双极化雷达的空飘气球快速检测方法及装置

摘要

本发明提供一种双极化雷达的空飘气球快速检测方法及装置，利用空飘气球和地杂波在距离‑多普勒图上的分布特性差异进行检测。空飘气球在风的作用下会发生移动和形变，因此在RD图上速度不为0且谱宽较大；而地杂波速度为0且谱宽较窄。利用该特性可以将地杂波和空飘气球分开。在检测过程中噪声会引起虚警，利用噪声在正交极化通道中是不相关的但是目标是相关的特性抑制过高的虚警。利用两个正交极化通道中目标的相关性和目标在雷达PPI图上的分布特性去除噪声虚警并保留空飘气球目标。本发明方法适用于双极化雷达快速检测弱小空飘气球目标同时抑制由地杂波和噪声引起的虚警。

说明书

技术领域

本发明涉及雷达信号处理技术领域，具体是一种双极化雷达的空飘气球快速检测方法及装置。

背景技术

作为一种难于观测的无动力浮空目标，机场及其周边出现的空飘气球对民航飞行安全造成的威胁与日俱增。使用机场现有的双极化雷达高效快速探测附近的空飘气球并提前发出预警有着重要意义。由于机场附近环境复杂，空飘气球的弱回波往往被淹没在地杂波和噪声中，进而影响雷达对空飘气球目标的检测性能。

国内外学者提出了多种雷达检测方法来解决复杂场景下弱小目标的检测问题。例如，Crane M.K.等人提出极化共定位嵌入方法来检测非平稳环境中点目标；杨勇和王雪松提出利用时频检测和极化匹配的方法对强地杂波中的运动目标进行检测；Hyunseong Kang等人利用弱小目标回波微动特征识别方法检测不同种类的无人机。为了降低杂波对雷达检测性能的影响，JiapengYin等人提出面向对象的谱极化滤波方法，该方法利用气象目标与杂波之间的谱极化特性差异，基于面向对象的思想尽可能地抑制杂波。

但是现有的复杂场景下弱小目标雷达检测方法，对于空飘气球的检测效果均不尽人意，在检测过程中地杂波和噪声会引起虚警，影响雷达对空飘气球目标的检测性能。因此，本领域技术人员亟需一种能够准确、快速实现空飘气球雷达检测的方法。

发明内容

针对现有技术中不能准确、快速实现空飘气球雷达检测的问题，本发明提出了一种双极化雷达的空飘气球快速检测方法及装置。本发明能够快速检测淹没于强地杂波中的空飘气球目标并剔除地杂波，大大提升双极化雷达对空飘气球目标的检测性能。

为实现上述技术目的，本发明提出的技术方案为：

一方面，本发明提供一种双极化雷达的空飘气球快速检测方法，包括：

对H通道、V通道的原始回波分别进行FFT变换，得到H通道距离-多普勒图和V通道距离-多普勒图；

分别滤除H通道距离-多普勒图和V通道距离-多普勒图中的地杂波；

对滤除地杂波之后的H通道距离-多普勒图和V通道距离-多普勒图分别进行单元平均恒虚警率检测，检测得到H通道距离-多普勒图和V通道距离-多普勒图上的疑似空飘目标；

将单元平均恒虚警率检测后H通道距离-多普勒图和V通道距离-多普勒图的检测结果进行融合对比，获取H通道距离-多普勒图和V通道距离-多普勒图上的共同疑似空飘目标；

根据共同疑似空飘目标所在方位角和距离，在雷达PPI图对应位置处标记为雷达PPI图疑似空飘目标；

在雷达PPI图上对噪声虚警进行剔除，确定雷达PPI图上最终的空飘气球目标。

进一步地，采用零速度凹口滤波分别滤除H通道距离-多普勒图和V通道距离-多普勒图中的地杂波。

另一方面，本发明提供一种双极化雷达的空飘气球快速检测装置，包括：

第一模块，用于对H通道、V通道的原始回波分别进行FFT变换，得到H通道距离-多普勒图和V通道距离-多普勒图；

第二模块，用于分别滤除H通道距离-多普勒图和V通道距离-多普勒图中的地杂波；

第三模块，用于对滤除地杂波之后的H通道距离-多普勒图和V通道距离-多普勒图分别进行单元平均恒虚警率检测，检测得到H通道距离-多普勒图和V通道距离-多普勒图上的疑似空飘目标；

