一种用于直升机防撞高压线的雷达检测方法与流程

本发明属于雷达检测
技术领域：
，具体涉及一种用于直升机防撞高压线的雷达检测方法的设计。
背景技术：
：直升机广泛地应用在灾难救援、航空运输、医疗救助和战场作战等民事和军事领域中。但是由于其经常飞行在低空空域(如：飞行高度≤200m)，导致极易与地面上悬挂或突出的障碍物发生碰撞或擦刮，造成机毁人亡的悲剧。在所有的直升机低空飞行事故中，高压线尤其危险。一方面，在起飞前飞行员无法知道高压线位置的准确信息，在飞行中对这类细微目标又难以通过目视进行观测；另一方面，现有的高压线雷达检测装置在强地面回波(简称为：地杂波)条件下很难检测到高压线，而且在雨雾等气象条件下，检测性能容易受到影响甚至失去效果。直升机高压线雷达检测技术主要包括地杂波抑制和线目标检测两个方面。地杂波抑制是为了消除强地面回波对高压线检测的干扰，避免线目标回波淹没在强干扰中而无法被检测到。线目标检测则是根据高压线回波的强度、距离、空间频率和多普勒频率信息，从雷达回波图像中检测或辨识出高压线，并对其进行位置参数估计。因此，直升机高压线雷达检测的关键问题在于是否能够从雷达回波中区分出地杂波信号和高压线回波信号。针对直升机高压线检测问题，国内外的解决方案涉及到使用光学、红外、激光和雷达等各种技术手段。其中，光学、红外和激光探测装置要求可见度好、天气晴朗，当处于夜晚或雨雾气象条件时，探测信号严重衰减，无法正常工作；而雷达使用微波或毫米波作为探测信号，具有全时段、全天候的工作能力，适用于各种复杂的气象条件。目前，对高压线雷达检测技术的研究主要集中在天线阵结构、多极化处理、探测波形和鉴别算法设计上，在信号处理上大多依靠多普勒滤波来获取线型目标的回波和提取其多普勒频率信息，但是当高压线目标和地面回波的多普勒频率较为接近时，如何从强地面杂波背景中辨识高压线信号还缺乏一种更可靠的信号处理方法。技术实现要素：本发明的目的是为了解决现有技术中当高压线目标和地面回波的多普勒频率较为接近时，无法从强地面杂波背景中辨识高压线信号的问题，提出了一种用于直升机防撞高压线的雷达检测方法。本发明的技术方案为：一种用于直升机防撞高压线的雷达检测方法，包括以下步骤：S1、辐射探测信号并接收回波信号；S2、根据回波信号形成空时数据矩阵；S3、把空时数据矩阵中的数据从空-时域映射到角度-多普勒频率域；S4、抑制地面杂波；S5、检测高压线信号；S6、估计高压线的位置坐标；S7、辨识高压线；S8、触发警报系统，向飞行员发出报警信号。进一步地，步骤S1具体为：在天线波束指向的波位上，雷达辐射含M个重复周期的探测信号；探测信号经目标、障碍物和地面散射后，被雷达的天线阵接收；天线阵后连接有N个接收通道，每个接收通道连接至一个天线阵元或一个天线子阵，并设置有一部数字接收机；数字接收机对接收信号进行滤波、放大、下变频、数字化和匹配滤波，产生数字基带信号。进一步地，天线阵安装在直升机机鼻部分或吊置于机舱腹部，天线阵的法线方向与航线重合，构成正视阵布局，天线阵使用垂直于水平面的垂直线阵或面阵结构。进一步地，天线波束为俯仰向扫描波束，依据俯仰波瓣的宽度，待检测空域在垂直方向上可以被划分成若干个波位，波位位置的设定准则是：对于指定检测距离，指向最低检测高度波位的波束不能照射到此指定距离之前的地面，且对于此波束的俯视扫描角度，要求其使俯仰波瓣下边沿刚好照射到要求检测到的高压线的最低高度。