CN110531334A - 一种雷达回波方位偏移的自修正方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种雷达回波方位偏移的自修正方法，包括步骤1，构建雷达回波方位的自动修正特征库；步骤2，统计实时特征信息；步骤3，方位修正判决；步骤4，方位自动修正；步骤41，记录末次特征信息；步骤42，方位偏移量搜索；步骤43，方位修正的终判；步骤44，方位自动修正：将步骤1构建的雷达回波方位自动修正特征库，按照步骤43中的方位角度进行校准更新，得到更新后的雷达回波方位自动修正特征库。本发明能对雷达视频回波是否发生方位偏移进行准确判断，在发现系统雷达视频回波出现方位偏移后，能够自动进行方位修正。实现了在雷达出现方位码异常的故障后能够无人值守，自动恢复。

Description

一种雷达回波方位偏移的自修正方法
技术领域
本发明涉及雷达信号处理技术领域，特别是一种雷达回波方位偏移的自修正方法。
背景技术
目前，大部分船舶在进行违法犯罪活动时，往往都会选择在夜间进行，并且会关闭AIS设备，减少被监管部门发现的概率，但是这些行为都逃脱不了雷达的“眼睛”，雷达是船舶交通服务系统(Vessel Traffic Service System，简称VTS)对水上船舶实施监管的重要手段，为VTS系统实现全天候全天时监管起到了重要作用。但雷达设备造价昂贵，其使用寿命往往高于配套的VTS系统，在VTS项目改扩建工程中,往往都是对已有雷达设备进行利旧。随着时间的推移，雷达设备出现故障的概率在逐渐增高，国内大部分VTS系统的雷达设备都是由外国公司提供，大多可能已经不在设备保修期内，设备更换的及时性很难得到保障。
在部分VTS系统中，当雷达方位出现编码异常情况时，将会导致VTS交管的雷达回波与物标严重偏离。目前的处理方法是：在出现雷达回波方位偏移时，由维保人员手动调整雷达的方位偏移量来解决。然而，雷达视频方位会不定时出现偏移，若这种情况发生在非正常工作时间段内，维保人员很难及时到位，严重影响了VTS用户的正常值班，给VTS交通监管造成了很大干扰。
针对这种特殊情况，需要一种能够对雷达回波是否发生方位偏移进行准确判断，并且自动进行方位修正的处理方法，使系统更加智能化，更好的服务于用户。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种雷达回波方位偏移的自修正方法，该雷达回波方位偏移的自修正方法根据初始设定的方位校正特征区对雷达回波是否发生方位偏移进行准确判断，在发现系统雷达回波出现方位偏移后，能够自动进行方位修正的处理方法，使系统更加智能化，更好的服务于用户。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种雷达回波方位偏移的自修正方法，包括如下步骤。
步骤1，构建雷达回波方位的自动修正特征库，具体包括如下步骤。
步骤11，获取物标的点迹雷达回波：将获取的雷达原始回波进行数据处理，得到物标的点迹雷达回波。
步骤12，方位偏移量校准，根据外部信息系统中物标的真实位置，对步骤11中物标在雷达回波中的方位进行校准；此处校准的方位偏差量称为初始方位偏差量。
步骤13，选取特征物标回波：从步骤11的物标点迹雷达回波中，选取其中一个物标点迹雷达回波作为特征物标回波。
步骤14，绘制方位校正特征区：针对步骤13选取的特征物标回波，绘制其多边形的外形轮廓，绘制后的多边形外形轮廓及内部区域，即为方位校正特征区。
步骤15，计算初始特征信息均值Kbase：连续扫描N个雷达扫描周期，N为不小于10的正整数，每个雷达扫描周期均统计一次落入方位校正特征区内的点迹雷达回波，统计结果记为初始特征信息，则初始特征信息均值Kbase采用如下公式进行计算：
式中，Ki为第i个雷达扫描周期统计的特征信息；其中，i＝0,1,2……N。
步骤16，存储方位校正特征区信息：将方位校正特征区信息存储在VTS系统中，方位校正特征区信息包括步骤14绘制的方位校正特征区的位置信息、步骤12校准的初始方位偏差量信息和步骤15统计的初始特征信息及初始特征信息均值Kbase。
