CN103339525A - 用于监测地势变化的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于记录地面的地形R的变化和/或地上元素（2j）的存在的方法和设备，所述方法在使用发送/接收天线（12）、信号处理模块（14）在以速度V=（Vx,Vy,Vz）移动的运载器上实现，所述方法使用：由一系列脉冲或波列组成的波形h(t)，并在该波列的元素中执行相干处理以便获得初始的固定距离的分辨率，该方法从而通过在每个反射的脉冲/斜率中进行自适应距离滤波方法测量距离dj，并且e)针对在N个不同时刻反射的N个信号的集合，针对距离范围并针对每个视角{θ_C ⁱ}，通过使用转换反射信号的多普勒频率的公式执行对接收到的信号集合的处理：

然后应用能量检测标准Ej以便确定对应于地上元素的存在或地平面的变化的值对(dj,θj)，并且根据值(dj,θj,Hj)确定地上元素（2j）的特性，其位置pj以及地平面或地面以上的变化Δr。

Description

用于监测地势变化的方法和设备

本发明涉及在具有或不具有飞行员的情况下的飞行器导航领域。

本发明还涉及飞机、直升机甚或包括民用无人机的任何运载器的导航，并且特别应用于地势追踪飞行阶段。飞行器在地面之上的高度可能相当低。

在该领域中，目标之一是能够精确地预测地势的改变，以便调整飞行器的导航。地势跟踪的目标是在飞行器和飞越的地面之间保持特定高度。

主要问题之一涉及在出现固定在地面以上的元素（诸如建筑物、塔架、机库、悬崖等）的情况下对导航的调整，这需要尽可能的检测到这些元素，以精确地对其定位和特征化。根据地面上的元素的类型（精确的或宽广的），对导航的调整可以是不同的。

在低高度飞行的极端情况中，则一个问题是检测到与地面上的元素冲突的航线，以及触发警告过程并改变飞行器的方向以避免该冲突。

对于无线电高度计（RA）的操作而言，该问题尤为关键。图1示出了无线电高度计1在位置P_RA(t)的情况，所述无线电高度计受到地上元素2的存在的干扰：由于该无线电高度计和地上元素之间的距离H₁比时刻t时该RA和地面之间的距离H₀短，因此传统的无线电高度计提供值H₁而不是H₀作为时刻t时的高度。首先，RA不具有时刻t时的精确垂直高度，其次其无法预测前面的地上元素的准确位置也无法对其特征化，尤其是估计其高度和获知其是精确的还是粗略的元素。图2示意性地示出了由RA根据地上元素2的存在的时间提供的高度H。

一种来自现有技术的第一方法包括为飞机配备已知的来自综合孔径雷达的功能，更普遍地已知缩写为“SAR”，其允许通过降低照射在地面上的光点S₁来提取时刻t时的真实高度H₀（图1对应于由配备SAR功能的传感器所见的地面上的区域S₂）。然而，该技术不允许对地势的改变的预测，对冲突航线的检测或地上元素的特征化。

预测地势变化的问题对于允许无人机在民用空域中航行的发展是同等关键的。

因此一般的技术问题涉及对地势的地形变化的预测，以及对地面和地上元素和/或地面以上的特征化。在极端情况中，该问题涉及避免正面碰撞。

申请人已知的用于飞行器的防碰撞系统的现有技术包括：

-协同警报系统，诸如TCAS，“交通警报和防碰撞系统”的缩写，尤其专用于检测移动的障碍物，

-专用前向点雷达（在运载器的航行轴上照射位于飞机前方的圆锥型的雷达），通常用毫米波，

-具有数据融合的多传感系统（可见或红外雷达和照相机）

专利FR2913775描述了用于具有至少两个雷达的滑行的飞行器的障碍物检测系统。

专利US6,885,334涉及根据SAR原理进行操作的无线电高度计，已向该SAR原理添加了具有35GHz的补充前向点雷达的防碰撞功能。该专利US6,885,334描述了实现通过前向点雷达扩增的导航辅助系统PTAN（精确地势辅助导航）的方法。该PTAN包括在允许在运载器的航行轴上降低地面上所见的光点的无线电高度计（图1）上实现多普勒处理。零多普勒频率的提取使得能够提供低于飞行器的高度的更好的估计，并且不受前面的地上元素的干扰。例如在图1中，在时刻t，无线电高度计和地上元素之间的距离H₁小于无线电高度计和地面之间的距离H₀。传统的无线电高度计提供值H₁作为时刻t的高度，而配备有SAR功能的RA将提供高度H₀。专利US6,885,334借助于使用专用前向点雷达来提供防碰撞功能。

