CN110261838A - 一种道面外来物探测方法、装置及探测雷达 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种道面外来物探测方法，属于雷达探测技术领域，用于机场等环境中对大目标进行识别与屏蔽，所述方法包括获取道面外来物的回波数据以及背景杂波数据，根据回波数据确定待检测单元的恒虚警检测参考数据；确定恒虚警率检测的浮动门限k_a和固定门限k_b以及背景杂波门限k_c，根据门限建立目标判定条件；对于某一检测单元，若满足预定条件则判定为道面外来物，若不满足预定条件则判定为大目标并屏蔽。本申请的道面外来物检测方法、装置及探测雷达可以在实现道面外来物正常探测的同时，识别出道面上的大目标并自动屏蔽，并且本申请可以极大的提高道面外来物探测的准确度和探测效率，降低外来物探测的虚警率和机场运维压力。

Description

一种道面外来物探测方法、装置及探测雷达

技术领域

本申请属于雷达探测技术领域，特别涉及一种道面外来物雷达探测方法、装置及探测雷达。

背景技术

道面外来物(ForeignObjectDebris，FOD)是指出现在机场跑道上可能损伤飞行器的某种外来异物，例如金属零件、碎石块或瓶子等，其严重影响着飞行器的起降安全。为了对FOD进行识别，目前主流的探测技术是雷达异物探测结合光学异物确认的方式，即雷达对机场道面进行不间断自动检测，发现外来物后，自动将外来物的位置和尺寸等信息传送给光学设备，光学设备对异物进行确认并获取外来物图像。在现有的道面外来物探测系统中，雷达是关键设备，其探测准确度和效率制约着道面外来物探测系统的准确度和效率。而道面外来物探测雷达在异物检测过程中，主要使用恒虚警率(ConstantfalseAlarmRate，CFAR)检测或恒虚警率检测与杂波图对消检测相结合的检测技术。

采用CFAR检测方式可以实现道面外来物的检测，但由于机场跑道包含有较多的跑道边灯和中线灯等辅助导航设备，仅利用CFAR检测易将把道面上的此类辅助导航设备错判为道面外来物，从而引起虚警。

为了解决上述问题，通常可以采用恒虚警率检测与杂波图对消检测相结合的检测技术，然而这种检测方式在实现道面外来物检测的同时，利用跑道背景杂波图将跑道边灯和中线灯等固定位置的设施对消，从而不产生上述虚警。

然而，道面上除存在边灯和中线灯等固定位置的设备外，还会出现其他位置不固定的物体，例如在联络道口短暂停留排队等待放飞的飞机。利用上述两种检测方式均不能解决这类物体引起的告警。

发明内容

本申请的目的是提供了一种道面外来物探测方法、装置及探测雷达，以解决或减轻背景技术中的至少一个问题。

在一方面，本申请提供了一种道面外来物探测方法，用于在雷达探测过程中对大目标进行识别与屏蔽，所述方法包括

获取道面外来物的回波数据以及背景杂波数据，根据所述回波数据确定待检测单元的恒虚警检测参考数据；

确定恒虚警率检测的浮动门限k_a和固定门限k_b以及背景杂波门限k_c，根据浮动门限k_a、固定门限k_b及背景杂波门限k_c建立目标判定条件，所述判定条件包括：

E₁:x_i>k_b；

E₂:x_i>k_a+y_i；

E₃:x_i＝max{x_j},j＝i-B₂,...,i+B₂，当j<0或者j>N时，x_j＝0；

E₄:x_i>k_c+c_i；

E₅:p_L-i<k_c+c_i；

E₆:p_R-i<k_c+c_i；

式中，x_i为第i个检测单元的功率模值，y_i为第i个检测单元对应的参考单元功率模值，c_i为第i个检测单元背景杂波对应的功率模值，p_L-i为第i个检测单元左侧参考单元的平均功率，p_R-i为第i个检测单元右侧参考单元的平均功率；

