專利名稱：基于風(fēng)場擾動(dòng)類型的空中目標(biāo)發(fā)現(xiàn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及目標(biāo)探測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種基于風(fēng)場擾動(dòng)類型的空中目標(biāo)發(fā)現(xiàn)方法。
背景技術(shù)：
空中飛機(jī)目標(biāo)在運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)對(duì)大氣風(fēng)場產(chǎn)生無法隱蔽的擾動(dòng)信息一尾渦風(fēng)場擾動(dòng)，其擾動(dòng)強(qiáng)度處在幾十米每秒左右，持續(xù)時(shí)間長達(dá)幾十秒甚至幾百秒，縱向擴(kuò)展距離可至十幾公里以外，橫向擴(kuò)散直徑達(dá)到一百米以上。由于風(fēng)場擾動(dòng)尺度遠(yuǎn)大于目標(biāo)本體，擾動(dòng)的可探測(cè)性特征也遠(yuǎn)強(qiáng)于目標(biāo)自身，故而，相比于直接掃描探測(cè)目標(biāo)本體而言，探測(cè)其風(fēng)場擾動(dòng)會(huì)更加方便有效，能夠在較大范圍內(nèi)更快速地發(fā)現(xiàn)目標(biāo)。此外，激光雷達(dá)通過對(duì)空域內(nèi)大氣風(fēng)場實(shí)施不間斷掃描，能夠遠(yuǎn)距離、高精度探測(cè)獲取風(fēng)場擾動(dòng)信息。目前，還沒有出現(xiàn)通 過激光探測(cè)空域內(nèi)的風(fēng)場擾動(dòng)，以間接實(shí)現(xiàn)空域中飛機(jī)目標(biāo)的快速發(fā)現(xiàn)的技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種能夠?qū)崿F(xiàn)特定空域內(nèi)大范圍、遠(yuǎn)距離、高效率的空中飛機(jī)目標(biāo)快速探測(cè)的基于風(fēng)場擾動(dòng)類型的空中目標(biāo)發(fā)現(xiàn)方法。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案一種基于風(fēng)場擾動(dòng)類型的空中目標(biāo)發(fā)現(xiàn)方法，該方法包括下列順序的步驟(I)獲取風(fēng)場擾動(dòng)信息針對(duì)需重要防護(hù)空域的背景大氣風(fēng)場進(jìn)行統(tǒng)計(jì)建模，并利用激光雷達(dá)不間斷掃描來完成空域內(nèi)擾動(dòng)大氣風(fēng)場的實(shí)時(shí)探測(cè)；(2)鑒別風(fēng)場擾動(dòng)類型判斷出該風(fēng)場擾動(dòng)的類型為飛機(jī)尾渦擾動(dòng)場一類的目標(biāo)風(fēng)場擾動(dòng)，或是自然風(fēng)場擾動(dòng)；(3)發(fā)現(xiàn)空中目標(biāo)檢測(cè)若為目標(biāo)風(fēng)場擾動(dòng)，則可認(rèn)為空域內(nèi)發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，并且是飛機(jī)；反之，則判定空域內(nèi)無飛機(jī)目標(biāo)存在。由上述技術(shù)方案可知，本發(fā)明通過對(duì)飛機(jī)尾渦的建模與對(duì)激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)數(shù)據(jù)的處理，可以獲取空域內(nèi)的風(fēng)場擾動(dòng)數(shù)據(jù)分布，實(shí)現(xiàn)對(duì)大氣風(fēng)場的擾動(dòng)檢測(cè)；通過針對(duì)飛機(jī)尾渦的特征分析，建立相應(yīng)的判據(jù)算法與準(zhǔn)則，實(shí)現(xiàn)對(duì)大氣風(fēng)場擾動(dòng)類型的區(qū)分，判斷出是否屬于自然風(fēng)場擾動(dòng)還是人工擾動(dòng)，解決了對(duì)大氣風(fēng)場擾動(dòng)的判別難題；通過風(fēng)場擾動(dòng)的渦旋結(jié)構(gòu)特征等探測(cè)參數(shù)的處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)空中目標(biāo)的快速檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，解決了對(duì)特定空域內(nèi)大范圍、遠(yuǎn)距離、高效率的飛機(jī)目標(biāo)的快速發(fā)現(xiàn)問題。


圖I為尾渦激光橫向探測(cè)方式下徑向速度與切向速度間的關(guān)系示意圖；圖2為空客A-340的尾渦回波多普勒譜仿真數(shù)據(jù)；圖3為B-2飛機(jī)的尾渦回波多普勒譜仿真數(shù)據(jù)；圖4為風(fēng)場擾動(dòng)回波數(shù)據(jù)預(yù)處理流程圖5為基于多普勒譜特征的風(fēng)場擾動(dòng)鑒別算法流程圖；圖6為徑向速度與切向速度間的坐標(biāo)關(guān)系示意圖。
