CN113465452A

CN113465452A - 雷场目标的多测点同步识别方法

Info

Publication number: CN113465452A
Application number: CN202110595059.XA
Authority: CN
Inventors: 黄采伦; 张金凤; 刘树立; 卢晓宇; 黄华曦; 张钰杰; 戴长城; 张磊
Original assignee: Hunan University of Science and Technology
Current assignee: Hunan University of Science and Technology
Priority date: 2021-05-29
Filing date: 2021-05-29
Publication date: 2021-10-01
Anticipated expiration: 2041-05-29
Also published as: CN113465452B

Abstract

本发明公开了一种雷场目标的多测点同步识别方法，包括三个部分：（1）各探测分机根据探测控制主机发送的同步探测指令进行在线探测与频谱细化；（2）各探测分机根据探测细化谱识别、定位雷场目标；（3）探测控制主机综合各探测分机的探测识别数据得出探测结果；本发明的有益效果在于：本发明根据探地雷达的工作原理，对UWB脉冲回波信号进行频谱细化，运用信号调制原理，同时考虑干扰因素，总结出了在细化谱内识别雷场目标特征信息的判据，并对识别的雷场目标定位；本发明用于由1个探测分机和7个探测分机组成的雷场探测系统，提高了雷场探测工作的安全性，并实时在线进行信号处理，提高了效率、降低了虚警率。

Description

雷场目标的多测点同步识别方法

技术领域

本发明涉及一种识别方法，特别是一种雷场目标的多测点同步识别方法。

背景技术

地雷是一种传统的兵器，由于它在战场上显示了强大的威力而流传于世界，在现代战争中更发挥了巨大的作用；但还是没有有效的探雷设备，高虚警率的探雷设备使战士对其丧失了信任，不能适应现代地雷战要求的现状。在预设雷场中，可以设置各种地雷，包括防步兵雷和防坦克雷，这里统称为雷场目标，雷场目标的布置是有一定规范要求的，如每个雷场目标相距约4.5米，埋入地下2-3厘米深，每列相距25-50米等，总之是有一定规律的，而且大多数雷场目标里都有金属雷管，可通过金属特性探测识别雷场目标。

传统的排雷工具主要有探雷针、电磁感应金属探测器以及地雷触发器等。基于电磁感应的金属探测器应用最为广泛；此方法采用两组探针，一组发生电流，另一组探测金属目标的感生电流；这一方法的最大问题在于探测区域的金属类杂物会造成很高的误报率；地雷触发器旨在通过引爆地雷达到排雷目的，但此种方法的遗漏率高达10-20%，需配合其他方法才能达到较高的安全要求；随着远程传感器技术的发展，探雷技术也取得了质的飞跃，有许多新思路、新材料得到实践与应用，取得了很好的效果，较典型的有核电四极矩共振技术与热中子分析技术等等。大多数爆炸物是含氮的结晶固体，NQR技术首先发射无线电磁波激活爆炸物中的¹⁴N 的核自旋，再采用感应线圈等磁波探测器检测目标所反馈的NQR信号；不同的爆炸物其反馈信号的共振频率是唯一的，由此可以分辨出炸药的类型，TNA技术利用中子发射器向探测区域发射中子，中子遇到爆炸物发生后向散射并使爆炸物中氢原子与氮原子产生特征γ射线，通过特征γ射线能量谱即可确定爆炸物的类型。

与此同时，对地下目标进行成像探测和处理，它是在提取到地下埋藏目标信号的基础上进行的，在水平方向对埋藏目标进行二维成像，主要是对埋藏目标介质与土壤背景介质的突变界面形成的目标几何形状进行成像处理；在这种条件下，它解决了这样一个问题，即通过对地下埋藏目标成像，促使人们可以清楚地看到埋藏的目标是几何规则形状，还是不规则形状，以及目标的大小；这种由图像提供的目标信息量非常大，且易于人们直观分析判断，但它仅仅告诉了人们地下目标的大概形状，至于目标性质，图像并没有更直观的指示，而且只能离线处理，效率不高。

目前，实际应用较为广泛的埋地爆炸物探测技术还是将金属探测器与探地雷达进行结合，采用双传感器系统进行探测，根据这一方案所开发的系统已在实战中得到了应用；探地雷达是基于电磁波的传播与散射原理，通过向地下发射电磁波信号并接收地下介质不连续处散射回来的回波实现地下目标的成像、定位与量化计算，是一种应用广泛的无损探测仪器。探地雷达技术起源于德国科学家在研究埋地特性时的一项专利技术。1904年，针对深埋在地下的金属物，Hulsemeyer第一次试着用电磁波来进行探测，这就是探地雷达的最初形态。

