CN105548970A - 一种飞鸟探测雷达处理机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种飞鸟探测雷达处理机，包括信号处理板卡和工控计算机，信号处理板卡包括光纤接口、FPGA和DSP芯片；收发机将基带回波信号通过光纤接口传输到信号处理板卡；FPGA对帧信号进行脉冲压缩，DSP芯片进行全相参积累；接着进行时域/频域二维恒虚警目标检测处理，并将检测出来的点迹数据通过PCIe总线送往工控计算机，在工控计算机中做航迹处理，并完成数据关联滤波及航迹合并；同时工控计算机通过信息融合，对鸟群撞击飞机的风险等级进行评估；最后将目标数据及风险等级评估信息进行统一打包，通过无线网络上报到机场监控室。本发明可以实现对机场周边鸟群信息的实时探测、跟踪及三维信息获取，有效解决机场鸟击飞机的预警问题。

Description

一种飞鸟探测雷达处理机

技术领域

本发明属于雷达系统领域，涉及一种飞鸟探测雷达处理机。

背景技术

飞鸟探测雷达安装于机场内部，用于对机场周边的鸟群目标进行全天时的监控，探测、跟踪鸟群目标的位置及高度信息，为航空管制员和机场内的驱鸟管理部门提供飞鸟撞击飞机的风险预警信息，引导飞机回避鸟击风险区，或引导驱鸟工作人员使用驱鸟设备进行驱鸟作业。

绝大多数鸟击事件发生在飞机的起飞和着陆阶段，因此机场范围内的鸟击防范成为当前的研究热点。多普勒气象雷达探测距离可达到60海里，但由于其造价太高，信息更新速度慢，不易操作等原因，不适用于机场范围的鸟击规范。要解决机场鸟击飞机有效预警的问题，要求相应的雷达系统具有以下特点：性价比高、覆盖范围光、实时探测、实时跟踪和三维信息获取等。

处理机是飞鸟探测雷达的信息处理和控制中心，担负着雷达的信号处理与数据处理、各组件工作方式及参数控制、自检控制等功能。为了有效进行实时探测、实时跟踪和三维信息获取，需要采取先进的信号处理机技术，通过各种信号处理及数据处理方法完成飞鸟探测。

发明内容

本发明的目的是提供一种飞鸟探测雷达处理机，实现对机场周边鸟群信息的实时探测、跟踪及三维信息获取，有效解决机场鸟击飞机的预警问题。

本发明的技术方案如下：

一种飞鸟探测雷达处理机，包括信号处理板卡和工控计算机，信号处理板卡包括光纤接口、FPGA和DSP芯片；收发机将基带回波信号通过光纤接口传输到信号处理板卡中，同时将定时同步信号也送往信号处理板卡；在帧脉冲到来时，信号处理板卡进行此帧信号的处理；FPGA首先对帧信号进行脉冲压缩，然后将脉压后的信号送往DSP芯片中，DSP芯片通过在多普勒维度做FFT，进行全相参积累；接着对数据进行时域/频域二维恒虚警目标检测处理，并将检测出来的点迹数据通过PCIe总线送往工控计算机中，在工控计算机中做进一步的航迹处理，并完成数据关联滤波及航迹合并；同时，工控计算机以距离作为预警门限，对鸟群进行提前预警显示，并通过将鸟群航迹、航向信息与机场起飞、降落通道信息进行融合，对鸟群撞击飞机的风险等级进行评估；最后将目标数据及风险等级评估信息进行统一打包后，通过无线网络上报到机场监控室中显示。