具體實(shí)施例方式一種基于風(fēng)場擾動(dòng)類型的空中目標(biāo)發(fā)現(xiàn)方法，該方法包括下列順序的步驟(I)獲取風(fēng)場擾動(dòng)信息針對(duì)需重要防護(hù)空域的背景大氣風(fēng)場進(jìn)行統(tǒng)計(jì)建模，并利用激光雷達(dá)不間斷掃描來完成空域內(nèi)擾動(dòng)大氣風(fēng)場的實(shí)時(shí)探測(cè)；(2)鑒別風(fēng)場擾動(dòng)類型基于多普勒譜特征的風(fēng)場擾動(dòng)鑒別算法或判決準(zhǔn)則，區(qū)分出風(fēng)場擾動(dòng)的類型，判斷出該風(fēng)場擾動(dòng)的類型為飛機(jī)尾渦擾動(dòng)場一類的目標(biāo)風(fēng)場擾動(dòng)，或是自然風(fēng)場擾動(dòng)；(3)發(fā)現(xiàn)空中目標(biāo)檢測(cè)若為目標(biāo)風(fēng)場擾動(dòng)，則可認(rèn)為空域內(nèi)發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，并且是飛機(jī)；反之，則判定空域內(nèi)無飛機(jī)目標(biāo)存在以下對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步的說明。為構(gòu)建出尾渦回波多普勒譜模型，可先確定尾渦的多普勒速度(徑向速度)分布規(guī)律。此處，結(jié)合飛機(jī)尾渦的切向速度分布模型，分析尾渦在激光橫向探測(cè)方式(RHI掃描方式)下的徑向速度分布特性。圖I中，目標(biāo)飛機(jī)沿X軸正向飛行，地基激光雷達(dá)在YZ平面內(nèi)對(duì)飛機(jī)飛行中的左右機(jī)翼產(chǎn)生一對(duì)尾渦進(jìn)行扇形掃描。假設(shè)左右尾渦渦核中心分別為O1和O2，且與激光雷達(dá)的徑向距離為Ro1和R(K，掃描仰角為a 01和a 02。若選取右翼尾潤上任意一點(diǎn)0作為研究對(duì)象，其相對(duì)于激光雷達(dá)的徑向距離為Re，掃描仰角為ay且尾渦在該點(diǎn)處具有垂直于渦核半徑方向的切向速度VT(r)，其在激光雷達(dá)掃描方向上的投影為該點(diǎn)處的徑向速度Ve (r, 0)，其中r表示點(diǎn)0距渦核中心O2的距離，0為尾渦截面上該點(diǎn)的半徑方向與Y軸正向間的夾角。通過分析圖中各種速度間的角度關(guān)系，尾渦截面上0點(diǎn)處的切向速度\00與徑向速度Vk (r)間的夾角Y可表示為y = 3 JI /2+ a 0- 0 (I)因而，任意點(diǎn)0處尾渦的徑向速度Vk(r)與切向速度Vt (r)間關(guān)系為Ve (r, 0) =Vt (r) cos Y= Vt (r) cos (3 /2+ a 0- 9 ) (2)= Vt (r) sin ( a 0- 9 )基于Hallock-Burnham的尾潤切向速度模型,可獲得尾潤橫向截面上的徑向速度分布
權(quán)利要求
1.一種基于風(fēng)場擾動(dòng)類型的空中目標(biāo)發(fā)現(xiàn)方法，該方法包括下列順序的步驟 (1)獲取風(fēng)場擾動(dòng)信息針對(duì)需重要防護(hù)空域的背景大氣風(fēng)場進(jìn)行統(tǒng)計(jì)建模，并利用激光雷達(dá)不間斷掃描來完成空域內(nèi)擾動(dòng)大氣風(fēng)場的實(shí)時(shí)探測(cè)； (2)鑒別風(fēng)場擾動(dòng)類型判斷出該風(fēng)場擾動(dòng)的類型為飛機(jī)尾渦擾動(dòng)場一類的目標(biāo)風(fēng)場擾動(dòng)，或是自然風(fēng)場擾動(dòng)； (3)發(fā)現(xiàn)空中目標(biāo)檢測(cè)若為目標(biāo)風(fēng)場擾動(dòng)，則可認(rèn)為空域內(nèi)發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，并且是飛機(jī)；反之，則判定空域內(nèi)無飛機(jī)目標(biāo)存在。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于風(fēng)場擾動(dòng)類型的空中目標(biāo)發(fā)現(xiàn)方法，其特征在于構(gòu)建出激光橫向探測(cè)方式下飛機(jī)尾渦回波的多普勒譜數(shù)學(xué)模型，其公式如下
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于風(fēng)場擾動(dòng)類型的空中目標(biāo)發(fā)現(xiàn)方法，其特征在于基于多普勒譜特征的風(fēng)場擾動(dòng)鑒別算法或判決準(zhǔn)則，區(qū)分出風(fēng)場擾動(dòng)的類型。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于風(fēng)場擾動(dòng)類型的空中目標(biāo)發(fā)現(xiàn)方法，其特征在于基于多普勒譜特征的風(fēng)場擾動(dòng)鑒別算法包括以下三個(gè)步驟風(fēng)場擾動(dòng)回波數(shù)據(jù)預(yù)處理、多普勒譜特征提取以及風(fēng)場擾動(dòng)類型鑒別。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于風(fēng)場擾動(dòng)類型的空中目標(biāo)發(fā)現(xiàn)方法，其特征在于基于渦旋結(jié)構(gòu)特征，設(shè)定風(fēng)場擾動(dòng)判決準(zhǔn)則如下
