CN113721214A - 一种基于空管雷达的直升机悬停检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于空管雷达的直升机悬停检测方法，接收当前扫描周期下的回波数据，对回波数据进行脉冲压缩处理，并将脉冲压缩后的信号进行按脉冲建立背景图，经过多帧的背景图积累，等平均背景图稳定后，接收的回波数据经脉冲压缩后就与背景图进行差分处理，消除机身固定回波的能量，然后将差分图像与给定阈值作比较，输出二值化图像，最后将每帧所产生的二值化图像非相干积累后，通过EDlines算法的检测，实现对直升机悬停的有效探测，其中，通过背景图进行图像检测，有效的提高了运动目标和低速目标的检测能力和检测精度。

Description

一种基于空管雷达的直升机悬停检测方法
技术领域
本发明涉及雷达信号处理技术领域，具体涉及一种基于空管雷达的直升机悬停检测方法。
背景技术
在现代战争中，慢速或悬停的低空武装直升机的探测，对雷达提出了新的挑战。由于直升机飞行高度低、速度慢甚至可以悬停飞行，常规雷达采用的动目标检测(MTD)或动目标显示(MTI)技术对其探测时会将其作为固定目标滤除，难以实现有效探测。
要对直升机进行探测就要探讨其自身的雷达回波特点，直升机都具有长而大的旋翼，旋翼一般由几片叶片组成，通常在水平面内旋转并有较高的转速。因此，产生的雷达回波具有较强的幅度和多普勒调制，在时域上呈现为准周期性的峰包，在频域上具有宽的多普勒频谱。利用直升机雷达回波的这一特性,可在抑制多普勒接近于零的地杂波后，利用直升机旋翼的回波特性，采用合适的方法实现对慢速或悬停直升机的探测。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于空管雷达的直升机悬停检测方法，是利用目标的精细运动和几何结构对电磁散射的综合调制特征，以及主旋翼回波的闪烁脉冲特性，通过时域相关检测法、图像处理和EDlines算法检测，完成对悬停直升机的检测和分类。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种基于空管雷达的直升机悬停检测方法，包括以下步骤:
S1：对雷达接收的当前扫描周期下的原始脉冲I、Q信号进行脉冲压缩处理，得到正交的脉冲I、Q数据；
S2：对脉冲压缩处理后的数据按脉冲数据建立精细化的背景图建模；
S3：利用当前帧的脉压回波数据与背景图的差分运算检测出运动目标的背景差分；
S4：将当前周期与背景图做差分得到差分图像，并将绝对差值与给定的阈值作差值处理，得到二值化图像；
S5：对多次扫描周期内检测结果所产生的二值化图像进行非相干积累，以帧为单位排成一列，即主旋翼回波的检测处于一条直线上，通过EDlines算法，该直线映射成一个点，实现对直升机悬停时的目标检测。
作为本发明进一步的方案：S1中对原始脉冲I、Q信号进行脉冲压缩处理是将每组回波脉冲信号进行脉冲压缩，形成M组脉压信号，得到M组正交的脉冲I、Q数据，脉冲压缩的公式为：
sr(t)＝s(t)*h(t)
式中，sr(t)为脉压后输出的信号，s(t)为雷达的回波信号，h(t)为匹配滤波器的冲激响应。
作为本发明进一步的方案：由发射的线性调频信号确定，且为发射信号的共轭镜h(t)像函数。
作为本发明进一步的方案：S2中背景图建模是基于雷达的整个探测范围内，将方位按照脉冲的数量划分为N个等份，距离上按照分辨单元划分为L个等份，即将雷达的整个探测范围划分为N×L个方位距离单元，相对应的，精细化的背景图包含了N×L个图像单元；
首先以雷达的前n帧的回波数据建立平均背景图建模，即在平均背景图建模上各个图单元(x,y)坐标处均有其相对应的幅度值，其计算公式为：
Figure BDA0003195015520000021
其中，bj(x,y)表示平均背景图(x，y)处的幅度值，Ei(x,y)表示第i帧回波(x，y)坐标处的幅度值，n表示用于建立背景图的帧数，即雷达的扫描周期。