进一步地，步骤S2具体为：在每个探测信号的重复周期内，数字接收机采样得到K个采样点xk,k＝1,...,K，每个样点出现的时刻表示该位置上回波的双程距离延时；对于M个重复周期的探测信号，在每个距离门上可获得M个时间采样值xm,k,m＝1,...,M；k＝1,...,K；每进行一次探测，每个接收通道输出的信号样点数为M×K，N个通道的雷达接收系统总共可获得N×M×K个信号样点xn,m,k,n＝1,...,N；m＝1,...,M；k＝1,...,K；将每个距离门上的对应数据进行重新排列，排列格式为：把第k个距离门的数据排成一个N×M维的空时数据矩阵Xk；矩阵Xk＝[x1,k,x2,k,...,xN,k]T的第n行元素表示由第n个接收通道输出的M时间采样点xn,k＝[xn,1,k,xn,2,k,...,xn,M,k]T，n＝1,...,N，样点时间间隔为探测信号的重复周期；矩阵Xk＝[x'1,k,x'2,k,...,x'M,k]T的第m列元素表示天线阵对第m个重复周期回波产生的N个空间样点x'm,k＝[x1,m,k,x2,m,k,...,xN,m,k]T，m＝1,...,M；上述各式中运算符号[·]T表示矩阵转置运算。进一步地，步骤S3具体为：以某个距离门k对应的空时数据矩阵Xk作为处理对象，计算Xk中数据的最小方差谱：定义在由P个角度值φp和Q个多普勒频率值fd,q构成的P×Q个角度-多普勒频率单元的平面上，其中P＞＞N，Q＞＞M，第p行第q个单元对应的最小方差谱值的计算公式为：式中p＝1,2,...,P，q＝1,2,...,Q，是第k个距离门数据的MN×MN维协方差矩阵，E[·]是期望算子，(·)H表示共轭转置，为与之对应的逆矩阵；ck是长度为NM的列矢量，它是通过把空时数据矩阵Xk的各列堆叠成一列而得到的，即：ck＝stack(Xk)＝[(x'1,k)T,(x'2,k)T,...,(x'M,k)T]T，stack(·)表示将矩阵各列从左到右编号，按照顺序将前一列的最后一行元素与下一列的第一行元素连接，组成列矢量；sp,q是网格(φp,fd,q)对应的MN×1维期望信号矢量，即：其中m＝0,1,...,M-1，n＝0,1,...,N-1，j是虚数单位，T是脉冲重复周期，d是天线阵元间距，λ是信号波长，cosφp是角度单元的余弦函数值，是克罗内克积运算；应用公式(1)计算每个角度-多普勒频率单元对应的最小方差谱值，得到回波信号的最小方差谱，即把空时域数据Xk映射为角度-多普勒频率域数据Yk，其元素表示为[Yp,q]k＝yp,q,k。进一步地，步骤S4具体为：使用图像处理方法在角度-多普勒频率平面上检测出沿椭圆或近椭圆分布的数据单元并进行删除，(pc,qc)表示任何分布在地杂波椭圆上的角度-多普勒频率单元。进一步地，步骤S5具体为：对待检测平面剩下的角度-多普勒频率单元yp,q,k,p＝1,2,...,P,q＝1,2,...,Q，且p≠pc,q≠qc进行门限检测：把每个单元的信号幅度或强度值同一个检测门限Tk相比较，对于超过门限值的单元判为存在高压线目标，否则判为仅有噪声信号；检测规则采用纽曼-皮尔逊准则，理论门限值与设定的虚警概率相对应；实际门限值是用二维平面上的平均噪声功率对理论值进行归一化后的处理值；平均噪声功率由平面上不包含当前检测单元和保护单元的其余单元估计得到，计算公式是：式中Pni是第i个单元的噪声功率，I是参与计算的单元数量；应用步骤S3-S5对所有距离门的空时数据矩阵进行处理，给出每个角度-多普勒单元是否存在高压线目标的判决，高压线单元记为k∈[1,2,...,K]，(pt,qt)表示存在高压线目标的单元。