CN107329129B - 一种利用高压线回波特征点拟合高压线的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用高压线回波特征点拟合高压线的方法，主要解决现有技术不能直接在三维空间中将高压线回波特征点拟合成高压线的问题。其方法是：获取空间高压线回波特征点的参数，将特征点在水平方向进行投影和霍夫变换，求出投影直线；构建空间高压线特征方程，根据高压线回波特征点的最小值和对称轴得到特征方程第四、第三系数；由高压线回波特征点最小方差和求出特征方程的第一、第二系数；计算特征点在投影直线上的投影点到投影直线与y轴交点的距离；由特征点的参数和特征方程系数计算空间高压线的坐标及两端点坐标，绘制出高压线。本发明能根据高压线特征方程及特征点有效地绘制出三维空间中的高压线，保证飞行器安全飞行。

Description

一种利用高压线回波特征点拟合高压线的方法
技术领域
本发明属于雷达技术领域，特别涉及一种拟合高压线的方法，可用于机载防撞雷达。
背景技术
飞行器在低空飞行执行任务时，需要判断前方有无障碍物并及时绕开障碍物飞行。而高压线是一种对飞行安全有着巨大威胁的障碍，在飞行航路上如何利用雷达回波将探测到的高压线回波点实时的拟合成高压线是当下急需解决的问题。
现有技术中是通过高压线和高压线塔特有的回波特性对高压线回波特征点进行拟合，该方法主要是在二维空间上，其拟合出的高压线仅仅在平面上表现了高压线的走向，无法描述高压线的三维空间位置。而高压线的高度、三维空间中的分布情况对于飞行安全来说是至关重要的参数，缺少这些参数，就无法精确且直观的在飞行过程中对高压线告警，影响飞行器的飞行安全。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，利用高压线回波特征点拟合高压线的方法，快速得出高压线特征方程，拟合出高压线，在飞行器飞行过程中实时给出高压线告警，保证飞行器安全飞行。
为实现上述目的，本发明的技术方案包括如下：
1)从雷达接收机获取雷达的回波信息，经过信号处理获得高压线回波所有特征点P的参数，包括x方向坐标Px、y方向坐标Py、z方向坐标Pz和特征点的回波强度PAmp；
2)对高压线回波特征点P参数中的x方向坐标Px、y方向坐标Py和回波强度PAmp进行霍夫变换，得到直线方程y＝k·x+b，其中k为斜率，k＝-cosθ0/sinθ0，b为截距，b＝r0/sinθ0，r0和θ0表示在霍夫空间取得极大值点对应的坐标；
3)根据已知的平面高压线特征方程，构建空间高压线特征方程为：
其中k和b分别表示直线方程的斜率和截距，Px和Py分别表示特征点在x方向和y方向的坐标值，a1表示双曲余弦函数开口的大小，a2表示双曲余弦函数开口的幅度，a3表示双曲余弦函数的对称轴，a4表示双曲余弦函数的最小值，z表示高压线特征方程在z方向的坐标值；
4)求空间高压线特征方程中的四个系数a1，a2，a3，a4：
4a)根据高压线回波特征点P参数中z方向坐标Pz的值，求z方向坐标Pz的最小值，则该最小值为三维高压线特征方程的第四系数a4；
4b)在z坐标Pz等于最小值的高压线回波特征点P中，根据如下公式和特征点P的相关参数x坐标Px、y坐标Py、回波强度PAmp以及直线方程的系数k和b，求出空间高压线特征方程的第三系数a3：
其中，表示高压线回波特征点在x方向的对称轴，
表示高压线回波特征点在y方向的对称轴；
4c)求空间高压线特征方程的a1系数和a2系数：根据空间高压线特征方程系数的取值范围，得到a1系数的取值序列a1[i]＝i×0.001,i∈[0,64]和a2系数的取值序列a2[j]＝j×0.01,j∈[0,64]，对于a1系数取值序列中的每个值和a2系数取值序列的每个值，求出每一个高压线回波点(Px,Py)的方差和∑Pmse(a1[i],a2[j])，则最小方差和对应的a1[i]系数和a2[j]系数分别为空间高压线特征方程的第一系数a1和第二系数a2；
5)求空间高压线的两个端点坐标：
5a)根据公式和平面上要拟合的点(Px,Py)，求得高压线特征方程x方向坐标值的最小值和最大值，该最小值和最大值分别表示高压线端点在x方向的起始值xstart和终止值xend，并记录当x方向的坐标值为起始值时所对应的拟合点为(Pxs,Pys)和为终止值时对应的拟合点为(Pxe,Pye)；
