CN116299435B - 煤岩界面识别雷达回波数据校验及坐标转换方法及系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了煤岩界面识别雷达回波数据校验及坐标转换方法及系统，其中方法步骤包括：获取雷达的回波数据；对所述回波数据进行校验；对校验后的所述回波数据进行坐标转换。本申请综合考虑MIMO雷达的各项优势，通过和差单测角算法精确定位回波，并通过转换坐标系来使得数据可以更好的在雷达进行表现。结果更加准确并且直观。

Description

煤岩界面识别雷达回波数据校验及坐标转换方法及系统

技术领域

本申请涉及探地雷达回波处理领域，具体涉及煤岩界面识别雷达回波数据校验及坐标转换方法及系统。

背景技术

作为一种数学模型，MIMO本意即为多输入多输出，移植至通信领域即为多发多收，用以表征发射与接收端均具有多个天线的无线通信系统，能够实现由多天线各自独立发射、到多天线接收与恢复的信号流程。在通信领域使用MIMO技术后，信号以传输信道为系统进行发送与接收，能够有效削弱多径衰落的不利影响，信道误码率得到降低，通信可靠性与用户服务质量显著改善。同时MIMO技术的运用无需占用额外带宽，能够更高效地利用频谱资源，进而在发射功率无需额外消耗的情况下，通信系统的传输距离、覆盖范围和吞吐量获得成倍提升。进而，MIMO技术在无线通信领域的引入与应用，很好地启发铺垫了MIMO雷达的概念出现与技术路线。同时，通过类比雷达与通信系统传输模型的相似性，MIMO的概念也为雷达通信一体化发展提供了一种思路。

发明内容

本申请通过对MIMO雷达接收到的回波信号进行处理，从回波方向及角度两方面来使测量数据更加准确。

为实现上述目的，本申请提供了一种煤岩界面识别雷达回波数据校验及坐标转换方法，步骤包括：

获取雷达的回波数据；

对所述回波数据进行校验；

对校验后的所述回波数据进行坐标转换。

优选的，获取所述回波数据的方法包括：采用MIMO技术，利用多个发射天线发射独立波形，并在接收端采用多个天线接收回波以实现目标探测，得到所述回波数据。

优选的，进行所述校验的过程包括：

对所述回波数据进行来波方向测定；

对完成方向测定的所述回波数据进行角度测量，完成所述校验。

优选的，进行所述来波方向测定的方法包括：采用最小方差无畸变响应算法，通过波束形成的方法，利用自由度在期望方向与干扰和噪声方向上分别形成主波束和波束零陷，使信号和输出功率方差最小；通过寻找最小方差无畸变响应算法空间功率谱上的峰值来完成所述来波方向的测定。

优选的，进行所述角度测量的方法包括：采用单脉冲测角法来进行所述角度测量。

优选的，进行坐标转换的方法包括：采用直角坐标系，按使用场景，定义煤岩识别雷达的坐标系，转换公式包括：

其中，θ表示目标的方位角，表示目标的仰角，r表示雷达与目标间的距离。

本申请还提供了一种煤岩界面识别雷达回波数据校验及坐标转换系统，包括：

获取模块、校验模块和转换模块；

所述获取模块用于获取雷达的回波数据；

所述校验模块用于对所述回波数据进行校验；

所述转换模块用于对校验后的所述回波数据进行坐标转换。

优选的，所述校验模块包括：方向确定单元和角度确定单元；

所述方向确定单元用于对所述回波数据进行来波方向测定；

所述角度确定单元对完成方向测定的所述回波数据进行角度测量，完成所述校验。

与现有技术相比，本申请的有益效果如下：

本申请综合考虑MIMO雷达的各项优势，通过和差单测角算法精确定位回波，并通过转换坐标系来使得数据可以更好的在雷达进行表现。结果更加准确并且直观。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例的方法流程示意图；

图2为本申请实施例的单脉冲测角构架示意图；

图3为本申请实施例的雷达回波信号比幅单脉冲测角流程示意图；

图4为本申请实施例的系统结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步详细的说明。

实施例一

如图1所示，为本申请的方法流程示意图，步骤包括：

S1.获取雷达的回波数据。

本实施例主要针对MIMO雷达采集的回波数据进行处理，采用MIMO技术，利用多个发射天线发射独立波形，并在接收端采用多个天线接收回波以实现目标探测，得到回波数据。

原因在于，MIMO雷达可依据不同探测环境与任务需求，通过控制发射波形，按需分配空域能量，设计发射波束，并在接收端采用不同滤波器进行回波分离处理，能够有效提升复杂电磁环境下杂波等干扰的抑制能力，实现对目标有效的探测。其中，波形分集技术赋予了MIMO雷达巨大的潜在自由度，如何挖掘这些潜在的自由度，其中“变”发射波形起到了关键的作用和意义。