专利US5,736,957公开了一种允许追踪地面的表面R的变化和/或地上元素的存在的方法。

防碰撞系统的现有技术的缺点主要如下：

-协作系统明显地依赖于外部信息来工作，所述信息是由例如地面上的站或其它飞行器提供的；

-前向点雷达的使用使得必然实现专用于防碰撞功能的雷达，而这种雷达是昂贵的。此外，角度性能通常较低；

-光学系统的使用受限于气候条件。此外，视野较差；

-具有数据融合的多传感系统的实现是复杂且昂贵的。

总之，在现有技术中描述的系统和方法不允许使用预测地势追踪的系统和用于飞行中的飞行器的防碰撞系统，这种系统具有以下所有属性：

-自主性（不依赖于协作技术），

-使用单个传感器/无线电频率线，

-低复杂度操作模式，

-在距离方面以高分辨率操作且沿着运载器的航行轴以高分辨率操作，

-低成本操作。

定义

在下面的描述中，将使用下面的注释：

H：低于飞机的高度，

Hj：地上元素j的高度，

dj：从地上元素j到飞行器的距离，

θj：关于x轴确定的针对物体j的视角，

x轴：在观测的起始处，飞行器的航行方向上的横轴，

y轴：在观测的起始处，与飞行器的航行方向垂直的横轴，

z轴：指向下方的纵轴。

该x、h和z轴构成直三面体。距离的概念是关于飞行器和地形之间和/或飞行器和地上元素之间的距离。

词语飞行器用于表示通过航行移动的任何运载器。

词语“啁啾”定义为关于载波频率进行频率调制的信号。

词语去斜率是本领域内的技术人员已知为使用所发送的其自身延迟的波形的副本来实现对接收的信号的解调的技术。

频谱分析通常表示对信号的频率分量的分析。

未聚焦的处理影响适用于观测周期上的恒定多普勒频率的处理。该处理假设被地上元素反射的信号中的多普勒变化在该观测周期内较低。

聚焦的方法考虑在分析周期内，反射信号的多普勒频率中的变化。

本发明主题涉及允许跟踪地面的表面R的变化和/或地上元素的存在的方法，该方法可以在以速度V=(Vx,Vy,Vz)航行的运载器上实现，该运载器包括至少一个发送/接收天线、信号处理模块，该方法包括至少以下步骤：

a)确定由一系列脉冲或波列构成的波形h(t)，

b)定义要监测的距离范围，

c)发送带宽B的“啁啾”类型为FMCW斜率或伪随机信号的波形h(t)，记录被地面反射并被所述运载器接收的信号，

d)在波列的元素中执行相干处理，以便获得初始的固定距离的分辨率，该方法通过自适应距离过滤方法或在每个反射脉冲/斜率中进行去斜率化来测量距离dj，以及

e)针对在N个不同时刻反射的N个信号的集合，针对距离范围以及针对每个视角角度{θ_C ⁱ}，通过应用转换反射信号的多普勒频率的公式来执行对所接收的信号的处理：

$f_D\left(t\right)\≈\frac{2(v_x\cos {{\mathrm{\θ}}_C}^i+v_z\sin {{\mathrm{\θ}}_C}^i)}{\mathrm{\λ}}-\frac{2{(v_x\sin {{\mathrm{\θ}}_C}^i-v_z\cos {{\mathrm{\θ}}_C}^i)}^2}{\mathrm{\λ}{D}_0}t---\left(1\right)$

