CN105093218A - 一种基于时间序列相似度的飞行目标高低空判别方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于时间序列相似度的飞行目标高低空判别方法，其特征在于，包括：根据垂直极化电磁波在高度上的不同变化特点，分别在低空区域和高空区域建立状态估计方程；利用状态估计方程和时间序列相似度来计算目标的高低空状态权值；通过比较所述高低空状态权值的大小判断飞行目标为高空目标还是低空目标，从而解决目标低空/高状态性判别的技术问题。

Description

一种基于时间序列相似度的飞行目标高低空判别方法

技术领域

本发明涉及雷达技术领域，尤其涉及一种基于时间序列相似度的飞行目标高低空判别方法。

背景技术

高频地波雷达采用垂直极化天线辐射电波，作用距离可达300km以上。由于垂直极化电磁波沿海面传播衰减较小的特点，高频地波雷达能够探测数百公里外的海上飞行目标，为海监部门海上交通管制、专属经济区保护提供了新途径和手段。同时由于高频地波雷达垂直波束较宽，还探测到高空视距目标。

目前高频地波雷达但由于在俯仰方向上形成窄波束困难，无法直接获取飞行目标的高度信息，因而也无法判别飞行目标的高低空飞行状态。对于高空飞行目标，高频地波雷达都是利用斜距和方位信息估计目标的飞行高度，这种方法不能适用于低空飞行目标；对于低空飞行目标，通常利用信号回波强度估计目标飞行高度和雷达散射截面积(RadarCross-Section，简称RCS)，这种方法不适用于高空飞行目标。此外，这两种方法在高度估计时在高度上存在多解问题，高度估计误差较大，高度估计结果可信度低。虽然基于上述方法提出了许多改进算法，但仍然没有从根本上解决高度估计的多解问题，至今无法应用于高频地波雷达实际系统中。

获取飞行目标的高低状态信息对海上目标早期预警具有重要意义，因此需要提供一种可以判断出飞行目标位于高空还是低空的技术。然而，目前国内外大多数研究和改进多数仅集中在飞行目标的高度估计上，还没有提出关于海上飞行目标高低空属性判别的方法和技术，高频地波雷达飞行目标高度估计研究也处于瓶颈阶段。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的为提供一种基于时间序列相似度的飞行目标高低空判别方法，以解决现有技术中高频地波雷达无法判别目标高低空飞行状态的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于时间序列相似度的飞行目标高低空判别方法，包括：

根据垂直极化电磁波在不同高度区域的传播衰减特性不同，基于高低空飞行状态分别在低空区域和高空区域建立状态估计方程；

利用构建的高、低空区域状态估计方程，在每一个观测时刻，通过观测站测量得到的目标信号回波强度来计算目标相对于高空状态和低空状态的时间序列相似度，并利用时间序列相似度计算高低空状态的权值；

通过比较所述高低空状态的权值大小判断飞行目标为高空目标还是低空目标。

进一步的，所述低空区域状态估计方程为：

$\left\{\begin{array}{c}X(k+1)=\mathrm{FX}\left(k\right)+v\left(k\right)\\ P_r\left(\mathrm{dB}\right)=\mathrm{HX}\left(k\right)-2{\mathrm{\ζ}}_b(R,h_i)+C\end{array}\right.$

其中根据高频地波雷达方程可知，P_r为目标信号回波强度，ζ_b(R,h)垂直极化电磁波传播衰减，h_i为低空状态的第i个预设高度。

进一步的，所述目标状态方程中的目标状态向量为X(k)＝[Ψv_Ψ]^T，其中Ψ为目标相对于观测站的雷达散射截面积，v_Ψ为目标的雷达散射截面积变化率。

进一步的，所述高空区域状态估计方程为：

$\left\{\begin{array}{c}X(k+1)=\mathrm{FX}\left(k\right)+v\left(k\right)\\ P_r\left(\mathrm{dB}\right)=\mathrm{HX}\left(k\right)-2{\mathrm{\ζ}}_b(R,h_0)+C\end{array}\right.$

P_r为目标信号回波强度，ζ_b(R,h)为距离R、高度h₀处的垂直极化电磁波传播衰减，h₀为高空区域的预设高度。

进一步的，所述目标状态方程中的目标状态向量为X(k)＝[Ψv_Ψ]^T，其中Ψ为目标相对于观测站的雷达散射截面积，v_Ψ为目标的雷达散射截面积变化率。

进一步的，所述k时刻目标高低空状态的时间序列相似度为：

$w(z_k/h_i)=w(z_k,z_{k/k-1}^i,h_i)$

w(g)可以是耐曼皮尔逊相关系数，肯德尔系数或者Sh相关系数；z_k是观测站在k时刻观测到的信号回波强度；是依据高低空状态估计方程在高度h_i上的信号回波强度预测值。

