基于双极化雷达基数融合处理的空飘物检测方法及装置

技术领域

本申请涉及雷达信号处理技术领域，特别是涉及一种基于双极化雷达基数融合处理的空飘物检测方法及装置。

背景技术

随意丢弃的空飘物会对航空安全产生极大的威胁，由于空飘物的材质大多为塑料和橡胶，是一类难于观测的无动力浮空目标。例如在商业、生活中广泛应用及常见的空飘气球，是节日庆典道具以及娱乐玩具。然而，随意丢弃或不受控制的空飘气球却会对航空安全产生极大的威胁，机场及其周边和航路上突然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，电磁设备的不断增加产生诸多电磁干扰，空飘气球的弱回波往往被淹没在电磁干扰和噪声中，进而影响雷达对空飘气球目标的检测性能。

然而，在现有针对复杂场景下弱小目标的检测方法均需要在雷达IQ (In-phase-Quadrature，同相-正交，缩写：IQ) 数据层面进行特定处理以获得检测结果，然而实际运行的气象雷达扫描产生的IQ数据量巨大而无法存储，因此只存储由IQ数据生成的基数据用于反演气象参数。稳定运行的气象雷达信号处理流程已经确定和固化，难以在底层对信号处理流程进行修改以适应新的检测方法。基于IQ数据处理的方法相比于以基数据为输入的方法，更难以嵌入到现有的稳定运行的雷达中。

综上所述，基于气象雷达IQ数据处理检测方法极大限制了其应用范围，而基于气象雷达基数据的处理方法对现有雷达的处理体制和信号处理流程没有更多的要求，可以在不影响现有雷达的信号处理流程和气象探测功能上进一步赋予雷达新功能。

发明内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够快速检测弱小空飘目标同时抑制由电磁干扰和晴空背景引起的虚警的基于双极化雷达基数融合处理的空飘物检测方法及装置。

一种基于双极化雷达基数融合处理的空飘物检测方法，所述方法包括：

获取经过匹配滤波双通道的回波数据，并对所述回波数据进行快速傅里叶变换得到距离-多普勒回波；

根据所述距离-多普勒回波进行计算得到各极化多普勒基数据参量，其中所述极化多普勒基数据参量包括H通道的反射率；

在雷达PPI图上对H通道反射率采用低门限恒定虚警概率检测器进行判断是否存在疑似空飘目标；

若判断为存在疑似空飘目标，则构造隶属函数对各所述极化多普勒基数据参量进行模糊化，并生成模糊函数；

通过求解后验概率对所述模糊函数进行解模糊，根据所述后验概率以及预设门限进行判断，并根据判断结果确定是否存在空飘目标。

在其中一实施例中，所述极化多普勒基数据参量还包括：差分反射率、H通道的速度、H通道的谱宽、两通道的相关系数、两通道的速度差以及两通道的谱宽差。

在其中一实施例中，所述在雷达PPI图上对H通道反射率采用低门限恒定虚警概率检测器进行判断是否存在疑似空飘目标包括：

所述低门限恒定虚警概率检测器包括3个单元，分别为背景单元、保护单元以及待检测单元；

根据所述背景单元的数量以及各背景单元的数值计算得到检测阈值；

将所述检测阈值与所述待检测单元的数值进行对比，若所述待检测单元的数值大于所述检测阈值，则判断存在疑似空飘目标，否侧判断不存在疑似空飘目标。

在其中一实施例中，所述根据所述背景单元的数量以及数值计算得到检测阈值采用以下公式：

；

在上式中，

在其中一实施例中，所述隶属函数为：

在上式中，下标

在其中一实施例中，与各所述极化多普勒基数据参量对应的隶属函数分别为：

，/>

在其中一实施例中，所述模糊函数为：

；

在上式中，

在其中一实施例中，对所述模糊函数进行解模糊包括：根据模糊推理原则对所述模糊函数中各极化多普勒基数据参量赋予不同的权重如下式：

。

再通过求解后验概率进行解模糊，采用下式：

；

在上式中，

在其中一实施例中，根据所述后验概率以及预设门限进行判断，并根据判断结果确定是否存在空飘目标包括：若所述后验概率大于所述预设门限则确定存在空飘目标，否则不存在空飘目标。