进一步地，步骤S6具体为：计算高压线角度-多普勒单元k∈[1,2,...,K]的空间直角坐标(x,y)，将计算值(x,y)作为高压线位置坐标的估计值。进一步地，步骤S7具体为：对所有距离门上判为高压线单元的空间直角坐标进行直线化处理，保留呈直线关系的点，并把点进行连接，剔除偏离直线段的坐标点和孤立的坐标点；连成直线段的坐标点构成高压线的平面位置分布图，辨识出高压线。本发明的有益效果是：(1)本发明采用的多通道相控阵雷达体制、天线阵列设计、俯仰波束扫描方法以及雷达波形与参数设计，获得高的角度分辨力和距离分辨率，可分辨来自不同距离门的高压线和地杂波，为处理和利用回波的空时信息检测高压线创造了有利条件。(2)本发明基于高压线信号和地杂波信号之间存在的空-时信号特征差异，将回波信号映射到角度-多普勒频率域，实现对二者的分辨、地杂波抑制和高压线信号检测，能够有效地提高直升机载雷达在强地杂波干扰情况下的高压线检测性能。(3)本发明对判决为高压线单元的空间位置坐标进行关联处理，对虚假目标和强孤立目标干扰具有一定的抵抗能力，具有良好的稳健性。(4)本发明能够保证在恶劣的气象条件下，雷达对高压线目标仍然有足够的发现距离。附图说明图1为本发明提供的一种用于直升机防撞高压线的雷达检测方法流程图。图2为本发明实施例的直升机雷达检测高压线场景示意图。图3为本发明实施例的天线检测波位位置示意图。图4为本发明实施例的直升机雷达检测高压线侧视场景图。图5为本发明实施例的直升机雷达检测高压线俯视场景图。图6为本发明实施例的N×M维空时数据矩阵排列格式示意图。图7为本发明实施例的存在高压线的第1个距离门中高压线和地面回波的角度-多普勒频率分布图。图8为本发明实施例的存在高压线的第k个距离门中高压线和地面回波的角度-多普勒频率分布图。图9为本发明实施例的存在高压线的最后一个距离门中高压线和地面回波的角度-多普勒频率分布图。图10为本发明实施例的存在高压线的所有距离门中高压线和地面回波的角度-多普勒频率分布图。图11为本发明实施例的地杂波抑制后高压线信号的角度-多普勒分布图。图12为本发明实施例的检测到的高压线地面位置坐标示意图。具体实施方式下面结合附图对本发明的实施例作进一步的说明。本发明提供了一种用于直升机防撞高压线的雷达检测方法，如图1所示，包括以下步骤：S1、辐射探测信号并接收回波信号。在天线波束指向的波位上，雷达辐射含M个重复周期的探测信号；探测信号经目标、障碍物和地面散射后，被雷达的天线阵接收；天线阵后连接有N个接收通道，每个接收通道连接至一个天线阵元或一个天线子阵，并设置有一部数字接收机；数字接收机对接收信号进行滤波、放大、下变频、数字化和匹配滤波，产生数字基带信号。其中，天线阵可以安装在直升机机鼻部分或吊置于机舱腹部，天线阵的法线方向与航线重合，构成正视阵布局，天线阵使用垂直于水平面的垂直线阵或面阵结构。要求天线方向图应具有较窄的俯仰波瓣宽度，在垂直方向上的天线孔径要长。窄的俯仰波瓣宽度有利于从空间角度上将高架的高压线与地面背景相互区别，即：在扫描的每个波位位置，雷达视线所见的高压线和背景地面具有一定的视距差，使高压线和地面回波来自于不同的检测距离门。在垂直布阵方向上，本发明实施例中的雷达系统有多个对应的接收通道，可提取来自不同高度或俯仰角度的回波信号的相位差。天线阵在垂直方向上具有快速扫描能力，直升机通过俯仰向波束扫描来检测前方空域内的高度未知的高压线。依据俯仰波瓣的宽度，待检测空域在垂直方向上可以被划分成若干个波位。