專利名稱：基于動態(tài)雜波圖的風(fēng)電場雜波識別與抑制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于雷達(dá)探測技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及ー種基于動態(tài)雜波圖的風(fēng)電場雜波識別與抑制方法，其可以在風(fēng)電場雜波背景下對航管監(jiān)視雷達(dá)目標(biāo)進(jìn)行有效檢測，對于保障航空飛行安全具有重要意義。
背景技術(shù)：
風(fēng)能是取之不盡，用之不竭的清潔、無污染、可再生能源。與火力發(fā)電、燃油發(fā)電、核電相比其無需購買燃料，也無需支付運(yùn)費(fèi)，更無需對發(fā)電殘?jiān)⒋髿膺M(jìn)行環(huán)保治理。但是，研究表明風(fēng)電場對于飛行和航海安全可能產(chǎn)生顯著影響，原因是風(fēng)電場的主體是風(fēng)輪機(jī)，其桅桿高度常接近或超過100m，因此會對電磁波產(chǎn)生強(qiáng)烈的反射；而風(fēng)輪機(jī)工作時(shí)葉片不同，部分線速度也不同，因此其回波的多普勒譜很寬，所以常規(guī)基于多普勒信息的航管監(jiān)視雷達(dá)就無法利用多普勒信息來區(qū)分風(fēng)電場雜波和飛機(jī)目標(biāo)回波。另外，因?yàn)楝F(xiàn)有的航管ー次雷達(dá)不具備目標(biāo)高度向的分辨能力，于是風(fēng)電場對雷達(dá)波的強(qiáng)散射又在其上空形成較大范圍的雷達(dá)靈敏度降低區(qū)，結(jié)果造成目標(biāo)漏檢；另ー方面，風(fēng)電場雜波會導(dǎo)致大量錯誤檢測，這些檢測結(jié)果所形成的點(diǎn)跡將會造成風(fēng)電場區(qū)域形成大量錯誤的航跡，進(jìn)而可能引起雷達(dá)處理器過載，此外，當(dāng)目標(biāo)航跡與風(fēng)輪機(jī)點(diǎn)跡結(jié)合時(shí)將會導(dǎo)致目標(biāo)航跡丟失，這些都會嚴(yán)重地威脅民航的空中交通安全。為了抑制風(fēng)電場雜波，目前有關(guān)學(xué)者已提出一系列應(yīng)對風(fēng)電場雜波的方案，其中包括摳除風(fēng)電場所在距離單元的回波數(shù)據(jù)，即將風(fēng)電場所在距離門的數(shù)據(jù)直接剔除；摳除風(fēng)電場所在區(qū)域的點(diǎn)跡的方法；采用距離方位門方法，即將風(fēng)電場所在距離方位単元的數(shù)據(jù)直接剔除。這些方法的共同特點(diǎn)是都能夠較徹底地消除風(fēng)電場雜波的影響，但是同時(shí)也將風(fēng)電場區(qū)域的目標(biāo)回波數(shù)據(jù)和點(diǎn)跡徹底清除棹，特別是當(dāng)風(fēng)電場處于不工作狀態(tài)時(shí)，若還采用上述較為苛刻的方法是不合理的，此外，上述方法均無法抑制風(fēng)電場多徑效應(yīng)所形成的落入風(fēng)電場區(qū)域外的雜波。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述問題，本發(fā)明的目的在于提供一種基于動態(tài)雜波圖的風(fēng)電場雜波識別與抑制方法，以解決在風(fēng)電場雜波環(huán)境下航管目標(biāo)的有效檢測問題。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供的基于動態(tài)雜波圖的風(fēng)電場雜波識別與抑制方法包括按順序進(jìn)行的下列步驟I)航管監(jiān)視雷達(dá)開機(jī)后首先采集并存儲M次掃描的數(shù)據(jù)作為初始樣本，然后求出該初始樣本數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)平均，以形成初始準(zhǔn)雜波圖；2)根據(jù)所得到的初始準(zhǔn)雜波圖判斷各距離單元的數(shù)據(jù)是否存在風(fēng)電場雜波，并將判別為風(fēng)電場雜波的単元進(jìn)行標(biāo)注，以形成雜波圖；3)將當(dāng)前次掃描所得數(shù)據(jù)與雜波圖進(jìn)行逐單元匹配，并將與雜波圖中標(biāo)注了雜波相對應(yīng)的當(dāng)前次掃描的數(shù)據(jù)從回波數(shù)據(jù)中摳除；
