CN110646794B - 一种雷达对地形探测数据形成方法 - Google Patents

一种雷达对地形探测数据形成方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种雷达对地形探测数据形成方法，融合了高程地图形成方法—数字高程模型，将雷达探测到的三坐标地物目标数据根据滤波细化(模糊)参数进行遍历(水平轴两维四方向按步进值进行插值滤波平滑处理)，以有限的数据尽可能的复原出真实地形，实现利用少量有用的地形回波数据完成地形绘制的目的。

Description

一种雷达对地形探测数据形成方法
技术领域
本发明属于雷达技术领域，涉及雷达对地形进行探测。雷达应用平台位置可固定，也可安装于飞行器或运动车辆上。雷达探测的数据因地形地物的复杂性和不确定性会发生变化(地形目标RCS变化)。需要对雷达初步探测的原始数据进行数据补偿(插值、滤波处理)，使得最终形成的地形数据尽可能的真实反映地形地貌。
背景技术
随着无人机、无人车、无人艇的蓬勃发展和逐步在民用领域的应用，无人驾驶平台相关研发技术越来越得到科研人员的重视，其中的一个重要方面就是无人驾驶平台的运动时防撞问题。可通过在无人驾驶平台上安装雷达(相对光学设备，雷达使用不受天气、时间、空间等因素限制)，使用雷达对无人驾驶平台周边地域环境进行探测，对探测得到的数据进行处理(插值和滤波处理)，最后形成实时的三维图形画面和运动控制决策，以确保无人驾驶平台的行驶安全。另外，也可用于地形地貌测绘。
无人驾驶平台上使用的雷达一般采用毫米波频段。采用调频连续波(FMCW)或脉冲(PD)体制，利用电磁波发射和回波数据实现感知周边环境，进行目标定位(得到距离、方位和高低角度)功能。由于无人驾驶平台的运动环境复杂(山地、岛屿、沙漠、草地、城市等)，且受天气影响(大雨、雪气候)造成地形目标回波数据复杂多变，致使雷达获取的有用信息较少(见图2为某型雷达对山体探测的原始数据，有很多孤立点、散落点)，以至于无法由这些数据进行直观三维显示。如何利用地形回波数据中少量有用信息并将该信息进行补偿、处理，最终转换成直观画面和驾驶决策成为技术难点。
目前，为了有效的对地形回拨数据进行插值补偿，彭仪普提出的带特征线约束的Delaunay三角网最优算法(《地形三维可视化及其实时绘制技术研究》，西南交通大学博士论文)，实现起来比较复杂，且使用的是仿真数据，不易于工程应用。相对于仿真数据，本发明采用真实数据进行了验证。顾及地貌特征，能够真实再现地形地貌。
发明内容
要解决的技术问题
为了实现利用少量有用的地形回波数据完成地形绘制的目的，本发明采用一种FIR(Finite Impulse Response)插值平滑滤波器算法，该滤波器算法充分利用有限的地物回拨数据，模拟自然界发生的那种地质侵蚀演变过程，形成真实的三维地形数据。
技术方案
一种雷达对地形探测数据形成方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：通过I/O接口接收目标回波数据，根据接口通信协议解析雷达信号处理机送来的雷达对地物探测的目标回波数据；
步骤2：对目标回波数据进行坐标转换，将雷达坐标系下的目标方位角由±45°转换为0°-360°表示方式：
设转化前的方位角为azi，则：转化后的方位角Azi＝(azi+360)％360；
然后将雷达极坐标系下的目标数据转换到大地直角坐标系下，公式为：
Figure BDA0002260405230000021
其中，ele为俯仰角，range为雷达到目标的距离；
步骤3：根据坐标转换后的每帧雷达数据，统计出三坐标的最大值和最小值；建立高程数据缓冲区，将每帧雷达数据按由小到大的顺序存入高程数据缓冲区；高程数据缓冲区m_DEMData定义内容如下：
高程数据m_DEMData；
数据大小m_DataSize；
步骤4：将步骤3中的数字高程数据使用FIR插值平滑滤波器按距离带进行两维四方向插值平滑处理，生成真实可直观显示的三维地形数据；将滤波后的三维地形数据进行高度归一化处理；所述的FIR插值平滑滤波器公式：
Figure BDA0002260405230000031
式中：
y(n)：滤波器输出；
h1：滤波器细化参数；
xb：滤波器输入的历史数据；
xc：滤波器输入的当前数据；
滤波器细化参数的取值范围为(0.0,1.0)；
步骤5：将三维地形数字高程数据处理成能够进行三维显示的数据格式：
根据雷达显示控制界面要求，设置显示缩放系数，按比例缩放三维地形坐标数据，缩放公式：
Figure BDA0002260405230000032
式中：
Vh：缩放后的值；
Vc：当前值；
maxV：最大值；
minV：最小值；
maxDot：显示点数；
将要显示的数据按通信协议打包，由I/O接口送显示控制界面进行直观显示。
有益效果
本发明提出的一种雷达对地形探测数据形成方法，融合了高程地图形成方法—数字高程模型(Digital Elevation Model,DEM)，将雷达探测到的三坐标地物目标数据根据滤波细化(模糊)参数进行遍历(水平轴两维四方向按步进值进行插值滤波平滑处理)，以有限的数据尽可能的复原出真实地形，实现利用少量有用的地形回波数据完成地形绘制的目的。
有以下两方面的有益效果：
一方面，采用FIR插值平滑滤波器算法，解决了因雷达对地物的回波数据量少造成的地形无法生成问题，如图2所示，少量的地物回波数据只能形成孤立物，无法形成山形。而采用本发明就能形成良好真实山形见图3-图5所示。