对于某一检测单元，若x_i同时满足条件E₁～E₆，则判定为道面外来物，若x_i同时满足条件E₁～E₄而不满足E₅或E₆，则判定为大目标并屏蔽。

在本申请一实施方式中，所述方法还包括对目标进行二次识别，所述二次识别包括：

设定一距离门限△R，第一个大目标Tgt₁-△R和最后一个大目标Tgt_n+△R范围内的目标判定为大目标。

在本申请一实施方式中，所述第i个检测单元左侧参考单元的平均功率所述第i个检测单元右侧参考单元的平均功率式中，x_j为第j个检测单元的功率模值，M为参考单元数，B为保护单元数，M和B均为偶数。

在本申请一实施方式中，当判定所述目标的属性为道面外来物时，对目标进行告警。

在另一方面，本申请提供了一种道面外来物探测装置，所述装置包括

数据处理模块，用于获取道面外来物的回波数据以及背景杂波数据，以及根据所述回波数据确定待检测单元的恒虚警检测参考数据；

条件建立模块，用于确定恒虚警率检测的浮动门限k_a和固定门限k_b以及背景杂波门限k_c，根据浮动门限k_a、固定门限k_b及背景杂波门限k_c建立目标判定条件，所述判定条件包括：

E₁:x_i>k_b；

E₂:x_i>k_a+y_i；

E₃:x_i＝max{x_j},j＝i-B/2,...,i+B/2，当j<0或者j>N时，x_j＝0；

E₄:x_i>k_c+c_i；

E₅:p_L-i<k_c+c_i；

E₆:p_R-i<k_c+c_i；

式中，x_i为第i个检测单元的功率模值，y_i为第i个检测单元对应的参考单元功率模值，c_i为第i个检测单元背景杂波对应的功率模值，p_L-i为第i个检测单元左侧参考单元的平均功率，p_R-i为第i个检测单元右侧参考单元的平均功率；

条件判定模块，用于对于某一检测单元进行判断，若x_i同时满足条件E₁～E₆，则判定为道面外来物，若x_i同时满足条件E₁～E₄而不满足E₅或E₆，则判定为大目标并屏蔽。

在本申请一实施方式中，所述装置还包括二次识别模块，所述二次识别模块用于对目标进行二次识别，所述二次识别过程包括：

设定一距离门限△R，第一个大目标Tgt₁-△R和最后一个大目标Tgt_n+△R范围内的目标判定为大目标。

在本申请一实施方式中，所述条件建立模块中，所述第i个检测单元左侧参考单元的平均功率为所述第i个检测单元右侧参考单元的平均功率为式中，x_j为第j个检测单元的功率模值，M为参考单元数，B为保护单元数，M和B均为偶数。

在本申请一实施方式中，所述装置还包括告警模块，用于当判定所述目标的属性为道面外来物，则对目标进行告警。

在最后一方面，本申请提供了一种雷达系统，所述雷达系统包括：

一个或多个处理装置；

存储装置，其上存储有一个或多个程序；

当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理装置执行，使得所述一个或多个处理器实现如上任一所述的方法。

本申请的道面外来物检测方法、装置及探测雷达可以在实现道面外来物正常探测的同时，识别出道面上的大目标(如飞机、车辆等)，并自动屏蔽，并且本申请可以极大的提高道面外来物探测的准确度和探测效率，降低外来物探测的虚警率和机场运维压力。

附图说明

为了更清楚地说明本申请提供的技术方案，下面将对附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本申请的一些实施例。