4)根據(jù)本次掃描得到的數(shù)據(jù)不斷更新用于形成雜波圖的樣本，從而得到根據(jù)實(shí)際環(huán)境變化的動態(tài)雜波圖，并將形成的動態(tài)雜波圖用于實(shí)時(shí)處理各次掃描所得數(shù)據(jù)。所述的步驟2)中雜波圖的形成是通過對步驟I)中初始準(zhǔn)雜波圖數(shù)據(jù)進(jìn)行恒虛警處理得到的，即將超過恒虛警門限的単元標(biāo)記為雜波單元。本發(fā)明提供的基于動態(tài)雜波圖的風(fēng)電場雜波識別與抑制方法與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)由于風(fēng)電場不工作時(shí)(風(fēng)輪機(jī)葉片靜止)其回波多普勒值分布在O頻附近很小的范圍內(nèi)，可以通過航管監(jiān)視雷達(dá)動目標(biāo)檢測(moving target detection, MTI/MTD)技術(shù)很好地抑制掉；而風(fēng)電場工作(風(fēng)輪機(jī)葉片高速轉(zhuǎn)動)吋，由于風(fēng)輪機(jī)葉尖到輪轂的線速度不同，因此導(dǎo)致其回波多普勒譜展寬非常嚴(yán)重，很多情況下其多普勒譜占據(jù)航管監(jiān)視雷達(dá)的整個多普勒單元，致使目標(biāo)的多普勒信息被完全淹沒，因此必須采取新的切實(shí)有效的措施 來抑制風(fēng)輪機(jī)雜波，本發(fā)明所述的基于動態(tài)雜波圖的風(fēng)電場雜波識別與抑制方法正是這樣ー種方法。本發(fā)明方法的目的在于找出包含風(fēng)電場雜波的単元，并將其摳除，當(dāng)航管目標(biāo)和風(fēng)輪機(jī)回波處于同一距離單元時(shí)，這樣做雖然可能會在抑制雜波的同時(shí)導(dǎo)致目標(biāo)信息丟失，但是，實(shí)際上這樣做利遠(yuǎn)大于弊，如，風(fēng)電場區(qū)域大量的風(fēng)輪機(jī)回波會導(dǎo)致處理器過載；此外，風(fēng)輪機(jī)回波強(qiáng)度較大，這會導(dǎo)致航管監(jiān)視雷達(dá)恒虛警檢測(constant false alarmrate, CFAR)門限提高，即形成大范圍的靈敏度降低區(qū)，嚴(yán)重影響風(fēng)電場及附近區(qū)域目標(biāo)檢測。此外，相比現(xiàn)有的固定雜波圖方法，如距離方位門方法，本發(fā)明方法不但能抑制掉風(fēng)輪機(jī)本身所形成的雜波，而且能夠抑制由于風(fēng)輪機(jī)多徑效應(yīng)所形成的位于風(fēng)電場之外的多徑雜波。


圖I為本發(fā)明提供的基于動態(tài)雜波圖的風(fēng)電場雜波識別與抑制方法流程圖。圖2為風(fēng)輪機(jī)回波強(qiáng)度隨時(shí)間變化圖。圖3為多次掃描處理過程示意圖。圖4(a)為目標(biāo)初始位置在風(fēng)輪機(jī)之間時(shí)第I次掃描所得數(shù)據(jù)及檢測門限。圖4(b)為目標(biāo)初始位置在風(fēng)輪機(jī)之間時(shí)第6次掃描所得數(shù)據(jù)及檢測門限。圖4 (C)為目標(biāo)初始位置在風(fēng)輪機(jī)之間時(shí)6次掃描數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)平均結(jié)果及檢測門限。圖4(d)為目標(biāo)初始位置在風(fēng)輪機(jī)之間時(shí)第I次掃描所得數(shù)據(jù)雜波抑制后結(jié)果。圖4(e)為目標(biāo)初始位置在風(fēng)輪機(jī)之間時(shí)第6次掃描所得數(shù)據(jù)雜波抑制后結(jié)果。圖5 (a)為信噪比(signal-to-noise ration, SNR)和雜噪比(clutter-to-noiseration, CNR)接近時(shí)第I次掃描所得數(shù)據(jù)及檢測門限。圖5(b)為SNR和CNR接近時(shí)第6次掃描所得數(shù)據(jù)及檢測門限。圖5 (C)為SNR和CNR接近時(shí)6次掃描數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)平均結(jié)果及檢測門限。圖5 (d)為SNR和CNR接近時(shí)第I次掃描所得數(shù)據(jù)雜波抑制后結(jié)果。圖5 (e)為SNR和CNR接近時(shí)第6次掃描所得數(shù)據(jù)雜波抑制后結(jié)果。圖6(a)為考慮風(fēng)輪機(jī)造成的多徑效應(yīng)時(shí)第I次掃描所得數(shù)據(jù)及檢測門限。