波位位置的设定准则是：对于指定检测距离，指向最低检测高度波位的波束不能照射到此指定距离之前的地面，且对于此波束的俯视扫描角度，要求其使俯仰波瓣下边沿刚好照射到要求检测到的高压线的最低高度。检测波位数量根据直升机高度动态调整，直升机的高度可以从机载的高度表或GPS设备获得。若使用垂直线阵结构，天线不进行方位扫描；若为垂直面阵结构，需进行方位扫描。本发明实施例中，雷达工作在毫米波波段，角度和距离测量精度高。雷达波形采用调频脉冲串信号或者调频连续波信号。针对直升机飞行前方的待检测空域，天线波束在俯仰维对按垂直高度划分的若干波位进行扫描。雷达发射时，天线阵根据设定的导引方向，向指定的波位辐射一组具有特定重复周期的探测信号；接收时，用天线阵收集雷达回波，并产生多通道的接收信号。天线阵的每个天线阵元可对应一个单独的发射/接收(T/R)模块；也可以采用子阵列结构，令多个天线单元共用一个T/R模块。回波信号在数字接收机内经模拟-数字变换器后变为数字信号，采样频率至少为信号带宽的两倍，各个采样点的出现时间对应了空间中不同距离门回波的延时。S2、根据回波信号形成空时数据矩阵。在每个探测信号的重复周期内，数字接收机采样得到K个采样点xk,k＝1,...,K，每个样点出现的时刻表示该位置上回波的双程距离延时。K个采样点覆盖了设定检测距离的全部距离门，第1个采样点x1代表第1个距离门的回波信号，第K个采样点xk代表第K个距离门的回波信号。对于M个重复周期的探测信号，在每个距离门上可获得M个时间采样值xm,k,m＝1,...,M；k＝1,...,K。每进行一次探测，每个接收通道输出的信号样点数为M×K，N个通道的雷达接收系统总共可获得N×M×K个信号样点xn,m,k,n＝1,...,N；m＝1,...,M；k＝1,...,K。将每个距离门上的对应数据进行重新排列，排列格式为：把第k个距离门的数据排成一个N×M维的空时数据矩阵Xk。矩阵Xk＝[x1,k,x2,k,...,xN,k]T的第n行(n＝1,...,N)表示由第n个接收通道输出的M时间采样点xn,k＝[xn,1,k,xn,2,k,...,xn,M,k]T，样点时间间隔为探测信号的重复周期；矩阵Xk＝[x'1,k,x'2,k,...,x'M,k]T的第m列(m＝1,...,M)元素表示天线阵对第m个重复周期回波产生的N个空间样点x'm,k＝[x1,m,k,x2,m,k,...,xN,m,k]T。上述各式中运算符号[·]T表示矩阵转置运算。在下述的步骤S3-S5的处理中，用某个距离门k对应的空时数据矩阵Xk作为处理对象。S3、把空时数据矩阵中的数据从空-时域映射到角度-多普勒频率域。每一次映射处理从数据缓冲区中取出一个空时数据矩阵Xk，将其变换到角度-多普勒频率域。一种实现变换方法是使用二维快速傅里叶变换(2D-FFT)，变换后空时数据被映射到由N个角度值和M个多普勒频率值形成的二维网格面上，每个网格对应了一个角度-多普勒频率单元。本发明实施例中采用另一种实现变换方法，以某个距离门k对应的空时数据矩阵Xk作为处理对象，计算Xk中数据的最小方差谱：定义在由P个角度值φp和Q个多普勒频率值fd,q构成的P×Q个角度-多普勒频率单元的平面上，为保证对角度和多普勒频率的高分辨率，P＞＞N，Q＞＞M。