CN106199575B - 基于无线电探测的低慢小目标立体角度探测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于无线电探测的低慢小目标立体角度探测方法及系统，上述方法包括：在目标飞行区域下方布置不少于4个探测单元，上述探测单元分布在互相垂直的两个平面，且每个平面至少包含3个探测单元。当目标逼近时，每个探测单元获取与目标最接近时的时刻，作为过零点时刻。根据每个探测单元获取的过零点时刻计算目标在上述两个平面的投影的角度。本发明提供的基于无线电探测的低慢小目标立体角度探测方法及系统简便易行、成本低廉、探测精度高、适于在工程应用中大面积推广。

Description

基于无线电探测的低慢小目标立体角度探测方法及系统

技术领域

本发明涉及传感技术领域，尤其涉及一种基于无线电探测的低慢小目标立体角度探测方法及系统。

背景技术

低慢小目标是低空慢速小目标的简称，是指飞行高度在1km以下、飞行时速小于200km、雷达反射面积小于2m²的各种小型航空器或空中漂浮物。现有技术难以利用单一探测手段对低慢小目标实现全天时、全天候的有效探测和监控。低慢小目标的探测是典型的复杂信息系统，是当前国际范围内的技术难题。随着我国低空空域的开放，对低慢小目标的监管与防范成为亟待解决的问题，因此对其探测并拦截具有重要意义，而探测又是拦截的前提。

传统的目标探测方法虽已比较完善，但低慢小目标具有飞行高度低、运动速度慢、散射强度弱等特点，这给目标探测带来很大困难。在上述强约束条件下，如何构建有效的探测系统、实现低慢小目标的精确探测具有较大难度。现有的低慢小目标探测多基于红外光学传感器或雷达，上述方法成本较高、精度有限、难以大面积推广使用。

因此，亟需一种成本低、探测精度高、工程应用性强的低慢小目标立体角度探测方法及系统来解决上述问题。

发明内容

本发明提供的基于无线电探测的低慢小目标立体角度探测方法及系统简便易行、成本低廉、探测精度高、适于在工程应用中大面积推广。

本发明一方面提供一种基于无线电探测的低慢小目标立体角度探测方法，包括步骤：S1.在目标飞行区域下方布置不少于4个探测单元，所述探测单元分布在互相垂直的两个平面，且每个平面至少包含3个探测单元；S2.当目标逼近时，每个探测单元获取与目标最接近时的时刻，作为过零点时刻；S3.根据每个探测单元获取的过零点时刻计算目标在所述两个平面的投影的角度。

优选地，所述不少于4个探测单元具体为6个探测单元；以及所述6个探测单元分布在互相垂直的第一平面与第二平面；第一平面包含6个探测单元中的、组成第一四边形的第一探测单元、第二探测单元、第三探测单元及第四探测单元，第二平面包含6个探测单元中的、组成第二四边形的第三探测单元、第四探测单元、第五探测单元及第六探测单元；其中，从第五探测单元向第一平面观察，第一探测单元、第二探测单元、第四探测单元、第三探测单元依次沿顺时针排列；从第一探测单元向第二平面观察，第三探测单元、第四探测单元、第六探测单元、第五探测单元依次沿顺时针排列。

优选地，第一四边形与第二四边形为正方形；以及所述方法还包括：以第三探测单元指向第四探测单元的方向作为x轴正向、第四探测单元指向第二探测单元的方向作为y轴正向、第四探测单元指向第六探测单元的方向作为z轴正向建立坐标系。

优选地，步骤S3具体为：根据每个探测单元获取的过零点时刻，利用公式1、公式2计算目标在第一平面、第二平面的投影的角度；

其中，α为目标在第一平面的投影与y轴正向的夹角，β为目标在第二平面的投影与z轴负向的夹角，t1、t2、t3、t4、t5、t6分别为第一探测单元、第二探测单元、第三探测单元、第四探测单元、第五探测单元、第六探测单元获取的过零点时刻。