圖6(b)為考慮風(fēng)輪機(jī)造成的多徑效應(yīng)時(shí)第6次掃描所得數(shù)據(jù)及檢測門限。圖6(c)為考慮風(fēng)輪機(jī)造成的多徑效應(yīng)時(shí)6次掃描數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)平均結(jié)果及檢測門限。圖6(d)為考慮風(fēng)輪機(jī)造成的多徑效應(yīng)時(shí)第I次掃描所得數(shù)據(jù)雜波抑制后結(jié)果。圖6 (e)為考慮風(fēng)輪機(jī)造成的多徑效應(yīng)時(shí)第6次掃描所得數(shù)據(jù)雜波抑制后結(jié)果。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明提供的基于動態(tài)雜波圖的風(fēng)電場雜波識別與抑制方法進(jìn)行詳細(xì)說明。如圖I所示，本發(fā)明提供的基于動態(tài)雜波圖的風(fēng)電場雜波識別與抑制方法包括按 順序進(jìn)行的下列步驟I)航管監(jiān)視雷達(dá)開機(jī)后首先采集并存儲M次掃描的數(shù)據(jù)作為初始樣本，然后求出該初始樣本數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)平均，以形成初始準(zhǔn)雜波圖。下面就形成準(zhǔn)雜波圖的意義進(jìn)行詳細(xì)說明由于風(fēng)輪機(jī)固定部分——桅桿的回波可通過航管監(jiān)視雷達(dá)傳統(tǒng)的MTD技術(shù)較好地抑制棹，而轉(zhuǎn)動的葉片則會導(dǎo)致其回波多普勒嚴(yán)重?cái)U(kuò)展，因此無法利用多普勒信息區(qū)分風(fēng)輪機(jī)葉片回波和航管目標(biāo)回波，因此這里只討論風(fēng)輪機(jī)葉片回波的處理。在遠(yuǎn)場條件下，若航管監(jiān)視雷達(dá)仰角為Y，則風(fēng)輪機(jī)的雷達(dá)散射截面積(RCS)隨時(shí)間t的變化σ⑴可用式⑴來近似表達(dá)
Γ Nfσ( ) = /JlVi/.xos(<7)sin(A+ Wsinc(A) i(I)
_ n=\」其中，α為航管監(jiān)視雷達(dá)視線在葉片旋轉(zhuǎn)面上的投影線與葉片的夾角，風(fēng)輪機(jī)上第η張葉片與航管監(jiān)視雷達(dá)視線的夾角θ η可表示為Θ n = 2 frot+ [2 3 (η-1) /Ν] + φ (2)δη可展開為δ η = (kL/2) cos ( α ) cos ( β ) cos {2 π fr()tt+[2 π (η_1)/Ν]} (3)β為航管監(jiān)視雷達(dá)視線與風(fēng)輪機(jī)旋轉(zhuǎn)平面之間的夾角，N為ー個風(fēng)輪機(jī)所包含的葉片數(shù)目，為風(fēng)輪機(jī)轉(zhuǎn)動角頻率，L為風(fēng)輪機(jī)葉片長度，Φ為風(fēng)輪機(jī)相對于參考點(diǎn)的初始夾角，r為風(fēng)輪機(jī)到雷達(dá)之間的距離。風(fēng)輪機(jī)的時(shí)變回波S(t)可由下式表示
ATtrS(t) ニ A.、「d(t)e_Jl
N_ A^r(4)= A-^y Lcos(a)cos(γ)sin [θη)sin c*(Sfi)e J λ