第四模块，用于将单元平均恒虚警率检测后H通道距离-多普勒图和V通道距离-多普勒图的检测结果进行融合对比，获取H通道距离-多普勒图和V通道距离-多普勒图上的共同疑似空飘目标；

第五模块，用于根据共同疑似空飘目标所在方位角和距离，在雷达PPI图对应位置处标记为雷达PPI图疑似空飘目标；

第六模块，用于在雷达PPI图上对噪声虚警进行剔除，确定雷达PPI图上最终的空飘气球目标。

另一方面，本发明提供一种计算机系统，包括存储器和处理器，存储器存储计算机程序，处理器执行所述计算机程序时实现以下步骤：

对H通道、V通道的原始回波分别进行FFT变换，得到H通道距离-多普勒图和V通道距离-多普勒图；

分别滤除H通道距离-多普勒图和V通道距离-多普勒图中的地杂波；

对滤除地杂波之后的H通道距离-多普勒图和V通道距离-多普勒图分别进行单元平均恒虚警率检测，检测得到H通道距离-多普勒图和V通道距离-多普勒图上的疑似空飘目标；

将单元平均恒虚警率检测后H通道距离-多普勒图和V通道距离-多普勒图的检测结果进行融合对比，获取H通道距离-多普勒图和V通道距离-多普勒图上的共同疑似空飘目标；

根据共同疑似空飘目标所在方位角和距离，在雷达PPI图对应位置处标记为雷达PPI图疑似空飘目标；

在雷达PPI图上对噪声虚警进行剔除，确定雷达PPI图上最终的空飘气球目标。

再一方面，本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：

对H通道、V通道的原始回波分别进行FFT变换，得到H通道距离-多普勒图和V通道距离-多普勒图；

分别滤除H通道距离-多普勒图和V通道距离-多普勒图中的地杂波；

对滤除地杂波之后的H通道距离-多普勒图和V通道距离-多普勒图分别进行单元平均恒虚警率检测，检测得到H通道距离-多普勒图和V通道距离-多普勒图上的疑似空飘目标；

将单元平均恒虚警率检测后H通道距离-多普勒图和V通道距离-多普勒图的检测结果进行融合对比，获取H通道距离-多普勒图和V通道距离-多普勒图上的共同疑似空飘目标；

根据共同疑似空飘目标所在方位角和距离，在雷达PPI图对应位置处标记为雷达PPI图疑似空飘目标；

在雷达PPI图上对噪声虚警进行剔除，确定雷达PPI图上最终的空飘气球目标。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

基于双极化雷达的空飘气球快速检测方法利用空飘气球和地杂波在RD(RangeDoppler，距离-多普勒，缩写：RD)图上的分布特性差异进行检测。空飘气球在风的作用下会发生移动和形变，因此在RD图上速度不为0且谱宽较大；而地杂波速度为0且谱宽较窄。利用该特性可以将地杂波和空飘气球分开。在检测过程中噪声会引起虚警，利用噪声在正交极化通道中是不相关的但是目标是相关的特性抑制过高的虚警。利用两个正交极化通道中目标的相关性和目标在PPI(Plan Position Indicator，平面位置指示，缩写：PPI)图上的分布特性去除噪声虚警并保留空飘气球目标。

本发明方法适用于双极化雷达快速检测弱小空飘气球目标同时抑制由地杂波和噪声引起的虚警。本发明方法计算量小，适用性广，不影响原有雷达的业务功能，可以嵌入到现有的双极化雷达中。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1是本发明一实施例的流程图；