图1为本申请的道面外来物探测方法流程图。

图2为本申请一实施例的原始回波与背景杂波图。

图3为采用背景技术中的道面外来物检测方法检测结果示意图。

图4为采用本申请的道面外来物检测方法的检测效果示意图。

图5为采用本申请的道面外来物检测方法的最终检测结果示意图。

图6为本申请的道面外来物探测装置组成示意图。

图7为本申请的道面外来物探测雷达组成示意图。

具体实施方式

为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行更加详细的描述。

为了提升机场等复杂环境下道面外来物的探测准确度和探测效率，本申请首先提出了一种在道面外来物探测过程中的大目标识别与屏蔽方法。本申请的方法能在实现道面外来物正常探测的同时，识别出道面上的大目标(如飞机、车辆等)，并自动屏蔽，极大提高道面外来物探测的准确度和探测效率。

本申请的道面外来物探测方法包括如下步骤：

S10、首先基于FOD探测雷达可以得到待检测回波数据模值向量X＝[x₁,x₂,…,x_N]^T，以及对应的背景杂波数据模值向量C＝[c₁,c₂,…,c_N]^T，用滑窗法求出待检测单元的恒虚警检测参考数据向量Y＝[y₁,y₂,…,y_N]^T。其中，x_i表示第i个距离门的频域回波数据模值，N代表距离门总数，y_i表示第i个检测单元(距离门)的恒虚警检测参考值。

在上述采用滑窗法求出待检测单元的恒虚警检测参考数据向量Y的计算步骤如下：

S11、确定参考单元数M和保护单元数B，M和B均为偶数；

S12、用滑窗法计算参考数据向量Y，

其中，当j<0或者j>N时，x_j＝0。

S20、确定恒虚警率检测门限和背景杂波门限k_c，其中恒虚警率检测门限包括浮动门限k_a和固定门限k_b。

在现有道面外来物检测方法中，通常基于CFAR和杂波图对消相结合的检测方式，对于某一检测单元，其判定是否为外来物的条件如下：

E₁:x_i>k_b；

E₂:x_i>k_a+y_i；

E₃:x_i＝max{x_j},j＝i-B/2,...,i+B/2，当j<0或者j>N时，x_j＝0；

E₄:x_i>k_c+c_i；(跑道上固定位置的物体排除条件)

式中，x_i为第i个检测单元的功率模值，y_i为第i个检测单元对应的参考单元功率模值，c_i为第i个检测单元背景杂波对应的功率模值。

而由于飞机、车辆等大目标出现在被检测单元时，被检测单元前后参考单元内的功率将被提高，因此本申请中具有增加的判定条件：

E₅:p_L-i<k_c+c_i；

E₆:p_R-i<k_c+c_i；

其中，p_L-i为第i个检测单元左侧参考单元的平均功率，p_R-i为第i个检测单元右侧参考单元的平均功率。

在本申请中，上述第i个检测单元左侧参考单元的平均功率第i个检测单元右侧参考单元的平均功率

其中，x_j为第j个检测单元的功率模值，M为参考单元数，B为保护单元数，M和B均为偶数。

S30、对于某一检测单元，若x_i同时满足条件E₁～E₆，则判定其为道面外来物出，并将其目标属性标记为道面外来物(FOD_i)；对于某一检测单元，若x_i同时满足条件E₁～E₄，不满足E₅或E₆，则判定其未大目标，并将其目标属性标记为大目标(Tgt_i)，且对大目标(Tgt_i)进行屏蔽。

由于飞机和车辆等体积较大，导致目标出现的位置频谱呈现功率起伏的团状，因此目标识别过程中可能将其反射的某一个小功率距离门判别为道面外来物，因此在本申请中具有二次识别，二次识别过程包括：

设置一个距离门限△R，将第一个大目标Tgt₁-△R和最后一个大目标Tgt_n+△R范围内的目标(标记属性FOD_i)强制判定为大目标(标记属性Tgt_i)。最后，在雷达显示系统中输出目标属性为道面外来物(FOD_i)的目标信息并告警，并且在显示系统中自动屏蔽属性为大目标(Tgt_i)的目标。