传统脉冲感应探雷装置的原理是发射线圈发射周期性脉冲一次场，脉冲电磁场发射时，地下金属物体产生感应涡流；在脉冲电磁场断掉后，涡流产生的二次场按指数规律衰减并被接收线圈探测到，经放大和信号处理后报警；发射采用周期性脉冲方式，在整机功耗相同的条件下，脉冲方式发射的峰值功率远大于连续波方式，即可增大电磁场的覆盖范围，提高探测灵敏度；根据傅里叶频谱分析理论，任何时域的脉冲波均可分解成不同谐波频率的正弦波或余弦波，而每一个谐波在金属导体中按频域规律产生电磁感应，即各谐波产生具有相应振幅和相位的二次场，各谐波的二次场叠加起来就形成了衰减的瞬变磁场；传统脉冲感应探雷装置的探头有发射、接收两个线圈，采用单一线圈的形式，脉冲发射时作发射线圈，脉冲断掉后作接收线圈；由于脉冲感应法测量的是纯二次场，故加大发射功率便可增大探测灵敏度，所以脉冲感应式探雷器具有较高的探测灵敏度；但传统脉冲感应探雷装置需人为手持操作，安全系数低，虚警率高。

地下目标的探测不同于对空间目标的探测，得到的探测回波就不能像常规空间雷达那样直接得到结果，这是因为所得到的探测回波不可能仅是雷场目标的回波，它是一个很复杂的含有各类性质的时域波形。为解决探测深度问题，脉冲电磁感应采用的 UWB 雷达波，UWB 雷达波具有极宽的频谱信息量，使探测回波对各种介质的变化具有敏感的反应，从而增加了探测回波的干扰因素，得到的探测回波是一含有大量复杂干扰的信号波形，如何从这样一种接收到的探测回波中提取雷场目标特征信息是近年来相关技术人员普遍关注及致力攻克的一个核心问题；一方面可以靠探测系统在硬件性能上改进来克服一些干扰波形，更为重要的是开展对期望目标信号提取的数字信号处理研究，以通过数字信号分析处理来弥补探测系统硬件的不足；针对探雷来说，只关心埋藏目标是否为雷场目标；应用数字信号处理技术，目的就是在现有硬件特性基础上，得到探测回波，解决上述问题。

现有的雷场目标识别方法存在虚警率高、安全性差、效率低等问题；降低虚警率，提高探雷工作的效率与安全性，是摆在探雷科技工作者面前的一个重要课题。

发明内容

为了克服上述技术问题，本发明公开了一种雷场目标的多测点同步识别方法。

本发明的技术方案是：雷场目标的多测点同步识别方法，用于由1个探测控制主机和7个探测分机组成的雷场探测系统，7个探测分机在探测控制主机的控制下按正六边形编队模式飞行到规划位置悬停并进行同步探测与目标识别；其特征是：对雷场目标的多测点同步识别分为七个步骤：

步骤一：探测控制主机向各探测分机发送重复K次的同步探测识别指令；

步骤二：收到同步探测识别指令后，0#探测分机按重复频率f _a发射UWB脉冲，各探测分机按采样频率f _s同步采集回波信号并频谱细化；

步骤三：各探测分机针对细化频谱进行拖尾特征判断，存在拖尾特征则执行下一步，不存在拖尾特征则跳转到步骤六；

步骤四：各探测分机判断拖尾特征频谱的离散性，拖尾特征离散则执行下一步，拖尾特征不离散则跳转到步骤六；

步骤五：各探测分机判断离散拖尾特征是否为干扰因素，若非干扰因素则作为识别目标，并0#探测分机集中7个探测分机的探测识别结果对识别目标进行综合识别与定位；

步骤六：各探测分机保存探测结果并跳转到步骤二执行，重复K次后各探测分机将当前规划位置探测结果发送给探测控制主机；

步骤七：若规划位置未探测完成，探测控制主机控制探测分机飞行到下一规划位置悬停并跳转到步骤一执行，规划位置探测完成后探测控制主机控制探测分机返回并综合各探测分机的探测识别数据得出雷场探测识别结果。