其中，D₀属于所处理的距离范围，

λ是所发射的波的波长，

i是视角的索引，

{θ_C ⁱ}是属于由波束所探测的角度集合的视角的给定值，

f）对于要监测的每对值(dj,θj)，通过使用选择的阈值Es来应用能量检测标准Ej，仅保留超过所选择的阈值的对(dj,θj)。这些值对(dj,qj)对应于地上元素的存在或地平面的变化，

g)确定低于所述运载器的高度值H，

h)通过使用低于所述飞行器的高度H、所述值(dj,θj)，例如使用三角运算，来估计所述地上元素的所述高度值Hj，

i)在知道这些值(dj,θj,Hj)后，确定所述地上元素的特征，其位置pj以及地平面或地面以上的变化Δr。

举例而言，在一些脉冲或波列上的所述距离处理的步骤之后或在步骤c)的过程中，记录所反射的并由所述运载器接收的信号。

根据一种实施方式变形，飞行器以均匀的速度水平地航行，并且针对多普勒频率f_s ¹执行对在所述N个脉冲期间接收的所述信号的频谱分析：

${f_s}^i\≈{f_0}^i=\frac{2V}{\mathrm{\λ}}\cos {{\mathrm{\θ}}_C}^i.$

在飞行器的非零垂直速度的航行的情况中，关注的多普勒频率是多普勒频率f_s ⁱ：

${f_s}^i\≈\frac{2(v_x\cos {{\mathrm{\θ}}_C}^i+v_z\sin {{\mathrm{\θ}}_C}^i)}{\mathrm{\λ}}.$

对于具有任意移动的运载器，因此取决于所述运载器的速度上的变化，并且所述频谱分析步骤被自适应滤波器的实现所取代，诸如：h(t)=s^*(-t)，其中

其中D(t)是一段时间中的地势/飞行器距离，并且T_e是分析周期。

根据一种实施方式变形，低于所述运载器的所述高度H是使用零多普勒频率确定的。

该方法可以具有允许确定地上元素沿着所述飞行器的航行轴的广度或长度L的步骤，至少包括以下步骤：

针对每个视角值，根据相邻的视角值，保留所述能量值Ej高于所述检测阈值Es的距离dj的最小值，确定所述地上元素的开始处的所述位置pj，然后确定所述地上元素的末端的位置pj+L，并且通过实现以下步骤来减去所述地上元素的近似长度：

·如果所述视角的抽样是精细的，也就是说小于或等于所述角度分辨率，则根据该角度来构造距离特征，然后通过几何运算，基于该角度来构造高度特征，以及

·如果所述视角的抽样是粗略的，也就是说大于所述角度分辨率，则针对与θ_C ⁱ相邻的视角来检测地上元素，然后估计该物体的长度。

根据一种实施方式变形，该方法用于在一段时间期间跟踪所述飞行器/物体的距离变化，以及用于当所述距离小于阈值ds时触发警报，所述方法具有至少以下步骤：

-发送啁啾为FMCW或伪随机类型的波形，

-记录由所述物体反射并由所述运载器接收的信号，

针对在N个不同时刻反射的N个信号的集合，

针对每个视角θ_C ⁱ和飞行器/地形的范围或飞行器/地上元素距离，

-在每个脉冲中使用自适应距离滤波以便优化信噪比，

-通过实现以下步骤来逐脉冲地执行自适应多普勒滤波：

○计算所反射的信号的频谱分量f_s ⁱ，

○若对非URM运动中的运载器进行扩展，进行自适应滤波，

-使用能量类型方法来检测在所述视角θ_C ⁱ处和距离di处的地上元素的可能的存在，

-记录与针对每个θ_C ⁱ值进行检测的所述最小距离dmin相对应的距离dⁱ(t)，

-如果θ_C ⁱ对应于垂直的视角，则计算与针对θ_C ⁱ=π/2进行检测的所述最小距离相对应的低于运载器的高度H0，

-否则，

○如果θ_C ⁱ对应于由天线的孔径所定义的最小角度：

■针对t>T₀，将dⁱ(t)与{dⁱ(t_ant)}进行比较，t_ant<t，

■如果dⁱ(t)<{dⁱ(t_ant)}，t_ant<t并且dⁱ(t)<阈值，则触发警报，

·触发警报还可以依赖于物体的以下特性：

○物体的延伸的特性：

■针对与θ_C ⁱ相邻的视角θ_C ^vi，执行对距离d^vi的比较，以及对物体沿着所述运载器的航行轴的所述延伸的估计。

本发明还涉及在运载器或安装在以速度V航行的运载器上的设备，其允许实现检测和跟踪地面的地形变化和/或障碍物的检测的方法，其特征在于具有至少一个发送/接收天线、信号处理模块、速度感知模块。

