CN104199002A - 抑制风力发电旋叶虚警目标的雷达信息处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于雷达信息处理技术领域，尤其涉及雷达空空下视探测过程中对地面风力发电旋叶虚警目标的雷达信息处理方法。包括以下步骤：(1)获取雷达的脉冲发射频率，积累脉冲数，共轭乘积矢量计算主杂波的多普勒频率；(2)根据主杂波的多普勒频率确定雷达多普勒谱上主杂波位置；(3)获取风力发电设备的旋叶旋转角速度，最大旋叶长度，计算风力发电设备的旋叶末端所对应的频谱滤波器宽度；(4)获取检测点所在的距离门号，检测点的功率，频谱平均噪声功率和主杂波展宽半径，以及根据判断的门限系数，得到单个距离门上以主杂波为中心，旋叶频谱展宽为半径范围内的信号点功率的二值向量分布；(5)判别与剔除虚警。

Description

抑制风力发电旋叶虚警目标的雷达信息处理方法

技术领域

本发明属于雷达信息处理技术领域，尤其涉及雷达空空下视探测过程中对地面风力发电旋叶虚警目标的雷达信息处理方法。

背景技术

现代机载脉冲多普勒(PD)雷达对空下视探测目标时，主要使用中重频(MPRF)波形工作模式。该模式采用全相参PD处理，即可实现对迎头/尾随目标的检测、跟踪，还可完成上视/下视全空域的目标监视，因而被广泛使用。

该模式目标检测在二维“距离-频率”平面上进行，主要利用目标与主杂波之间产生的多普勒频差实现频率分离，从而可使用恒虚警技术在清晰区完成目标检测，以最大化提高检测概率。

传统恒虚警检测方法使用二维滑窗计算检测点周围背景功率，如通过单元平均恒虚警(CFAR)检测处理方法，比较检测点与背景功率的大小关系来判定目标。在无地面干扰目标的情况下，对下视/上视探测状态，该方法可以获得较好的虚警率控制。

当地面存在大量的风力发电设备(尤其在北方、沿海地区)，风力发电设备叶片在风力的作用下产生旋转，从而产生与主杂波存在一定频率差的多普勒频率，该多普勒频率与叶片的长短、旋转速度、照射角度等有关。在角速度一定的情况下，旋转叶片在不同半径位置会产生不同的线速度，在雷达目标回波频谱上形成连续条带式、起伏调制的回波信号。一个地面风力发电场，一般都拥有几十、上百个独立的风力发电塔，而每一个独立风力发电塔的叶片，在风力作用下旋转，都有可能产生有别于主杂波的运动目标回波；下视状态，雷达天线波束照射到地面风力发电场，如果使用传统的恒虚警技术，风力发电旋转叶片回波将被检测为大量的空中虚警目标，从而影响雷达的检测性能与正常使用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种抑制风力发电旋叶虚警目标的雷达信息处理方法，降低雷达下视探测引起的目标虚警概率，并保证不损失真实空中目标的检测概率。

为了解决上述技术问题，本发明包括以下步骤：

(1)获取雷达的脉冲发射频率，积累脉冲数和共轭乘积矢量计算主杂波的多普勒频率；

(2)根据主杂波的多普勒频率确定雷达多普勒谱上主杂波位置；

(3)获取风力发电设备的旋叶旋转角速度和最大旋叶长度，计算风力发电设备的旋叶末端所对应的频谱滤波器宽度；

(4)获取检测点所在的距离门号，检测点的功率，频谱平均噪声功率和主杂波展宽半径，以及根据判断的门限系数，得到单个距离门上以主杂波为中心，旋叶频谱展宽为半径范围内的信号点功率的二值向量分布；

(5)判别与剔除虚警。

本发明对真实空中目标的检测概率基本无影响。在雷达空空模式的下视探测过程中，能充分利用地面风力发电设备旋转叶片回波的频谱特征进行精确的检测定位，显著降低了雷达对空目标检测的虚警率。