在本发明中，所述的拖尾特征判断方法是根据信号调制原理，判断在细化谱线中是否存在关于极值谱线对称分布的谱线；0#探测分机发射UWB 脉冲信号以产生电磁场向四周传播，一部分信号到达空气与地面交界处由地面反射被各探测分机接收，另一部分穿透地面到达浅层土壤与雷场目标交界处由雷场目标反射被各探测分机接收，同时，产生电磁场的会在目标体上产生反射、折射或感应出涡流，即产生感应电动势f _b，各探测分机采集到的回波信号为发射信号和f _b的耦合信号，即经过f _b调制的发射信号，并且该感应电动势随着一次场的消失随之消失，该回波信号在时域上表现为“拖尾特征”，频域上表现为存在关于极值谱线对称分布的谱线；所以，各探测分机按采样频率f _s同步采集回波信号并频谱细化，得到分析带宽为f ₁~f ₂的分辨率为Δf的Q条谱线，针对这Q条谱线分四步进行判断：第一步缓存细化谱并按从前往后两两比较幅值低者置0、从后往前两两比较幅值低者置0的原则求取Q条谱线中的M条极值谱线，第二步在M条极值谱线中将幅值小于0.03倍最大幅值谱线幅值的极值谱线和极值谱线间距小于10Δf的幅值较小者置0后按幅值大小分别标记极值谱线为L₀、L₁、L₂、……、L_N，第三步若极值谱线为L₀的频率不在λf _a/(2h f _a +λ)±5Δf范围内则不存在拖尾特征并退出判断，第四步在原细化谱中分别将极值谱线L₁、L₂、……、L_N的前后各5条谱线按幅值大小分别标记为l _N0、l _N1、……、l _N9，若极值谱线L₁、L₂、……、L_N的前后谱线分布规律符合l _N8、l _N6、l _N4、l _N2、l _N0、L_N、l _N1、l _N3、l _N5、l _N7、l _N9或l _N9、l _N7、l _N5、l _N3、l _N1、L_N、l _N0、l _N2、l _N4、l _N6、l _N8的形式则为拖尾特征，反之不是拖尾特征。

在本发明中，所述的拖尾特征离散性判断方法是针对已判断具有拖尾特征的极值谱线L_N进行的，将极值谱线L_N的幅值记为F_maxN，计算极值谱线L_N与其前后各5条谱线一起的幅值均值记为F_jN，若F_maxN≥3F_jN则离散，反之不离散。

在本发明中，所述的干扰因素判断方法是针对具有离散拖尾特征的极值谱线L_N进行的，已知探测区域固有信号频率f _G，k为正整数，计算极值谱线L_N的频率f _N＝L_N×Δf，若f _N不在kf _G±3Δf范围内则极值谱线L_N为雷场目标的特征信息，反之不是雷场目标的特征信息。

本发明的有益效果在于：本发明根据探地雷达的工作原理，对UWB脉冲回波信号进行频谱细化，运用信号调制原理，同时考虑干扰因素，总结出了在细化谱内识别雷场目标特征信息的判据，并对识别的雷场目标定位；本发明用于由1个探测分机和7个探测分机组成的雷场探测系统，提高了雷场探测工作的安全性，并实时在线进行信号处理，提高了效率、降低了虚警率。

附图说明

图1是本发明的识别方法流程图。

图2是本发明实施例的探测系统示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见附图，图1是本发明的识别方法流程图；图2是本发明实施例的探测系统示意图。一种雷场目标的多测点同步识别方法，用于由1个探测控制主机和7个探测分机组成的雷场探测系统，7个探测分机在探测控制主机的控制下按正六边形编队模式飞行到规划位置悬停并进行同步探测与目标识别；其特征是：对雷场目标的多测点同步识别分为七个步骤。

步骤一：探测控制主机向各探测分机发送重复K次的同步探测识别指令。

雷场探测系统是一个一主多从的多测点探测系统，由一个探测控制主机和七个探测分机组成，探测控制主机置于距离疑似雷场至少200米的位置以保证操作人员安全，七个探测分机为具有发射与接收功能及通信功能的无人机，由探测控制主机远程操控；六边形编队模式表现为其中一个探测分机位于正六边形中心位置，编号为0#探测分机，根据探测控制主机发送的同步探测指令确定作为发射机或接收机工作，其余六个探测分机分别位于正六边形顶角位置，顺次编号为p(p=1,2…6)#探测分机，作为接收机工作，各探测分机位于同一水平面上，距离地面高度为H，具有RTK模块，用于获得各探测分机实时位置坐标，同时精确控制同步探测。本发明的具体做法是：探测控制主机向各探测分机发送同步探测指令，设置重复K次，在指令中约定终点规划位置坐标、发送同步探测指令的次数K以及各探测分机的信号发射和采集回波信号开始的RTK-PPS脉冲位置。