图2是本发明一实施例中方位角219°时两正交通道雷达回波数据经过FFT变换得到的距离-多普勒图，其中(a)为H通道距离-多普勒图，(b)为V通道距离-多普勒图；

图3为本发明一实施例中CFAR检测器处理参考窗口的示意图；

图4为一实施例中方位角219°时采用两种方法得到的目标检测结果图，其中(a)为使用传统的CA CAFR检测方法得到的检测结果图，(b)为利用本发明方法得到的检测结果图；

图5是本发明一实施例中得到的雷达PPI图上的空飘气球目标检测结果图；其中(a)为未在雷达PPI图上对噪声虚警进行剔除得到的检测结果图，(b)为在雷达PPI图上对噪声虚警进行剔除后得到的检测结果图；

图6是本发明一实施例的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面将以附图及详细叙述来清楚说明本发明所揭示内容的精神，任何所属技术领域技术人员在了解本发明内容的实施例后，当可由本发明内容所教示的技术，加以改变及修饰，其并不脱离本发明内容的精神与范围。本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

在一实施例中，参照图1，提供一种双极化雷达的空飘气球快速检测方法，包括：

(S1)对H通道、V通道的原始回波分别进行FFT变换，得到H通道距离-多普勒图和V通道距离-多普勒图；

(S2)分别滤除H通道距离-多普勒图和V通道距离-多普勒图中的地杂波；

(S3)对滤除地杂波之后的H通道距离-多普勒图和V通道距离-多普勒图分别进行单元平均恒虚警率检测，检测得到H通道距离-多普勒图和V通道距离-多普勒图上的疑似空飘目标；

(S4)将单元平均恒虚警率检测后H通道距离-多普勒图和V通道距离-多普勒图的检测结果进行融合对比，获取H通道距离-多普勒图和V通道距离-多普勒图上的共同疑似空飘目标；

(S5)根据共同疑似空飘目标所在方位角和距离，在雷达PPI图对应位置处标记为雷达PPI图疑似空飘目标；

(S6)在雷达PPI图上对噪声虚警进行剔除，确定雷达PPI图上最终的空飘气球目标。

在一实施例的步骤(S2)中，滤除地杂波的方式不限，可以采用本领域中任何一种现有的滤除地杂波方法实现，本领域技术人员可以根据实际情况合理的选择。

在一实施例的步骤(S4)中，获取H通道距离-多普勒图和V通道距离-多普勒图上的共同疑似空飘目标，方法是：

在H通道距离-多普勒图和V通道距离-多普勒图的同一距离维度上，如果均存在两个以上连续的疑似空飘目标且所述两个以上连续的疑似空飘目标在H通道距离-多普勒图和V通道距离-多普勒图上所处的位置相同，则所述两个以上连续的疑似空飘目标为H通道距离-多普勒图和V通道距离-多普勒图的共同疑似空飘目标。

比如在H通道距离-多普勒图和V通道距离-多普勒图的同一距离维度上，H通道距离-多普勒图在编号单元{2,3,5,6,9}上均检测到有疑似空飘目标，V通道距离-多普勒图在编号单元{1,2,5,6,10}上均检测到有疑似空飘目标，那么在H通道距离-多普勒图和V通道距离-多普勒图的同一距离维度上位置相同、编号连续的{5,6}单元上的疑似空飘目标为H通道距离-多普勒图和V通道距离-多普勒图的共同疑似空飘目标。

在一实施例中，一种基于双极化雷达的空飘气球快速检测方法，包括以下步骤：

(S1)对雷达两正交通道即H通道、V通道的经过匹配滤波之后的回波数据进行慢时间维的快速傅里叶变换，取N个脉冲组成一组计算得到原始的H通道距离-多普勒图和V通道距离-多普勒图。