附图说明

图1为风力发电旋叶频谱；

图2为抑制之前的检测图；

图3为抑制后的检测结果；

图4为采用本发明方法前的对空下视显示效果图；

图5为采用本发明方法后的对空下视显示效果图；

具体实施方式

本发明所列举的实施例，只是用于帮助理解本发明，不应理解为对本发明保护范围的限定，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明思想的前提下，还可以对本发明进行改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求保护的范围内。

本发明包括以下步骤：

(1)获取雷达的脉冲发射频率，积累脉冲数，共轭乘积矢量，根据下列公式计算主杂波的多普勒频率：

$f_c=\frac{\mathrm{PRF}}{2\·\mathrm{\π}}\∠\left[\underset{n=0}{\overset{N_a-1}{\mathrm{\Σ}}}{S}^{*}\left(n\right)S(n+1)\right]$

其中，f_c为主杂波的多普勒频率S^*(n)S(n+1)为雷达相邻方位样本数据的共轭乘积矢量，∠含义为相位运算，PRF为脉冲发射频率；N_a为积累脉冲数；

(2)根据主杂波的多普勒频率确定雷达多普勒谱上主杂波位置，其计算公式如下：

$N_{\mathrm{fc}}=\mathrm{mod}[\mathrm{floor}(\frac{f_c\·N_a}{\mathrm{PRF}}+N_a),N_a]$

其中，N_fc为主杂波在多普勒频谱上的位置，floor为运算符，含义为向下取整运算；

(3)获取风力发电设备的旋叶旋转角速度，最大旋叶长度，根据下列公式计算风力发电设备的旋叶末端所对应的频谱滤波器宽度：

其中，r_c为风力发电设备的旋叶末端所对应的频谱滤波器宽度，为风力发电设备的旋叶旋转角速度，L_max为最大旋叶长度，在实际应用过程中上述两个参数取能满足系统指标要求的统计值即可；

(4)获取检测点所在的距离门号，检测点的功率，频谱平均噪声功率和主杂波展宽半径，以及根据判断的门限系数，根据下列公式计算单个距离门上以主杂波为中心，旋叶频谱展宽为半径范围内的信号点功率的二值向量分布；

$m_i=\left\{\begin{array}{cc}1& p\begin{array}{}\end{array}\left(\begin{array}{cc}\mathrm{Nr}& {\mathrm{Nf}}_i\end{array}\right)>(\mathrm{MeanPowVal}+K)\\ 0& p\left(\begin{array}{cc}\mathrm{Nr}& {\mathrm{Nf}}_i\end{array}\right)\≤(\mathrm{MeanPowVal}+k)\end{array}\right.$

其中，N_r为检测点所在的距离门号，p(Nr,Nf)为检测点的功率，MeanPowVal为频谱平均噪声功率，K为判断的门限系数，式4中i的取值范围为其中Δr为主杂波展宽半径。

(5)判别与剔除虚警，依据下式算判定在主杂波的距离门上是否存在地面风力发电目标，并予以剔除，

$T_{\mathrm{Nr},\mathrm{Nf}}=\left\{\begin{array}{cc}1& \underset{i}{\mathrm{\Σ}}{m}_i\≥\mathrm{per}*(r_c-\mathrm{\Δr})\\ 0& \mathrm{else}\end{array}\right.$

其中，per为系统设定的风力发电目标判定百分比系数。

下面对本发明进行试验，验证本发明的技术效果：

参与试验的雷达系统参数为PRF＝10KHz，x波段N_a＝256，v_max＝20m·s^-1，Δr＝3，MeanPowVal＝70dB，K＝10dB。测得风力发电旋叶频谱如图1所示，它的横坐标是距离门的样本点序号，纵坐标是频率门的序列，图中位于70号频率门贯穿全部距离门的为主杂波功率信息。可以看出以主杂波为中心，在多个距离门上延伸出了多条频率方向的条带(图1中的白色小框指示的位置)，即地面风力发电设备的旋叶自转引起的频率展宽。通过传统方法检测可得到如图2所示的检测图。