步骤2，统计实时特征信息：实时统计方位校正特征区的特征信息，将连续M个雷达扫描周期的实时特征信息均值Kwnd作为一个窗口特征样本，其中，M＝3～10，按照设定间隔时间输出一个Kwnd进行定时监测；实时特征信息均值Kwnd的计算公式为：
其中，Kj为第j个雷达扫描周期统计的实时特征信息；其中，j＝0,1,2……M。
步骤3，方位修正判决，具体包括如下步骤：
步骤31，方位修正初判：将步骤2统计的实时特征信息均值Kwnd与步骤15计算的初始特征信息均值Kbase进行比较，并按照如下公式进行初判：
(1-ε)·Kbase≤Kwnd≤(1+ε)·Kbase
式中，ε为抗干扰因子，取值为0.01～0.1。
步骤32，方位修正二次判决：当步骤31的初判结果为符合时，返回步骤2；当步骤31的初判结果为不符合时，记为事件A；当事件A的连续发生次数≥P次时，P＝3～10，则判定需要对步骤1构建的雷达回波方位自动修正特征库进行方位修正与更新；否则，返回步骤2；
步骤4，方位自动修正，包括如下步骤：
步骤41，记录末次特征信息：当步骤32判决为需要对雷达回波方位自动修正特征库进行更新时，记录最后一次统计的实时特征信息，并记为末次特征信息Kα，此时对应的方位偏移量记为α。
步骤42，方位偏移量搜索：将整个雷达扫描周期沿周向均匀分为n+1个方位，分别为0,1,2……k……n；其中第n号对应的方位角度为360°，第0号对应的方位角度为0°，相邻两个方位间的方位偏移量为360°/(n+1)；然后，依次按照360°/(n+1)的方位偏移量对整个雷达扫描周期进行搜索校正，校正后得到n+1个校正特征信息，依次记录为K0、K1、K2……Kk……Kn；其中，n不小于719，k＝0、1、2……n。
步骤43，方位修正的终判：当n+1个校正特征信息中存在一个校正特征信息KAzi满足如下条件时，则校正特征信息KAzi对应的方位角度Azi即为需更新的雷达回波方位偏移量。
KAzi＝max(K0，K1，K2……Kk……Kn)且KAzi＞(1+ε)·Kα
式中，ε为抗干扰因子，取值为0.01～0.1。
否则，返回步骤2。
步骤44，方位自动修正：将步骤1构建的雷达回波方位自动修正特征库，按照步骤43中的方位角度Azi进行校准更新，得到更新后的雷达回波方位自动修正特征库；并将方位偏移量Azi和校正特征信息KAzi存储至更新后的雷达回波方位自动修正特征库中。
步骤12中，方位偏移量校准，具体包括如下步骤：
步骤12a，固定物标选择：从步骤11中获取的物标点迹视频回波中选择2-3个固定物标，并记录每个固定物标在雷达回波中的方位。
步骤12b，固定物标真实位置获取：从外部信息系统中，获取步骤12a中所选择的每个固定物标的真实位置。
步骤12c，校准：将步骤12a中每个固定物标在雷达回波中的方位与步骤12b中获取的对应固定物标的真实位置进行对比，获得雷达回波的方位偏移量；根据雷达回波的方位偏移量，调整所有物标以及雷达回波的位置，并使所有物标及其雷达回波重合对齐。
步骤13中，特征物标回波在选取时需同时满足(a)～(d)四项条件：(a)特征物标回波与雷达站之间的距离为0.2d-0.6d，其中，d为雷达的辐射半径；(b)特征物标回波的外形轮廓为多边形；(c)特征物标为固定物标；(d)在与特征物标回波同距离的其他方位上不能存在类似的物标回波。
步骤16中，方位校正特征区的存储结构采用雷达回波类似的结构，包括方位，距离起始偏移量和终止偏移量。
步骤31和步骤43中的ε均取0.01～0.1，能避免VTS系统因物标晃动或遮挡的偶然扰动对方位修正判定结果的影响。
步骤2中，M＝5；步骤32中，P＝5。
步骤42中，n＝4095。
本发明具有如下有益效果：本发明能对雷达视频回波是否发生方位偏移进行准确判断，在发现系统雷达视频回波出现方位偏移后，能够自动进行方位修正。实现了在雷达出现方位码异常的故障后能够无人值守，自动恢复。
附图说明
图1显示了本发明一种雷达回波方位偏移的自修正方法的流程示意图。
图2显示了本发明中雷达回波方位的自动修正特征库的构建流程图。
图3显示了本发明中特征物标回波的选取条件示意图。