第p行第q个单元对应的最小方差谱值的计算公式为：式中p＝1,2,...,P，q＝1,2,...,Q，是第k个距离门数据的MN×MN维协方差矩阵，E[·]是期望算子，(·)H表示共轭转置，为与之对应的逆矩阵；ck是长度为NM的列矢量，它是通过把空时数据矩阵Xk的各列堆叠成一列而得到的，即：ck＝stack(Xk)＝[(x'1,k)T,(x'2,k)T,...,(x'M,k)T]T，stack(·)表示将矩阵各列从左到右编号，按照顺序将前一列的最后一行元素与下一列的第一行元素连接，组成列矢量；sp,q是网格(φp,fd,q)对应的MN×1维期望信号矢量，即：其中m＝0,1,...,M-1，n＝0,1,...,N-1，j是虚数单位，T是脉冲重复周期，d是天线阵元间距，λ是信号波长，cosφp是角度单元的余弦函数值，是克罗内克积运算。应用公式(1)计算每个角度-多普勒频率单元对应的最小方差谱值，得到回波信号的最小方差谱，即把空时域数据Xk映射为角度-多普勒频率域数据Yk，其元素表示为[Yp,q]k＝yp,q,k。S4、抑制地面杂波。使用图像处理方法在角度-多普勒频率平面上检测出沿椭圆或近椭圆分布的数据单元并进行删除，(pc,qc)表示任何分布在地杂波椭圆上的角度-多普勒频率单元。S5、检测高压线信号。对待检测平面剩下的角度-多普勒频率单元yp,q,k,p＝1,2,...,P,q＝1,2,...,Q，且p≠pc,q≠qc进行门限检测：把每个单元的信号幅度或强度值同一个检测门限Tk相比较，对于超过门限值的单元判为存在高压线目标，否则判为仅有噪声信号。检测规则采用纽曼-皮尔逊准则，理论门限值与设定的虚警概率相对应。实际门限值是用二维平面上的平均噪声功率对理论值进行归一化后的处理值。平均噪声功率由平面上不包含当前检测单元和保护单元的其余单元估计得到，计算公式是：式中Pni是第i个单元的噪声功率，I是参与计算的单元数量。应用步骤S3-S5对所有距离门的空时数据矩阵进行处理，给出每个角度-多普勒单元是否存在高压线目标的判决，高压线单元记为k∈[1,2,...,K]，(pt,qt)表示存在高压线目标的单元。S6、估计高压线的位置坐标。计算高压线角度-多普勒单元k∈[1,2,...,K]的空间直角坐标(x,y)，将计算值(x,y)作为高压线位置坐标的估计值。S7、辨识高压线。对所有距离门上判为高压线单元的空间直角坐标进行直线化处理，保留呈直线关系的点，并把点进行连接，剔除偏离直线段的坐标点和孤立的坐标点；连成直线段的坐标点构成高压线的平面位置分布图，此时，可辨识出高压线。S8、辨识出高压线目标后，触发警报系统，向飞行员发出报警信号。下面以两个具体实施例对本发明提出的一种用于直升机防撞高压线的雷达检测方法作进一步说明：实施例一：直升机工作在晴朗气象条件下，设计的雷达最大工作距离为1km。直升机高压线探测场景如图2所示，直升机飞行高度Hc＝80m，速度vp＝70m/s。天线阵为垂直排列在机身正面的均匀线阵，阵元个数N＝32，阵元间距d＝1.6λ。雷达工作在毫米波段，波长为3.9mm，发射线性调频脉冲串信号，脉冲个数M＝256，脉冲重复频率为fr＝50KHz。大气传输损耗L1＝15dB，高压线反射系数是σ＝-10dB。在图2所示的飞行场景中，高压线高度是70m，位于直升机斜前方，与直升机的水平距离是R＝1km。在大地坐标，以X轴为起始方向，波束视线内的高压线跨度与X轴夹角范围是[π/3,2π/3]。