在阅读下面在附图中附加的，通过举例方式并且以完全非限定的方式提供的示例，本发明的其它特征和优势将更显而易见，其中：

图1示出了根据SAR原理进行操作的无线电高度计的原理的示图。

图2示出了由传统RA在存在地上元素的情况下提供的示意性高度，

图3A示出了在存在地上元素的情况下跟踪地势的问题，并且图3B示出了多普勒距离网格，

图4示出了监测向前的一组视角{θ_C ⁱ}，

图5示出了沿着运载器的航行轴的分辨率性能曲线，其已知为“未聚焦的”多普勒处理，

图6示出了在精细的地上元素的情况下，对地上元素的类型进行特征化的能力的示图，

图7示出了在宽广的地上元素的情况下，对地上元素的类型进行特征化的能力的示图，

图8示出了朝向前方的瞄准的天线的使用，

图9示出了飞行器上的跟踪地势和防碰撞的问题的图示，以及

图10示出了地势的跟踪/冲突航线的检测的预测。

将给出的示出了根据本发明的方法和系统的示例涉及飞行器10或运载器，其配备至少一个照射位于运载器前方地面的一部分的发送/接收天线12、波h(t)的发送模块13（例如射频线路）、使用于执行根据本发明的方法的步骤的处理器14、以及允许存储接收到的信号和关于从实现该方法得到的距离、角度和高度的信息的存储器15。天线12发送具有给定物理孔径的波束，该波束允许监测移动的飞行器前方的地势和地上元素。

该飞行器还可以配备用于显示结果的模块，诸如地上元素的位置、其高度、甚至水平面或飞越的地势的地形R的变化。显示模块16链接到处理器。在一些情况中，处理器14将这些结果发送给生成可听或可见的警报的模块17，例如在防碰撞应用的情况中。飞行器通常包括模块18，模块18允许获知该飞行器的航行速度V，并将该信息发送给处理器14。该模块可以是通常配备飞机的惯性单元，已知缩写为GNSS（全球导航卫星系统）的卫星定位系统，诸如GPS（全球定位系统）、GLONASS或伽利略系统等。

飞行器可以配备雷达或无线电高度计，其功能主要是测量所述飞行器相对于地面的高度。

图3A示出了在存在地上元素2的情况下，由以任意速度V航行的飞行器10跟踪地势的问题。地势的地形由参考符号R示出，而地上元素由参考符号2示出。在该示例中，速度向量V沿着图1中示出的轴x、y和z被分解为Vx、Vy和Vz。根据轴的定义，Vy在观测的起始处是零，并且在恒速度的情况中恒定地是零。图4还示出针对视线的方向集合{θ_C ⁱ}，允许向前监测地面的地形R的变化和地上元素的存在的示例。

所提出的解决方案是基于在飞行的飞行器10上实现预期地势跟踪的功能，该功能基于SAR雷达原理进行操作并且监测位于运载器前面的视线方向的集合。该功能是在飞行器的处理器中实现的。

举例说明，所用的传感器是雷达，其中，天线12照射位于移动的飞行器10前面的地面的一部分S。

该雷达基于SAR原理工作，发送信号，记录在一段时间内接收到的信号（以振幅/相位的形式）并且根据下面概述的原理以相干的方式（使用该相位信息）对其进行处理。

该解决方案主要包括在多个视角{θ_C ⁱ}处分析反射的信号的多普勒频率f_D。所测量的值包括对应于垂直的角度π/2（以弧度为单位）。角度θ_C ⁱ的最小值受限于天线的物理孔径。所测量的角度θ_C ⁱ之间的间隔采用小于或等于角度分辨率（其可以导致在角度方面不是均匀间隔的测量结果）。监测该视角的集合将允许预测地势的知识。

由本发明实现的方法主要包括以下步骤：

a)确定由一系列脉冲或波列组成的波形h(t)，

b)定义监测的距离范围，其对应于飞行器/地形和/或飞行器/地上元素距离，

c)发送带宽B的“啁啾”类型为FMCW斜率或伪随机信号的波形h(t)，并且记录所反射的并由运载器接收的信号。还可以在一些脉冲或波列上的距离处理（步骤4）之后记录该信号，

d)在所述波列的元素中执行相干处理以便获取初始固定距离的分辨率，所述方法例如通过自适应距离滤波方法或在每个反射的脉冲/斜率中进行“去斜率化”来测量距离dj，

e)针对在N个不同时刻反射的N个信号的集合，针对距离范围以及针对每个视角{θ_C ⁱ}，通过应用转换所反射的信号的多普勒频率（t中的第一阶近似）的公式来执行对所接收的信号集合的处理：