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于風(fēng)場擾動(dòng)類型的空中目標(biāo)發(fā)現(xiàn)方法，其特征在于基于速度結(jié)構(gòu)系數(shù)，設(shè)定風(fēng)場擾動(dòng)判決準(zhǔn)則如下
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于風(fēng)場擾動(dòng)類型的空中目標(biāo)發(fā)現(xiàn)方法，其特征在于風(fēng)場擾動(dòng)回波數(shù)據(jù)預(yù)處理包括降噪處理、FFT處理以及歸一化處理三個(gè)步驟，其中， 降噪處理是指對(duì)激光雷達(dá)回波信號(hào)采用EMD (empirical mode decomposition)方法進(jìn)行處理； FFT處理是指針對(duì)每一組距離單元內(nèi)的風(fēng)場回波信號(hào)作快速傅里葉變換(FFT)獲得其多普勒譜，并將各距離單元的多普勒譜疊加得到整體風(fēng)場的回波多普勒譜； 歸一化處理是指對(duì)上述多普勒譜進(jìn)行幅度歸一化處理得到以零頻移點(diǎn)為中心的多普勒譜點(diǎn)列波形f = (f0, &， ，fN-i)，其中，多普勒譜點(diǎn)列的前N/2點(diǎn)定義為負(fù)頻區(qū)f_ =(f0, f1；…，f；/^)，點(diǎn)列的后N/2點(diǎn)定義為正頻區(qū)f+ = (f N/2，fN/2+l, *** ) fN-l) °
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于風(fēng)場擾動(dòng)類型的空中目標(biāo)發(fā)現(xiàn)方法，其特征在于基于風(fēng)場擾動(dòng)回波數(shù)據(jù)預(yù)處理獲得的風(fēng)場擾動(dòng)多普勒譜點(diǎn)列波形f = (f0, f1；…，fN-i)，提取出多普勒譜的對(duì)稱性特征(偶余量R)、波形熵特征(波形熵E)以及幅值數(shù)字特征(對(duì)數(shù)余量L)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的基于風(fēng)場擾動(dòng)類型的空中目標(biāo)發(fā)現(xiàn)方法，其特征在于若對(duì)稱性特征、波形熵特征以及幅值數(shù)字特征同時(shí)滿足判決條件，則說明該多普勒譜是屬于飛機(jī)尾渦，即探測(cè)獲取的風(fēng)場擾動(dòng)是目標(biāo)風(fēng)場擾動(dòng)；反之，該風(fēng)場擾動(dòng)則是自然風(fēng)場擾動(dòng)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于風(fēng)場擾動(dòng)類型的空中目標(biāo)發(fā)現(xiàn)方法，該方法包括下列順序的步驟針對(duì)需重要防護(hù)空域的背景大氣風(fēng)場進(jìn)行統(tǒng)計(jì)建模，并利用激光雷達(dá)不間斷掃描來完成空域內(nèi)擾動(dòng)大氣風(fēng)場的實(shí)時(shí)探測(cè)；判斷出該風(fēng)場擾動(dòng)的類型為飛機(jī)尾渦擾動(dòng)場一類的目標(biāo)風(fēng)場擾動(dòng)，或是自然風(fēng)場擾動(dòng)；若為目標(biāo)風(fēng)場擾動(dòng)，則可認(rèn)為空域內(nèi)發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，并且是飛機(jī)；反之，則判定空域內(nèi)無飛機(jī)目標(biāo)存在。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了對(duì)大氣風(fēng)場的擾動(dòng)檢測(cè)，解決了對(duì)大氣風(fēng)場擾動(dòng)的判別難題，解決了對(duì)特定空域內(nèi)大范圍、遠(yuǎn)距離、高效率的飛機(jī)目標(biāo)的快速發(fā)現(xiàn)問題。
文檔編號(hào)G01S17/88GK102721967SQ20121020844
公開日2012年10月10日 申請(qǐng)日期2012年6月21日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月21日
發(fā)明者吳永華, 王迪, 胡以華, 蔡曉春, 趙楠翔, 郝士琦, 陳善靜, 雷武虎, 顧有林, 駱盛 申請(qǐng)人:中國人民解放軍電子工程學(xué)院