CN111007500B - 一种基于Radon变换的昆虫上升下降率快速测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于Radon变换的昆虫上升下降率快速测量方法，所述基于Radon变换的昆虫上升下降率快速测量方法包括：对所述数据矩阵进行二值化处理，以得到二值化处理后的数据矩阵，对所述二值化处理后的数据矩阵进行线性Radon变换，从而转化到参数域，检测所述参数域的峰值，提取所述参数域的峰值对应的参数域坐标，根据所述参数域坐标与目标航迹斜率的对应关系，以及所述目标航迹斜率与目标上升下降率的对应关系，计算得到所述数据矩阵中目标航迹的上升下降率。本发明通过检测参数域的峰值提取其中所包含的直线斜率，快速实现昆虫上升下降率测量。本发明为昆虫上升下降率测量提供了一种有效的快速测量手段。

Description

一种基于Radon变换的昆虫上升下降率快速测量方法

技术领域

本发明涉及雷达技术领域，尤其涉及一种基于Radon变换的昆虫上升下降率快速测量方法。

背景技术

众多昆虫，尤其是蝗虫、稻飞虱、草地螟等害虫在夜间大规模迁飞往往给迁入地带来严重的经济损失，而夜晚条件下传统光学设备的观测能力有限，雷达作为远距离探测工具，可以实现对目标空域的全天时、全天候监测，为观测空中虫群提供了新手段，在昆虫迁飞研究中起到不可替代的作用。

昆虫上升下降率是反映昆虫在迁飞过程中的运动方向与运动速率的重要指标。现有技术中的昆虫上升下降率测量算法主要基于数字化升级后的垂直观测昆虫雷达，但是上述的昆虫上升下降率测量算法采用目标检测方法依旧为固定门限检测，航迹关联与线性拟合的上升下降率测量在实现上也较为复杂。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于Radon变换的昆虫上升下降率快速测量方法，在保证测量精度的前提下，降低了实现复杂度，提高昆虫上升下降率的测量速度，且计算量不受目标数目的影响。

为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的：

一种基于Radon变换的昆虫上升下降率快速测量方法，包括：

S1、获取数据矩阵，所述数据矩阵为昆虫探测雷达的距离维数据矩阵或脉冲数数据矩阵；

S2、对所述数据矩阵进行二值化处理，以得到二值化处理后的数据矩阵；

S3、对所述二值化处理后的数据矩阵进行线性Radon变换，从而转化到参数域，检测所述参数域的峰值，提取所述参数域的峰值对应的参数域坐标(θ,ρ)，其中，θ和ρ分别为线性Radon变换后参数域的纵、横坐标；

S4、根据所述参数域坐标(θ,ρ)与目标航迹斜率k的对应关系，以及所述目标航迹斜率k与目标上升下降率的对应关系，计算得到所述数据矩阵中目标航迹的上升下降率。

进一步的，所述步骤S1中获取数据矩阵的步骤包括：

积累一个相参处理周期内的雷达回波，按照雷达接收所述雷达回波的时间顺序，将雷达的快时间脉冲回波排列成为一个数据矩阵。

进一步的，所述步骤S2中对所述数据矩阵进行二值化处理，以得到二值化处理后的数据矩阵的步骤包括：

S21、将所述数据矩阵按照固定门限目标检测准则或恒虚警目标检测准则，确定目标所在的距离单元；

S22、将所述数据矩阵中检测到目标的位置设置为1，没有检测到目标的位置设置为0，以得到二值化处理后的数据矩阵。

进一步的，所述步骤S4为：

所述参数域坐标(θ,ρ)与目标航迹斜率k的对应关系为：

所述目标航迹斜率k与目标上升下降率的对应关系为：

其中，V_r表示目标上升下降率，PRT表示雷达重复周期，ΔR表示雷达距离分辨单元，计算得到所述数据矩阵中目标航迹的上升下降率。

本发明还包括一种电子设备，包括处理器和存储器，所述存储器存储有程序指令，所述处理器运行程序指令实现上述的一种基于Radon变换的昆虫上升下降率快速测量方法。

有益效果：

(1)、本发明将线性Radon变换后的数据矩阵转化到参数域，通过检测参数域的峰值提取其中所包含的直线斜率，利用对应关系快速实现昆虫上升下降率测量，而不需进行多目标航迹的关联过程。本发明在保证测量精度的前提下，去掉了较为复杂的多目标航迹关联过程，代之以Radon变换和参数域的峰值检测，实现简便，且计算量不受目标数目的影响。