步骤二：收到同步探测识别指令后，0#探测分机按重复频率f _a发射UWB脉冲，各探测分机按采样频率f _s同步采集回波信号并频谱细化。

本发明的具体做法是：0#探测分机收到指令后在约定的信号发射开始的RTK-PPS脉冲位置按f _a发射UWB脉冲，各探测分机在约定的采集回波信号开始的RTK-PPS脉冲位置，按采样频率f _s同步采集回波信号并频谱细化；UWB脉冲信号发射后，一部分信号到达空气与地面交界处由地面反射被各探测分机接收，另一部分穿透地面到达浅层土壤与雷场目标交界处由雷场目标反射被各探测分机接收，各探测分机采集到回波信号后对其进行滤波、移频和FFT操作，即频谱细化得到分析带宽B为f ₁~f ₂，主频率为f _a，频谱分辨率为Δf的Q条谱线。

步骤三：各探测分机针对细化频谱进行拖尾特征判断，存在拖尾特征则执行下一步，不存在拖尾特征则跳转到步骤六。

当0#探测分机向地表发射一次 UWB 脉冲信号以产生电磁场向四周传播，如果碰到与地层土壤存在电性差异的目标体（雷场目标），会在目标体上产生反射、折射或感应出涡流，即产生感应电动势f _b，涡流的方向是朝着原磁场消失的方向流动（即重建一个和原磁场一样的磁场），但该感应电动势较微弱，无法直接穿透地层送到地面，但它最终会附加在经过该处的UWB脉冲电磁波上传输到地面，各探测分机采集到的回波信号为发射信号和f _b的耦合信号，即经过f _b调制的发射信号；各探测分机对细化频谱进行拖尾特征判据，所述的拖尾特征判据的理论依据是调制信号的频谱分配原则，指的是在细化谱线中搜索极值谱线；本发明的具体做法是：针对细化得到分析带宽f ₁~f ₂范围的频谱分辨率为Δf的Q条谱线分四步进行判断：第一步缓存细化谱并按从前往后两两比较幅值低者置0、从后往前两两比较幅值低者置0的原则求取Q条谱线中的M条极值谱线，第二步在M条极值谱线中将幅值小于0.03倍最大幅值谱线幅值的极值谱线和极值谱线间距小于10的幅值较小者置0后按幅值大小分别标记极值谱线为L₀、L₁、L₂、……、L_N，第三步若极值谱线为L₀的频率不在λf _a/(2hf _a+λ)±5Δf范围内则不存在拖尾特征并退出判断，第四步在原细化谱中分别将极值谱线L₁、L₂、……、L_N的前后各5条谱线按幅值大小分别标记为l _N0、l _N1、……、l _N9，若极值谱线L₁、L₂、……、L_N的前后谱线分布规律符合l _N8、l _N6、l _N4、l _N2、l _N0、L_N、l _N1、l _N3、l _N5、l _N7、l _N9或l _N9、l _N7、l _N5、l _N3、l _N1、L_N、l _N0、l _N2、l _N4、l _N6、l _N8的形式则为拖尾特征，接着执行下一步，反之不是拖尾特征，跳转到步骤六。

步骤四：各探测分机判断拖尾特征频谱的离散性，拖尾特征离散则执行下一步，拖尾特征不离散则跳转到步骤六。

所述的拖尾特征离散判据的理论依据是信号调制原理，在调制信号频谱中最大极值谱线是离散的，据此判断探测信号中是否存在调制现象；本发明的具体做法是：针对已判断具有拖尾特征的极值谱线L_N，将极值谱线L_N的幅值记为F_maxN，计算极值谱线L_N与其前后各5条谱线一起的幅值均值记为F_jN，若F_maxN≥3F_jN则离散，则执行下一步，反之不离散，则跳转到步骤六。