本发明的有益技术效果是：

1、本发明通过采用脉压处理，有效提高了雷达的距离分辨率和探测能力，并大大降低了对发射功率的要求；

2、本发明通过采用多普勒维度的相参积累，进一步提高了待检测信号的信噪比，同时也将飞行的鸟群同固定的杂波、干扰区分开来，具有较高的抗杂波干扰特点；

3、本发明通过先进的目标检测及跟踪处理方法，实现了对机场周边鸟群信息的实时探测、跟踪处理能力，并保证了检测概率及极低的虚警概率；

4、本发明通过天线和差处理配合鸟击飞机风险评估模型，实现了对机场周边鸟群三维信息获取及鸟击飞机风险评估，从而可有效解决了机场鸟击飞机的预警问题。

附图说明

图1是飞鸟探测雷达处理机原理框图。

图2是飞鸟探测雷达处理机处理流程图。

图3是目标数据处理流程图。

图4是鸟击飞机风险评估模型图。

图5是高度计算模型图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。

本发明的飞鸟探测雷达处理机工作原理框图如图1所示：

处理机由信号处理板卡和工控计算机PC组成，信号处理板卡由光纤接口、FPGA、DSP芯片组成。

收发机将基带回波信号通过光纤接口传输到处理机中的信号处理板卡中，同时将定时同步信号也送往信号处理板卡。

在帧脉冲到来时，信号处理板卡进行此帧信号的处理。FPGA首先对帧信号进行脉冲压缩，以提高距离探测分辨率，然后将脉压后的信号送往DSP芯片当中，DSP通过在多普勒维度做FFT，进行全相参积累，以提高待检测信号的信噪比，并抑制地杂波。接着对数据进行时域/频域二维恒虚警目标检测处理(CFAR)，并将检测出来的点迹数据通过PCIe总线送往工控计算机PC中，在工控计算机PC中做进一步的航迹处理，并完成数据关联滤波及航迹合并。同时，工控计算机PC以一定的距离作为预警门限(初定为5km)，对鸟群进行提前预警显示，并通过将鸟群航迹、航向信息与机场起飞、降落通道信息进行融合，对鸟群撞击飞机的风险等级进行评估。最后将目标数据及风险等级评估信息等进行统一打包后，通过无线网络上报到机场监控室中显示，以便引导飞机回避鸟击风险区，或由驱鸟工作人员通过驱鸟器等设备进行驱鸟作业。

处理机与机场监控室之间通过无线以太网络传输，处理机中安装有无线通信网卡，可作为专用的网络终端，通过民用移动通信网络或互联网络与机场监控室间传输各种数据及控制信息。

飞鸟探测雷达处理机处理流程如图2所示：

(1)、对AD采样得到的中频数字回波信号(包括和路和差路信号)进行数字下变频，变换为基带I/Q信号；

(2)、进行脉冲压缩处理，以提高雷达探测距离分辨率；

(3)、进行FFT相参积累，提高回波信号信噪比，并抑制地杂波及地面固定物体的干扰；

(4)、进行时域/频域二维恒虚警CFAR目标检测，检测出目标点迹信息；

(5)、对检测出的点迹做TWS多目标航迹跟踪处理；

(6)、结合鸟群航向、航速的估计值及机场飞机起飞、降落通道，评估鸟击飞机的风险等级；

(7)、将目标定位数据和鸟击飞机风险评估信息上报机场监控室。

处理机信号处理的实现平台为FPGA及DSP，它们分别完成的任务为：FPGA实现信号采样、数字下变频、数据打包发送；DSP实现数据转角、FFT计算、模值计算、二维CFAR处理、高度计算。

主要处理算法如下：

1)脉压处理。通过脉压处理，目标散射体可以有效的被分辨出来。由于线性调频脉冲的时宽带宽积为165(11MHz×15us)，远远大于1，因此带来了约22dB的脉冲压缩信噪比增益，从而使得目标散射体可以从噪声背景下分辨出来。通过脉冲压缩处理后，也有效提高了距离分辨率。由于脉冲压缩处理将目标回波在距离维度上大幅收窄，从而将重叠的近距离目标回波脉冲分离开来，可以被分辨为不同的目标。

2)相参积累。积累脉冲个数为128个，因此会带来约21dB的积累信噪比改善，从而进一步提高了待检测信号的信噪比。另外，通过FFT处理也将不同速度的目标在多普勒维度上区分开来，特别是将鸟群目标同固定的地杂波、跑道上停留的静止飞机、车辆等干扰物体区分开来，并可完成对鸟群目标的速度解算。

3)目标检测处理。首先采用固定门限的时域/频域二维CFAR目标检测。然后依据设定的虚警率，进行浮动门限的时/频域二维CFAR检测。接着对检测出的信号进行排序、聚类，并求解目标质心，从而检测出实际的点迹信息。由仿真可见分别恢复出了4批次预设的鸟群目标。最后对目标点迹数据进行TWS状态下波束内数据相关处理，建立并跟踪目标航迹。目标数据处理流程如图3所示。