S2.对回波数据进行校验。

对回波数据进行校验的步骤包括：对回波数据进行来波方向测定；对完成方向测定的回波数据进行角度测量，完成校验。

在本实施例中，采用最小方差无畸变响应(Capon)算法来对来波方向进行测定。Capon算法核心思想是保持期望方向上的信号功率稳定，同时抑制干扰和噪声的功率。即通过波束形成的方法，利用一部分自由度在期望方向上形成主波束，同时利用剩余的自由度在干扰和噪声方向上形成波束零陷，最终使得信号和输出功率方差最小。最终通过寻找Capon空间功率谱上的峰值来获得波达方向的估计。而当目标数不多的情况下则采用最大似然(ML)算法，由于方向估计似然函数是非线性的，求解其最优解时需要进行多维搜索，运算量较大，但是在目标数不多的情况下，ML算法是DOA(来波方向)估计的最优算法。

之后利用单脉冲测角法对完成方向测定的回波数据进行角度测量，完成校验，单脉冲测角的构建如图2所示，图中ABCD为天线单元。为了产生俯仰差波束，可使用波束差(A+D)或(B+C)。首先通过形成和方向图(A+B)与(C+D)，再计算差(A+B)-(C+D)，就可获得俯仰差信号△_el。同理可知，首先形成和方向图(A+C)与(B+D)，再计算差(A+C)-(B+D)，可产生方位差信号△_az。MIMO雷达回波信号和差比幅单脉冲测角法的实现框架如图3所示。

在本实施例中，具体采用和差单脉冲测角法来进行校验。

和差单脉冲测角就是在相位法和振幅法的基础上进行的。且这种测角方法是单脉冲测角里应用最为广泛的方法。煤岩识别雷达因为波束宽度很宽，要取得一定的精度，不得不采用单脉冲法测角。通常在振幅法的基础上组成振幅和差脉冲测角法。和差单脉冲测角算法具体如下：

和波束、左波束与右波束可由高斯函数表示：

其中，θ_tgt表示目标位置角度；θ₁表示左波束轴向角；θ_r表示右波束轴向角；△θ表示目标位置角度波束轴向角之差；与θ_cross表示左右波束指向的间隔；α为系数。

多路接收机接收的信号量化后为S_A，S_B，S_C，S_D可得：

方位和S_∑＝S_A+S_B+S_C+S_D

方位差D_△az＝((A+C)-(B+D))

方位角偏差函数Da＝S_Δ/S_∑

通过实际实验获得角偏差与方位角D_a＝f_a(θ)函数表。θ为D_a的反演。可以获得方位角θ的数值。俯仰差D_Δe＝(A+B)-(C+D)通过实际实验获得角偏差与俯仰函数表。/>为D_e的反演。可以获得俯仰角/>的数值，完成校验。

对校验后的回波数据进行坐标转换。

本实施例采用的坐标系为直角坐标系，按将来使用的场景，定义煤岩识别雷达的坐标系，线阵列为Ox-Oy布置，即时工作面方向垂直面，雷达在Ox、Oy方向扫描，设获得的反射点或小区为S_i。

上述的MIMO雷达向煤层(Z方向)发射电磁波，遇到不同煤、岩石介质的交接面，电磁波反射，雷达接收机收到这种信号，经信号处理机(DSP)处理，去除各种杂波和干扰得到真正的目标物信号，通过MIMO天线的两维扫描，获得煤岩体空间点测量目标的距离和角度。通常雷达测量是在极坐标系中，获取的目标坐标参数包括测量距离r，方位角θ，俯仰角雷达系统中获取的目标为极坐标系统，其在极坐标系里的坐标/>雷达测量系统获得的回波信号坐标需要转化成在煤岩界面识别系统的直角坐标系里，转化后目标S_i的坐标为(x，y，z)。

在直角坐标系坐标轴转换公式为：

其中，θ表示目标的方位角，表示目标的仰角，r表示雷达与目标间的距离。转换成直角坐标系后，则带有煤岩数据特征的雷达回波信号测出煤岩体的点坐标为：S_i(x_i,y_i,z_i)i＝1,2,.....n其中，n为目标物的个数。至此，完成煤岩界面识别雷达回波数据的校验及坐标转换。

实施例二

如图4所示，为本申请实施例的系统结构示意图，包括：获取模块、校验模块和转换模块；获取模块用于获取雷达的回波数据；校验模块用于对回波数据进行校验；转换模块用于对校验后的回波数据进行坐标转换。其中，校验模块包括：方向确定单元和角度确定单元；方向确定单元用于对回波数据进行来波方向测定；角度确定单元对完成方向测定的回波数据进行角度测量，完成校验。