优选地，探测单元为无线电多普勒传感器。

优选地，所述方法还包括：将无线电多普勒传感器回波信号无频移时的时刻作为过零点时刻。

优选地，所述方法还包括：将无线电多普勒传感器布置在建筑物和/或路灯顶端。

本发明另一方面提供一种基于无线电探测的低慢小目标立体角度探测系统，包括：

探测模块，其包含不少于4个无线电多普勒传感器，布置在目标飞行区域下方互相垂直的两个平面，所述两个平面中的每个平面至少包含3个无线电多普勒传感器；所述无线电多普勒传感器用于当目标逼近时，获取回波信号无频移时的时刻作为过零点时刻；

角度计算模块，用于根据每个无线电多普勒传感器获取的过零点时刻计算目标在所述两个平面的投影的角度。

优选地，所述探测模块包括分布在互相垂直的第一平面与第二平面的6个无线电多普勒传感器；其中，第一无线电多普勒传感器、第二无线电多普勒传感器、第三无线电多普勒传感器、第四无线电多普勒传感器分布在第一平面，组成第一正方形；第三无线电多普勒传感器、第四无线电多普勒传感器、第五无线电多普勒传感器、第六无线电多普勒传感器分布在第二平面，组成第二正方形；从第五无线电多普勒传感器向第一平面观察，第一无线电多普勒传感器、第二无线电多普勒传感器、第四无线电多普勒传感器、第三无线电多普勒传感器依次沿顺时针排列；从第一无线电多普勒传感器向第二平面观察，第三无线电多普勒传感器、第四无线电多普勒传感器、第六无线电多普勒传感器、第五无线电多普勒传感器依次沿顺时针排列。

优选地，所述根据每个无线电多普勒传感器获取的过零点时刻计算目标在所述两个平面的投影的角度具体为：根据每个无线电多普勒传感器获取的过零点时刻，利用公式4、公式5计算目标在第一平面、第二平面的投影的角度；

其中，第四无线电多普勒传感器指向第二无线电多普勒传感器的方向为y轴正向，第四无线电多普勒传感器指向第六无线电多普勒传感器的方向为z轴正向，α为目标在第一平面的投影与y轴正向的夹角，β为目标在第二平面的投影与z轴负向的夹角，T₁、T₂、T₃、T₄、T₅、T₆分别为第一无线电多普勒传感器、第二无线电多普勒传感器、第三无线电多普勒传感器、第四无线电多普勒传感器、第五无线电多普勒传感器、第六无线电多普勒传感器获取的过零点时刻。

由上述技术方案可知，本发明采用少量探测单元即可实现低慢小目标立体角度的精确探测，原理简单，易于实现，成本低廉，适于在工程应用中大面积推广，较为成功地解决了困扰本领域多年的低慢小目标探测问题。

附图说明

图1是本发明的基于无线电探测的低慢小目标立体角度探测方法示意图；

图2是本发明实施例的探测单元布置示意图；

图3是本发明实施例的投影角度计算第一示意图；

图4是本发明的基于无线电探测的低慢小目标立体角度探测系统示意图；

图5是本发明实施例的投影角度计算第二示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举出优选实施例，对本发明进一步详细说明。然而，需要说明的是，说明书中列出的许多细节仅仅是为了使读者对本发明的一个或多个方面有一个透彻的理解，即便没有这些特定的细节也可以实现本发明的这些方面。

本发明的发明人考虑到传统的目标探测方法虽已比较完善，但对具有飞行高度低、运动速度慢、散射强度弱等特点的低慢小目标，难以提供兼顾精度与成本的方法。具体而言，现有的低慢小目标探测多基于红外光学传感器和雷达，其成本较高、精度有限、难以大面积推广使用。

基于上述考虑，本发明的发明人创造性地采用少量探测单元，获得目标与探测单元的最近点时刻，通过多个探测单元的位置差异及各自的最近点时刻，求得目标轨迹在传感器平面的投影角度，从而得到目标轨迹的立体角度。本发明能够实现低慢小目标立体角度的精确探测，且成本较低、易于实现、适于在工程应用中大面积推广。

图1示出了本发明的基于无线电探测的低慢小目标立体角度探测方法，参见图1，此方法按照如下步骤执行：

首先，在步骤S1中，在目标飞行区域下方布置至少4个探测单元，上述探测单元分布在互相垂直的两个平面，其中的每个平面至少包含3个探测单元。

之后，在步骤S2中，当目标逼近时，每个探测单元获取与目标最接近时的时刻，将其作为过零点时刻。

接着，在步骤S3中，根据每个探测单元获取的过零点时刻计算目标在上述两个平面的投影的角度，进而获得目标的立体角度。

在本发明中，目标在平面的投影是指目标飞行轨迹投影在平面的有向直线，而投影的角度是指上述投影对于平面参考方向(一般为探测单元的连线)的偏角，立体角度是目标在上述两个平面投影角度的统称。