n=\圖2為根據(jù)式(4)的風(fēng)輪機(jī)RCS模型仿真的結(jié)果，可以看出風(fēng)輪機(jī)的回波強(qiáng)度是時(shí)間的函數(shù)?？紤]航管一次雷達(dá)某一方位(假設(shè)此方位存在風(fēng)輪機(jī))沿距離向的采樣點(diǎn)數(shù)為L，則可以將該方位的接收數(shù)據(jù)寫作一個如下式所示的L維向量<x>s = [X1 X2 …xL]T (5)式中レ]τ表示轉(zhuǎn)置運(yùn)算，く〉s，S= 1,2,…表示第s次掃描所得數(shù)據(jù)。假設(shè)風(fēng)電場回波位于第m#，n#, k#距離門。第一次掃描時(shí)目標(biāo)位于第i#距離門，由于目標(biāo)處于運(yùn)動狀態(tài)，所以第二次掃描時(shí)目標(biāo)將離開i#距離門，假設(shè)此時(shí)目標(biāo)落入第i+j#距離門，其中j與目標(biāo)速度有關(guān)……，那么我們可以將第一次掃描的數(shù)據(jù)記為くX〉i [Xi，X2，···，Xi，···，Xm，···，Xn，···，Xk，···，Xl] (6)其中目標(biāo)所在距離單元的數(shù)據(jù)記為
權(quán)利要求
1.一種基于動態(tài)雜波圖的風(fēng)電場雜波識別與抑制方法，其特征在于所述的風(fēng)電場雜波識別方法包括以下內(nèi)容 1)航管監(jiān)視雷達(dá)開機(jī)后首先采集并存儲M次掃描的數(shù)據(jù)作為初始樣本，然后求出該初始樣本數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)平均，以形成初始準(zhǔn)雜波圖； 2)根據(jù)所得到的初始準(zhǔn)雜波圖判斷各距離單元的數(shù)據(jù)是否存在風(fēng)電場雜波，并將判別為風(fēng)電場雜波的単元進(jìn)行標(biāo)注，以形成雜波圖； 3)將當(dāng)前次掃描所得數(shù)據(jù)與雜波圖進(jìn)行逐單元匹配，并將與雜波圖中標(biāo)注了雜波相對應(yīng)的當(dāng)前次掃描的數(shù)據(jù)從回波數(shù)據(jù)中摳除； 4)根據(jù)本次掃描得到的數(shù)據(jù)不斷更新用于形成雜波圖的樣本，從而得到根據(jù)實(shí)際環(huán)境變化的動態(tài)雜波圖，并將形成的動態(tài)雜波圖用于實(shí)時(shí)處理各次掃描所得數(shù)據(jù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于動態(tài)雜波圖的風(fēng)電場雜波識別與抑制方法，其特征在干所述的步驟2)中雜波圖的形成是通過對步驟I)中初始準(zhǔn)雜波圖數(shù)據(jù)進(jìn)行恒虛警處理得到的，即將超過恒虛警門限的単元標(biāo)記為雜波單元。
全文摘要
一種基于動態(tài)雜波圖的風(fēng)電場雜波識別與抑制方法。其包括雷達(dá)采集并存儲M次掃描數(shù)據(jù)作為初始樣本，求出初始樣本數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)平均，形成準(zhǔn)雜波圖；根據(jù)準(zhǔn)雜波圖判斷各距離單元數(shù)據(jù)是否存在風(fēng)電場雜波，并將判別為風(fēng)電場雜波的單元進(jìn)行標(biāo)注，形成雜波圖；將當(dāng)前次掃描所得數(shù)據(jù)與雜波圖進(jìn)行逐單元匹配，并將與雜波圖中標(biāo)注了雜波相對應(yīng)的當(dāng)前次掃描的數(shù)據(jù)從回波數(shù)據(jù)中摳除；根據(jù)本次掃描得到數(shù)據(jù)不斷更新用于形成雜波圖的樣本，得到根據(jù)實(shí)際環(huán)境變化的動態(tài)雜波圖，將動態(tài)雜波圖用于實(shí)時(shí)處理各次掃描所得數(shù)據(jù)。本發(fā)明的基于動態(tài)雜波圖的風(fēng)電場雜波識別方法，其識別結(jié)果可用于航管監(jiān)視雷達(dá)風(fēng)電場雜波識別與抑制，對于保障航空飛行安全具有重要意義。
文檔編號G01S7/36GK102721954SQ20121023128
公開日2012年10月10日 申請日期2012年7月5日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月5日
發(fā)明者吳仁彪, 王曉亮, 賈瓊瓊 申請人:中國民航大學(xué)