计算公式为：

其中，v为速度，v＝0,1,...,N-1，N＝64，x(r,n)为回波数据。

参照图2，为一实施例中在方位角219°上做完快速傅里叶变换之后的H通道距离-多普勒图和V通道距离-多普勒图。

(S2)对得到的H通道距离-多普勒图和V通道距离-多普勒图分别做零速度凹口滤波滤除主要的地杂波分量。

即分别将(S1)中得到的H通道距离-多普勒图和V通道距离-多普勒图正中间几列(如3列)删除，得到滤除地杂波后的H通道距离-多普勒图和V通道距离-多普勒图。

(S3)在(S2)滤除地杂波后的H通道距离-多普勒图和V通道距离-多普勒图上分别进行二维单元平均恒虚警率检测，检测得到H通道距离-多普勒图和V通道距离-多普勒图上的疑似空飘目标；

在CA CFAR检测(单元平均恒虚警率检测)中，如果距离-多普勒图上某个单元位置检测到疑似空飘目标，则在该单元位置处标记为1，否则标记为0。

在一实施例中，CA CFAR检测一共使用3个单元进行对通道距离-多普勒图进行疑似空飘目标检测，如图3所示，分别为待检测单元、保护单元和背景单元。将nGR和nGD设为2，将nBR和nBD设为3。检测的阈值如下式

其中，X

当噪声服从高斯分布时，尺度因子α

将尺度因子参数设为5.5，此时虚警概率为4.75‰。

(S4)将(S3)中得到的H通道距离-多普勒图和V通道距离-多普勒图的检测结果进行融合对比，获取H通道距离-多普勒图和V通道距离-多普勒图上的共同疑似空飘目标。

本发明中两个正交通道的回波在步骤(S1)至(S3)中的处理过程完全一样，得到数据结果大小也一样，本步骤(S4)将(S3)中得到的H通道距离-多普勒图和V通道距离-多普勒图的检测结果进行融合对比。

判断H通道距离-多普勒图和V通道距离-多普勒图的检测结果中的共同疑似空飘目标的方法是：

在H通道距离-多普勒图和V通道距离-多普勒图的同一距离维度上，如果均存在两个以上连续的疑似空飘目标且所述两个以上连续的疑似空飘目标在H通道距离-多普勒图和V通道距离-多普勒图上所处的位置相同，则所述两个以上连续的疑似空飘目标为H通道距离-多普勒图和V通道距离-多普勒图的共同疑似空飘目标。

(S5)根据共同疑似空飘目标所在方位角和距离，在雷达PPI图对应位置处标记为雷达PPI图疑似空飘目标。

如，根据共同疑似空飘目标所在方位角和距离，在雷达PPI图对应位置单元处标记为1，即有雷达PPI图疑似空飘目标，对于没有雷达PPI图疑似空飘目标的雷达PPI图其他位置单元处标记为0；

即

其中a表示雷达PPI图上的方位角，r表示雷达PPI图上的距离。

(S6)在雷达PPI图上对噪声虚警进行剔除，确定雷达PPI图上最终的空飘气球目标。

本实施例中根据雷达参数特点在雷达PPI图上对噪声虚警进行剔除。

根据空飘气球目标在雷达PPI图像上会出现一定的连续点这一特点，对每个被检测出来的雷达PPI图疑似空飘目标进行判断，计算其周围同样被检测为雷达PPI图疑似空飘目标的个数，如果在方位维或距离维至少有2个连续的雷达PPI图疑似空飘目标，则确认为空飘气球目标。

对于雷达PPI图(r,n)处雷达PPI图疑似空飘目标而言，周围同样被检测为雷达PPI图疑似空飘目标的个数为

T(r,a)＝∑t(a+g,r)+∑t(a,r+h) (5)

其中，g∈{-1,1}，h∈{-1,1}。判决门限为：

根据实际雷达的参数，在实际中将Q设为1。

图4为一实施例中方位角219°时采用两种方法得到的目标检测结果图，其中(a)为在方位角为219°时，使用传统的CA CAFR检测方法得到的检测结果，(b)为在该方位向利用本发明方法得到的检测结果。对比(a)和(b)，未使用本发明方法检测的(a)中会保留大量的地杂波虚警且地杂波和目标不可分，与此同时存在很多由噪声引起的虚警目标。利用本发明方法检测情况得到改善，(b)所示的方法可以从地杂波中检测出目标的同时剔除掉地杂波和噪声虚警。

