CN110261836B - 一种抑制由大型风力发电机叶片引起假目标的方法 - Google Patents

Abstract

本申请属于机载火控雷达领域，特别涉及一种抑制由大型风力发电机叶片引起假目标的方法，包括如下步骤：对载机雷达回波进行处理，得到频谱图；根据雷达回波信息，计算得到风机叶片转动回波的频率覆盖范围；在频谱图的每一个距离维上，且在风机叶片转动回波的频率覆盖范围内，进行雷达回波强度统计；根据雷达回波强度统计参数，判断是否受风力发电机转动叶片杂波干扰；在受到干扰时，在频谱图上，且风机叶片转动回波的频率覆盖范围内，进行频率维的盒式滤波。本申请的抑制由大型风力发电机叶片引起假目标的方法，能够有效抑制由大型风力发电机叶片引起的假目标，并且能够在抑制假目标的同时对真实目标回波进行保护。

Description

一种抑制由大型风力发电机叶片引起假目标的方法

技术领域

本申请属于机载火控雷达领域，特别涉及一种抑制由大型风力发电机叶片引起假目标的方法。

背景技术

随着机载有源相控阵雷达装备的使用，低高度、低速度目标已经能够被准确检测和稳定跟踪。然而自然环境中存在着来自陆地、海洋、天气、鸟群等雷达在进行低空目标搜索时不需要的连续杂波回波。当然也有例如电视塔、水塔、高压线铁塔、居民建筑物以及其他类似的结构产生的离散的杂波回波。杂波会严重干扰雷达正常的工作，强的杂波回波能够遮蔽所需目标的回波，使检测所需要的目标变得艰难，从而限制雷达的能力。

近些年来，世界各地越来越多的国家和地区进行大型风力发电机的建设。大型风力发电机在全球安装数量逐年提升，叶片设计也越来越长，现在最长的叶片已经达到几十米。叶片随风转动，机载雷达波束照射到叶片上会有很强的杂波回波，进而影响真实目标的检测。叶片回波在时域和频域上的分布主要取决于以下几个因素：

1)大型风力发电机的高度及安装位置；

2)大型风力发电机的数量和分布；

3)大型风力发电机叶片的转动朝向和转速；

4)大型风力发电机叶片长度、形状和后向散射特性；

5)载机雷达相关参数(波长、脉冲周期、波束指向等)。

由地面大型风力发电机转动的叶片产生的杂波，会干扰到机载雷达下视时对空中目标的检测。叶片的杂波回波在雷达回波频谱上产生很多假目标，占用雷达检测真实目标的资源，降低雷达跟踪真实目标的能力。

传统的机载火控雷达具有一些经典的抑制杂波引起的虚假目标技术，例如调整雷达天线的波束形式、降低雷达分辨单元大小，从而减小杂波的功率；在时域采用CFAR检测、杂波图来抑制杂波；在频域应用MTI、MTD技术，降低杂波的功率等，却无法解决由于地面大型风力发电机叶片转动而引起的假目标问题。

因此，需要发明一种抑制由大型风机叶片引起假目标的方法。

发明内容

为了解决上述技术问题至少之一，本申请提供了一种抑制由大型风力发电机叶片引起假目标的方法。

本申请公开了一种抑制由大型风力发电机叶片引起假目标的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、对载机雷达回波进行处理，得到频谱图；

步骤二、根据雷达回波信息，计算得到风机叶片转动回波的频率覆盖范围；

步骤三、在所述频谱图的每一个距离维上，且在所述风机叶片转动回波的频率覆盖范围内，进行雷达回波强度统计；

步骤四、根据雷达回波强度统计参数，判断是否受风力发电机转动叶片杂波干扰；在受到干扰时，进行步骤五；

步骤五、在所述频谱图上，且所述风机叶片转动回波的频率覆盖范围内，进行频率维的盒式滤波。

根据本申请的至少一个实施方式，在所述步骤五中，在进行频率维的盒式滤波之前还包括：

计算真实目标在所述频谱图中的位置坐标；其中

所述步骤五为：

在所述频谱图上，且所述风机叶片转动回波的频率覆盖范围内以及所述真实目标的位置坐标范围之外，进行频率维的盒式滤波。

根据本申请的至少一个实施方式，所述真实目标的位置坐标范围为[(r₀-r_T):(r₀+r_T)(f₀-f_T):(f₀+f_T)]，其中，(r₀,f₀)为真实目标中心坐标，r_T和f_T为距离维和频率维的保护范围阈值。

根据本申请的至少一个实施方式，在所述步骤二中，根据如下公式(4)、(5)计算得到叶片回波的负频率阈值f₁和正频率阈值f₂，从而得到风机叶片转动回波的频率覆盖范围：