$f_D\left(t\right)\&ap;\frac{2(v_x\cos {{\mathrm{\&theta;}}_C}^i+v_z\sin {{\mathrm{\&theta;}}_C}^i)}{\mathrm{\&lambda;}}-\frac{2{(v_x\sin {{\mathrm{\&theta;}}_C}^i-v_z\cos {{\mathrm{\&theta;}}_C}^i)}^2}{\mathrm{\&lambda;}{D}_0}t---\left(1\right)$

其中，D₀属于所处理的距离范围，。该计算可以针对属于所处理的距离范围的一组值D₀来执行，

λ是所发送的波的波长，

i是视角的索引，

{θ_C ⁱ}是属于由波束所探测的角度集合的视角的给定值。

执行步骤d)和e)（距离处理和多普勒处理）的顺序可以颠倒。这些处理操作可以共同地执行。

注意：为了最优地处理所有地上元素，还需要考虑这些元素沿着y轴的位置。前述公式对应于位置在y=0处的地上元素，

f)对于要监测的每对值(dj,θj)，通过使用选择的阈值Es来应用能量检测标准Ej，仅保留超过所选择的阈值的对(dj,θj)。这些值对(dj,j)对应于地上元素的存在或地平面的变化。实现能量类型检测以便检测地上元素在视角θ_C ⁱ处的存在，以及针对某个飞行器/地形或飞行器/地上元素距离范围。

g)确定低于所述运载器的高度值H，

h)通过使用低于所述飞行器的高度H、所述值(dj,θj)，例如使用三角运算，来估计所述地上元素（2j）的所述高度值Hj，

i)根据这些值(dj,θj,Hj)，确定所述地上元素（2j）的特征，其位置pj以及地平面或地面以上的变化Δr。

在零垂直运载器速度Vz的情况中，对零多普勒频率信号的未聚焦处理使得能够提取运载器的垂直高度H。

确定地上元素的高度或地上元素的广度—图7

根据一个变形的实施例，该方法可以具有步骤k），其中，沿着运载器的航行轴估计地上元素L的广度L或长度，以便确定地上元素的类型，即精细的还是宽广的，如图7中所示。

为此，能够解释针对不同距离值dj和角度值所取得的能量测量，并且针对每个角度值，保留能量值Ej高于检测阈值的dj的最小值，然后根据相对应的视角值，确定地上元素的起始的位置pj，以及末端的位置pj+L，以便由此推断该地上元素的近似长度。

如果视角的抽样是精细的，则该方法将根据该角度建立距离特征，并然后通过三角运算，根据该角度建立高度特性。

如果视角的抽样是粗略的，则针对与θ_C ⁱ相邻的视角检测地上元素，然后估计物体的长度。

例如，雷达所用的波形由一列啁啾类型的脉冲或连续的波形斜率组成，其中，其传输频率作为时间的函数线性地变化，更公知的是缩写“FMCW”，其意思是频率调制连续波。举例而言，通过本领域的技术人员公知的传统的去斜率化（先前定义的术语）或自适应滤波计算来获得物体/运载器距离。

在具有非零垂直速度的匀速直线运动或URM中的运载器的情况中

在非零垂直速度的情况中，V=(Vx,0,Vz)。该方法基于飞行器的速度V的比例乘积和物体方向计算要提取的适当的多普勒频率，以便获取期望的高度，也就是说低于飞行器的高度H作为给定的垂直速度的函数。

在运载器具有非零垂直速度的情况中，通过下面公式估计（t中的第一阶近似）多普勒频率

$f_D\left(t\right)\&ap;\frac{2(v_x\cos {\mathrm{\&theta;}}_C+v_z\sin {\mathrm{\&theta;}}_C)}{\mathrm{\&lambda;}}-\frac{2{(v_x\sin {\mathrm{\&theta;}}_C-v_z\cos {\mathrm{\&theta;}}_C)}^2}{\mathrm{\&lambda;}{D}_0}t.$

