成为跟踪光束。为此，波束整形模块包括被配置并且可操作用于调节输出光束的横向纵横比的光学元件(多个光学元件)，以及用于扩展光束的FOV的可调节波束扩展器。

控制系统可以被配置用于处理在目标跟踪阶段由成像模块捕获的图像，以估计由从目标返回的光照射的像素的数量，并且在识别出像素的这一数量超过预定阈值时，操作波束扩展器模块以扩展FOV。

如上所述，控制系统可包括转向控制器159，转向控制器159可连接到平台的转向模块，以用于操作转向模块，以将平台转向目标。为此，转向控制器包括闭环控制器，该闭环控制器处理由成像模块获取的图像，并操作转向模块，以使连续图像中由从目标返回的光照射的像素的强度之间的差异最小化，从而使平台相对于目标的角速度最小化，并将平台引导向目标。