基于杂波图匹配的机场跑道异物检测方法

摘要

本发明涉及一种基于杂波图匹配的机场跑道异物检测方法，属于雷达信号处理技术领域。本发明为了克服现有雷达转台角度、距离存在误差以及背景杂波复杂的检测环境下，现有的机场跑道异物检测方法检测效果较差的不足，提供了一种基于杂波图映射的机场跑道异物检测方法，利用杂波图与待检测信号的匹配、映射提高背景杂波消除效果，来有效提高检测效果，尤其是对低信杂的情况，检测效果明显的提高。

说明书

技术领域

本发明属于雷达信号处理技术领域，具体涉及一种基于杂波图匹配的机场跑道异物检测方法。

背景技术

机场跑道异物(Foreign Object Debris，FOD)，以下简称为FOD，指飞机跑道上存在的异物，通常有砖块、金属零件、冰块或野生动物等。当飞机处于起飞和降落过程中，飞机滑行速度高达200～300公里每秒，此时FOD的存在会对飞机及地面人员造成极大危害。

目前，FOD检测主要有毫米波雷达结合视频设备检测以及只用视频设备监测两种方法。大部分机场使用的FOD设备，采用了毫米波雷达结合视频设备的检测方式，例如英国的Tasier系统、新加坡的iFerret和以色列的FODetect等，这种检测方式先通过毫米波雷达找到机场跑道可能存在的FOD，将目标在视频画面中做出标记，然后通过视频判断是否为虚警。但上述几种检测系统售价昂贵，且并没有针对我国机场及民航标准进行本土化改造，难以适应国内机场环境。在毫米波雷达的FOD检测中，由于雷达转台存在的角度、距离测量误差以及复杂的背景杂波环境，检测结果受背景杂波影响较大。针对这种雷达转台角度、距离存在误差以及背景杂波环境复杂的情况，现有的机场跑道异物检测技术大多采用杂波图方法以达到消除杂波的目的，但仅依靠该方法无法克服上述提到的角度、距离测量误差问题，并且背景杂波环境复杂时该方法的杂波消除效果不理想，导致检测效果差。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：如何克服现有雷达转台角度、距离存在误差以及背景杂波复杂的检测环境下，现有的机场跑道异物检测方法检测效果较差的不足。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于杂波图匹配的机场跑道异物检测方法，包括以下步骤：

步骤1、建立确定待检测区域的距离-幅度谱的方法：在确定待检测区域内无异物时，在给定机场跑道范围内，通过线性连续调频波雷达对待检测区域进行检测，提取回波信号中的距离-幅度谱；所述线性连续调频波雷达包括雷达发射机和雷达接收机；

步骤2、根据步骤1的方法获取待检测区域的距离-幅度谱，得到背景杂波图中杂波单元的杂波功率作为参考值，建立背景杂波图；

步骤3、进行异物检测，将回波信号经步骤1的方法处理后得到待检测信号的距离-幅度谱；将步骤2得到的背景杂波图与待检测信号相对应的距离-幅度谱作为参考信号，将待检测信号的距离-幅度谱作为输入信号，通过匹配滤波器使背景杂波图与待检测信号的距离-幅度谱进行匹配、映射，然后将检测信号的距离-幅度谱减去映射后的杂波图，得到消除杂波后的待检测信号；

步骤4、使用单元平均恒虚警检测算法，计算消除杂波后的待检测信号中各个距离单元的检测阈值，判断各个距离单元是否存在异物目标；

步骤5、若判断为不存在异物目标，则对该距离单元对应杂波图单元的杂波功率估计值进行更新；若判断为存在异物目标，则不对该距离单元对应杂波图单元的杂波功率估计值进行更新。

优选地，步骤1中，通过雷达发射机向待检测区域发射信号，雷达接收机接收跑道和异物的反射信号作为输入信号，将输入信号与发射信号相乘得到混频信号，对混频信号进行低通滤波、A/D转换、快速傅里叶变换得到频率-幅度谱，再将频率-幅度谱转化为距离-幅度谱；

其中雷达发射机的发射信号公式为：

将混频信号进行低通滤波后，得到差频信号，差频信号公式为：

采用公式

优选地，步骤2中在确定待检测区域内无异物时，对待检测区域进行扫描，根据步骤1的方法，建立待检测区域内每个离散角度的距离-幅度谱，并根据待检测区域内每个离散角度的距离-幅度谱建立背景杂波图，对背景杂波图中杂波单元的杂波功率进行迭代获得最终的背景杂波图，所述背景杂波图为ξ(r)，其中，r为离散变量，ξ(r