根据系统参数和原始回波数据按照公式[1]、[2]计算得到N_fc＝62，依据公式[3]计算得到最大的旋叶频谱展宽半径r_c＝16。对主杂波上的距离门数据按照公式[4]、[5]实现虚警抑制，可得到如图3所示的检测图，通过对比图2和图3检测结果之间的差别，可以看出使用本发明方法，对风力发电设备旋叶产生的虚警目标具有较好的抑制效果。

图4和图5分别为采用本发明进行雷达信息处理前、后，雷达对空下视探测的显示效果图，可见，使用传统检测方法对空下视探测时，天线波束扫描到某一个风力发电场后，会检测出非常多的虚假空中目标航迹(如图4)，采用本发明方法后，风力发电旋叶的回波虚警得到了很好的抑制，只显示出合作目标航迹(如图5)。

空中试飞结果证明，采用本发明的技术方法，在有地面风力发电旋转叶片回波干扰的环境下，平均目标航迹虚警间隔时间大于1h，远大于1min的虚警间隔时间要求。

Claims (6)

1.抑制风力发电旋叶虚警目标的雷达信息处理方法，其特征在于，包括以下步骤： 

(1)获取雷达的脉冲发射频率，积累脉冲数和共轭乘积矢量计算主杂波的多普勒频率； 

(2)根据主杂波的多普勒频率确定雷达多普勒谱上主杂波位置； 

(3)获取风力发电设备的旋叶旋转角速度和最大旋叶长度，计算风力发电设备的旋叶末端所对应的频谱滤波器宽度； 

(4)获取检测点所在的距离门号，检测点的功率，频谱平均噪声功率和主杂波展宽半径，以及根据判断的门限系数，得到单个距离门上以主杂波为中心，旋叶频谱展宽为半径范围内的信号点功率的二值向量分布； 

(5)判别与剔除虚警。 

2.根据权利要求1所述的抑制风力发电旋叶虚警目标的雷达信息处理方法，其特征在于，雷达的多普勒频率由下式算出： 

其中，f_c为主杂波的多普勒频率S^*(n)S(n+1)为雷达相邻方位样本数据的共轭乘积矢量，∠含义为相位运算，PRF为脉冲发射频率；N_a为积累脉冲数。 

3.根据权利要求1所述的抑制风力发电旋叶虚警目标的雷达信息处理方法，其特征在于，主杂波位置由下式算出： 

其中，N_fc为主杂波在多普勒频谱上的位置，floor为运算符，含义为向下取整运算。 

4.根据权利要求1所述的抑制风力发电旋叶虚警目标的雷达信息处理方法，其特征在于，风力发电设备的旋叶末端所对应的频谱滤波器宽度由下式算出： 

其中，r_c为风力发电设备的旋叶末端所对应的频谱滤波器宽度，为风力发电设备的旋叶旋转角速度，L_max为最大旋叶长度，在实际应用过程中上述两个参数取能满足系统指标要求的统计值即可。 

5.根据权利要求1所述的抑制风力发电旋叶虚警目标的雷达信息处理方法，其特征在于，由下式得到单个距离门上以主杂波为中心，旋叶频谱展宽为半径范围内的信号点功率的二值向量分布： 

其中，N_r为检测点所在的距离门号，p(Nr,Nf)为检测点的功率，MeanPowVal为频谱平均噪声功率，K为判断的门限系数，式4中i的取值范围为其中Δr为主杂波展宽半径。 

6.根据权利要求1所述的抑制风力发电旋叶虚警目标的雷达信息处理方法，其特征在于，依据下式算判定在主杂波的距离门上是否存在地面风力发电目标，并予以剔除， 

其中，per为系统设定的风力发电目标判定百分比系数。