对于未聚焦处理，关注的多普勒频率f_s ⁱ成为：

${f_s}^i\&ap;\frac{2(v_x\cos {{\mathrm{\&theta;}}_C}^i+v_z\sin {{\mathrm{\&theta;}}_C}^i)}{\mathrm{\&lambda;}}.$

在具有非零垂直速度的匀速直线运动或URM中的运载器的情况中

在该情况中，V=(Vx,0,0)。对于未聚焦处理，忽略等式（1）中的第二项。该方法针对多普勒频率f_s ⁱ，执行对在一段时间中接收的信号（例如N个接收到的脉冲）的频谱分析：

${f_s}^i\&ap;{f_0}^i=\frac{2V}{\mathrm{\&lambda;}}\cos {{\mathrm{\&theta;}}_C}^i.$

该示例对应于公知为“未聚焦的”SAR处理，其对本领域的技术人员是已知的。所获得的分辨率足够使之不需要考虑在分析周期的过程中的多普勒频率f_D的变化。图5提供了根据运载器的高度和视角获得的分辨率的性能曲线的示例。

在匀速非线性运动中的运载器的情况

举例而言，这可以是匀速加速运动或任意运动。在所有情况中，假定速度和加速度上的变化是已知的。

在具有任意运动的运载器的情况中，多普勒频率f_D的变化因此依赖于需要考虑的运载器的速度上的变化，以便在具有良好角度分辨率的情况下进行处理。频谱分析步骤（对信号的频率分量的分析）可以由自适应滤波器的实现来替代，使得：h(t)=s^*(-t)，在时间上对共轭波形求逆（考虑的多普勒频率变化），其中，

D(t)是一段时间内的物体/飞行器距离，T_e是分析周期。注意：这包括公知为“聚焦的”SAR处理的实现。

根据一个实施例，根据图8中描述的示意图，将天线向前瞄准以增加可用于预测地势变化的周期是很有利的。为此，想法是使用有关相对于地面考虑垂直而计算在内的天线的瞄准角度θd来发送孔径为θ的天线波束。

图9和10示意性地示出了允许在一段时间内跟踪飞行器/物体距离的变化以及当距离小于阈值（其可以对应于一个或多个地上元素的存在）时触发警报的实施例。该阈值ds取决于应用。

该方法具有至少以下步骤：

-发送啁啾为FMCW或伪随机类型的波形，

-记录由所述物体反射并由所述运载器接收的信号，

针对在N个不同时刻反射的N个信号的集合，

针对每个视角θ_C ⁱ和飞行器/地形的范围或飞行器/地上元素距离，

-在每个脉冲中进行自适应距离滤波，以便根据本领域技术人员公知的方法优化信噪比，

-逐脉冲地进行自适应多普勒滤波

○计算所反射的信号的频谱分量f_s ⁱ，

○若对非URM运动中的运载器进行扩展，执行自适应滤波，

-能量类型检测，其指示在视角θ_C ⁱ和距离dⁱ处可能存在物体，

-记录与针对每个θ_C ⁱ值进行检测的最小距离相对应的距离dⁱ(t)，

-如果θ_C ⁱ对应于垂直的视角，则计算与针对θ_C ⁱ=π/2进行检测的所述最小距离相对应的低于运载器的高度H0，否则，

○如果θ_C ⁱ对应于由天线的孔径所定义的最小角度：

■针对t>T₀，将dⁱ(t)与{dⁱ(t_ant)}进行比较，t_ant<t，

■如果dⁱ(t)<{dⁱ(t_ant)}，t_ant<t并且dⁱ(t)<阈值，则触发警报，

·触发警报还可以依赖于物体的以下特性：

○物体的延伸的特性：

■针对与θ_C ⁱ相邻的视角θ_C ^vi，对距离d^vi的比较，以及对物体沿着所述运载器的航行轴的所述延伸的估计。

分析每个监测视角的飞行器/物体距离的改变从而使得能够检测冲突航线。当飞行器和地面或地上元素之间的距离低于某个阈值ds时，触发警报并且向导航员发送改变方向命令或控制飞机系统。