作为本发明进一步的方案：S3中的背景差分是利用在雷达扫描的第n个周期即当前扫描周期下脉冲压缩后数据中的各个图像单元(i,j)的幅度值Vn(i,j)，同时根据图像单元周围的幅度值选择一个合适的阈值，跟平均背景图中相同位置对应的图像单元(i,j)进行判断，得到差值d(x,y)，判断是否需要更新对应图像单元(i,j)的幅度值门限V′n(i,j)，以及确定该对应图像单元的二值化取值；
其中，背景差分的公式为：
dk(x,y)＝|ck(x,y)-bk(x,y)|
式中，为ck(x,y)当前帧的回波图像，bk(x,y)为背景建模之后产生的背景图像；为当dk(x,y)前帧回波图像与背景图像做差分得到的差分图像。
作为本发明进一步的方案：S4中当差分图像中某一像素的值大于设定的阈值时，则认为该像素属于前景点，反之则认定该像素为背景点，从而能够检测出当前周期雷达回波中运动目标的轮廓，即可得到二值化图像；
该二值化图像的公式为：
Figure BDA0003195015520000031
式中，若dk(x,y)＞T(T为二值化的阈值)，则rk(x,y)＝0，为检测到过门限的目标；rk(x,y)＝1为背景图像。
作为本发明进一步的方案：S5中对于多次扫描周期内检测结果所产生的二值化图像进行非相干积累，具体是在雷达数据空间中，将目标的回波与目标的距离、方位之间的几何关系作为一个数据空间，目标的运动轨迹在数据空间内利用几何关系实现对目标回波进行积累。
作为本发明进一步的方案：将雷达在多扫描周期内检测过门限而产生的二值化图像，用EDlines算法提取图像上的直线特征。
作为本发明进一步的方案：积累时取经EDlines算法得到的直线在时间轴上的距离不超过q的所有“1”值点位置处的脉冲幅度相加，q值的选取是根据直升机飞行或悬停时所产生的震动或扰动大小、一次积累需要的时间长短确定。q的取值过大会导致检测时的虚警率上升，而过小的取值会丢失部分周期中有用脉冲，导致系统检测概率的下降。综合考虑以上各种因素的影响，结合雷达检测系统的性能指标和多型直升机的具体参数，一般q值的选择范围为10左右。
本发明的有益效果：
(1)本发明在针对空管雷达对直升机悬停检测的方法主要包括：通过获得雷达探测范围内的回波场景和目标的雷达二维图像，通过图像处理的背景差分方法进行检测，有效的消除机身的固定回波，将主旋翼周期性的闪烁脉冲回波检测出来，主要针对的是高度低、速度慢甚至能够悬停飞行的直升机，摒弃了常规雷达采用的动目标检测(MTD)或动目标显示(MTI)技术探测时将其作为固定目标滤除的弊端，能够实现有效探测；
(2)本发明利用背景图进行图像检测，有效的提高了运动目标和低速目标的检测能力和检测精度；
(3)本发明利用多扫描周期建立的平均背景图进行差分运算，能够通过调节参数及相关阈值准确地检测到目标的位置，大小等相关信息；
(4)本发明利用的实时线段检测EDlines算法根本不需要参数调整，在处理不同类型图像时只需运行一组默认参数就能获取准确的结果，实用性强；
(5)本发明利用的EDlines算法产生强大的和准确的结果，比最快的已知线段检测器速度更快，相比较其他直线提取算法都具有最优性。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1是本发明流程图的结构示意图。
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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1所示，本发明为一种基于空管雷达的直升机悬停检测方法，包括以下步骤:
S1：对雷达接收的当前扫描周期下的原始脉冲I、Q信号进行脉冲压缩处理，得到正交的脉冲I、Q数据；
具体对原始脉冲I、Q信号进行脉冲压缩处理是将每组回波脉冲信号进行脉冲压缩，形成M组脉压信号，得到M组正交的脉冲I、Q数据，脉冲压缩的公式为：
sr(t)＝s(t)*h(t)
式中，sr(t)为脉压后输出的信号，s(t)为雷达的回波信号，h(t)为匹配滤波器的冲激响应；
其中，h(t)主要由发射的线性调频信号来确定，实际上为发射信号的共轭镜像函数；
S2：对脉冲压缩处理后的数据按脉冲数据建立精细化的背景图建模；