4)鸟击飞机风险评估处理。鸟击飞机风险评估模型考虑了飞鸟与飞行走廊的相对位置，估计某飞鸟目标侵入某飞行走廊的概率。

如图4所示，其中，A、B为跑道的两端；c为飞鸟目标点；D为起飞的延长线终点，前期的调研中得知：起飞延长线的长度为飞机在离地150m时，在水平面的投影长度，由三角关系式得知：

$\left|AD\right|=\frac{150}{tg\mathrm{\σ}},$

σ为飞机的爬升角，通常起飞时σ＝15°，降落时σ＝5°；E为降落的延长线起点；F为车上雷达的中心点；O为DE的中点；Oc的距离为r’，就是飞鸟与雷达之间的距离，通过雷达的CFAR处理获得；OF的距离为m，通过GPS定位仪获得；α为OF与OA平行线之间的夹角，通过GPS定位仪获得；β为cF与OA平行线之间的夹角，通过雷达的伺服系统的计算获得；ε为Oc与OF的夹角，通过后面的计算获得；θ为OA与Oc的夹角，是计算鸟击概率的直接因素之一，通过后面的计算获得以上角度的定义，以逆时针为正，顺时针为负。

Pl鸟击概率由距离l和角度θ两个因素决定：

其中，Pl与l有关，Pθ与θ有关，二者都是(0,1]的值。参数Pl由公式计算。参数Pl随着距离l的增加而减小。L0应该是一个固定参数，目前考虑取雷达的最远探测距离，最终以调试时的确定为准。

通常，飞鸟靠近飞行走廊时鸟击危害最大，P_θ＝1-a*sinθ。其中参数a能控制P_θ的边界值。其中，

$\mathrm{\θ}=\arccos \frac{OC\·OA}{\left|OC\right|\·\left|OA\right|}.$

考虑a的确定原则为：当θ＝90°时，P_θ取最小0.5，那么a＝0.5。a最终以调试时的确定为准。则上面公式变成P_θ＝1-0.5*sinθ。其中θ＝360-ε-(180-α)＝180+α-ε，根据正弦定理，ε由以下公式计算得出：

$\frac{\sqrt{{\left(r^{\′}\right)}^2+m^2-2r^{\′}*m*cos(\mathrm{\β}-\mathrm{\α})}}{\sin (\mathrm{\β}-\mathrm{\α})}=\frac{r^{\′}}{sin\mathrm{\ϵ}},$

其中0<β-α<180。

根据以上计算，将鸟击概率划分为5个等级：一级(0<P<0.2)；二级(0.2≤P＜0.4)；三级(0.4≤P＜0.6)；四级(0.6≤P＜0.8)；五级(0.8≤P＜1)。等级越高，风险越大。

5)高度计算：h＝r*sin(θ+Δθ)，如图5所示，其中：r为目标距离值，通过CFAR处理获得；θ为雷达的俯仰角，通过装订参数获得；Δθ为角误差，通过如下计算公式获得：

$\mathrm{\&Delta;}\mathrm{\&theta;}=2*arctg\frac{Sum.re*Diff.im-Sum.im*Diff.re}{Sum.{\mathrm{re}}^2+Sum.{\mathrm{im}}^2}.$

其中，Sum.re、Sum.im分别为目标点的和路I、和路Q；Sum.re、Sum.im分别为目标点的差路I、差路Q。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种飞鸟探测雷达处理机，其特征在于：包括信号处理板卡和工控计算机，信号处理板卡包括光纤接口、FPGA和DSP芯片；收发机将基带回波信号通过光纤接口传输到信号处理板卡中，同时将定时同步信号也送往信号处理板卡；在帧脉冲到来时，信号处理板卡进行此帧信号的处理；FPGA首先对帧信号进行脉冲压缩，然后将脉压后的信号送往DSP芯片中，DSP芯片通过在多普勒维度做FFT，进行全相参积累；接着对数据进行时域/频域二维恒虚警目标检测处理，并将检测出来的点迹数据通过PCIe总线送往工控计算机中，在工控计算机中做进一步的航迹处理，并完成数据关联滤波及航迹合并；同时，工控计算机以距离作为预警门限，对鸟群进行提前预警显示，并通过将鸟群航迹、航向信息与机场起飞、降落通道信息进行融合，对鸟群撞击飞机的风险等级进行评估；最后将目标数据及风险等级评估信息进行统一打包后，通过无线网络上报到机场监控室中显示。