5b)将(Pxs,Pys)和(Pxe,Pye)带入公式中，计算y方向的起始值ystart和终止值yend；
5c)将(Pxs,Pys)和(Pxe,Pye)以及高压线特征方程的四个系数a1，a2，a3和a4带入步骤3)的特征方程中，计算z方向的起始值zstart和终止值zend，由此得到高压线端点坐标(xstart,ystart,zstart)和(xend,yend,zend)；
6)将平面上要拟合的所有特征点(Px,Py)带入公式和分别计算出要拟合的点在x方向和y方向坐标值，再将平面上要拟合的所有特征点(Px,Py)和高压线特征方程的四个系数a1，a2，a3和a4带入高压线特征方程计算出要拟合的点在z方向上的坐标值，得到高压线的空间坐标(x,y,z)；
7)在三维空间中用平滑的曲线将空间坐标(x,y,z)与两个端点坐标(xstart,ystart,zstart)和(xend,yend,zend)进行连接，绘制出高压线。
本发明由于在飞行器的飞行过程中利用雷达回波将探测到的高压线回波点实时的拟合成三维空间中的高压线，不但能够准确反映出高压线的走向，还能够准确直观的反映出高压线在空间中的高度和位置信息，并进行告警，提高了高压线拟合方法的准确性和实时性，减少误判条件，提高飞行器飞行的安全性。
附图说明
图1为本发明的实现流程图；
图2为本发明中的高压线特征方程拟合图。
具体实施方式
参照图1，本发明的实现步骤如下：
步骤1，获取雷达回波特征点的参数。
雷达发射的信号遇到山体和高压线后会反射回波信号，从雷达接收机获取雷达反射的高压线回波信号，经过下变频，滤波，脉冲压缩，脉冲积累，恒虚警和目标分类处理，获得高压线回波所有特征点P的参数，包括x坐标Px、y坐标Py、z坐标Pz和回波强度PAmp。
步骤2，对高压线回波特征点进行霍夫变换得到投影直线。
(2a)在极坐标下用θ和r这两个参数表示直线，其中θ是直线与x轴的夹角，r是原点到直线的距离，θ的取值范围为[0,π]；
(2b)将[0,π]划分为256个区间，这些区间的角度用θj表示，θj＝π·j/256，0≤j≤255；
(2c)将根据θj、x方向坐标Px和y方向坐标Py，计算原点到直线的距离rj：
rj＝Px·cosθj+Py·sinθj；
(2d)对所有属于参数θj和rj的特征点的回波强度PAmp进行累加，求出所有累加值中的最大值，则该最大值所对应的θj和rj即是所求直线的极坐标参数，用(r0,θ0)表示；
(2e)根据极坐标下的直线参数(r0,θ0)计算出特征点在直角坐标下水平投影直线的斜率k和截距b，k＝-cosθ0/sinθ0，b＝r0/sinθ0，得到直线方程y＝k·x+b。
步骤3，构建高压线特征方程。
(3a)设空间中的特征点(Px,Py,Pz)在水平面的投影点坐标为(Px,Py)；
(3b)设(Px,Py)在直线y＝k·x+b的投影坐标为(x0,y0)，由点(Px,Py)和(x0,y0)确定的直线另一条直线的斜率为k1＝(Py-y0)/(Px-x0)，且这两条直线垂直相交于点(x0,y0)；
(3c)根据步骤(3b)所述两条直线垂直相交于点(x0,y0)的特性，得到
(3d)根据点(x0,y0)属于直线y＝k·x+b的属性，得到y0＝k·x0+b；
(3e)将步骤(3b)，(3c)和(3d)的结果联立，得到方程组
求解该方程组，得出(Px,Py)在直线y＝k·x+b的投影坐标为(x0,y0)，即交点坐标(x0,y0)：
由计算出的交点坐标(x0,y0)得到空间中的点在直线上的投影(x0,y0)到直线与y轴交点(0,b)的距离d：
(3f)根据平面高压线特征方程l＝a1·cosh(a2(d1+a3))+a4和步骤3c)中的距离d，得到空间中的高压线特征方程为：
其中,d1表示平面上的特征点在直线上的投影到直线与y轴交点的距离，l表示平面高压线特征方程在竖直方向的值。
步骤4，求高压线特征方程的四个系数a1，a2，a3和a4。
(4a)根据高压线回波特征点P参数中z方向坐标Pz的值，求z方向坐标Pz的最小值，则该最小值为三维高压线特征方程的第四系数a4；