本实施例中，获取模块采用MIMO雷达采集的回波数据进行处理，利用多个发射天线发射独立波形，并在接收端采用多个天线接收回波以实现目标探测，得到回波数据。

原因在于，MIMO雷达可依据不同探测环境与任务需求，通过控制发射波形，按需分配空域能量，设计发射波束，并在接收端采用不同滤波器进行回波分离处理，能够有效提升复杂电磁环境下杂波等干扰的抑制能力，实现对目标有效的探测。其中，波形分集技术赋予了MIMO雷达巨大的潜在自由度，如何挖掘这些潜在的自由度，其中“变”发射波形起到了关键的作用和意义。

之后利用校验模块对回波数据进行校验。

校验模块包括：方向确定单元和角度确定单元；方向确定单元用于对回波数据进行来波方向测定；角度确定单元对完成方向测定的回波数据进行角度测量，完成校验。

在本实施例中，方向确定单元采用为最小方差无畸变响应(Capon)算法来对来波方向进行测定。Capon算法核心思想是保持期望方向上的信号功率稳定，同时抑制干扰和噪声的功率。即通过波束形成的方法，利用一部分自由度在期望方向上形成主波束，同时利用剩余的自由度在干扰和噪声方向上形成波束零陷，最终使得信号和输出功率方差最小。最终通过寻找Capon空间功率谱上的峰值来获得波达方向的估计。而当目标数不多的情况下则采用最大似然(ML)算法，由于方向估计似然函数是非线性的，求解其最优解时需要进行多维搜索，运算量较大，但是在目标数不多的情况下，ML算法是DOA(来波方向)估计的最优算法。

之后角度确定单元利用单脉冲测角法对完成方向测定的回波数据进行角度测量，完成校验，单脉冲测角的构建如图2所示，图中ABCD为天线单元。为了产生俯仰差波束，可使用波束差(A+D)或(B+C)。首先通过形成和方向图(A+B)与(C+D)，再计算差(A+B)-(C+D)，就可获得俯仰差信号△_el。同理可知，首先形成和方向图(A+C)与(B+D)，再计算差(A+C)-(B+D)，可产生方位差信号△_az。MIMO雷达回波信号和差比幅单脉冲测角法的实现框架如图3所示。

在本实施例中，角度确定单元具体采用和差单脉冲测角法来进行校验。

和差单脉冲测角就是在相位法和振幅法的基础上进行的。且这种测角方法是单脉冲测角里应用最为广泛的方法。煤岩识别雷达因为波束宽度很宽，要取得一定的精度，不得不采用单脉冲法测角。通常在振幅法的基础上组成振幅和差脉冲测角法。和差单脉冲测角算法具体如下：

和波束、左波束与右波束可由高斯函数表示：

其中，θ_tgt表示目标位置角度；θ₁表示左波束轴向角；θ_r表示右波束轴向角；△θ表示目标位置角度波束轴向角之差；与θ_cross表示左右波束指向的间隔；α为系数。

多路接收机接收的信号量化后为S_A，S_B，S_C，S_D可得：

方位和S_∑＝S_A+S_B+S_C+S_D

方位差D_△az＝((A+C)-(B+D))

方位角偏差函数Da＝S_Δ/S_∑

通过实际实验获得角偏差与方位角D_a＝f_a(θ)函数表。θ为D_a的反演。可以获得方位角θ的数值。俯仰差D_Δe＝(A+B)-(C+D)通过实际实验获得角偏差与俯仰函数表。/>为D_e的反演。可以获得俯仰角/>的数值，完成校验。

最后，转换模块对校验后的回波数据进行坐标转换。

本实施例中，转换模块采用的坐标系为直角坐标系，按将来使用的场景，定义煤岩识别雷达的坐标系，线阵列为Ox-Oy布置，即时工作面方向垂直面，雷达在Ox、Oy方向扫描，设获得的反射点或小区为S_i。

上述的MIMO雷达向煤层(Z方向)发射电磁波，遇到不同煤、岩石介质的交接面，电磁波反射，雷达接收机收到这种信号，经信号处理机(DSP)处理，去除各种杂波和干扰得到真正的目标物信号，通过MIMO天线的两维扫描，获得煤岩体空间点测量目标的距离和角度。通常雷达测量是在极坐标系中，获取的目标坐标参数包括测量距离r，方位角θ，俯仰角雷达系统中获取的目标为极坐标系统，其在极坐标系里的坐标/>雷达测量系统获得的回波信号坐标需要转化成在煤岩界面识别系统的直角坐标系里，转化后目标S_i的坐标为(x，y，z)。