另一方面，采用FIR插值平滑滤波器算法，可以对雷达对地物的回波数据利用滤波参数和迭代次数进行细化平滑处理(通过增加地形三角网)，使得整个地形看起来不会显得突兀尖锐，见图3-图5所示，处理后更接近真实情况。
附图说明
图1为帽儿山真实地形；
图2为利用雷达对地物探测的少量回波数据生成的地形；
图3为滤波器参数为0.3时形成的地形。
图4为滤波器参数为0.6时形成的地形。
图5为滤波器参数为0.8时形成的地形。
图6为滤波器参数为0.9时形成的地形。
图7为本发明所采用FIR插值平滑滤波器算法示意图。
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
本发明所采用应用FIR插值平滑滤波器进行地形形成算法包括以下几步：
(1)解析雷达信号处理机送来的雷达对地物探测的目标回波数据；
(2)对目标回波数据进行坐标转换，由雷达坐标转换到大地直角坐标；
(3)将大地直角坐标系下的目标回波数据转换成数字高程地形数据；
(4)对数字高程地形数据进行插值滤波处理，得到反映真实地形的三维地形数字高程数据；
(5)将三维地形数字高程数据处理成能够进行三维显示的数据格式。
其中：
步骤(1)主要包括以下几步：
a)通过I/O接口接收目标回波数据；
b)根据接口通信协议解析提取目标回波数据中目标坐标数据，并保存。
步骤(2)主要包括以下几步：
a)将雷达坐标系下的目标方位角由±45°转换为0°-360°表示方式；
b)将保存的雷达坐标系下的目标数据转换到大地直角坐标；
步骤(3)主要包括以下几步：
a)建立数字高程数据结构，包括数据大小和数据坐标缓冲区；
b)根据大地直角坐标目标数据生成数字高程数据(包括统计出的每帧数据的三坐标最大值和最小值)，并填充数字高程数据结构。
步骤(4)主要包括以下几步：
a)将(3)中的数字高程数据使用FIR插值平滑滤波器按距离带进行两维四方向插值平滑处理，生成真实可直观显示的三维地形数据；
b)将滤波后的三维地形数据进行高度归一化处理。
步骤(5)主要包括以下几步：
a)根据雷达显示控制界面要求，设置显示缩放系数，按比例缩放三维地形数据；
b)将按比例缩放的三维地形数据存储到显示缓冲区。
c)将要显示的数据按协议打包，由I/O接口送显示控制界面进行直观显示。
实施方式采用标准C/C++语言实现，通过更改少量代码可实现跨平台使用。
Figure BDA0002260405230000061
(1)解析数据源
数据源为雷达信号处理机送来的雷达对地物探测的目标回波数据。从数据源中解析出地物回波数据的坐标信息，然后保存到目标数据结构中。目标数据结构定义为：
最大目标数MAX_TARGET_NUM；
最大处理帧数MAX_FRAME_NUM；
数据包结构体TATGETS内容为：
直角坐标x；
直角坐标y；
直角坐标z；
显示坐标xs；
显示坐标ys；
雷达坐标距离range；
雷达坐标方位azi；
雷达坐标俯仰ele；
帧目标数据集FRAMETARGETS定义内容为：
数据帧计数器frameNum；
目标数TargetsNum；
直角坐标x最大值maxXOfFrame；
直角坐标x最小值minXOfFrame；
直角坐标z最大值maxZOfFrame；
直角坐标z最小值minZOfFrame；
直角坐标y最大值maxYOfFrame；
直角坐标y最小值minYOfFrame；
目标数据存储区域；
(2)回波数据坐标转换
目标方位角由±45°转换为0°-360°方法(利用求模运算)：
设方位角为azi(转化前)，则：Azi＝(azi+360)％360；
然后将雷达极坐标系下的目标数据转换到大地直角坐标系下，公式为：
Figure BDA0002260405230000071
Ele为俯仰角，range为雷达到目标的距离；
转换后的数据放在同一个数据结构STargets中。
(3)生成高程数据
根据坐标转换后的每帧雷达数据，统计出三坐标的最大值和最小值。建立高程数据缓冲区，将每帧雷达数据按由小到大的顺序存入高程数据缓冲区。高程数据缓冲区m_DEMData定义内容如下：
高程数据m_DEMData；
数据大小m_DataSize；
(4)数据插值平滑处理
FIR插值平滑滤波器公式：
Figure BDA0002260405230000081
式中：
y(n)：滤波器输出；
h1：滤波器细化参数；
xb：滤波器输入的历史数据；
xc：滤波器输入的当前数据；
使用该公式时，选择合适的滤波器细化参数，依次按大地直角坐标系水平坐标轴四个方向(正负)的顺序迭代遍历地形带数据高程数据，遍历完成后的数据即为经过插值平滑处理的数字高程地形数据。该算法流程见图7所示，处理结果见图2-图6所示。从图中可以看出，滤波器细化参数不同，处理后的图形相应有差别。滤波器细化参数的取值范围(浮点表示)：(0.0,1.0)。
(5)显示数据处理
根据雷达显示控制界面要求，设置显示缩放系数，按比例缩放三维地形坐标数据，缩放公式：
Figure BDA0002260405230000082
式中：
Vh：缩放后的值；
Vc：当前值；
maxV：最大值；
minV：最小值；
maxDot：显示点数；
将要显示的数据按通信协议打包，由I/O接口送显示控制界面进行直观显示，见图2-图6所示。
本发明所用的显示实现环境为OpenGL跨平台三维图形库，使用时只需要将其头文件和库文件导入到Visual C++集成开发环境中即可。