图4显示了本发明中雷达回波方位偏移的自动修正过程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。
如图1所示，一种雷达回波方位偏移的自修正方法，包括如下步骤。
步骤1，构建雷达回波方位的自动修正特征库，如图2所示，具体包括如下步骤。
步骤11，获取物标的点迹雷达回波：VTS系统接入雷达原始回波视频数据，经过信号处理或杂波抑制等处理过程后，得到物标的点迹雷达回波。
此时，得到的物标点迹雷达回波，包括船舶、漂浮物、浮筒、灯塔、码头、桥梁、建筑物等。其中，船舶、漂浮物、浮筒等为动态物标，灯塔、码头、桥梁、建筑物等则为固定物标。
步骤12，方位偏移量校准，根据外部信息系统中物标的真实位置，对步骤11中物标在雷达回波中的方位进行校准；此处校准的方位偏差量称为初始方位偏差量。
方位偏移量校准，具体优先包括如下步骤：
步骤12a，固定物标选择：从步骤11中获取的物标点迹视频回波中选择2-3个固定物标，并记录每个固定物标在雷达回波中的方位。
步骤12b，固定物标真实位置获取：从外部信息系统中，获取步骤12a中所选择的每个固定物标的真实位置。外部信息系统优先为电子海(江)图、AIS或GPS等，能够较为准确反映物标的真实位置。
步骤12c，校准：将步骤12a中每个固定物标在雷达回波中的方位与步骤12b中获取的对应固定物标的真实位置进行对比，获得雷达回波的方位偏移量；根据雷达回波的方位偏移量，可以采用手动的方式，调整所有物标以及雷达回波的位置，并使所有物标及其雷达回波重合对齐。
步骤13，选取特征物标回波：从步骤11的物标点迹雷达回波中，选取其中一个具有明显特征的物标点迹雷达回波作为特征物标回波。其中的明显特征是指雷达视频回波信号强、稳定并且具有一定特征，一般选取桥梁、码头、堤坝等。
此步骤13中，特征物标回波在选取时优先需同时满足(a)～(d)四项条件：
(a)特征物标回波与雷达站之间的距离为0.2d-0.6d，其中，d为雷达的辐射半径。选取的特征物标回波应尽量选取远离雷达站的特征物标，特征物标距离雷达站越远，系统对雷达视频回波的方位偏移越敏感。然而，距离太远，雷达信号弱。
(b)特征物标回波的外形轮廓为多边形。如本发明中的V形、弧形等。
(c)特征物标为固定物标，如桥梁、码头、堤坝等。
(d)在与特征物标回波同距离的其他方位上不能存在类似的物标回波。
具体选取方法，如图3所示，在图3中，(a)图中，因同心圆环中有类似的特征物标，不符合(d)项条件，故而不能作为特征物标回波。(b)图中，因特征物标与雷达站距离过近，不符合(a)项条件，故而不能作为特征物标回波。(c)图中，因特征物标的外形轮廓为圆形，不符合(b)项条件，故而不能作为特征物标回波。在(d)图中，特征物标符合(a)～(d)四项条件，故而选择作为本发明的特征物标回波。
步骤14，绘制方位校正特征区：针对步骤13选取的特征物标回波，绘制其多边形的外形轮廓，绘制后的多边形外形轮廓及内部区域，即为方位校正特征区。
步骤15，计算初始特征信息均值Kbase：连续扫描N个雷达扫描周期，N为不小于10的正整数，每个雷达扫描周期均统计一次落入方位校正特征区内的点迹雷达回波，统计结果记为初始特征信息，则初始特征信息均值Kbase采用如下公式进行计算：
式中，Ki为第i个雷达扫描周期统计的特征信息；其中，i＝0,1,2……N。
步骤16，存储方位校正特征区信息：将方位校正特征区信息存储在VTS系统中，方位校正特征区信息包括步骤14绘制的方位校正特征区的位置信息、步骤12校准的初始方位偏差量信息和步骤15统计的初始特征信息及初始特征信息均值Kbase。方位校正特征区的存储结构优先采用雷达回波类似的结构，包括方位、距离起始偏移量和终止偏移量等。
步骤2，统计实时特征信息：实时统计方位校正特征区的特征信息，将连续M个雷达扫描周期的实时特征信息均值Kwnd作为一个窗口特征样本，其中，M＝3～10，优选等于5；按照设定间隔时间输出一个Kwnd进行定时监测；实时特征信息均值Kwnd的计算公式为：
其中，Kj为第j个雷达扫描周期统计的实时特征信息；其中，j＝0,1,2……M。
步骤3，方位修正判决，具体包括如下步骤：