进一步的，依据高低空状态时间序列相似度，目标高空状态权值为

$\begin{array}{c}\mathrm{\λ}\left({\mathrm{\θ}}_h\left(k\right)\right)=\mathrm{\λ}\left(h_0\left(k\right)\right)\\ =\frac{w(z_k/h_0)\mathrm{\λ}\left(h_0(k-1)\right)}{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}w(z_k/h_i)\mathrm{\λ}\left(h_i(k-1)\right)}\end{array}$

θ_h(k)表示高空飞行状态，p(h_i)是目标高度属性概率

低空状态权值为：

$\begin{array}{c}\mathrm{\λ}\left({\mathrm{\θ}}_l\left(k\right)\right)=\underset{i=\mathrm{1,2},L,N}{\max }\left[\mathrm{\λ}\left(h_i\left(k\right)\right)\right]\\ =\underset{i=\mathrm{1,2},L,N}{\max }\left[\frac{w(z_k/h_i)\mathrm{\λ}\left(h_i(k-1)\right)}{\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}w(z_k/h_j)\mathrm{\λ}\left(h_j(k-1)\right)}\right]\end{array}$

其中θ_l(k)表示低空飞行状态。

进一步的，所述通过比较所述高空权值和所述低空权值大小判断飞行目标为高空目标还是低空目标包括：

当λ(θ_h(k))>λ(θ_l(k))时，判定所述飞行目标为高空目标；

反之，为低空目标。

本发明的有益效果在于，利用垂直极化电磁波在海面上空不同高度上的传播衰减特性不同，利用雷达观测信息的时间序列相似度可以判别出飞行目标的高低空状态，对海上目标早期预警具有重要意义。

附图说明

图1为目标在低空区域不同高度上的传播衰减曲线图。

图2为目标在高空区域不同高度上的传播衰减曲线图。

图3为本发明实施例中提供的一种判断飞行目标高低空飞行状态的方法的步骤流程图。

具体实施方式

体现本发明特征与优点的典型实施例将在以下的说明中详细叙述。应理解的是，本发明能够在不同的实施例上具有各种的变化，其皆不脱离本发明的范围，且其中的说明及附图在本质上是当作说明之用，而非用以限制本发明。

目前国内外还没有提出关于海上飞行目标高低空状态判别的方法和技术，大多集中在飞行目标的高度估计上。

本发明是通过电波传播衰减在高低空上的不同特性来实现目标高低空状态判别的，电波传播衰减在不同高度区间上的特点如图1和图2所示。现给出以下实施例对本发明进行解释和说明。

本实施例提供了一种判断飞行目标高低空状态的方法，步骤流程如图3所示，包括：

步骤S1、根据垂直极化电磁波在不同高度区域的传播衰减特性不同，基于高低空飞行状态分别在低空区域和高空区域建立状态估计方程；

步骤S2、利用构建的高、低空区域状态估计方程，在每一个观测时刻，通过观测站测量得到的目标信号回波强度来计算目标相对于高空状态和低空状态的时间序列相似度，并利用时间序列相似度计算高低空状态的权值；

步骤S3、通过比较所述高低空状态的权值大小判断飞行目标为高空目标还是低空目标。

首先，假定飞行目标具有两种高度状态：低空和高空。

在低空区域，所述低空区域状态估计方程为：

$\left\{\begin{array}{c}X(k+1)=\mathrm{FX}\left(k\right)+v\left(k\right)\\ P_r\left(\mathrm{dB}\right)=\mathrm{HX}\left(k\right)-2{\mathrm{\ζ}}_b(R,h_i)+C\end{array}\right.$

其中根据高频地波雷达方程可知，P_r为目标信号回波强度，ζ_b(R,h)垂直极化电磁波传播衰减，h_i为低空状态的第i个预设高度。

进一步的，目标状态方程中的目标状态向量为X(k)＝[Ψv_Ψ]^T，其中Ψ为目标相对于观测站的雷达散射截面积，v_Ψ为目标的雷达散射截面积变化率。

与低空区域不同，在高空属性区域传播衰减可以近似等于大气衰减。所述高空区域状态估计方程为：

$\left\{\begin{array}{c}X(k+1)=\mathrm{FX}\left(k\right)+v\left(k\right)\\ P_r\left(\mathrm{dB}\right)=\mathrm{HX}\left(k\right)-2{\mathrm{\ζ}}_b(R,h_0)+C\end{array}\right.$