根据上述步骤，本发明采用最少4个探测单元即可完成低慢小目标立体角度的探测。采用4个探测单元计算投影角度的具体过程如图5所示：

4个探测单元分布在两个平面，每一平面包含3个探测单元。参见图5，图中的1、2、3分别为处于上述两个平面中任一平面的三个探测单元的几何中心；NM为目标飞行轨迹在该平面的投影；N₁、N₂、N₃分别为1、2、3在NM的投影，即1、2、3距离NM的最近点。1、3的连线与NM的夹角为θ；1、2、3组成了一个三角形：1、2之间的边长是a，2、3之间的边长为b，1、3之间的边长为c，3所在的内角为θ₀。

根据具体的应用环境，可以合理假设目标的飞行轨迹平行或接近平行于该平面，另设目标在该平面的投影速度为v₀，探测单元1、2、3获取的过零点时刻分别为t₀₁、t₀₂、t₀₃，易知：

求解公式3，即可得到目标在该平面的投影的角度θ，之后以相同的方法可得到目标在另一平面的投影的角度，最终求得目标的立体角度。

上述计算并未考虑1、2、3共线的情形，但此情形与上述计算过程类似，因此不再赘述。

在实际应用中，上述方法的计算过程较为复杂，因此，在本发明优选实施例中，采用6个探测单元来进行探测。

图2示出了上述6个探测单元的分布状态，参见图2，6个探测单元分布在互相垂直的第一平面xoy与第二平面xoz。第一平面xoy包含第一探测单元11、第二探测单元12、第三探测单元13及第四探测单元14，四者组成第一四边形。第二平面xoz包含第三探测单元13、第四探测单元14、第五探测单元15及第六探测单元16，四者组成第二四边形。

另外，从第五探测单元15向第一平面xoy观察，第一探测单元11、第二探测单元12、第四探测单元14、第三探测单元13依次沿顺时针排列。从第一探测单元11向第二平面xoz观察，第三探测单元13、第四探测单元14、第六探测单元16、第五探测单元15依次沿顺时针排列。

显然，这种设计能够以类似于公式3的方式获取目标的立体角度，其具体计算过程此处不再赘述。

较佳地，为了降低成本，将探测单元设置为成本较低的无线电多普勒传感器。

无线电多普勒传感器的探测原理是：当飞行目标经过传感器时，由于飞行目标与传感器之间存在相对速度，因此产生多普勒频移。当飞行目标与传感器距离最近时，飞行目标与传感器间的相对速度为零，此时不会有多普勒频移。因此，当飞行目标在从接近传感器、到远离传感器的过程中，传感器的回波会出现“蓝移-无频移-红移”的变化特征。一般将上述“无频移”点出现的时刻记为过零点时刻。显然，过零点时刻标识飞行目标距离传感器最近时的时刻。在本发明的优选实施例中，即将无线电多普勒传感器回波信号无频移时的时刻作为过零点时刻。当多个无线电多普勒传感器布设在空间不同位置时，可以获得多个过零点时刻，利用上述多个过零点时刻能够对目标飞行轨迹的投影角度进行解算。较佳地，本发明采用430MHz无线电多普勒传感器，其探测距离能够达到1km。

上述计算方法中的四边形是任意设置，仍然不利于计算的简化。因此，在实际应用中，将上述第一四边形、第二四边形设置为边长为l的正方形以简化运算，提高探测精度。6个传感器的布置如图2所示，以第一四边形的中心为原点，以第三探测单元13、第四探测单元14的连线为x轴正向，以第四探测单元14、第二探测单元12的连线为y轴正向，以第四探测单元14、第六探测单元16的连线为z轴正向，则第一到第六探测单元几何中心的坐标为(-l/2，l/2，0)、(l/2，l/2，0)、(-l/2，-l/2，0)、(l/2，-l/2，0)、(-l/2，-l/2，l)、(l/2，-l/2，l)，目标飞行轨迹在第一平面xoy的投影与y轴正向的夹角为α，目标飞行轨迹在第二平面xoz的投影与z轴负向的夹角为β。