触发警报可以基于地上元素的特性（精细的/宽广的）。通过互补操作，例如所描述的用于确定物体的长度或广度，该方法还提供地上元素的特性。因此飞行器可以知道前面的物体是精细的树木、塔架或建筑类型，或宽广的机库或悬崖类型。因此运载器能够根据地面和地上特性调整其飞行策略。

该解决方案可以主要集成在无线电高度计中以便增强其操作。

数值示例

下面的数字示例是直升飞机在低高度防碰撞的极端情况中。举例而言，考虑的主题是直升飞机在100m的高度、以10m/s的速度飞行的阶段，以及具有垂直朝下90°（顶部为45°的半角锥）的物理孔径的天线，以及针对朝向飞机前面等于45°的监测角度。

0.27的整合周期提供沿着运载器航行轴向的2.7m的分辨率，而0.03的集成周期提供大概13m的分辨率，由于该分辨率值与数字地势图的单元维度兼容因此其还是有优势的。

第一检测时刻和冲撞时刻之间的周期是10s，其留下检测冲撞路径的时间并触发警报程序和改变飞机方向。

该解决方案提供自主预测和地势跟踪系统，也就是说不需要外部协作。

需要单个传感器以便实现预测功能，并且此外可能使用已经安装到飞机上用于实现该方法的天线和无线电高度计的射频线。地势预测和防碰撞警报功能是通过用单个传感器监测超向前的一组视角的优点来获得的。

该方法基于具有低复杂度和因此的低开销的处理操作。

该方法具有提供地面和地上的特征的优势，尤其是提供对地上元素的类型（树木/塔架类型或广阔的）的估计。

最终，该方法可以集成到基于SAR原理工作的无线电测度计中，从而提供无线电高度计的补充地势预测功能。

该解决方法是低开销解决方案，因为：

·实现的处理操作复杂度很低。为了可接受的分辨率，通过傅里叶变换计算的简单频谱分析就足够；

·需要单个传感器，该解决方案此外能够集成到无线电高度计中。

沿着运载器航行轴向的高分辨率是通过物体在某个分析周期内反射的信号的相干处理（某个数量的反射脉冲/斜率的分析）来保证的。所检测到的物体依照距离并沿着运载器的航行轴向定位。

Claims (10)

1.一种适用于跟踪地面的表面R的变化和/或地上元素（2j）的存在的方法，所述方法在以速度V=(Vx,Vy,Vz)航行的运载器上实现，所述运载器（10）包括至少一个发射/接收天线（12）、信号处理模块（14），所述方法包括至少以下步骤：

a)确定由一系列脉冲或波列组成的波形h(t)，

b)定义要监测的距离范围，

c)发送带宽B的“啁啾”类型为FMCW斜率或伪随机信号的波形h(t)，记录由地面反射并由所述运载器接收的信号，

d)在所述波列的元素中执行相干处理以便获取初始固定距离的分辨率，所述方法通过自适应距离滤波方法或在每个反射的脉冲/斜率中进行去斜率化来测量距离dj，以及

e)针对在N个不同时刻反射的N个信号的集合，针对距离范围以及针对每个视角{θ_C ⁱ}，通过使用转换所反射的信号的多普勒频率的公式来执行对所接收的信号集合的处理：

$f_D\left(t\right)\&ap;\frac{2(v_x\cos {{\mathrm{\&theta;}}_C}^i+v_z\sin {{\mathrm{\&theta;}}_C}^i)}{\mathrm{\&lambda;}}-\frac{2{(v_x\sin {{\mathrm{\&theta;}}_C}^i-v_z\cos {{\mathrm{\&theta;}}_C}^i)}^2}{\mathrm{\&lambda;}{D}_0}t---\left(1\right)$

其中，D₀属于所处理的距离范围，

λ是所发送的波的波长，

i是视角的索引，

{θ_C ⁱ}是属于由波束所探测的角度集合的视角的给定值，所述方法的特征在于其具有以下步骤：

f)对于要监测的每对值(dj,θj)，通过使用选择的阈值Es来应用能量检测标准Ej，仅保留超过所选择的阈值的对(dj,θj)，

g)确定低于所述运载器的高度值H，

h)通过使用低于所述飞行器的高度H、所述值(dj,θj)，例如使用三角运算，来估计所述地上元素（2j）的所述高度值Hj，

i)根据这些值(dj,θj,Hj)，确定所述地上元素（2j）的特征，其位置pj以及地平面或地面以上的变化Δr。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：