优选地，步骤3中，将与待检测信号对应的背景杂波图序列的倒序作为匹配滤波器的冲激响应，

优选地，映射投影将背景杂波图映射至待检测信号空间，进行杂波消除的具体方法为：

S3.1、背景杂波图的映射方法为，

S3.2、杂波消除方法为：

优选地，步骤4中，消除杂波后的待检测信号中各个距离单元的检测阈值＝单元平均恒虚警算法的标称化因子×参考单元平均功率；

优选地，所述单元平均恒虚警算法的标称化因子的计算方法为：设虚警概率

所述参考单元平均功率的计算方法为：对消除杂波后的待检测信号中每一个距离单元，划定其前后距离范围内的K个单元为参考单元，计算参考单元信号功率的平均值，公式为：

优选地，步骤4中，采用如下公式判断各个距离单元是否存在异物目标：

优选地，步骤5中对杂波图单元的杂波功率估计值进行更新的方法为：采用如下迭代公式对杂波图单元的杂波功率估计值进行迭代：ξ

本发明还提供了一种所述的方法在雷达信号处理技术领域中的应用。

(三)有益效果

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1、本发明提供的杂波匹配的机场跑道异物检测方法，采取杂波图，将单元平均恒虚警算法与杂波图结合，这种算法首先将雷达空间划分为距离、角度的杂波图单元，对于每个杂波图单元通过回波输入不断迭代形成动态的杂波功率参考值，然后计算邻近的参考单元杂波功率参考值的平均值，根据恒虚警检测技术通过该平均值计算出FOD的检测阈值；利用杂波图的稳定性，为后续杂波图匹配和杂波消除提供基础。

2、本发明提供的基于杂波图匹配的机场跑道异物检测方法，针对杂波图在角度、距离存在误差以及背景环境复杂的情况下，检测不准确的问题，基于杂波图算法，提出采用自适应滤波器进行杂波图与待检测信号匹配、映射，进行杂波消除，有效的提高了毫米波雷达的FOD检测概率，特别是在背景环境复杂的情况下，这种方法相比于传统的恒虚警算法，能有效提高检测效果。

3、本发明提供的基于杂波图匹配的机场跑道异物检测方法，依据FOD检测过程中背景杂波波动性的特点，提出使用自适应滤波器将杂波图与待检测信号匹配、映射，再进行杂波消除，可减少回波信号中的杂波成分。

4、本发明提供的基于单元平均杂波图的机场跑道异物检测方法，方法计算结果较为准确，解决了现有FOD检测方法在距离、角度存在误差以及背景环境复杂情况下检测效果不好的问题，具有良好的实用性。

附图说明

图1为本发明的方法流程图；

图2为待检测信号中杂波功率；

图3为采用本发明的方法去杂波后杂波功率；

图4为本发明的单元平均算法检测结果。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

本发明为了克服现有雷达转台角度、距离存在误差以及背景杂波复杂的检测环境下，现有的机场跑道异物检测方法检测效果较差的不足，提供了一种基于杂波图映射的机场跑道异物检测方法，利用杂波图与待检测信号的匹配、映射提高背景杂波消除效果，来有效提高检测效果，尤其是对低信杂的情况，检测效果明显的提高。

如图1所示，本发明提供的一种基于杂波图匹配的机场跑道异物检测方法，包括以下步骤：

步骤1、建立确定待检测区域的距离-幅度谱的方法：在确定待检测区域内无异物时，在给定机场跑道范围内，通过线性连续调频波雷达对待检测区域进行检测，提取回波信号中的距离-幅度谱；所述线性连续调频波雷达包括雷达发射机和雷达接收机；

步骤2、根据步骤1的方法获取待检测区域的距离-幅度谱，得到背景杂波图中杂波单元的杂波功率作为参考值，建立背景杂波图；

步骤3、进行异物检测，将回波信号经步骤1的方法处理后得到待检测信号的距离-幅度谱；将步骤2得到的背景杂波图与待检测信号相对应的距离-幅度谱作为参考信号，将待检测信号的距离-幅度谱作为输入信号，通过匹配滤波器使背景杂波图与待检测信号的距离-幅度谱进行匹配、映射，然后将检测信号的距离-幅度谱减去映射后的杂波图，得到消除杂波后的待检测信号；

步骤4、使用单元平均恒虚警检测算法，计算消除杂波后的待检测信号中各个距离单元的检测阈值，判断各个距离单元是否存在异物目标；

步骤5、若判断为不存在异物目标，则对该距离单元对应杂波图单元的杂波功率估计值进行更新；若判断为存在异物目标，则不对该距离单元对应杂波图单元的杂波功率估计值进行更新。