本发明提出的算法能够在RD图上滤除大部分由地杂波和噪声引起的虚警并保留空飘气球。利用目标在PPI上的连续性，本发明在PPI维度滤除残留的虚警。使用(S6)中的式(5)和式(6)实现空飘气球的保留并进一步滤除虚警。

图5是本发明一实施例中得到的雷达PPI图上的空飘气球目标检测结果图，在本场景中一共有14个真实目标；其中(a)为未在雷达PPI图上对噪声虚警进行剔除得到的检测结果图(即采用本发明进行到步骤(S5)后得到的检测结果图)，(b)为在雷达PPI图上对噪声虚警进行剔除后得到的检测结果图(即采用本发明进行到步骤(S6)后得到的检测结果图)。从图5中可以看出，(a)中存在大量由杂波和噪声引起的虚假目标。相比之下，采用本发明步骤(S6)在雷达PPI图上对噪声虚警进行剔除处理后，(b)中未检测到虚警目标且保留了目标。

一实施例中，提供一种双极化雷达的空飘气球快速检测装置，包括：

第一模块，用于对H通道、V通道的原始回波分别进行FFT变换，得到H通道距离-多普勒图和V通道距离-多普勒图；

第二模块，用于分别滤除H通道距离-多普勒图和V通道距离-多普勒图中的地杂波；

第三模块，用于对滤除地杂波之后的H通道距离-多普勒图和V通道距离-多普勒图分别进行单元平均恒虚警率检测，检测得到H通道距离-多普勒图和V通道距离-多普勒图上的疑似空飘目标；

第四模块，用于将单元平均恒虚警率检测后H通道距离-多普勒图和V通道距离-多普勒图的检测结果进行融合对比，获取H通道距离-多普勒图和V通道距离-多普勒图上的共同疑似空飘目标；

第五模块，用于根据共同疑似空飘目标所在方位角和距离，在雷达PPI图对应位置处标记为雷达PPI图疑似空飘目标；

第六模块，用于在雷达PPI图上对噪声虚警进行剔除，确定雷达PPI图上最终的空飘气球目标。

上述各模块功能的实现方法，可以采用前述各实施例中相同的方法实现，在此不再赘述。

在本实施例中，提供了一种计算机系统，该计算机系统可以是服务器，其内部结构图可以如图6所示。该计算机系统包括通过系统总线连接的处理器、存储器、网络接口和数据库。其中，该计算机系统的处理器用于提供计算和控制能力。该计算机系统的存储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统、计算机程序和数据库。该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该计算机系统的数据库用于存储样本数据。该计算机系统的网络接口用于与外部的终端通过网络连接通信。该计算机程序被处理器执行时以实现上述实施例中双极化雷达的空飘气球快速检测方法的步骤。

本领域技术人员可以理解，图6中示出的结构，仅仅是与本申请方案相关的部分结构的框图，并不构成对本申请方案所应用于其上的计算机系统的限定，具体的计算机系统可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。

在一个实施例中，提供了一种计算机系统，包括存储器和处理器，该存储器存储有计算机程序，该处理器执行计算机程序时实现上述实施例中双极化雷达的空飘气球快速检测方法的步骤。

在一个实施例中，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述实施例中双极化雷达的空飘气球快速检测方法的步骤。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器(ROM)、可编程ROM(PROM)、电可编程ROM(EPROM)、电可擦除可编程ROM(EEPROM)或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器(RAM)或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM以多种形式可得，诸如静态RAM(SRAM)、动态RAM(DRAM)、同步DRAM(SDRAM)、双数据率SDRAM(DDRSDRAM)、增强型SDRAM(ESDRAM)、同步链路(Synchlink)DRAM(SLDRAM)、存储器总线(Rambus)直接RAM(RDRAM)、直接存储器总线动态RAM(DRDRAM)、以及存储器总线动态RAM(RDRAM)等。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。