该背景图建模是基于雷达的整个探测范围内，将方位按照脉冲的数量划分为N个等份，距离上按照分辨单元划分为L个等份，即将雷达的整个探测范围划分为N×L个方位距离单元，相对应的，精细化的背景图包含了N×L个图像单元；
首先以雷达的前n帧的回波数据建立平均背景图建模，即在平均背景图建模上各个图单元(x,y)坐标处均有其相对应的幅度值，其计算公式为：
Figure BDA0003195015520000061
其中，bj(x,y)表示平均背景图(x，y)处的幅度值，Ei(x,y)表示第i帧回波(x，y)坐标处的幅度值，n表示用于建立背景图的帧数，即雷达的扫描周期，具体应用过程中，建立背景图的n的取值越大，平均背景图建立的效果就越好；
S3：利用当前帧的脉压回波数据与背景图的差分运算检测出运动目标的背景差分；
该背景差分是利用在雷达扫描的第n个周期即当前扫描周期下脉冲压缩后数据中的各个图像单元(i,j)的幅度值Vn(i,j)，同时根据图像单元周围的幅度值选择一个合适的阈值，跟平均背景图中相同位置对应的图像单元(i,j)进行判断，得到差值d(x,y)，判断是否需要更新对应图像单元(i,j)的幅度值门限Vn′(i,j)，以及确定该对应图像单元的二值化取值；
其中，背景差分的公式为：
dk(x,y)＝|ck(x,y)-bk(x,y)|
式中，ck(x,y)为当前帧的回波图像，bk(x,y)为背景建模之后产生的背景图像；dk(x,y)为当前帧回波图像与背景图像做差分得到的差分图像；
S4：将当前周期与背景图做差分得到差分图像，并将绝对差值与给定的阈值作差值处理，得到二值化图像；
即当差分图像中某一像素的值大于设定的阈值时，则认为该像素属于前景点，反之则认定该像素为背景点，从而能够检测出当前周期雷达回波中运动目标的轮廓，即可得到二值化图像；
该二值化图像的公式为：
Figure BDA0003195015520000071
式中，若dk(x,y)＞T(T为二值化的阈值)，则rk(x,y)＝0，为检测到过门限的目标；rk(x,y)＝1为背景图像；
S5：对多次扫描周期内检测结果所产生的二值化图像进行非相干积累，以帧为单位排成一列，即主旋翼回波的检测处于一条直线上，通过EDlines算法，该直线映射成一个点，实现对直升机悬停时的目标检测；
具体检测过程为在雷达数据空间中，目标的回波与目标的距离、方位之间有一定的几何关系，将其看成为一个数据空间(图像)，而目标的运动是一个轨迹，可以利用其几何信息对目标回波进行积累，多次扫描周期内检测结果所产生的二值化图像进行非相干积累，以帧为单位排成一列，主旋翼回波的检测应该处于一条直线上，通过EDlines算法，该直线映射成一个点，实现直升机悬停时的目标检测；
其基本方法是：将雷达在多扫描周期内检测过门限而产生的二值化图像，用EDlines算法提取图像上的直线特征，积累时取离EDlines算法得到的直线(可能是多条)在时间轴上的距离不超过q的所有“1”值点位置处的脉冲幅度相加，其中，q值的选取根据直升机飞行或悬停时所产生的震动或扰动大小、一次积累需要的时间长短等因素综合来确定；
q的取值过大会导致检测时的虚警率上升，而过小的取值会丢失部分周期中有用脉冲，导致系统检测概率的下降。综合考虑以上各种因素的影响，结合雷达检测系统的性能指标和多型直升机的具体参数，一般q值的选择范围为10左右。
其中，S3中背景差分中的脉压回波数据的雷达回波直主要由机身回波与旋翼回波组成，当悬停时，直升机的机身回波等同于固定地物回波，雷达长时间的观测，雷达接收到旋转作用调制的脉冲，当雷达的波束照射到与直升机叶片垂直时，回波信号达到最强，当直升机叶片旋转偏离垂直方向时，脉冲回波的幅度锐减，从而形成闪烁脉冲。
因此，无论哪一类直升机目标，在一次扫描周期内采集到至少一个或多个主旋翼的回波脉冲，利用悬停直升机旋翼回波信号的闪烁性和宽谱线的特性，形成周期性的闪烁脉冲。
以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (10)

1.一种基于空管雷达的直升机悬停检测方法，其特征在于，包括以下步骤:
S1：对雷达接收的当前扫描周期下的原始脉冲I、Q信号进行脉冲压缩处理，得到正交的脉冲I、Q数据；
S2：对脉冲压缩处理后的数据按脉冲数据建立精细化的背景图建模；