其中，V_p为载机地速，L叶片长度为，M叶片每秒转圈数。

根据本申请的至少一个实施方式，在载机和风力发电机之间的连线上，叶片速度的投影有正和负，在步骤三中，对于正和负的速度，在每一个距离维上，在频率维[f₁ f_b1]或[f_b2 f₂]范围分别进行回波幅度特征统计。

根据本申请的至少一个实施方式，在所述步骤四中，是通过如下关系式(6)判断是否受风力发电机转动叶片杂波干扰：

Flag(r,f)＝1 if E(r,f)＞max(N_Loc(r,f)+Th₁,N_Fix+Th₂) (6)；

其中，E(r,f)为频谱上距离为r、频率为f的幅值；Th₁为局部噪声N_Loc的阈值，Th₂为固定噪声N_fix的阈值。

根据本申请的至少一个实施方式，所述局部噪声N_Loc如下公式(7)计算得到：

其中，N₁＞N₂，N₁表示局部噪声频率门检测范围；N₂表示局部噪声频率门保护范围。

根据本申请的至少一个实施方式，在所述步骤五中，进行频率维的盒式滤波的窗宽大于25。

本申请至少存在以下有益技术效果：

本申请的抑制由大型风力发电机叶片引起假目标的方法，能够有效抑制由大型风力发电机叶片引起的假目标，并且能够在抑制假目标的同时对真实目标回波进行保护。

附图说明

图1是由大型风力发电机叶片引起假目标态势图；

图2是特定距离维大型风力发电机叶片回波频谱图。

具体实施方式

为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本申请的实施例进行详细说明。

下面结合附图1-图2对本申请的抑制由大型风力发电机叶片引起假目标的方法进一步详细说明。

本申请公开了一种抑制由大型风力发电机叶片引起假目标的方法，能够在将叶片转动产生的回波平滑剔除掉的同时，对真实目标的回波进行保护，具体可以包括如下步骤：

步骤一、对载机雷达回波进行处理，得到频谱图。

其中，雷达回波通过多通道数据校准、脉冲压缩、快速傅里叶变换等过程，计算得到频谱信息。频谱的主杂波频率保护范围为[f_b1 f_b2]，雷达固有噪声为N_fix。

步骤二、根据雷达回波信息，计算得到风机叶片转动回波的频率覆盖范围。

具体地，根据雷达波形信息，分析风机叶片转动的特征，计算得到风机叶片转动回波的频率覆盖范围。由大型风力发电机叶片引起假目标态势如图1所示。假设叶片长度为L，每秒转M圈，则叶片的速度分布为：

v∈[-2πML 2πML] (1)；

载机地速为V_p，叶片相对载机的速度为：

V_pt＝V_p+V_t (2)；

对应的多普勒频率范围为：

大型风力发电机叶片的长度一般小于100米，相较于风力发电机和雷达的距离，叶片近似为一个物理点，叶片距离载机近似为一个定值。

结合公式(3)，转动叶片杂波在频谱上的特征为：与主杂波

相连接、距离维一定、频率维持续一定范围。大型风力发电机叶片回波频谱特征与理论分析结果一致。

如图2所示，根据如下公式(4)、(5)计算得到叶片回波的负频率阈值f₁和正频率阈值f₂，从而得到风机叶片转动回波的频率覆盖范围：

其中，V_p为载机地速，L叶片长度为，M叶片每秒转圈数。

步骤三、在频谱图的每一个距离维上，且在风机叶片转动回波的频率覆盖范围内，进行雷达回波强度统计。

具体地，在载机和风力发电机之间的连线上，叶片速度的投影有正和负；正的速度对应着叶片朝向载机的方向转动，在频谱上大于主杂波频率；负的速度对应着叶片背离载机的方向转动，在频谱上小于主杂波频率；在步骤三中，对于正和负的速度，在每一个距离维r上，在频率维[f₁ f_b1]或[f_b2 f₂]范围分别进行回波幅度特征统计。

步骤四、根据雷达回波强度统计参数，判断是否受风力发电机转动叶片杂波干扰(即是否有叶片回波)；在受到干扰时，进行步骤五。

具体地，大型风力发电机叶片强回波标志Flag为：

Flag(r,f)＝1 if E(r,f)＞max(N_Loc(r,f)+Th₁,N_Fix+Th₂) (6)；

其中，E(r,f)为频谱上距离为r，频率f为的幅值，Th₁为局部噪声N_Loc的阈值，Th₂为固定噪声N_fix的阈值。

频谱上的局部噪声N_Loc为：

其中N₁表示局部噪声频率门检测范围；N₂表示局部噪声频率门保护范围；N₁＞N₂，本实施例取N₁为32，N₂为3。

步骤五、在频谱图上，且风机叶片转动回波的频率覆盖范围内，进行频率维的盒式滤波。

具体地，对受到叶片回波干扰的区域进行盒式滤波修正，跟踪目标附近回波进行保护。f_T1和f_T2为最小和最大的检测到超过阈值的强回波点频率：

f_T1∈[f₁,f_b1) (8)；

f_T2∈(f_b2,f₂] (9)；

当距离为r、频率在[f_T1 f_b1]或者[f_b2 f_T2]范围内时，如果由Fg判定雷达受到叶片转动回波干扰，则对该区域进行盒式滤波。本实施例中，盒式滤波窗宽的设置大于25以防止滤波后仍被检测出目标。大型风机叶片回波特定距离频谱修正前和修正后的功率分布对比如图2所示。