下面以一组具体数据对本申请的道面外来物探测方法做进一步说明。

在本申请一个实施例中，FOD探测雷达得到的待检测回波数据模值向量X＝[x₁,x₂,…,x_N]^T，N＝13312。在该回波数据中，距离FOD探测雷达299.7m、309.6m和319.7m处，分别有一个直径2.0cm、高2.0cm的金属圆柱体，目标回波功率分别为94.91dBm、93.11dBm和92.87dBm；距离FOD探测雷达约335m到365m之间为跑道上飞机的回波。如图1所示，图中横坐标为距离(单位为m)，纵坐标为功率(单位为dBm)；实线为回波数据图，虚线为该方位角的跑道背景杂波图；标注中的X和Y分别为距离和功率值。

对于本申请的道面外来物检测方法过程如下：

S10、基于待检测回波数据模值向量X＝[x₁,x₂,…,x_N]^T，用滑窗法求出待检测单元的恒虚警检测参考向量Y＝[y₁,y₂,…,y_N]^T；其中，y_i表示第i个检测单元(距离门)的恒虚警检测参考值，恒虚警检测参考值的计算过程如下：S11、设置参考单元数为16和保护单元数为8，此为经验设置；

S12、用滑窗法计算参考向量Y，

其中，当j<0或者j>13312时，x_j＝0；

S20、确定恒虚警率检测门限，浮动门限k_a＝8、固定门限k_b＝90，背景杂波门限k_c＝13。

基于待检测回波数据模值向量X＝[x₁,x₂,…,x_N]^T，回波对应的背景杂波数据模值向量C＝[c₁,c₂,…,c_N]^T，以及恒虚警检测参考向量Y＝[y₁,y₂,…,y_N]^T，对每一检测单元，按如下条件对其进行检测：

E₁:x_i>k_b；

E₂:x_i>k_a+y_i；

E₃:x_i＝max{x_j},j＝i-B/2,...,i+B/2，当j<0或者j>13312时，x_j＝0；

E₄:x_i>k_c+c_i；

E₅:p_L-i<k_c+c_i；

E₆:p_R-i<k_c+c_i；

S30、目标检测与识别

如图2所示，在采用本实施例如上数据情况下，如果采用现有技术中的恒虚警率检测与杂波图检测相结合的方法，所有目标将全部被判定为道面外来物(FOD₁，FOD₂，FOD₃，FOD₄，FOD₅，FOD₆，FOD₇)；

如图3所示，采用本申请提出的检测方法中判决条件，则将299.7m、309.6m和319.7m处的金属圆柱体被识别为道面外来物(FOD₁，FOD₂，FOD₃)；飞机导致的四个目标中有三个被识别为大目标(Tgt₁，Tgt₂，Tgt₃)，有一个被识别为道面外来物(FOD₄)。

如图4和图5所示，由于处于最两端的大目标(Tgt₁，Tgt₃)之间具有道面外来物(FOD₄)，因此对目标进行二次识别，二次识别时，首先设置一个距离门限△R＝5m，第一个大目标(Tgt₁)的距离为336.3m，最后一个大目标(Tgt₃)的距离为352.5m，因此可将331.3m～357.5m之间范围内的所有目标属性强制为大目标(Tgt)，道面外来物(FOD₄)的距离为337m，故二次识别后，道面外来物(FOD₄)的目标属性转变为大目标(Tgt₄)。

最后，雷达显示系统输出输出299.7m、309.6m和319.7m处的金属圆柱体为道面外来物(FOD₁，FOD₂，FOD₃)，并且显示系统自动屏蔽飞机引起的大目标告警(Tgt₁，Tgt₂，Tgt₃，Tgt₄)。

在上述告警中，可以在显示系统中以特殊颜色(例如红色)对道面外来物进行告警显示，以体现操作人员。

本申请的道面外来物探测方法不仅成功检测到了三个道面外来物，还可成功对不必要告警的大目标进行自动识别和屏蔽，达到了预期效果，有效提高了道面外来物探测的准确度和探测效率，降低外来物探测的虚警率和机场运维压力。