P_r为目标信号回波强度，ζ_b(R,h)为距离R、高度h₀处的垂直极化电磁波传播衰减，h₀为高空区域的预设高度。

进一步的，所述k时刻目标高低空状态的时间序列相似度为：

$w(z_k/h_i)=w(z_k,z_{k/k-1}^i,h_i)$

w(g)可以是耐曼皮尔逊相关系数，肯德尔系数或者Sh相关系数等等，而不做具体限定。z_k是观测站在k时刻观测到的信号回波强度，是依据高低空状态估计方程在高度h_i上的信号回波强度预测值。

进一步的，依据高低空状态时间序列相似度，目标高空状态权值为

$\begin{array}{c}\mathrm{\λ}\left({\mathrm{\θ}}_h\left(k\right)\right)=\mathrm{\λ}\left(h_0\left(k\right)\right)\\ =\frac{w(z_k/h_0)\mathrm{\λ}\left(h_0(k-1)\right)}{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}w(z_k/h_i)\mathrm{\λ}\left(h_i(k-1)\right)}\end{array}$

θ_h(k)表示高空飞行状态，p(h_i)是目标高度属性概率

低空状态权值为：

$\begin{array}{c}\mathrm{\λ}\left({\mathrm{\θ}}_l\left(k\right)\right)=\underset{i=\mathrm{1,2},L,N}{\max }\left[\mathrm{\λ}\left(h_i\left(k\right)\right)\right]\\ =\underset{i=\mathrm{1,2},L,N}{\max }\left[\frac{w(z_k/h_i)\mathrm{\λ}\left(h_i(k-1)\right)}{\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}w(z_k/h_j)\mathrm{\λ}\left(h_j(k-1)\right)}\right]\end{array}$

其中θ_l(k)表示低空飞行状态。

进一步的，通过比较所述高空权值和所述低空权值大小判断飞行目标为高空目标还是低空目标包括：

当λ(θ_h(k))>λ(θ_l(k))时，判定所述飞行目标为高空目标；

反之，为低空目标。

需要说明的是，对于高空区域与低空区域的划分，按照高频地波雷达的垂直极化波衰减特性变化的特点进行划分，即随着高度变化垂直极化波衰减特性能够发生明显变化的高度属于低空区域，相反，变化不大的属于高空区域。其中图1和图2的高度仅仅是用于说明垂直极化波衰减特性在不同高度区域具有不同的变化特点，但是并不因此限定。

本发明的有益效果在于，利用垂直极化电磁波在海面上空不同高度上的传播衰减特性不同，利用雷达观测信息的时间序列相似度可以判别出飞行目标的高低空状态，对海上目标早期预警具有重要意义。

本领域技术人员应当意识到在不脱离本发明所附的权利要求所揭示的本发明的范围和精神的情况下所作的改动与润饰，均属本发明的权利要求的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于时间序列相似度的飞行目标高低空判别方法，其特征于，包括：

根据垂直极化电磁波在不同高度区域的传播衰减特性不同，基于高低空飞行状态分别在低空区域和高空区域建立状态估计方程；

利用构建的高、低空区域状态估计方程，在每一个观测时刻，通过观测站测量得到的目标信号回波强度来计算目标相对于高空状态和低空状态的时间序列相似度，并利用时间序列相似度计算高低空状态的权值；

通过比较所述高低空状态的权值大小判断飞行目标为高空目标还是低空目标。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述低空区域状态估计方程为：

其中根据高频地波雷达方程可知，P_r为目标信号回波强度，ζ_b(R,h)垂直极化电磁波传播衰减，h_i为低空状态的第i个预设高度。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述目标状态方程中的目标状态向量为X(k)＝[Ψv_Ψ]^T，其中Ψ为目标相对于观测站的雷达散射截面积，v_Ψ为目标的雷达散射截面积变化率。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述高空区域状态估计方程为：

与权利要求3相同，P_r为目标信号回波强度，ζ_b(R,h)为距离R、高度h₀处的垂直极化电磁波传播衰减，h₀为高空区域的预设高度。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述目标状态方程中的目标状态向量为X(k)＝[Ψv_Ψ]^T，其中Ψ为目标相对于观测站的雷达散射截面积，v_Ψ为目标的雷达散射截面积变化率。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述k时刻目标高低空状态的时间序列相似度为：

w(g)可以是耐曼皮尔逊相关系数，肯德尔系数或Sh相关系数；z_k是观测站在k时刻观测到的信号回波强度；是依据高低空状态估计方程在高度h_i上的信号回波强度预测值。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，依据高低空状态时间序列相似度，目标高空状态权值为:

θ_h(k)表示高空飞行状态，p(h_i)是目标高度属性概率；

低空状态权值为：

其中θ_l(k)表示低空飞行状态。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述通过比较所述高空权值和所述低空权值大小判断飞行目标为高空目标还是低空目标包括：

当λ(θ_h(k))>λ(θ_l(k))时，判定所述飞行目标为高空目标；

反之，为低空目标。