(2)、本发明的处理对象为雷达检测结果，因此能够适用于所有非相参雷达与相参雷达，具有良好的适应性。

(3)、本发明使用雷达信号处理理论中的检测手段，综合利用了整个数据矩阵的信息，更为精确的实现了二值化处理。

附图说明

图1为本发明的一种基于Radon变换的昆虫上升下降率快速测量方法的工作流程图。

图2为本发明的图1中一种基于Radon变换的昆虫上升下降率快速测量方法的步骤S2的工作流程图。

图3为本发明的一种基于Radon变换的昆虫上升下降率快速测量方法的工作流程图。

图4为本发明的一种基于Radon变换的昆虫上升下降率快速测量方法的距离维/脉冲数数据矩阵实现示意图。

图5为本发明的一种基于Radon变换的昆虫上升下降率快速测量方法的距离维/脉冲数数据矩阵二值化处理示意图。

图6为本发明的一种基于Radon变换的昆虫上升下降率快速测量方法的Radon变换原图像与参数域参数说明附图。左图为距离和时间域的直角坐标系的一条直线，右图为左图中的距离和时间域的直角坐标系的一条直线投影到参数域的结果。

图7为本发明的一种基于Radon变换的昆虫上升下降率快速测量方法的野外观测实验场景图。

图8为本发明的一种基于Radon变换的昆虫上升下降率快速测量方法的采集距离维/脉冲数数据矩阵。

图9为本发明的一种基于Radon变换的昆虫上升下降率快速测量方法的图8目标检测及二值化处理的处理结果图。

图10为本发明的一种基于Radon变换的昆虫上升下降率快速测量方法的图9的0～180°线性Radon变换结果图。

图11为本发明的一种基于Radon变换的昆虫上升下降率快速测量方法的图9所示的Radon变换检测结果。

图12为本发明的一种电子设备的结构示意图。

其中：1-图像域、2-参数域、3-Radon变换、4-诱虫灯、5-昆虫雷达、6-处理器、7-存储器。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

请参阅图1、图2，图1为本发明的一种基于Radon变换的昆虫上升下降率快速测量方法的工作流程图。图2为本发明的图1中一种基于Radon变换的昆虫上升下降率快速测量方法的步骤S2的工作流程图。本发明提供一种基于Radon变换的昆虫上升下降率快速测量方法的工作流程图，包括：

S1、获取数据矩阵。具体的，所述数据矩阵可以但不限于为昆虫探测雷达的距离维数据矩阵或脉冲数数据矩阵。所述数据矩阵也可以为昆虫探测雷达的快时间数据矩阵或慢时间数据矩阵。

具体的，所述步骤S1中获取数据矩阵的步骤包括：积累一个相参处理周期内的雷达回波，按照雷达接收所述雷达回波的时间顺序，将雷达的快时间脉冲回波排列成为一个数据矩阵。将雷达回波数据组成距离维数据矩阵或脉冲数数据矩阵，或快时间数据矩阵或慢时间数据矩阵是雷达数据处理的基本操作流程之一，从数据矩阵中可以较为容易的得到目标距离随时间的变化关系，便于本发明中通过radon变换将目标距离随时间的变化关系切换到参数域。

所述距离维数据矩阵或脉冲数数据矩阵是雷达测量得到的回波所组成的数据矩阵，是雷达测量的基础，昆虫测量需要对数据矩阵进行数据处理，进而得到上升下降率。

S2、对所述数据矩阵进行二值化处理，以得到二值化处理后的数据矩阵。

具体的，所述步骤S2中对所述数据矩阵进行二值化处理，以得到二值化处理后的数据矩阵的步骤包括：

S21、将所述数据矩阵按照固定门限目标检测准则或恒虚警目标检测准则，确定目标所在的距离单元。

S22、将所述数据矩阵中检测到目标的位置设置为1，没有检测到目标的位置设置为0，以得到二值化处理后的数据矩阵。

具体的，在步骤S2中，使用雷达信号处理理论中的检测手段，综合利用了整个数据矩阵的信息，更为精确的实现二值化处理。

S3、对所述二值化处理后的数据矩阵进行线性Radon变换，从而转化到参数域，检测所述参数域的峰值，提取峰值对应的参数域坐标(θ,ρ)。所述参数域是相对于距离和时间域的另一个维度，是距离和时间数据通过radon变换后的数据维度。将所述数据矩阵绘制为图像，目标所在距离会显示为一条直线。