下面以第一平面xoy为例给出投影角度计算过程。图3为根据上述设置实现的第一平面xoy投影角度计算示意图，参见图3，O₁、O₂、O₃、O₄分别为第一探测单元到第四探测单元的几何中心。目标飞行轨迹在第一平面的投影为AB，M₁、M₂、M₃、M₄分别为O₁、O₂、O₃、O₄距离AB的最近点，第一探测单元到第四探测单元采集的过零点时刻为处于同一时间坐标的t₁、t₂、t₃、t₄，目标在第一平面xoy的投影速度为v_xoy。

由图3所示的几何关系易知：

求解上述方程组，可得：

以同样的方法，可以得到目标在第二平面xoz的投影角度β：

其中，t₅、t₆为第五探测单元15、第六探测单元16采集的过零点时刻。至此，实现了目标立体角度的探测。

通过上述过程，本发明通过6个无线电多普勒传感器实现了低慢小目标立体角度的精确探测，原理简单，易于实现，成本低廉，适于在工程应用中大面积推广。进一步，以类似的方式在目标的飞行区域布置多组无线电多普勒传感器，组成传感器网络，能够精确探测目标的全程立体角度，即可探测目标的飞行方向，为下一步的拦截、防范及监管提供数据支撑。

图4示出了本发明的基于无线电探测的低慢小目标立体角度探测系统，参见图4，其包括探测模块101与角度计算模块102。下边分别具体介绍：

探测模块101包含至少4个无线电多普勒传感器，布置在目标飞行区域下方互相垂直的两个平面，且两个平面中的每个平面至少包含3个无线电多普勒传感器。上述无线电多普勒传感器用于当目标逼近时，获取回波信号无频移时的时刻作为过零点时刻。

角度计算模块102用于根据每个无线电多普勒传感器获取的过零点时刻计算目标在上述两个平面的投影的角度。具体计算方法与前述公式3类似，此处不再详述。

在本发明优选实施例中，探测模块101包括分布在互相垂直的第一平面与第二平面的6个无线电多普勒传感器。

具体而言，第一无线电多普勒传感器、第二无线电多普勒传感器、第三无线电多普勒传感器、第四无线电多普勒传感器分布在第一平面，组成第一正方形。第三无线电多普勒传感器、第四无线电多普勒传感器、第五无线电多普勒传感器、第六无线电多普勒传感器分布在第二平面，组成与第一正方形边长相等的第二正方形。从第五无线电多普勒传感器向第一平面观察，第一无线电多普勒传感器、第二无线电多普勒传感器、第四无线电多普勒传感器、第三无线电多普勒传感器依次沿顺时针排列。从第一无线电多普勒传感器向第二平面观察，第三无线电多普勒传感器、第四无线电多普勒传感器、第六无线电多普勒传感器、第五无线电多普勒传感器依次沿顺时针排列。

作为一个优选方案，角度计算模块102利用公式4、公式5计算目标在第一平面、第二平面的投影角度：

其中，第四无线电多普勒传感器指向第二无线电多普勒传感器的方向为y轴正向，第四无线电多普勒传感器指向第六无线电多普勒传感器的方向为z轴正向，α为目标在第一平面的投影与y轴正向的夹角，β为目标在第二平面的投影与z轴负向的夹角，T₁、T₂、T₃、T₄、T₅、T₆分别为第一无线电多普勒传感器、第二无线电多普勒传感器、第三无线电多普勒传感器、第四无线电多普勒传感器、第五无线电多普勒传感器、第六无线电多普勒传感器获取的过零点时刻。

具体应用中，可以根据实际环境在楼顶、路灯顶端布置无线电多普勒传感器。同时，可以每隔一定距离布置一组探测模块，实现目标的全程监控。

本发明提供的基于无线电探测的低慢小目标立体角度探测方法及系统通过在楼顶、路灯等顶端布设多个低成本的无线电多普勒传感器组成传感器网络，便捷地对空中各种低慢小目标在两个平面的投影角度进行探测。当在防区内大量布设上述传感器网络时，能够较好地实现对低慢小目标的飞行方向的全程监测。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，如：ROM/RAM、磁碟、光盘等。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于无线电探测的低慢小目标立体角度探测方法，其特征在于，包括步骤：

