專利名稱：基于風場擾動類型的空中目標發現方法
技術領域：
本發明涉及目標探測技術領域，尤其是一種基于風場擾動類型的空中目標發現方法。
背景技術：
空中飛機目標在運動時會對大氣風場產生無法隱蔽的擾動信息一尾渦風場擾動，其擾動強度處在幾十米每秒左右，持續時間長達幾十秒甚至幾百秒，縱向擴展距離可至十幾公里以外，橫向擴散直徑達到一百米以上。由于風場擾動尺度遠大于目標本體，擾動的可探測性特征也遠強于目標自身，故而，相比于直接掃描探測目標本體而言，探測其風場擾動會更加方便有效，能夠在較大范圍內更快速地發現目標。此外，激光雷達通過對空域內大氣風場實施不間斷掃描，能夠遠距離、高精度探測獲取風場擾動信息。目前，還沒有出現通 過激光探測空域內的風場擾動，以間接實現空域中飛機目標的快速發現的技術。
發明內容
本發明的目的在于提供一種能夠實現特定空域內大范圍、遠距離、高效率的空中飛機目標快速探測的基于風場擾動類型的空中目標發現方法。為實現上述目的，本發明采用了以下技術方案一種基于風場擾動類型的空中目標發現方法，該方法包括下列順序的步驟(I)獲取風場擾動信息針對需重要防護空域的背景大氣風場進行統計建模，并利用激光雷達不間斷掃描來完成空域內擾動大氣風場的實時探測；(2)鑒別風場擾動類型判斷出該風場擾動的類型為飛機尾渦擾動場一類的目標風場擾動，或是自然風場擾動；(3)發現空中目標檢測若為目標風場擾動，則可認為空域內發現運動目標，并且是飛機；反之，則判定空域內無飛機目標存在。由上述技術方案可知，本發明通過對飛機尾渦的建模與對激光測風雷達數據的處理，可以獲取空域內的風場擾動數據分布，實現對大氣風場的擾動檢測；通過針對飛機尾渦的特征分析，建立相應的判據算法與準則，實現對大氣風場擾動類型的區分，判斷出是否屬于自然風場擾動還是人工擾動，解決了對大氣風場擾動的判別難題；通過風場擾動的渦旋結構特征等探測參數的處理，實現對空中目標的快速檢測發現，解決了對特定空域內大范圍、遠距離、高效率的飛機目標的快速發現問題。
圖I為尾渦激光橫向探測方式下徑向速度與切向速度間的關系示意圖；圖2為空客A-340的尾渦回波多普勒譜仿真數據；圖3為B-2飛機的尾渦回波多普勒譜仿真數據；圖4為風場擾動回波數據預處理流程圖5為基于多普勒譜特征的風場擾動鑒別算法流程圖；圖6為徑向速度與切向速度間的坐標關系示意圖。
具體實施例方式一種基于風場擾動類型的空中目標發現方法，該方法包括下列順序的步驟(I)獲取風場擾動信息針對需重要防護空域的背景大氣風場進行統計建模，并利用激光雷達不間斷掃描來完成空域內擾動大氣風場的實時探測；(2)鑒別風場擾動類型基于多普勒譜特征的風場擾動鑒別算法或判決準則，區分出風場擾動的類型，判斷出該風場擾動的類型為飛機尾渦擾動場一類的目標風場擾動，或是自然風場擾動；(3)發現空中目標檢測若為目標風場擾動，則可認為空域內發現運動目標，并且是飛機；反之，則判定空域內無飛機目標存在以下對本發明進行進一步的說明。為構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)分布規律。此處，結合飛機尾渦的切向速度分布模型，分析尾渦在激光橫向探測方式(RHI掃描方式)下的徑向速度分布特性。圖I中，目標飛機沿X軸正向飛行，地基激光雷達在YZ平面內對飛機飛行中的左右機翼產生一對尾渦進行扇形掃描。假設左右尾渦渦核中心分別為O1和O2，且與激光雷達的徑向距離為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0作為研究對象，其相對于激光雷達的徑向距離為Re，掃描仰角為ay且尾渦在該點處具有垂直于渦核半徑方向的切向速度VT(r)，其在激光雷達掃描方向上的投影為該點處的徑向速度Ve (r, 0)，其中r表示點0距渦核中心O2的距離，0為尾渦截面上該點的半徑方向與Y軸正向間的夾角。通過分析圖中各種速度間的角度關系，尾渦截面上0點處的切向速度\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0處尾渦的徑向速度Vk(r)與切向速度Vt (r)間關系為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