转到参数域之前，数据所在坐标系为距离和时间域的直角坐标系，线性Radon变换之后数据所在坐标系为参数域。在参数域中，θ和ρ分别为线性Radon变换后参数域的纵、横坐标；而在距离和时间域的直角坐标系中，θ表示直角坐标系横轴与直线法线的夹角，ρ表示直线到直角坐标系原点的距离。这里的直线是指距离和时间域中待进行Radon变换的直线。

具体的，在步骤S3中，使用Radon变换将二值化处理后的数据矩阵变换到参数域处理，实现了目标航迹斜率的检测，而不需进行多目标航迹关联过程。

S4、根据所述参数域坐标(θ,ρ)与目标航迹斜率k的对应关系，以及所述目标航迹斜率k与目标上升下降率的对应关系，计算得到所述数据矩阵中目标航迹的上升下降率。

本发明结合实测数据，给出了基于Radon变换进行昆虫上升下降率测量的实际效果以及与传统方法的对比，证实了采用此方法进行上升下降率测量的有效性。

请参阅图3，图3为本发明的一种基于Radon变换的昆虫上升下降率快速测量方法的工作流程图。所述基于Radon变换的昆虫上升下降率快速测量方法包括：距离维数据矩阵或脉冲数数据矩阵的获取、或者快时间数据矩阵或慢时间数据矩阵的获取、目标检测及二值化处理、线性Radon变换与参数域峰值检测、参数转换与上升下降率输出。

距离维数据矩阵或脉冲数数据矩阵的获取、或者快时间数据矩阵或慢时间数据矩阵的获取用于积累一个相参处理周期内的雷达回波，按照雷达接收回波的时间顺序，将雷达的快时间脉冲回波排列成为一个数据矩阵，如图4所示。在该数据矩阵中，每一行表示雷达的一个脉冲重复间隔(Pulse Repetition Interval，PRI)内接收的快时间脉冲回波，每一列的表示同一采样点，不同PRI的慢时间信号。

目标检测及二值化处理用于将数据矩阵首先按一定的目标检测准则，确定目标所在的距离单元，然后将所述数据矩阵中检测到目标的位置设置为1，没有检测到目标的位置设置为0，从而完成数据矩阵的二值化处理，实现流程如图5所示。

请参阅图6，图6为本发明的一种基于Radon变换的昆虫上升下降率快速测量方法的Radon变换原图像与参数域参数说明附图。左图为距离和时间域的直角坐标系的一条直线，右图为左图中的距离和时间域的直角坐标系的一条直线投影到参数域的结果。具体的，线性Radon变换与参数域峰值检测用于对二值化的数据矩阵进行线性Radon变换，将其转化到参数域，再通过检测参数域的峰值，提取峰值对应的参数域坐标(θ,ρ)，θ表示距离和时间域的直角坐标系的横轴与直线的法线的夹角，所述直线可以为跨越横轴和纵轴的任意一条直线。ρ表示直线到距离和时间域的直角坐标系原点的距离。可以从图6右图看出所述距离和时间域的直角坐标系的一条直线会投影为参数域(θ₀,ρ₀)的一个点。