步骤五：各探测分机判断离散拖尾特征是否为干扰因素，若非干扰因素则作为识别目标，并0#探测分机集中7个探测分机的探测识别结果对识别目标进行综合识别与定位。

所述的环境干扰因素判据是针对具有离散拖尾特征的极值谱线L_N进行的，判断极值谱线L_N的频率是否为测点区域内已知的固定频率成分；干扰剔除判据是为了避免游散电流场穿过地层中不均匀体造成的反射和散射衰落、探测现场空间电磁干扰等的影响，通过前面两个判据后，对于存在拖尾特征与拖尾特征离散特征的频谱应用该判据；本发明的具体做法是：已知探测区域固有信号频率f _G，k为正整数，计算极值谱线L_N的频率f _N＝L_N×Δf，若f _N不在kf _G±3Δf范围内则极值谱线L_N为雷场目标的特征信息，反之不是雷场目标的特征信息；各探测分机将探测识别结果发送给0#探测分机，0#探测分机对接收到的探测结果分别储存，并对识别目标进行综合识别与定位。

本发明的具体做法是：各探测分机重复步骤二到步骤五，每重复一次，各探测分机将探测结果存储在指定位置并发送给0#探测分机，所述的探测结果包括本次探测中的频谱信息是否为雷场目标的特征信息、极值谱线L_N的幅值与频率及雷场目标定位位置坐标，同时探测次数K减1，若K>0，返回步骤二，反之将当前规划位置探测结果及此时探测分机的位置坐标发送给探测控制主机。

本发明的具体做法是：探测控制主机接收到各探测分机发送的探测结果并储存后，对比各探测分机发送的位置坐标与终点规划位置坐标，若不相同，即规划位置未探测完成，探测控制主机控制探测分机飞行到下一规划位置悬停并跳转到步骤一执行；反之，即规划位置已探测完成，探测控制主机控制探测分机返回安全位置，并综合每个规划位置各探测分机的K组探测识别数据得出该位置的探测结果，若7个探测分机中至少有1个探测分机得出该频谱信息为雷场目标的特征信息的结论，则将包含所得到的雷场目标位置坐标的区域标记为存在雷场目标，反之不做标记；对所有的规划位置重复上述操作，得到整个雷区的雷场目标位置坐标。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而己，并不用以限制本发明，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

1.一种雷场目标的多测点同步识别方法，用于由1个探测控制主机和7个探测分机组成的雷场探测系统，7个探测分机在探测控制主机的控制下按正六边形编队模式飞行到规划位置离地面h高的上空悬停并进行同步探测与目标识别；其特征是：对雷场目标的多测点同步识别分为七个步骤：

2.根据权利要求1所述的雷场目标的多测点同步识别方法，其特征是：所述的拖尾特征判断是针对细化得到分析带宽f ₁~f ₂范围的频谱分辨率为Δf的Q条谱线分四步进行判断：第一步缓存细化谱并按从前往后两两比较幅值低者置0、从后往前两两比较幅值低者置0的原则求取Q条谱线中的M条极值谱线，第二步在M条极值谱线中将幅值小于0.03倍最大幅值谱线幅值的极值谱线和极值谱线间距小于10的幅值较小者置0后按幅值大小分别标记极值谱线为L₀、L₁、L₂、……、L_N，第三步若极值谱线为L₀的频率不在λf _a/(2hf _a+λ)±5Δf范围内则不存在拖尾特征并退出判断，第四步在原细化谱中分别将极值谱线L₁、L₂、……、L_N的前后各5条谱线按幅值大小分别标记为l _N0、l _N1、……、l _N9，若极值谱线L₁、L₂、……、L_N的前后谱线分布规律符合l _N8、l _N6、l _N4、l _N2、l _N0、L_N、l _N1、l _N3、l _N5、l _N7、l _N9或l _N9、l _N7、l _N5、l _N3、l _N1、L_N、l _N0、l _N2、l _N4、l _N6、l _N8的形式则为拖尾特征，反之不是拖尾特征。

3.根据权利要求1所述的雷场目标的多测点同步识别方法，其特征是：所述的拖尾特征离散性判断是针对已判断具有拖尾特征的极值谱线L_N进行的，将极值谱线L_N的幅值记为F_maxN，计算极值谱线L_N与其前后各5条谱线一起的幅值均值记为F_jN，若F_maxN≥3F_jN则离散，反之不离散。

4.根据权利要求1所述的雷场目标的多测点同步识别方法，其特征是：所述的干扰因素判断是针对具有离散拖尾特征的极值谱线L_N进行的，已知探测区域固有信号频率f _G，k为正整数，计算极值谱线L_N的频率f _N＝L_N×Δf，若f _N不在kf _G±3Δf范围内则极值谱线L_N为雷场目标的特征信息，反之不是雷场目标的特征信息。