S3：利用当前帧的脉压回波数据与背景图的差分运算检测出运动目标的背景差分；
S4：将当前周期与背景图做差分得到差分图像，并将绝对差值与给定的阈值作差值处理，得到二值化图像；
S5：对多次扫描周期内检测结果所产生的二值化图像进行非相干积累，以帧为单位排成一列，即主旋翼回波的检测处于一条直线上，通过EDlines算法，该直线映射成一个点，实现对直升机悬停时的目标检测。
2.根据权利要求1所述的一种基于空管雷达的直升机悬停检测方法,其特征在于，S1中对原始脉冲I、Q信号进行脉冲压缩处理是将每组回波脉冲信号进行脉冲压缩，形成M组脉压信号，得到M组正交的脉冲I、Q数据，脉冲压缩的公式为：
sr(t)＝s(t)*h(t)
式中，sr(t)为脉压后输出的信号，s(t)为雷达的回波信号，h(t)为匹配滤波器的冲激响应。
3.根据权利要求2所述的一种基于空管雷达的直升机悬停检测方法,其特征在于，h(t)由发射的线性调频信号确定，且为发射信号的共轭镜像函数。
4.根据权利要求1所述的一种基于空管雷达的直升机悬停检测方法,其特征在于，S2中背景图建模是基于雷达的整个探测范围内，将方位按照脉冲的数量划分为N个等份，距离上按照分辨单元划分为L个等份，即将雷达的整个探测范围划分为N×L个方位距离单元，相对应的，精细化的背景图包含了N×L个图像单元；
首先以雷达的前n帧的回波数据建立平均背景图建模，即在平均背景图建模上各个图单元(x,y)坐标处均有其相对应的幅度值，其计算公式为：
Figure FDA0003195015510000021
其中，bj(x,y)表示平均背景图(x，y)处的幅度值，Ei(x,y)表示第i帧回波(x，y)坐标处的幅度值，n表示用于建立背景图的帧数，即雷达的扫描周期。
5.根据权利要求1所述的一种基于空管雷达的直升机悬停检测方法,其特征在于，S3中的背景差分是利用在雷达扫描的第n个周期即当前扫描周期下脉冲压缩后数据中的各个图像单元(i,j)的幅度值Vn(i,j)，同时根据图像单元周围的幅度值选择一个合适的阈值，跟平均背景图中相同位置对应的图像单元(i,j)进行判断，得到差值d(x,y)，判断是否需要更新对应图像单元(i,j)的幅度值门限V′n(i,j)，以及确定该对应图像单元的二值化取值；
其中，背景差分的公式为：
dk(x,y)＝|ck(x,y)-bk(x,y)|
式中，ck(x，y)为dk(x,y)当前帧的回波图像，bk(x，y)为背景建模之后产生的背景图像；为当前帧回波图像与背景图像做差分得到的差分图像。
6.根据权利要求1所述的一种基于空管雷达的直升机悬停检测方法,其特征在于，S4中当差分图像中某一像素的值大于设定的阈值时，则认为该像素属于前景点，反之则认定该像素为背景点，从而能够检测出当前周期雷达回波中运动目标的轮廓，即可得到二值化图像；
该二值化图像的公式为：
Figure FDA0003195015510000031
式中，若dk(x,y)＞T(T为二值化的阈值)，则rk(x,y)＝0，为检测到过门限的目标；rk(x,y)＝1为背景图像。
7.根据权利要求1所述的一种基于空管雷达的直升机悬停检测方法,其特征在于，S5中对于多次扫描周期内检测结果所产生的二值化图像进行非相干积累，具体是在雷达数据空间中，将目标的回波与目标的距离、方位之间的几何关系作为一个数据空间，目标的运动轨迹在数据空间内利用几何关系实现对目标回波进行积累。
8.根据权利要求7所述的一种基于空管雷达的直升机悬停检测方法,其特征在于，将雷达在多扫描周期内检测过门限而产生的二值化图像，用EDlines算法提取图像上的直线特征。
9.根据权利要求8所述的一种基于空管雷达的直升机悬停检测方法,其特征在于，积累时取离EDlines算法得到的直线在时间轴上的距离不超过q的所有“1”值点位置处的脉冲幅度相加。
10.根据权利要求9所述的一种基于空管雷达的直升机悬停检测方法,其特征在于，q值的选取根据直升机飞行、悬停时姿态变化或机身所产生的震动或扰动大小、一次积累需要的周期数选取因素来确定。
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