(4b)在z坐标Pz等于最小值的高压线回波特征点P中，根据如下公式和特征点P的相关参数x坐标Px、y坐标Py、回波强度PAmp以及直线方程的系数k和b，求出空间高压线特征方程的第三系数a3：
其中，表示高压线回波特征点在x方向的对称轴，
表示高压线回波特征点在y方向的对称轴；
(4c)求空间高压线特征方程的a1系数和a2系数：
根据空间高压线特征方程系数的取值范围，得到a1系数的取值序列a1[i]＝i×0.001,i∈[0,64]和a2系数的取值序列a2[j]＝j×0.01,j∈[0,64]；
对于a1系数取值序列中的每个值和a2系数取值序列的每个值，求出在a1[i]系数和a2[j]系数下的每一个高压线回波点(Px,Py)的方差和∑Pmse(a1[i],a2[j])；
则最小方差和对应的a1[i]系数和a2[j]系数分别为空间高压线特征方程的第一系数a1和第二系数a2。
步骤5，求空间高压线的两个端点坐标。
(5a)根据公式和平面上要拟合的点(Px,Py)，求得高压线特征方程x方向坐标值的最小值和最大值，该最小值和最大值分别表示高压线端点在x方向的起始值xstart和终止值xend，并记录当x方向的坐标值为起始值时所对应的拟合点为(Pxs,Pys)和为终止值时对应的拟合点为(Pxe,Pye)；
(5b)将(Pxs,Pys)和(Pxe,Pye)带入公式中，计算y方向的起始值ystart和终止值yend；
(5c)将(Pxs,Pys)和(Pxe,Pye)以及高压线特征方程的四个系数a1，a2，a3和a4带入特征方程中，计算z方向的起始值zstart和终止值zend，由此得到高压线端点坐标(xstart,ystart,zstart)和(xend,yend,zend)。
步骤6，求高压线空间坐标。
(6a)将平面上要拟合的所有特征点(Px,Py)带入公式和分别计算出要拟合的点在x方向和y方向坐标值；
(6b)将平面上要拟合的所有特征点(Px,Py)和高压线特征方程的四个系数a1，a2，a3和a4带入计算出要拟合的点在z方向上的坐标值，得到高压线的空间坐标(x,y,z)。
步骤7，绘制三维空间的高压线。
在三维空间中，按x方向坐标从小到大的顺序，用平滑的曲线将高压线所有的空间坐标(x,y,z)与两个端点坐标(xstart,ystart,zstart)和(xend,yend,zend)进行连接，绘制出高压线，结果如图2。
从图2可以直观的看到，本发明在三维空间中能准确地拟合出飞行航路上高压线的形状、走向以及在空间中的位置，在飞行器飞行过程中，根据高压线的形状，高度和所处的空间位置，及时向飞行员告警，使飞行器能够绕开障碍物安全飞行。
以上描述仅是本发明的一个具体实例，不构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (3)

1.一种利用高压线回波特征点拟合高压线的方法，包括：
1)从雷达接收机获取雷达的回波信息，经过信号处理获得高压线回波所有特征点P的参数，包括x方向坐标Px、y方向坐标Py、z方向坐标Pz和特征点的回波强度PAmp；
2)对高压线回波特征点P参数中的x方向坐标Px、y方向坐标Py和回波强度PAmp进行霍夫变换，得到直线方程y＝k·x+b，其中k为斜率，k＝-cosθ0/sinθ0，b为截距，b＝r0/sinθ0，r0和θ0表示在霍夫空间取得极大值点对应的坐标；
3)根据已知的平面高压线特征方程，构建空间高压线特征方程为：
其中k和b分别表示直线方程的斜率和截距，Px和Py分别表示特征点在x方向和y方向的坐标值，a1表示双曲余弦函数开口的大小，a2表示双曲余弦函数开口的幅度，a3表示双曲余弦函数的对称轴，a4表示双曲余弦函数的最小值，z表示高压线特征方程在z方向的坐标值；
4)求空间高压线特征方程中的四个系数a1，a2，a3和a4：
4a)根据高压线回波特征点P参数中z方向坐标Pz的值，求z方向坐标Pz的最小值，则该最小值为三维高压线特征方程的第四系数a4；
4b)在z坐标Pz等于最小值的高压线回波特征点P中，根据如下公式和特征点P的相关参数x坐标Px、y坐标Py、回波强度PAmp以及直线方程的系数k和b，求出空间高压线特征方程的第三系数a3：
其中，表示高压线回波特征点在x方向的对称轴，
表示高压线回波特征点在y方向的对称轴；