进一步地，在步骤五中，在进行频率维的盒式滤波之前还包括计算真实目标(实际需要监测的目标)在频谱图中的位置坐标；其中，步骤五为：

在频谱图上，且风机叶片转动回波的频率覆盖范围内以及真实目标的位置坐标范围之外，进行频率维的盒式滤波。

其中，真实目标的位置坐标范围为[(r₀-r_T):(r₀+r_T)(f₀-f_T):(f₀+f_T)]，其中，(r₀,f₀)为真实目标中心坐标，r_T和f_T为距离维和频率维的保护范围阈值。

上述目的是，对上述真实目标的位置坐标范围内进行功率信号保护，以避免跟踪目标被错误地抑制掉(相当于对真实目标回波信息进行保留，以避免真实的目标的回波与风机转动叶片回波混叠在一起被滤波器过滤掉)。最后进行正常的CFAR目标检测，根据修正前的频谱图及强回波范围检测结果研究修正后的频谱图及强回波范围检测结果，设置合适的阈值；本发明创造能够有效抑制由大型风力发电机叶片引起假目标。

综上所述，本申请的抑制由大型风力发电机叶片引起假目标的方法，能够有效抑制由大型风力发电机叶片引起的假目标，并且能够在抑制假目标的同时对真实目标回波进行保护。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种抑制由大型风力发电机叶片引起假目标的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、对载机雷达回波进行处理，得到频谱图；

步骤二、根据雷达回波信息，计算得到风机叶片转动回波的频率覆盖范围；

在所述步骤二中，根据如下公式(4)、(5)计算得到叶片回波的负频率阈值f₁和正频率阈值f₂，从而得到风机叶片转动回波的频率覆盖范围：

其中，V_p为载机地速，L叶片长度为，M叶片每秒转圈数；

步骤三、在所述频谱图的每一个距离维上，且在所述风机叶片转动回波的频率覆盖范围内，进行雷达回波强度统计；

在载机和风力发电机之间的连线上，叶片速度的投影有正和负，在步骤三中，对于正和负的速度，在每一个距离维上，在频率维[f₁ f_b1]或[f_b2 f₂]范围分别进行回波幅度特征统计；

步骤四、根据雷达回波强度统计参数，判断是否受风力发电机转动叶片杂波干扰；在受到干扰时，进行步骤五；

步骤五、在所述频谱图上，且所述风机叶片转动回波的频率覆盖范围内，进行频率维的盒式滤波。

2.根据权利要求1所述的抑制由大型风力发电机叶片引起假目标的方法，其特征在于，在所述步骤五中，在进行频率维的盒式滤波之前还包括：

计算真实目标在所述频谱图中的位置坐标；其中

所述步骤五为：

在所述频谱图上，且所述风机叶片转动回波的频率覆盖范围内以及所述真实目标的位置坐标范围之外，进行频率维的盒式滤波。

3.根据权利要求2所述的抑制由大型风力发电机叶片引起假目标的方法，其特征在于，所述真实目标的位置坐标范围为[(r₀-r_T):(r₀+r_T)(f₀-f_T):(f₀+f_T)]，其中，(r₀,f₀)为真实目标中心坐标，r_T和f_T为距离维和频率维的保护范围阈值。

4.根据权利要求1所述的抑制由大型风力发电机叶片引起假目标的方法，其特征在于，在所述步骤四中，是通过如下关系式(6)判断是否受风力发电机转动叶片杂波干扰：

Flag(r,f)＝1 if E(r,f)＞max(N_Loc(r,f)+Th₁,N_Fix+Th₂) (6)；

其中，E(r,f)为频谱上距离为r、频率为f的幅值；Th₁为局部噪声N_Loc的阈值，Th₂为固定噪声N_fix的阈值。

5.根据权利要求4所述的抑制由大型风力发电机叶片引起假目标的方法，其特征在于，所述局部噪声N_Loc如下公式(7)计算得到：

其中，N₁＞N₂，N₁表示局部噪声频率门检测范围；N₂表示局部噪声频率门保护范围。

6.根据权利要求1所述的抑制由大型风力发电机叶片引起假目标的方法，其特征在于，在所述步骤五中，进行频率维的盒式滤波的窗宽大于25。

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