在毫米波雷达的FOD监测中，雷达转台角度、距离存在误差，以及背景环境复杂，导致背景杂波波动幅度大。针对这种背景杂波复杂的检测环境，现有的机场跑道异物检测方法检测效果较差。本技术方案提供的杂波匹配的机场跑道异物检测方法，采取杂波图技术，这种技术首先将雷达空间划分为距离、角度的杂波图单元，对于每个杂波图单元通过回波输入不断迭代形成动态的杂波功率参考值，然后计算邻近的参考单元杂波功率参考值的平均值，根据单元平均恒虚警检测技术通过该平均值计算出FOD的检测阈值；利用杂波图较好的时间和空间稳定性，提高背景杂波波动幅度大的检测环境的检测效果。此外，发明人在对本技术方案提供的机场跑道异物检测方法研究后发现，杂波图技术在背景杂波波动性强的检测条件下，检测能力欠佳，受背景杂波影响较大，导致检测不准确；发明人针对这一问题研究后发现，基于杂波图算法，提出采用杂波匹配的方法进行杂波消除，通过在检测前去除杂波，利用杂波图中杂波图单元与待检测信号中杂波成分的相关性，对输入的待检测信号进行杂波消除，有效的提高了毫米波雷达的FOD检测概率，特别是背景环境复杂的情况下，这种方法相比于传统的恒虚警算法，能有效提高回波信号的信杂比，提高检测效果。

需要说明的是，本技术方案中先通过步骤1和步骤2对待检测区域进行异物检测，提取回波信号中的距离-幅度谱，建立背景杂波图，以获取待检测区域的基本情况，再依据步骤3～步骤5进行异物检测；本技术方案中在进行步骤1检测前，一般要通过人工检测确保待检测区域无异物，这样才能建立可靠的背景杂波图，步骤1中在确定待检测区域内无异物时指通过人工检测确定待检测区域内无异物时，在人工检测后先通过步骤1和步骤2对待检测区域进行异物检测，提取回波信号中的距离-幅度谱，建立背景杂波图，以获取待检测区域的基本情况，再以背景杂波图为基础，依据步骤3至步骤5进行异物检测；步骤3中所述的待检测信号指进行异物检测时，待检测区域的回波信号。

步骤1中，通过雷达发射机向待检测区域发射信号，雷达接收机接收跑道和异物的反射信号作为输入信号，将输入信号与发射信号相乘得到混频信号，对混频信号进行低通滤波、A/D转换、快速傅里叶变换得到频率-幅度谱，再将频率-幅度谱转化为距离-幅度谱；

其中雷达发射机的发射信号公式为：

将混频信号进行低通滤波后，得到差频信号，差频信号公式为：

采用公式

步骤2中在确定待检测区域内无异物时，对待检测区域进行扫描，根据步骤1的方法，建立待检测区域内每个离散角度的距离-幅度谱，并根据待检测区域内每个离散角度的距离-幅度谱建立背景杂波图，对背景杂波图中杂波单元的杂波功率进行迭代获得最终的背景杂波图，所述背景杂波图为ξ(r)，其中，r为离散变量，ξ(r

步骤3中，将与待检测信号对应的背景杂波图序列的倒序作为匹配滤波器的冲激响应，

映射投影将背景杂波图映射至待检测信号空间，进行杂波消除的具体方法为：

S3.1、背景杂波图的映射方法为，

S3.2、杂波消除方法为：

步骤4中，消除杂波后的待检测信号中各个距离单元的检测阈值＝单元平均恒虚警算法的标称化因子×参考单元平均功率；

所述单元平均恒虚警算法的标称化因子的计算方法为：设虚警概率

所述参考单元平均功率的计算方法为：对消除杂波后的待检测信号中每一个距离单元，划定其前后距离范围内的K个单元为参考单元，计算参考单元信号功率的平均值，公式为：

采用如下公式判断各个距离单元是否存在异物目标：

步骤5中对杂波图单元的杂波功率估计值进行更新的方法为：采用如下迭代公式对杂波图单元的杂波功率估计值进行迭代：ξ

验证试验：

设线性连续调频信号带宽为1.98GHz，信号时间宽度为128微秒，采样频率20MHz，快速傅里叶变换长度为2048。根据实施例中步骤1，得到杂波映射去除杂波前后杂波的距离-幅度谱如图2和图3所示，其中图2为去除杂波前杂波的距离-幅度谱，即为待检测信号中杂波功率，其中图3为去除杂波后杂波的距离-幅度谱，即为杂波映射去除杂波后杂波功率。从图2和图3的对比来看，本发明的最小均方误差对待检测信号中杂波有明显的去除效果。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。