参数转换与上升下降率输出用于根据(θ,ρ)的大小关系，计算得到对应航迹的斜率，上升下降率与目标航迹斜率的对应关系为：

其中，k目标航迹斜率，PRT表示雷达重复周期，ΔR表示雷达距离分辨单元，所述坐标系横轴与直线法线的夹角θ、直线到坐标系原点的距离ρ、目标航迹斜率k之间的关系为：

θ∈[90°,180°],ρ≥0时，目标航迹位于坐标系的左上角，目标航迹斜率k为：k＝tanθ_k＝tan(θ-90°)；

θ∈[0°,90°],ρ≤0时，目标航迹位于坐标系的左下角，目标航迹斜率k为：k＝tanθ_k＝tan(θ+90°)；

θ∈[0°,90°],ρ≥0时，目标航迹位于坐标系的右上角，目标航迹斜率k为：k＝tanθ_k＝tan(θ+90°)；

θ∈[90°,180°],ρ≤0时，目标航迹位于坐标系的右下角，目标航迹斜率k为：k＝tanθ_k＝tan(θ-90°)。

从上述实现步骤可知，线性Radon变换处理的对象是经过目标检测后的二值化处理后的数据矩阵，因此本方法适用于所有非相参雷达与相参雷达，同时由于在目标检测，直接对二值化处理后的数据矩阵进行线性Radon变换，避免了复杂的多目标航迹关联，可以更加快速地实现上升下降率测量。因此，本发明提供了一种基于Radon变换的昆虫上升下降率快速测量方法，下面将以具体实施例说明实施步骤：

为验证前面所述的上升下降率提取方法，对野外观测真实迁飞昆虫，基于Ku波段高分辨全极化相参昆虫雷达即为昆虫雷达5，采用本发明的一种基于Radon变换的昆虫上升下降率快速测量方法，完成昆虫的上升下降率测量，野外观测所用雷达参数如表1所示，表1表示Ku波段高分辨全极化相参昆虫雷达。

表1：

参数	参数值
		中心频率/GHz	16.2
信号形式	调频步进频
		子带个数	40
子带带宽/MHz	50
		步进间隔/MHz	20
合成带宽/MHz	800
		天线增益/dB	39(法向)
半功率波瓣宽度/	1.5
		方位转动角度/	0至380
俯仰转动角度/	0至90

步骤一：昆虫雷达5采集迁飞昆虫回波

本例中的野外观测真实迁飞昆虫数据来自野外观测实验，实验场景如图7所示，图7为本发明的一种基于Radon变换的昆虫上升下降率快速测量方法的野外观测实验场景图，昆虫雷达5放置于诱虫灯4旁边，以增加观测目标个数。所述昆虫雷达5采用工作3秒钟，停止工作进行数据处理10秒钟，再工作3秒钟的运行模式。本例中的数据为22时39分39～42秒间采集，得到原始数据矩阵如图8所示，图8为本发明的一种基于Radon变换的昆虫上升下降率快速测量方法的采集距离维/脉冲数数据矩阵。其中，横坐标为目标距离，纵坐标为数据采集时间(0～3秒)，由上至下表示时间的推移，图中亮色线为昆虫航迹，其余为背景噪声，从图9中可以看出，图9为本发明的一种基于Radon变换的昆虫上升下降率快速测量方法的图8目标检测及二值化处理的处理结果图。所述昆虫雷达5观测到的目标数目较多，并且高度大体呈直线下降趋势。

步骤二：目标检测及二值化处理

由于直接对数据矩阵进行Radon变换存在结果中出现复杂彩色条纹的问题，增加了峰值检测的难度，因此需要对其进行目标检测及二值化处理。鉴于本例分析的数据来自全相参雷达，因此目标检测选择的方法可以但不限于为脉冲多普勒(Pulse Doppler，PD)积累以及单元平均恒虚警检测(Cell-averaging Constant False Alarm Rate，CA-CFAR)的方法，其中，PD积累对数据矩阵中的每个距离单元所对应的慢时间数据进行傅里叶分析，将数据矩阵转化为快时间、多普勒频率矩阵，CA-CFAR算法根据假设检验理论，将快时间、多普勒频率矩阵中超过自适应门限的点确定为目标，设置为1，没有过门限的设置为0，从而实现数据矩阵的二值化。由于昆虫一般飞行速度小于10米/秒且昆虫雷达的距离分辨率为0.1875米，考虑在积累时间内目标尽量不会产生跨距离单元徙动，因此在本例中设定PD积累时间为20毫秒，CA-CFAR虚警率为1×10^-7。通过对图8进行PD积累与CA-CFAR处理，可以得到处理后的二值化数据矩阵如图9所示，可以明显看出在探测空域中存在9条航迹。

步骤三：二值化数据矩阵的线性Radon变换及参数域峰值检测

请参阅图10，图10为本发明的一种基于Radon变换的昆虫上升下降率快速测量方法的图9的0～180°线性Radon变换结果图。其中点的亮暗表示该参数下积累点数的多少。通过检测图10中的局部极大值，即为图10中正方形位置，即可实现航迹的参数域(θ,ρ)值的提取。