權利要求
1.一種基于風場擾動類型的空中目標發現方法，該方法包括下列順序的步驟 (1)獲取風場擾動信息針對需重要防護空域的背景大氣風場進行統計建模，并利用激光雷達不間斷掃描來完成空域內擾動大氣風場的實時探測； (2)鑒別風場擾動類型判斷出該風場擾動的類型為飛機尾渦擾動場一類的目標風場擾動，或是自然風場擾動； (3)發現空中目標檢測若為目標風場擾動，則可認為空域內發現運動目標，并且是飛機；反之，則判定空域內無飛機目標存在。
2.根據權利要求I所述的基于風場擾動類型的空中目標發現方法，其特征在于構建出激光橫向探測方式下飛機尾渦回波的多普勒譜數學模型，其公式如下
3.根據權利要求I所述的基于風場擾動類型的空中目標發現方法，其特征在于基于多普勒譜特征的風場擾動鑒別算法或判決準則，區分出風場擾動的類型。
4.根據權利要求3所述的基于風場擾動類型的空中目標發現方法，其特征在于基于多普勒譜特征的風場擾動鑒別算法包括以下三個步驟風場擾動回波數據預處理、多普勒譜特征提取以及風場擾動類型鑒別。
5.根據權利要求3所述的基于風場擾動類型的空中目標發現方法，其特征在于基于渦旋結構特征，設定風場擾動判決準則如下
6.根據權利要求3所述的基于風場擾動類型的空中目標發現方法，其特征在于基于速度結構系數，設定風場擾動判決準則如下
7.根據權利要求4所述的基于風場擾動類型的空中目標發現方法，其特征在于風場擾動回波數據預處理包括降噪處理、FFT處理以及歸一化處理三個步驟，其中， 降噪處理是指對激光雷達回波信號采用EMD (empirical mode decomposition)方法進行處理； FFT處理是指針對每一組距離單元內的風場回波信號作快速傅里葉變換(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場的回波多普勒譜； 歸一化處理是指對上述多普勒譜進行幅度歸一化處理得到以零頻移點為中心的多普勒譜點列波形f = (f0, &， ，fN-i)，其中，多普勒譜點列的前N/2點定義為負頻區f_ =(f0, f1；…，f；/^)，點列的后N/2點定義為正頻區f+ = (f N/2，fN/2+l, *** ) fN-l) °
8.根據權利要求7所述的基于風場擾動類型的空中目標發現方法，其特征在于基于風場擾動回波數據預處理獲得的風場擾動多普勒譜點列波形f = (f0, f1；…，fN-i)，提取出多普勒譜的對稱性特征(偶余量R)、波形熵特征(波形熵E)以及幅值數字特征(對數余量L)。
9.根據權利要求8所述的基于風場擾動類型的空中目標發現方法，其特征在于若對稱性特征、波形熵特征以及幅值數字特征同時滿足判決條件，則說明該多普勒譜是屬于飛機尾渦，即探測獲取的風場擾動是目標風場擾動；反之，該風場擾動則是自然風場擾動。
全文摘要
本發明涉及一種基于風場擾動類型的空中目標發現方法，該方法包括下列順序的步驟針對需重要防護空域的背景大氣風場進行統計建模，并利用激光雷達不間斷掃描來完成空域內擾動大氣風場的實時探測；判斷出該風場擾動的類型為飛機尾渦擾動場一類的目標風場擾動，或是自然風場擾動；若為目標風場擾動，則可認為空域內發現運動目標，并且是飛機；反之，則判定空域內無飛機目標存在。本發明實現了對大氣風場的擾動檢測，解決了對大氣風場擾動的判別難題，解決了對特定空域內大范圍、遠距離、高效率的飛機目標的快速發現問題。
文檔編號G01S17/88GK102721967SQ20121020844
公開日2012年10月10日 申請日期2012年6月21日 優先權日2012年6月21日
發明者吳永華, 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 申請人:中國人民解放軍電子工程學院