一种基于双极化雷达基数融合处理的空飘物检测装置，所述装置包括：

距离-多普勒回波得到模块，用于获取经过匹配滤波双通道的回波数据，并对所述回波数据进行快速傅里叶变换得到距离-多普勒回波；

极化多普勒基数据参量计算模块，用于根据所述距离-多普勒回波进行计算得到各极化多普勒基数据参量，其中所述极化多普勒基数据参量包括H通道的反射率；

低门限恒定虚警概率检测器判断模块，用于在雷达PPI图上对H通道反射率采用低门限恒定虚警概率检测器进行判断是否存在疑似空飘目标；

模糊函数生成模块，用于若判断为存在疑似空飘目标，则构造隶属函数对各所述极化多普勒基数据参量进行模糊化，并生成模糊函数；

空飘目标检测模块，用于通过求解后验概率对所述模糊函数进行解模糊，根据所述后验概率以及预设门限进行判断，并根据判断结果确定是否存在空飘目标。

一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现以下步骤：

获取经过匹配滤波双通道的回波数据，并对所述回波数据进行快速傅里叶变换得到距离-多普勒回波；

根据所述距离-多普勒回波进行计算得到各极化多普勒基数据参量，其中所述极化多普勒基数据参量包括H通道的反射率；

在雷达PPI图上对H通道反射率采用低门限恒定虚警概率检测器进行判断是否存在疑似空飘目标；

若判断为存在疑似空飘目标，则构造隶属函数对各所述极化多普勒基数据参量进行模糊化，并生成模糊函数；

通过求解后验概率对所述模糊函数进行解模糊，根据所述后验概率以及预设门限进行判断，并根据判断结果确定是否存在空飘目标。

一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：

获取经过匹配滤波双通道的回波数据，并对所述回波数据进行快速傅里叶变换得到距离-多普勒回波；

根据所述距离-多普勒回波进行计算得到各极化多普勒基数据参量，其中所述极化多普勒基数据参量包括H通道的反射率；

在雷达PPI图上对H通道反射率采用低门限恒定虚警概率检测器进行判断是否存在疑似空飘目标；

若判断为存在疑似空飘目标，则构造隶属函数对各所述极化多普勒基数据参量进行模糊化，并生成模糊函数；

通过求解后验概率对所述模糊函数进行解模糊，根据所述后验概率以及预设门限进行判断，并根据判断结果确定是否存在空飘目标。

上述基于双极化雷达基数融合处理的空飘物检测方法及装置，通过对经过匹配滤波双通道的回波数据进行快速傅里叶变换得到距离-多普勒回波，根据距离-多普勒回波进行计算得到各极化多普勒基数据参量，通过在雷达PPI图上对H通道反射率采用低门限恒定虚警概率检测器进行判断是否存在疑似空飘目标，若存在疑似空飘目标，则构造隶属函数对各极化多普勒基数据参量进行模糊化，并生成模糊函数，最后通过求解后验概率对模糊函数进行解模糊，根据后验概率以及预设门限进行判断，并根据判断结果确定是否存在空飘目标。本方法通过降低恒定虚警概率检测器的门限以提高目标的检测概率，再利用极化多普勒特征参量构造模糊逻辑判决器对虚警进行有效抑制。该方法所需要的输入为气象雷达原有生成的气象基数据参量，在不影响现行气象雷达业务功能的基础上赋予其新功能适用性广。本方法无需精确的数学模型，计算量小、适应性强，不影响原有雷达的业务功能的优点，可以嵌入到现有运行的双极化气象雷达中，鲁棒性高。