根据雷达方程：其中L＝L1+L2，L1＝15dB是传输损耗，L2＝3dB是系统损耗，其余参数如下表所示：雷达参数参数值雷达参数参数值发射功率Pt＝13W天线增益G＝35dB脉冲时宽τ＝2μs天线孔径D＝0.2m距离分辨力ΔR＝3.75m天线俯仰向扫描范围Δθe＝5°有效信号带宽Bn＝40MHz最小检测信噪比SNR＝15dB快时间采样率K＝100MHz玻尔兹曼常数k＝1.38×10-23J/K脉冲压缩比D′＝80温度T0＝290K雷达最小检测距离Rmin＝400m噪声系数F＝6dB雷达最大检测距离Rmax＝1km损耗L＝18dB在上述条件下，雷达能得到的信噪比至少为SNR＝15dB。距离直升机500m到1km范围内的高压线信号，包含在回波数据立方体第1到133个距离门内。天线波束的俯仰主瓣宽度为θ3dB＝1°，检测波位位置以半个波瓣宽度θ3dB/2＝0.5°变化。根据飞行高度Hc＝80m，雷达在水平面以上有6个扫描波位，水平面以下有4个扫描波位，天线检测各波位位置如图3所示。波束向下扫描到第1个波位时，即可检测到高度为70m的高压线。波束向下扫描到第4个波位时，俯仰角最大θ＝3°，探测场景的侧视剖面图如图4所示。波束下边线到达高线的传输距离是S1＝R/cosθ＝1001.4m，到达地面的传输距离是S＝Hc/sinθ＝1528.1m,S＞S1，高压线所有散射点与地杂波落入不同距离门，探测场景俯视图如图5所示。回波数据的排列格式如图6所示，相应处理步骤简述如下：首先，取出如图6中所示距离门的N×M维空时数据矩阵，其中N＝32，M＝256，将其从空时数据域映射到角度-多普勒频率域。本发明实施例中，取P＝5N和Q＝5M。映射后第1个、第k个和最后一个距离门的高压线信号与地杂波的角度-多普勒平面分布如图7-9所示，所有距离门的高压线信号与地杂波的角度-多普勒平面分布如图10所示。然后，利用图像处理方法检测在角度-多普勒平面上沿椭圆或近椭圆分布的数据单元，把沿椭圆或近椭圆分布的数据单元剔除。剔除后的回波角度-多普勒分布如图11所示。接下来，对角度-多普勒平面上剩余的数据单元逐个进行门限判决，与预设的门限值作比较，高出门限值的数据单元判决为有高压线存在，并对其进行标记和提取。接下来，对所有距离门k∈[1,133]的空时数据矩阵进行前述三个步骤的处理。然后，根据高压线回波所在单元的角度和多普勒频率值，计算其对应的直角坐标，得到判决存在高压线的单元的坐标。然后，保留呈直线关系的高压线单元坐标点，并把点进行连接，剔除偏离直线段的坐标点和孤立的坐标点，得到高压线在实际空间的位置分布，如图12所示。最后，一旦系统检测到沿线分布的高压线目标，立即触发警报系统，向飞行员发出报警信号。图7-10的处理结果证明本发明能将落入不同距离门的高压线目标信号提取出来，且高压线信号和地杂波不在同一距离门。图12证明本发明可以恢复出高压线的空间分布。实施例二：直升机工作在雨雾等气象条件下，所设计的最小工作距离为400m。探测场景同实施例一，大气传输损耗L1＝30dB，高压线反射系数σ＝-20dB，根据公式(3)所示雷达方程，直升机可在距离高压线475m处将其检测出来。上述两个实施例中的处理结果证明，所提出的直升机雷达高压线检测方法可以实现直升机在正常天气和雨雾天气条件下对高压线的检测。设计的天线波束主瓣宽度和扫描范围，保证地杂波和高压线落入不同距离门；利用地杂波的角度-多普勒分布，剔除地面干扰数据单元；提取高压线数据单元，根据各个单元内的角度-多普勒值，计算高压线空间位置坐标；检测系统通过判别回波信号空间分布来触发报警系统。另一方面信号处理过后，留有充足的时间给飞行员，对检测结果做出反应。本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。当前第1页1 2 3