步骤31，方位修正初判：将步骤2统计的实时特征信息均值Kwnd与步骤15计算的初始特征信息均值Kbase进行比较，并按照如下公式进行初判：
(1-ε)·Kbase≤Kwnd≤(1+ε)·Kbase
式中，ε为抗干扰因子，取值为0.01～0.1，取值越小，对外部扰动越敏感。本发明中，ε优选取0.01～0.1，能避免VTS系统因物标晃动或遮挡的偶然扰动对方位修正判定结果的影响。
步骤32，方位修正二次判决：当步骤31的初判结果为符合时，返回步骤2；当步骤31的初判结果为不符合时，记为事件A；当事件A的连续发生次数≥P次时，P＝3～10，进一步优选为5，则判定需要对步骤1构建的雷达回波方位自动修正特征库进行方位修正与更新；否则，返回步骤2。
步骤4，方位自动修正，如图4所示，包括如下步骤。
步骤41，记录末次特征信息：当步骤32判决为需要对雷达回波方位自动修正特征库进行更新时，记录最后一次统计的实时特征信息，并记为末次特征信息Kα，此时对应的方位偏移量记为α。
步骤42，方位偏移量搜索。
先将整个雷达扫描周期沿周向均匀分为n+1个方位，分别为0,1,2……k……n；其中第n号对应的方位角度为360°，第0号对应的方位角度为0°，相邻两个方位间的方位偏移量为360°/(n+1)。
然后，依次按照360°/(n+1)的方位偏移量对整个雷达扫描周期进行搜索校正，校正后得到n+1个校正特征信息，依次记录为K0、K1、K2……Kk……Kn；其中，n不小于719，优选取4095。k＝0、1、2……n。
步骤43，方位修正的终判：当n+1个校正特征信息中存在一个校正特征信息KAzi满足如下条件时，则校正特征信息KAzi对应的方位角度Azi即为需更新的雷达回波方位偏移量。
KAzi＝max(K0，K1，K2……Kk……Kn)且KAzi＞(1+ε)·Kα
式中，ε为抗干扰因子，取值为0.01～0.1。取值越小，对外部扰动越敏感。本发明中，ε优选取0.01～0.1，能避免VTS系统因物标晃动或遮挡的偶然扰动对方位修正判定结果的影响。当特征信息库产生变动后，不一定意味着一定产生了新的雷达视频回波方位偏移，如信号变弱等，因而，增加方位修正的终判，从而信号变弱等导致的误判。
否则，返回步骤2。
步骤44，方位自动修正：将步骤1构建的雷达回波方位自动修正特征库，按照步骤43中的方位角度Azi进行校准更新，得到更新后的雷达回波方位自动修正特征库；并将方位偏移量Azi和校正特征信息KAzi存储至更新后的雷达回波方位自动修正特征库中。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种雷达回波方位偏移的自修正方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1，构建雷达回波方位的自动修正特征库，具体包括如下步骤：
步骤11，获取物标的点迹雷达回波：将获取的雷达原始回波进行数据处理，得到物标的点迹雷达回波；
步骤12，方位偏移量校准，根据外部信息系统中物标的真实位置，对步骤11中物标在雷达回波中的方位进行校准；此处校准的方位偏差量称为初始方位偏差量；
步骤13，选取特征物标回波：从步骤11的物标点迹雷达回波中，选取其中一个物标点迹雷达回波作为特征物标回波；
步骤14，绘制方位校正特征区：针对步骤13选取的特征物标回波，绘制其多边形的外形轮廓，绘制后的多边形外形轮廓及内部区域，即为方位校正特征区；
步骤15，计算初始特征信息均值Kbase：连续扫描N个雷达扫描周期，N为不小于10的正整数，每个雷达扫描周期均统计一次落入方位校正特征区内的点迹雷达回波，统计结果记为初始特征信息，则初始特征信息均值Kbase采用如下公式进行计算：
式中，Ki为第i个雷达扫描周期统计的特征信息；其中，i＝0,1,2……N；
步骤16，存储方位校正特征区信息：将方位校正特征区信息存储在VTS系统中，方位校正特征区信息包括步骤14绘制的方位校正特征区的位置信息、步骤12校准的初始方位偏差量信息和步骤15统计的初始特征信息及初始特征信息均值Kbase；