附图说明

图1为一个实施例中基于双极化雷达基数融合处理的空飘物检测方法的流程示意图；

图2为一个实施例中H通道反射率雷达PPI示意图；

图3为一个实施例中CFAR检测器的处理参考窗口说明示意图；

图4为一个实施例中H通道PPI反射率CFAR检测器低门限的检测结果示意图；

图5为一个实施例中根据基于双极化雷达基数融合处理的空飘物检测方法进行检测的检测结果示意图；

图6为另一个实施例中基于双极化雷达基数融合处理的空飘物检测方法的流程框图；

图7为一个实施例中基于双极化雷达基数融合处理的空飘物检测装置的结构框图；

图8为一个实施例中计算机设备的内部结构图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

如图1所示，提供了一种基于双极化雷达基数融合处理的空飘物检测方法，包括以下步骤：

步骤S100，获取经过匹配滤波双通道的回波数据，并对回波数据进行快速傅里叶变换得到距离-多普勒回波；

步骤S110，根据距离-多普勒回波进行计算得到各极化多普勒基数据参量，其中极化多普勒基数据参量包括H通道的反射率；

步骤S120，在雷达PPI图上对H通道反射率采用低门限恒定虚警概率检测器进行判断是否存在疑似空飘目标；

步骤S130，若判断为存在疑似空飘目标，则构造隶属函数对,极化多普勒基数据参量进行模糊化，并生成模糊函数；

步骤S140，通过求解后验概率对模糊函数进行解模糊，根据后验概率以及预设门限进行判断，并根据判断结果确定是否存在空飘目标。

在本实施例中，利用空飘物和电磁干扰、晴空背景噪声在极化多普勒特征分布的不同进行检测。首先在PPI（Plan Position Indicator，平面位置指示，缩写：PPI）上通过低门限CFAR（Constant 0 Alarm Rate Detector，恒定虚警概率下的检测器，缩写：CFAR）检测器进行检测。利用空飘目标和电磁干扰、晴空背景在极化-多普勒域上分布特征的不同进一步将虚警剔除。

具体为利用不同目标的差分反射率、速度、谱宽、相关系数、两通道速度差和两通道的谱宽差等极化参量分布的不同。对于谱宽和相关系数，空飘目标的谱宽较小，相关系数较大，而电磁干扰、晴空背景的谱宽较大且相关系数较小。对于两通道的速度差和两通道的谱宽差，空飘目标的两通道的速度差和两通道的谱宽差较小，而电磁干扰、晴空背景的两通道的速度差和两通道的谱宽差较大。利用上述特征设计一种模糊极化参量算法进一步将目标检测出。在本申请中空飘物以空飘气球为例进行说明，在实际应用中，空飘物还可为塑料袋，指一切由塑料和橡胶制成的一类难于观测的无动力浮空目标。

在步骤S100中，通过极化-多普勒气象雷达对待检测空域发射检测信号后由H、V双通道经过匹配滤波之后的脉冲回波数据，以连续

（1）

在公式（1）中，

在步骤S110中，距离-多普勒回波进行计算得到各极化多普勒基数据参量还包括：差分反射率、

具体的，采用以下公式进行计算：

利用公式（1）中的RD谱回波

（2）

并根据RD谱回波

（3）

在公式（3）中，

如图2所示为雷达的

计算定义两通道的相关系数，采用以下公式：

（4）

计算差分反射率，采用以下公式：

（5）

计算

（6）

计算

（7）

计算两通道的速度差，采用以下公式：

（8）

计算连通道的谱宽差，采用以下公式：

（9）

在步骤S120中，在雷达PPI图上对H通道反射率采用低门限恒定虚警概率检测器进行判断是否存在疑似空飘目标包括：在步骤S110中计算得到的极化多普勒基数据参量的基础上，在PPI上对雷达回波的

具体的，计算检测阈值

（10）

在公式（10）中，

经过低门限CAFR检测，得到如图4所示的检测结果，其中横坐标表示横向距离，纵坐标表示纵向距离，从图中可以看到有很多由于晴空背景和电磁干扰产生的虚警。

在步骤S130中，对各极化多普勒基数据参量分别构建相应的隶属函数，其中隶属函数表示为：

（11）

在公式（11）中，下标

具体的，与各极化多普勒基数据参量对应的隶属函数分别为：

，/>

（12）

在公式（12）中，

在步骤S140中，根据模糊推理原则对所述模糊函数中各极化多普勒基数据参量赋予不同的权重如下式：

（13）

再通过求解后验概率进行解模糊，采用下式：

（14）

在公式（14）中，

在对根据后验概率以及预设门限进行判断，并根据判断结果确定是否存在空飘目标包括：若后验概率大于预设门限则确定存在空飘目标，否则不存在空飘目标。

在其中一实施例中，可设置门限为

如图5所示，为经过模糊逻辑算法去除大量虚警之后的检测结果，其中横坐标表示横向距离，纵坐标表示纵向距离，对比图4和图5可以看到，经过本方法检测后，空飘气球目标全部检测出来并且抑制了电磁干扰和晴空背景引起的虚警。

在本实施例中，在对本方法进行实施时，还可根据如图6所示的流程框图进行实施。

上述基于双极化雷达基数融合处理的空飘物检测方法中，针对极化多普勒气象雷达检测空飘物问题，本申请提出一种基于基数据融合处理的检测方法。本方法适用于极化多普勒气象雷达快速检测弱小空飘气球目标同时抑制由电磁干扰和晴空背景引起的虚警，且具有计算量小，适用性广，不影响原有雷达的业务功能的优点，可以嵌入到现有运行的双极化气象雷达中。