在一些脉冲或波列上的所述距离处理步骤之后或在步骤c)的过程中，记录所反射的并由所述运载器接收的信号。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述飞行器以均匀的速度水平地航行，以及针对多普勒频率f_s ⁱ执行对在所述N个脉冲期间接收的所述信号的频谱分析：

${f_s}^i\&ap;{f_0}^i=\frac{2V}{\mathrm{\&lambda;}}\cos {{\mathrm{\&theta;}}_C}^i.$

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：

对于所述飞行器的非零垂直速度的航行，关注的多普勒频率是所述多普勒频率f_s ⁱ：

${f_s}^i\&ap;\frac{2(v_x\cos {{\mathrm{\&theta;}}_C}^i+v_z\sin {{\mathrm{\&theta;}}_C}^i)}{\mathrm{\&lambda;}}.$

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于：

在运载器具有任意运动的情况下，所述多普勒频率的变化因此取决于所述运载器的速度上的变化，并且所述频谱分析步骤被自适应滤波器的实现所取代，使得：

h(t)=s^*(-t)，其中

其中D(t)是一段时间中的地势/飞行器距离，并且T_e是所述分析周期。

6.如权利要求1至5中的一项所述的方法，其特征在于：

低于所述运载器的所述高度H是使用零多普勒频率确定的。

7.如权利要求1至6中的一项所述的方法，其特征在于：

具有允许确定地上元素沿着所述飞行器的航行轴的广度或长度L的步骤，至少包括以下步骤：

针对每个视角值，根据相邻的视角值，保留所述能量值Ej高于所述检测阈值Es的距离dj的最小值，确定所述地上元素（2j）的开始处的所述位置pj，然后确定所述地上元素的末端的位置pj+L，并且通过实现以下步骤来减去所述地上元素的近似长度：

·如果所述视角的抽样是精细的，也就是说小于或等于所述角度分辨率，则根据该角度来构造距离特征，然后通过几何运算，基于该角度来构造高度特征；

·如果所述视角的抽样是粗略的，也就是说大于所述角度分辨率，则针对与θ_C ⁱ相邻的视角来检测地上元素，然后估计该物体的长度。

8.如权利要求1所述的方法，针对在一段时间期间跟踪所述飞行器/物体的距离变化，以及针对当所述距离小于阈值ds时触发警报，所述方法具有至少以下步骤：

发送啁啾为FMCW或伪随机类型的波形，

记录由所述物体反射并由所述运载器接收的信号，

针对在N个不同时刻反射的N个信号的集合，

针对每个视角θ_C ⁱ和飞行器/地形的范围或飞行器/地上元素距离，

-在每个脉冲中使用自适应距离滤波以便优化信噪比，

-通过实现以下步骤来逐脉冲地执行自适应多普勒滤波：

○计算所反射的信号的频谱分量f_s ⁱ，

○如果对非URM运动中的运载器进行扩展，使用自适应滤波，

-使用能量类型方法来检测在所述视角θ_C ⁱ处和距离dⁱ处的地上元素的可能的存在，

-记录与针对每个θ_C ⁱ值进行检测的所述最小距离dmin相对应的距离dⁱ(t)，

-如果θ_C ⁱ对应于垂直的视角，则计算与针对θ_C ⁱ=π/2进行检测的所述最小距离相对应的低于运载器的高度H0，

-否则，

○如果θ_C ⁱ对应于由天线的孔径所定义的最小角度：

■针对t>T₀，将dⁱ(t)与{dⁱ(t_ant)}进行比较，t_ant<t，

■如果dⁱ(t)<{dⁱ(t_ant)}，t_ant<t并且dⁱ(t)<阈值，则触发警报。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于：

所述触发警报取决于所述物体的延伸的以下特性：针对与θ_C ⁱ相邻的视角θ_C ^vi，对距离d^vi的比较，以及对所述物体沿着所述运载器的航行轴的所述延伸的估计。

10.一种以速度V航行的适合于实现如先前的权利要求中的一项所述的用于检测和跟踪地面的地势变化和/或用于检测障碍物的方法的设备或运载器，其特征在于：

所述设备或运载器具有至少一个发射/接收天线（12）、用于处理所述信号的模块（14）、速度感知模块。

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