S1.在目标飞行区域下方布置不少于4个探测单元，所述探测单元分布在互相垂直的两个平面，且每个平面至少包含3个探测单元；

S2.当目标逼近时，每个探测单元获取与目标最接近时的时刻，作为过零点时刻；

S3.根据每个探测单元获取的过零点时刻计算目标在所述两个平面的投影的角度；

其中，所述不少于4个探测单元具体为6个探测单元；以及

所述6个探测单元分布在互相垂直的第一平面与第二平面；第一平面包含6个探测单元中的、组成第一四边形的第一探测单元、第二探测单元、第三探测单元及第四探测单元，第二平面包含6个探测单元中的、组成第二四边形的第三探测单元、第四探测单元、第五探测单元及第六探测单元；其中，

从第五探测单元向第一平面观察，第一探测单元、第二探测单元、第四探测单元、第三探测单元依次沿顺时针排列；从第一探测单元向第二平面观察，第三探测单元、第四探测单元、第六探测单元、第五探测单元依次沿顺时针排列；

第一四边形与第二四边形为正方形；以及

所述方法还包括：以第三探测单元指向第四探测单元的方向作为x轴正向、第四探测单元指向第二探测单元的方向作为y轴正向、第四探测单元指向第六探测单元的方向作为z轴正向建立坐标系；

步骤S3具体为：根据每个探测单元获取的过零点时刻，利用公式1、公式2计算目标在第一平面、第二平面的投影的角度；

其中，α为目标在第一平面的投影与y轴正向的夹角，β为目标在第二平面的投影与z轴负向的夹角，t₁、t₂、t₃、t₄、t₅、t₆分别为第一探测单元、第二探测单元、第三探测单元、第四探测单元、第五探测单元、第六探测单元获取的过零点时刻。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，探测单元为无线电多普勒传感器。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：将无线电多普勒传感器回波信号无频移时的时刻作为过零点时刻。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：将无线电多普勒传感器布置在建筑物和/或路灯顶端。

5.一种基于无线电探测的低慢小目标立体角度探测系统，其特征在于，包括：

探测模块，其包含不少于4个无线电多普勒传感器，布置在目标飞行区域下方互相垂直的两个平面，所述两个平面中的每个平面至少包含3个无线电多普勒传感器；所述无线电多普勒传感器用于当目标逼近时，获取回波信号无频移时的时刻作为过零点时刻；

角度计算模块，用于根据每个无线电多普勒传感器获取的过零点时刻计算目标在所述两个平面的投影的角度；

其中，所述探测模块包括分布在互相垂直的第一平面与第二平面的6个无线电多普勒传感器；其中，

第一无线电多普勒传感器、第二无线电多普勒传感器、第三无线电多普勒传感器、第四无线电多普勒传感器分布在第一平面，组成第一正方形；

第三无线电多普勒传感器、第四无线电多普勒传感器、第五无线电多普勒传感器、第六无线电多普勒传感器分布在第二平面，组成第二正方形；

从第五无线电多普勒传感器向第一平面观察，第一无线电多普勒传感器、第二无线电多普勒传感器、第四无线电多普勒传感器、第三无线电多普勒传感器依次沿顺时针排列；从第一无线电多普勒传感器向第二平面观察，第三无线电多普勒传感器、第四无线电多普勒传感器、第六无线电多普勒传感器、第五无线电多普勒传感器依次沿顺时针排列；

所述根据每个无线电多普勒传感器获取的过零点时刻计算目标在所述两个平面的投影的角度具体为：

根据每个无线电多普勒传感器获取的过零点时刻，利用公式4、公式5计算目标在第一平面、第二平面的投影的角度；

其中，第四无线电多普勒传感器指向第二无线电多普勒传感器的方向为y轴正向，第四无线电多普勒传感器指向第六无线电多普勒传感器的方向为z轴正向，α为目标在第一平面的投影与y轴正向的夹角，β为目标在第二平面的投影与z轴负向的夹角，T₁、T₂、T₃、T₄、T₅、T₆分别为第一无线电多普勒传感器、第二无线电多普勒传感器、第三无线电多普勒传感器、第四无线电多普勒传感器、第五无线电多普勒传感器、第六无线电多普勒传感器获取的过零点时刻。