如图6所示，本申请在另一方面提供了一种道面外来物探测装置10，其包括：

数据处理模块11，用于获取道面外来物的回波数据以及背景杂波数据，并且根据回波数据确定待检测单元的恒虚警检测参考数据；

条件建立模块12，用于确定恒虚警率检测的浮动门限k_a和固定门限k_b以及背景杂波门限k_c，并且根据浮动门限k_a、固定门限k_b及背景杂波门限k_c建立目标检测的判定条件，判定条件包括：

E₁:x_i>k_b；

E₂:x_i>k_a+y_i；

E₃:x_i＝max{x_j},j＝i-B/2,...,i+B/2，当j<0或者j>N时，x_j＝0；

E₄:x_i>k_c+c_i；

E₅:p_L-i<k_c+c_i；

E₆:p_R-i<k_c+c_i；

式中，x_i为第i个检测单元的功率模值，y_i为第i个检测单元对应的参考单元功率模值，c_i为第i个检测单元背景杂波对应的功率模值，p_L-i为第i个检测单元左侧参考单元的平均功率，p_R-i为第i个检测单元右侧参考单元的平均功率；

条件判定模块13，用于对于某一检测单元进行判断，若x_i同时满足条件E₁～E₆，则判定为道面外来物，若x_i同时满足条件E₁～E₄而不满足E₅或E₆，则判定为大目标并屏蔽。

在本申请中，道面外来物探测装置10还包括二次识别模块14，二次识别模块14用于对目标进行二次识别，二次识别过程包括：

设定一距离门限△R，第一个大目标Tgt₁-△R和最后一个大目标Tgt_n+△R范围内的目标判定为大目标。

在本申请中，条件建立模块12中，第i个检测单元左侧参考单元的平均功率为第i个检测单元右侧参考单元的平均功率为式中，x_j为第j个检测单元的功率模值，M为参考单元数，B为保护单元数，M和B均为偶数。

在本申请中，装置还包括告警模块15，用于当判定目标的属性为道面外来物，则对目标进行告警。

最后，如图7所示，本申请还提供了一种道面外来物探测雷达，所述雷达20主要包括两部分，一部分为处理装置，另一部为显示系统22，处理装置可由雷达系统中的具有数据处理能力的处理机21来来人，当然也可以采用或增加其他处理装置，处理装置用于对数据的处理等操作，显示系统22用于对处理机21处理后的内容进行显示。其中，处理机21包括本申请的道面外来物探测装置10的各个模块，其对数据的处理过程参照本申请的道面外来物探测装置或道面外来物探测方法中的内容。在处理机21处理完数据之后，将其传递给显示系统22，显示系统22则对数据进行显示。

本申请的道面外来物探测方法、装置及探测雷达针对机场道面复杂设施环境下的外来物探测问题，通过对大目标信息提取、目标判决条件确定和大目标自动识别与屏蔽，与现有技术中的恒虚警率检测技术或恒虚警率检测与杂波图对消检测相结合的检测技术相比，具备以下优点：

1)本申请可以在实现道面外来物正常探测的同时，识别出道面上的大目标(如飞机、车辆等)，并自动屏蔽；

2)本申请可以极大提高道面外来物探测的准确度和探测效率，降低外来物探测的虚警率和机场运维压力。；

3)本申请仅需在目前成熟的检测技术基础上做改进，工程实现简单。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种道面外来物探测方法，用于在雷达探测过程中对大目标进行识别与屏蔽，其特征在于，所述方法包括

获取道面外来物的回波数据以及背景杂波数据，根据所述回波数据确定待检测单元的恒虚警检测参考数据；

确定恒虚警率检测的浮动门限k_a和固定门限k_b以及背景杂波门限k_c，根据浮动门限k_a、固定门限k_b及背景杂波门限k_c建立目标判定条件，所述判定条件包括：