在直角坐标系坐标轴转换公式为：

其中，θ表示目标的方位角，表示目标的仰角，r表示雷达与目标间的距离。转换成直角坐标系后，则带有煤岩数据特征的雷达回波信号测出煤岩体的点坐标为：S_i(x_i,y_i,z_i)i＝1,2,.....n其中，n为目标物的个数。至此，完成煤岩界面识别雷达回波数据的校验及坐标转换。

以上所述的实施例仅是对本申请优选方式进行的描述，并非对本申请的范围进行限定，在不脱离本申请设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本申请的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本申请权利要求书确定的保护范围内。

Claims (4)

1.煤岩界面识别雷达回波数据校验及坐标转换方法，其特征在于，步骤包括：

获取雷达的回波数据；获取所述回波数据的方法包括：采用MIMO技术，利用多个发射天线发射独立波形，并在接收端采用多个天线接收回波以实现目标探测，得到所述回波数据；

对所述回波数据进行校验；进行所述校验的过程包括：

对所述回波数据进行来波方向测定，具体方法包括：采用最小方差无畸变响应算法来对来波方向进行测定；

对完成方向测定的所述回波数据进行角度测量，具体方法包括：采用和差单脉冲测角法来进行角度测量，具体如下：

和波束、左波束与右波束由高斯函数表示：

其中，θ_tgt表示目标位置角度；θ₁表示左波束轴向角；θ_r表示右波束轴向角；△θ表示目标位置角度波束轴向角之差；与θ_cross表示左右波束指向的间隔；α为系数；

多路接收机接收的信号量化后为S_A，S_B，S_C，S_D，其中A、B、C、D为天线单元，可得：

方位和S_∑=S_A+S_B+S_C+S_D

方位差D_△az=((A+C）-（B+D）)

方位角偏差函数通过实际实验获得角偏差与方位角D_a=f_a(θ）函数表；θ为D_a的反演；可以获得方位角θ的数值；俯仰差/>通过实际实验获得角偏差与俯仰D_e=f_e(φ）函数表；φ为D_e的反演；可以获得俯仰角φ的数值，完成校验；

对校验后的所述回波数据进行坐标转换。

2.根据权利要求1所述的煤岩界面识别雷达回波数据校验及坐标转换方法，其特征在于，进行所述来波方向测定的方法包括：采用最小方差无畸变响应算法，通过波束形成的方法，利用自由度在期望方向与干扰和噪声方向上分别形成主波束和波束零陷，使信号和输出功率方差最小；通过寻找最小方差无畸变响应算法空间功率谱上的峰值来完成所述来波方向的测定。

3.根据权利要求1所述的煤岩界面识别雷达回波数据校验及坐标转换方法，其特征在于，进行坐标转换的方法包括：采用直角坐标系，按使用场景，定义煤岩识别雷达的坐标系，转换公式包括：

其中，θ表示目标的方位角，φ表示目标的仰角，r表示雷达与目标间的距离。

4.煤岩界面识别雷达回波数据校验及坐标转换系统，其特征在于，包括：获取模块、校验模块和转换模块；

所述获取模块用于获取雷达的回波数据；具体流程包括：采用MIMO技术，利用多个发射天线发射独立波形，并在接收端采用多个天线接收回波以实现目标探测，得到所述回波数据；

所述校验模块用于对所述回波数据进行校验；所述校验模块包括：方向确定单元和角度确定单元；

所述方向确定单元用于对所述回波数据进行来波方向测定；

所述角度确定单元对完成方向测定的所述回波数据进行角度测量，完成所述校验；所述角度确定单元具体采用和差单脉冲测角法来进行角度测量：

和波束、左波束与右波束由高斯函数表示：

其中，θ_tgt表示目标位置角度；θ₁表示左波束轴向角；θ_r表示右波束轴向角；△θ表示目标位置角度波束轴向角之差；与θ_cross表示左右波束指向的间隔；α为系数；

多路接收机接收的信号量化后为S_A，S_B，S_C，S_D，其中A、B、C、D为天线单元，可得：

方位和S_∑=S_A+S_B+S_C+S_D

方位差D_△az=((A+C）-（B+D）)

方位角偏差函数通过实际实验获得角偏差与方位角D_a=f_a(θ）函数表；θ为D_a的反演；可以获得方位角θ的数值；俯仰差/>通过实际实验获得角偏差与俯仰D_e=f_e(φ）函数表；φ为D_e的反演；可以获得俯仰角φ的数值，完成校验；

所述转换模块用于对校验后的所述回波数据进行坐标转换。