步骤四：航迹上升下降率结果输出

通过(θ,ρ)与直线斜率的关系式，得到图9中所示航迹的Radon变换检测结果，请参阅图11，图11为本发明的一种基于Radon变换的昆虫上升下降率快速测量方法的图9所示的Radon变换检测结果。等效上升下降率如表2所示，同时给出通过多目标航迹关联与线性拟合的结果对比。

表2：

请参阅图12，图12为本发明的一种电子设备的结构示意图。本发明还提供一种电子设备，包括处理器6和存储器7，所述存储器7存储有程序指令，所述处理器6运行程序指令实现上述的一种基于Radon变换的昆虫上升下降率快速测量方法。

基于上述野外实测数据的上升下降率提取结果可以得到以下结论：本发明提出的一种基于Radon变换的昆虫上升下降率快速测量方法可以有效实现迁飞昆虫上升下降率的测量，其误差与传统的多目标关联与线性拟合提取相差在0.2米/秒以内。

综上所述，本发明的基于Radon变换的昆虫上升下降率快速测量方法包括：对所述数据矩阵进行二值化处理，以得到二值化处理后的数据矩阵，对所述二值化处理后的数据矩阵进行线性Radon变换，将线性Radon变换后的数据矩阵转化到参数域，检测所述参数域的峰值，以提取所述参数域的峰值对应的参数域坐标，根据参数域坐标与目标航迹斜率的对应关系，以及所述目标航迹斜率与目标上升下降率的对应关系，本发明通过检测参数域的峰值提取其中所包含的直线斜率，快速实现昆虫上升下降率测量。本发明为昆虫上升下降率测量提供了一种有效的快速测量手段。本发明在保证测量精度的前提下，去掉了较为复杂的多目标航迹关联过程，代之以Radon变换和参数域的峰值检测，实现简便且计算量不受目标数目的影响。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于Radon变换的昆虫上升下降率快速测量方法，其特征在于，包括步骤：

S1、获取数据矩阵，所述数据矩阵为昆虫探测雷达的距离维数据矩阵或脉冲数数据矩阵；

S2、对所述数据矩阵进行二值化处理，以得到二值化处理后的数据矩阵；

S3、对所述二值化处理后的数据矩阵进行线性Radon变换，从而转化到参数域，检测所述参数域的峰值，提取所述参数域的峰值对应的参数域坐标(θ,ρ)，其中，θ和ρ分别为线性Radon变换后参数域的纵、横坐标；

S4、根据所述参数域坐标(θ,ρ)与目标航迹斜率k的对应关系，以及所述目标航迹斜率k与目标上升下降率的对应关系，计算得到所述数据矩阵中目标航迹的上升下降率；

所述步骤S4为：

所述参数域坐标(θ,ρ)与目标航迹斜率k的对应关系为：

所述目标航迹斜率k与目标上升下降率的对应关系为：

其中，V_r表示目标上升下降率，PRT表示雷达重复周期，ΔR表示雷达距离分辨单元，计算得到所述数据矩阵中目标航迹的上升下降率。

2.如权利要求1所述的一种基于Radon变换的昆虫上升下降率快速测量方法，其特征在于，所述步骤S1中获取数据矩阵的步骤包括：

积累一个相参处理周期内的雷达回波，按照雷达接收所述雷达回波的时间顺序，将雷达的快时间脉冲回波排列成为一个数据矩阵。

3.如权利要求1所述的一种基于Radon变换的昆虫上升下降率快速测量方法，其特征在于，所述步骤S2中对所述数据矩阵进行二值化处理，以得到二值化处理后的数据矩阵的步骤包括：

S21、将所述数据矩阵按照固定门限目标检测准则或恒虚警目标检测准则，确定目标所在的距离单元；

S22、将所述数据矩阵中检测到目标的位置设置为1，没有检测到目标的位置设置为0，以得到二值化处理后的数据矩阵。

4.一种电子设备，包括处理器和存储器，所述存储器存储有程序指令，其特征在于，所述处理器运行程序指令实现如权利要求1至权利要求3任一项所述的一种基于Radon变换的昆虫上升下降率快速测量方法。

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