E₁:x_i>k_b；

E₂:x_i>k_a+y_i；

E₃:x_i＝max{x_j},j＝i-B/2,...,i+B/2，当j<0或者j>N时，x_j＝0；

E₄:x_i>k_c+c_i；

E₅:p_L-i<k_c+c_i；

E₆:p_R-i<k_c+c_i；

式中，x_i为第i个检测单元的功率模值，y_i为第i个检测单元对应的参考单元功率模值，c_i为第i个检测单元背景杂波对应的功率模值，p_L-i为第i个检测单元左侧参考单元的平均功率，p_R-i为第i个检测单元右侧参考单元的平均功率；

对于某一检测单元，若x_i同时满足条件E₁～E₆，则判定为道面外来物，若x_i同时满足条件E₁～E₄而不满足E₅或E₆，则判定为大目标并屏蔽。

2.如权利要求1所述的道面外来物探测方法，其特征在于，所述方法还包括对目标进行二次识别，所述二次识别包括：

设定一距离门限△R，第一个大目标Tgt₁-△R和最后一个大目标Tgt_n+△R范围内的目标判定为大目标。

3.如权利要求1或2所述的道面外来物探测方法，其特征在于，

所述第i个检测单元左侧参考单元的平均功率

所述第i个检测单元右侧参考单元的平均功率

式中，x_j为第j个检测单元的功率模值，M为参考单元数，B为保护单元数，M和B均为偶数。

4.如权利要求1所述的道面外来物探测方法，其特征在于，当判定所述目标的属性为道面外来物时，对目标进行告警。

5.一种道面外来物探测装置，其特征在于，所述装置包括

数据处理模块，用于获取道面外来物的回波数据以及背景杂波数据，以及根据所述回波数据确定待检测单元的恒虚警检测参考数据；

条件建立模块，用于确定恒虚警率检测的浮动门限k_a和固定门限k_b以及背景杂波门限k_c，根据浮动门限k_a、固定门限k_b及背景杂波门限k_c建立目标判定条件，所述判定条件包括：

E₁:x_i>k_b；

E₂:x_i>k_a+y_i；

E₃:x_i＝max{x_j},j＝i-B/2,...,i+B/2，当j<0或者j>N时，x_j＝0；

E₄:x_i>k_c+c_i；

E₅:p_L-i<k_c+c_i；

E₆:p_R-i<k_c+c_i；

式中，x_i为第i个检测单元的功率模值，y_i为第i个检测单元对应的参考单元功率模值，c_i为第i个检测单元背景杂波对应的功率模值，p_L-i为第i个检测单元左侧参考单元的平均功率，p_R-i为第i个检测单元右侧参考单元的平均功率；

条件判定模块，用于对于某一检测单元进行判断，若x_i同时满足条件E₁～E₆，则判定为道面外来物，若x_i同时满足条件E₁～E₄而不满足E₅或E₆，则判定为大目标并屏蔽。

6.如权利要求5所述的道面外来物探测装置，其特征在于，所述装置还包括二次识别模块，所述二次识别模块用于对目标进行二次识别，所述二次识别过程包括：

设定一距离门限△R，第一个大目标Tgt₁-△R和最后一个大目标Tgt_n+△R范围内的目标判定为大目标。

7.如权利要求5或6所述的道面外来物探测装置，其特征在于，所述条件建立模块中，所述第i个检测单元左侧参考单元的平均功率为

所述第i个检测单元右侧参考单元的平均功率为

式中，x_j为第j个检测单元的功率模值，M为参考单元数，B为保护单元数，M和B均为偶数。

8.如权利要求5所述的道面外来物探测装置，其特征在于，所述装置还包括告警模块，用于当判定所述目标的属性为道面外来物，则对目标进行告警。

9.一种雷达系统，其特征在于，所述雷达系统包括：

一个或多个处理装置；

存储装置，其上存储有一个或多个程序；

当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理装置执行，使得所述一个或多个处理装置实现如权利要求1至4中任一所述的方法。