4c)求空间高压线特征方程的a1系数和a2系数：根据空间高压线特征方程系数的取值范围，得到a1系数的取值序列a1[i]＝i×0.001,i∈[0,64]和a2系数的取值序列a2[j]＝j×0.01,j∈[0,64]，对于a1系数取值序列中的每个值和a2系数取值序列的每个值，求出每一个高压线回波点(Px,Py)的方差和∑Pmse(a1[i],a2[j])，则最小方差和对应的a1[i]系数和a2[j]系数分别为空间高压线特征方程的第一系数a1和第二系数a2；
5)求空间高压线的两个端点坐标：
5a)根据公式和平面上要拟合的点(Px,Py)，求得高压线特征方程x方向坐标值的最小值和最大值，该最小值和最大值分别表示高压线端点在x方向的起始值xstart和终止值xend，并记录当x方向的坐标值为起始值时所对应的拟合点为(Pxs,Pys)和为终止值时对应的拟合点为(Pxe,Pye)；
5b)将(Pxs,Pys)和(Pxe,Pye)带入公式中，计算y方向的起始值ystart和终止值yend；
5c)将(Pxs,Pys)和(Pxe,Pye)以及高压线特征方程的四个系数a1，a2，a3和a4带入步骤3)的特征方程中，计算z方向的起始值zstart和终止值zend，由此得到高压线端点坐标(xstart,ystart,zstart)和(xend,yend,zend)；
6)将平面上要拟合的所有特征点(Px,Py)带入公式和分别计算出要拟合的点在x方向和y方向坐标值，再将平面上要拟合的所有特征点(Px,Py)和高压线特征方程的四个系数a1，a2，a3和a4带入计算出要拟合的点在z方向上的坐标值，得到高压线的空间坐标(x,y,z)；
7)在三维空间中用平滑的曲线将空间坐标(x,y,z)与两个端点坐标(xstart,ystart,zstart)和(xend,yend,zend)进行连接，绘制出高压线。
2.根据权利要求1所述的方法，其中步骤2)中对高压线回波特征点P参数中的x方向坐标Px、y方向坐标Py和回波强度PAmp进行霍夫变换，按如下步骤进行：
2a)在极坐标下用θ和r这两个参数表示直线，其中θ是直线与x轴的夹角，r是原点到直线的距离，θ的取值范围为[0,π]；
2b)将[0,π]划分为256个区间，这些区间的角度用θj表示，θj＝π·j/256，0≤j≤255；
2c)将根据θj、x方向坐标Px和y方向坐标Py，计算原点到直线的距离rj：rj＝Px·cosθj+Py·sinθj；
2d)对所有属于参数θj和rj的特征点的回波强度PAmp进行累加，求出所有累加值中的最大值，则该最大值所对应的θj和rj即是所求直线的极坐标参数，用(r0,θ0)表示；
2e)根据(r0,θ0)计算出特征点在水平面的投影直线的斜率k和截距b，k＝-cosθ0/sinθ0，b＝r0/sinθ0，得到直线方程y＝k·x+b。
3.根据权利要求1所述的方法，其中步骤3)中根据已知的平面高压线特征方程，构建空间高压线特征方程，按如下步骤进行：
3a)设空间中的特征点(Px,Py,Pz)在水平面的投影点坐标为(Px,Py)；
3b)设(Px,Py)在直线y＝k·x+b的投影坐标为(x0,y0)，由点(Px,Py)和(x0,y0)确定的直线的斜率为k1＝(Py-y0)/(Px-x0)，且这两条直线垂直相交于点(x0,y0)；
3c)根据步骤3b)所述两条直线垂直相交于点(x0,y0)的特性，得到
3d)根据点(x0,y0)属于直线y＝k·x+b的属性，得到y0＝k·x0+b；
3e)解方程组求出其交点的坐标(x0,y0)，即：
由计算出的交点坐标(x0,y0)计算得到空间中的点在直线上的投影(x0,y0)到直线与y轴交点(0,b)的距离d：
3f)根据平面高压线特征方程l＝a1·cosh(a2(d1+a3))+a4和步骤3e )中的距离d，得到空间中的高压线特征方程为：
其中，a1表示双曲余弦函数曲线开口的大小，a2表示双曲余弦函数曲线开口的幅度，a3表示双曲余弦函数曲线的对称轴，a4表示双曲余弦函数曲线的最小值，d1表示平面上的特征点在直线上的投影到直线与y轴交点的距离矢量，l表示平面高压线特征方程在竖直方向的值。
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