本方法首先通过降低CFAR检测器的门限以提高目标的检测概率，再利用极化多普勒特征参量构造模糊逻辑判决器对虚警进行有效抑制。该算法所需要的输入为气象雷达原有生成的气象基数据参量，在不影响现行气象雷达业务功能的基础上赋予其新功能。对于极化多普勒气象相控阵雷达多次扫描结果，本发明提出的方法能够快速同时处理多普勒多波束扫描结果，抑制大量虚警的同时正确检测出目标并形成航迹。本发明提出的方法无需精确的数学模型，适应性强，鲁棒性高。

应该理解的是，虽然图1的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图1中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。

在一个实施例中，如图7所示，提供了一种基于双极化雷达基数融合处理的空飘物检测装置，包括：距离-多普勒回波得到模块200、极化多普勒基数据参量计算模块210、低门限恒定虚警概率检测器判断模块220、模糊函数生成模块230和空飘目标检测模块240，其中：

距离-多普勒回波得到模块200，用于获取经过匹配滤波双通道的回波数据，并对所述回波数据进行快速傅里叶变换得到距离-多普勒回波；

极化多普勒基数据参量计算模块210，用于根据所述距离-多普勒回波进行计算得到各极化多普勒基数据参量，其中所述极化多普勒基数据参量包括H通道的反射率；

低门限恒定虚警概率检测器判断模块220，用于在雷达PPI图上对H通道反射率采用低门限恒定虚警概率检测器进行判断是否存在疑似空飘目标；

模糊函数生成模块230，用于若判断为存在疑似空飘目标，则构造隶属函数对各所述极化多普勒基数据参量进行模糊化，并生成模糊函数；

空飘目标检测模块240，用于通过求解后验概率对所述模糊函数进行解模糊，根据所述后验概率以及预设门限进行判断，并根据判断结果确定是否存在空飘目标。

关于基于双极化雷达基数融合处理的空飘物检测装置的具体限定可以参见上文中对于基于双极化雷达基数融合处理的空飘物检测方法的限定，在此不再赘述。上述基于双极化雷达基数融合处理的空飘物检测装置中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。

在一个实施例中，提供了一种计算机设备，该计算机设备可以是终端，其内部结构图可以如图8所示。该计算机设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器、网络接口、显示屏和输入装置。其中，该计算机设备的处理器用于提供计算和控制能力。该计算机设备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和计算机程序。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。该计算机设备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一种基于双极化雷达基数融合处理的空飘物检测方法。该计算机设备的显示屏可以是液晶显示屏或者电子墨水显示屏，该计算机设备的输入装置可以是显示屏上覆盖的触摸层，也可以是计算机设备外壳上设置的按键、轨迹球或触控板，还可以是外接的键盘、触控板或鼠标等。

本领域技术人员可以理解，图8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设备的限定，具体的计算机设备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，提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，存储器中存储有计算机程序，该处理器执行计算机程序时实现以下步骤：

获取经过匹配滤波双通道的回波数据，并对所述回波数据进行快速傅里叶变换得到距离-多普勒回波；

根据所述距离-多普勒回波进行计算得到各极化多普勒基数据参量，其中所述极化多普勒基数据参量包括H通道的反射率；

在雷达PPI图上对H通道反射率采用低门限恒定虚警概率检测器进行判断是否存在疑似空飘目标；

若判断为存在疑似空飘目标，则构造隶属函数对各所述极化多普勒基数据参量进行模糊化，并生成模糊函数；

通过求解后验概率对所述模糊函数进行解模糊，根据所述后验概率以及预设门限进行判断，并根据判断结果确定是否存在空飘目标。

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以下步骤：

获取经过匹配滤波双通道的回波数据，并对所述回波数据进行快速傅里叶变换得到距离-多普勒回波；

根据所述距离-多普勒回波进行计算得到各极化多普勒基数据参量，其中所述极化多普勒基数据参量包括H通道的反射率；

在雷达PPI图上对H通道反射率采用低门限恒定虚警概率检测器进行判断是否存在疑似空飘目标；

若判断为存在疑似空飘目标，则构造隶属函数对各所述极化多普勒基数据参量进行模糊化，并生成模糊函数；

通过求解后验概率对所述模糊函数进行解模糊，根据所述后验概率以及预设门限进行判断，并根据判断结果确定是否存在空飘目标。

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。