Claims (1)

1.一种雷达对地形探测数据形成方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：通过I/O接口接收目标回波数据，根据接口通信协议解析雷达信号处理机送来的雷达对地物探测的目标回波数据；
步骤2：对目标回波数据进行坐标转换，将雷达坐标系下的目标方位角由±45°转换为0°-360°表示方式：
设转化前的方位角为azi，则：转化后的方位角Azi＝(azi+360)％360；
然后将雷达极坐标系下的目标数据转换到大地直角坐标系下，公式为：
Figure FDA0003877472080000011
其中，ele为俯仰角，range为雷达到目标的距离；
步骤3：根据坐标转换后的每帧雷达数据，统计出三坐标的最大值和最小值；建立高程数据缓冲区，将每帧雷达数据按由小到大的顺序存入高程数据缓冲区；高程数据缓冲区m_DEMData定义内容如下：
高程数据m_DEMData；
数据大小m_DataSize；
步骤4：将步骤3中的数字高程数据使用FIR插值平滑滤波器按距离带进行两维四方向插值平滑处理，生成真实可直观显示的三维地形数据；将滤波后的三维地形数据进行高度归一化处理；所述的FIR插值平滑滤波器公式：
Figure FDA0003877472080000012
式中：
y(n)：滤波器输出；
h1、h2：滤波器细化参数；
xb：滤波器输入的历史数据；
xc：滤波器输入的当前数据；
滤波器细化参数的取值范围为(0.0,1.0)；
步骤5：将三维地形数字高程数据处理成能够进行三维显示的数据格式：
根据雷达显示控制界面要求，设置显示缩放系数，按比例缩放三维地形坐标数据，缩放公式：
Figure FDA0003877472080000021
式中：
Vh：缩放后的值；
Vc：当前值；
maxV：最大值；
minV：最小值；
maxDot：显示点数；
将要显示的数据按通信协议打包，由I/O接口送显示控制界面进行直观显示。
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