步骤2，统计实时特征信息：实时统计方位校正特征区的特征信息，将连续M个雷达扫描周期的实时特征信息均值Kwnd作为一个窗口特征样本，其中，M＝3～10，按照设定间隔时间输出一个Kwnd进行定时监测；实时特征信息均值Kwnd的计算公式为：
其中，Kj为第j个雷达扫描周期统计的实时特征信息；其中，j＝0,1,2……M；
步骤3，方位修正判决，具体包括如下步骤：
步骤31，方位修正初判：将步骤2统计的实时特征信息均值Kwnd与步骤15计算的初始特征信息均值Kbase进行比较，并按照如下公式进行初判：
(1-ε)·Kbase≤Kwnd≤(1+ε)·Kbase
式中，ε为抗干扰因子，取值为0.01～0.1；
步骤32，方位修正二次判决：当步骤31的初判结果为符合时，返回步骤2；当步骤31的初判结果为不符合时，记为事件A；当事件A的连续发生次数≥P次时，P＝3～10，则判定需要对步骤1构建的雷达回波方位自动修正特征库进行方位修正与更新；否则，返回步骤2；
步骤4，方位自动修正，包括如下步骤：
步骤41，记录末次特征信息：当步骤32判决为需要对雷达回波方位自动修正特征库进行更新时，记录最后一次统计的实时特征信息，并记为末次特征信息Kα，此时对应的方位偏移量记为α；
步骤42，方位偏移量搜索：将整个雷达扫描周期沿周向均匀分为n+1个方位，分别为0,1,2……k……n；其中第n号对应的方位角度为360°，第0号对应的方位角度为0°，相邻两个方位间的方位偏移量为360°/(n+1)；然后，依次按照360°/(n+1)的方位偏移量对整个雷达扫描周期进行搜索校正，校正后得到n+1个校正特征信息，依次记录为K0、K1、K2……Kk……Kn；其中，n不小于719，k＝0、1、2……n；
步骤43，方位修正的终判：当n+1个校正特征信息中存在一个校正特征信息KAzi满足如下条件时，则校正特征信息KAzi对应的方位角度Azi即为需更新的雷达回波方位偏移量；
KAzi＝max(K0，K1，K2……Kk……Kn)且KAzi＞(1+ε)·Kα
式中，ε为抗干扰因子，取值为0.01～0.1；
否则，返回步骤2；
步骤44，方位自动修正：将步骤1构建的雷达回波方位自动修正特征库，按照步骤43中的方位角度Azi进行校准更新，得到更新后的雷达回波方位自动修正特征库；并将方位偏移量Azi和校正特征信息KAzi存储至更新后的雷达回波方位自动修正特征库中。
2.根据权利要求1所述的雷达回波方位偏移的自修正方法，其特征在于：步骤12中，方位偏移量校准，具体包括如下步骤：
步骤12a，固定物标选择：从步骤11中获取的物标点迹视频回波中选择2-3个固定物标，并记录每个固定物标在雷达回波中的方位；
步骤12b，固定物标真实位置获取：从外部信息系统中，获取步骤12a中所选择的每个固定物标的真实位置；
步骤12c，校准：将步骤12a中每个固定物标在雷达回波中的方位与步骤12b中获取的对应固定物标的真实位置进行对比，获得雷达回波的方位偏移量；根据雷达回波的方位偏移量，调整所有物标以及雷达回波的位置，并使所有物标及其雷达回波重合对齐。
3.根据权利要求1所述的雷达回波方位偏移的自修正方法，其特征在于：步骤13中，特征物标回波在选取时需同时满足(a)～(d)四项条件：(a)特征物标回波与雷达站之间的距离为0.2d-0.6d，其中，d为雷达的辐射半径；(b)特征物标回波的外形轮廓为多边形；(c)特征物标为固定物标；(d)在与特征物标回波同距离的其他方位上不能存在类似的物标回波。
4.根据权利要求1所述的雷达回波方位偏移的自修正方法，其特征在于：步骤16中，方位校正特征区的存储结构采用雷达回波类似的结构，包括方位，距离起始偏移量和终止偏移量。
5.根据权利要求1所述的雷达回波方位偏移的自修正方法，其特征在于：步骤31和步骤43中的ε均取0.01～0.1，能避免VTS系统因物标晃动或遮挡的偶然扰动对方位修正判定结果的影响。
6.根据权利要求1所述的雷达回波方位偏移的自修正方法，其特征在于：步骤2中，M＝5；步骤32中，P＝5。
7.根据权利要求1所述的雷达回波方位偏移的自修正方法，其特征在于：步骤42中，n＝4095。
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