一種巡航直升機(jī)機(jī)載雷達(dá)檢測(cè)預(yù)警高壓電線的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于雷達(dá)應(yīng)用、模型建立、算法仿真技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種巡航直升機(jī)機(jī) 載雷達(dá)檢測(cè)預(yù)警高壓電線的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 直升機(jī)是迄今為止機(jī)動(dòng)性最優(yōu)的一種空中作戰(zhàn)平臺(tái)，自從直升機(jī)問世以來，就因 其優(yōu)異的飛行性能和獨(dú)特的氣動(dòng)特性在多個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。實(shí)際上，目前軍/民 兩用直升機(jī)的作戰(zhàn)/運(yùn)營(yíng)能力主要受限于氣候條件。如果缺乏可靠詳細(xì)的飛行路徑和著陸 地點(diǎn)探測(cè)感知手段，直升機(jī)安全會(huì)受到嚴(yán)重威脅，尤以直升機(jī)貼地飛行最為嚴(yán)重，如圖1所 示。在引起直升機(jī)事故的各種障礙物中，高壓電線是最危險(xiǎn)的，因其體積小，在很多情況下 根本就無法用肉眼發(fā)現(xiàn)。在科索沃戰(zhàn)爭(zhēng)期間，美軍的阿帕奇武裝直升機(jī)就曾經(jīng)因?yàn)榕鲎哺?壓電線而被撞毀墜地。
[0003] 自20世紀(jì)60年代至今的40多年間，各國(guó)陸軍都在尋求各種手段為武裝直升機(jī)提 供一條在戰(zhàn)場(chǎng)上安全飛行的空中走廊。外軍最初提出采用夜視鏡、圖像增強(qiáng)儀或紅外成像 儀等作為直升機(jī)防撞設(shè)備，但這類設(shè)備因受氣候（降雨、沙塵暴、煙霧等）影響太大，作用距 離太近，不能為直升機(jī)駕駛員提供足夠的反應(yīng)時(shí)間而慘遭淘汰。目前，外軍武裝直升機(jī)裝備 的防撞系統(tǒng)主要是激光防撞雷達(dá)，最早由美國(guó)陸軍提出研制，要求這種雷達(dá)在能見度為2km 的情況下，對(duì)25mm直徑高壓線的告警距離至少要達(dá)到400m，激光防撞雷達(dá)較好的應(yīng)用條件 主要是在夜間，白天工作時(shí)太陽(yáng)射線的干擾會(huì)降低系統(tǒng)性能，而且不能穿透戰(zhàn)場(chǎng)煙霧和沙 塵，在惡劣氣候條件下作戰(zhàn)能力也有所降低。毫米波雷達(dá)可以用小尺寸天線實(shí)現(xiàn)高分辨力 和高掃描速率，其重量、體積、功耗均與直升機(jī)的裝載能力相適應(yīng)，而且能在雨雪、煙霧和沙 塵等條件下工作。因此，提供一種巡航直升機(jī)機(jī)載雷達(dá)啟發(fā)式檢測(cè)預(yù)警高壓電線方法可以 有效解決氣候問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種巡航直升機(jī)機(jī)載雷達(dá)檢測(cè)預(yù)警高壓電線的方法，以克 服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，本發(fā)明通過對(duì)巡航直升機(jī)機(jī)載雷達(dá)檢測(cè)預(yù)警高壓電線模型的 建立，并應(yīng)用創(chuàng)新的啟發(fā)式算法仿真。仿真結(jié)果表明，檢測(cè)高壓線成功率可達(dá)96%，虛假高 壓線目標(biāo)占有率2% (偶爾），大多數(shù)情況下無虛假高壓線目標(biāo)出現(xiàn)。
[0005] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0006] 一種巡航直升機(jī)機(jī)載雷達(dá)檢測(cè)預(yù)警高壓電線的方法，包括以下步驟：
[0007] 步驟一：建立高壓電線目標(biāo)的巡航直升機(jī)機(jī)載雷達(dá)檢測(cè)預(yù)警模型；
[0008] 步驟二：在Matlab中建立模型仿真；
[0009] 步驟三：通過啟發(fā)式算法檢測(cè)高壓電線。
[0010] 進(jìn)一步地，步驟一中建立的模型為：
[0011]
[0012] 其中，s(i，n)表示對(duì)應(yīng)于給定掃描角度和距離分辨單元上的雷達(dá)回波能量；Ntl為 雷達(dá)接收機(jī)噪聲功率；Pm (η)表示在第i個(gè)掃描波位，第η個(gè)距離波門對(duì)應(yīng)的目標(biāo)回波功 率；i表示掃描時(shí)發(fā)射的探測(cè)脈沖序號(hào)；η表示相應(yīng)的距離單元序號(hào)；^表示幅度均值為1、 相位為[0, 2 π ]均勻分布的復(fù)隨機(jī)過程；Vn表示均值為零、方差為1的復(fù)高斯白噪聲。
[0013] 進(jìn)一步地，步驟一中建立模型的方法為：首先建立高壓電線分布式目標(biāo)的巡航直 升機(jī)機(jī)載雷達(dá)探測(cè)幾何關(guān)系圖，在假定高壓線分布式目標(biāo)RCS與其有效照射體積成正比的 基礎(chǔ)上，根據(jù)雷達(dá)方程進(jìn)行計(jì)算，從目標(biāo)回波能量的角度推導(dǎo)建立高壓電線目標(biāo)的巡航直 升機(jī)機(jī)載雷達(dá)檢測(cè)預(yù)警模型。
[0014] 進(jìn)一步地，建立模型的具體方法為：假設(shè)高壓線分布式目標(biāo)LK為一理想圓柱體， 其長(zhǎng)度為I，直徑D，飛機(jī)從H點(diǎn)向下探測(cè)，雷達(dá)掃描波束中心軸線與目標(biāo)處于同一平面內(nèi)， 雷達(dá)至目標(biāo)近端連線為ΗΚ，雷達(dá)至目標(biāo)遠(yuǎn)端連線為HL，雷達(dá)到目標(biāo)延長(zhǎng)線的垂線為ΗΟ,且 HK = Rmin，HL = Rmax，HO = R。，HL 與 HO 之間的夾角為 Θ max;
[0015] 則目標(biāo)與雷達(dá)的最大距離為：
[0016]
[0017] 由余弦定理可知，目標(biāo)與雷達(dá)的最小距離為：
[0018]
[0019] 目標(biāo)LK相對(duì)于雷達(dá)的張角為：
[0020]
[0021] 記雷達(dá)距離向分辨率為Dr，則目標(biāo)所占據(jù)的距離向采樣波門序號(hào)范圍為：
[0022]
[0023] 式中」表示向下取整，[表示向上取整，相應(yīng)的距離單元總數(shù)為
[0024] Nr= n e-nb+l
[0025] 假設(shè)雷達(dá)由遠(yuǎn)而近對(duì)該高壓線目標(biāo)作橫向掃描探測(cè)，天線波束寬度為β，脈沖重 復(fù)頻率為f；，天線轉(zhuǎn)速為cor/min，則雷達(dá)發(fā)射兩個(gè)相鄰脈沖之間天線的掃描轉(zhuǎn)角為：
[0026]
[0027] 在發(fā)射第i個(gè)探測(cè)脈沖時(shí)，天線波束中心與HO的夾角為：
[0028]
[0029] 式中，
為雷達(dá)完成對(duì)該目標(biāo)的掃描探測(cè)所需發(fā)射脈沖數(shù)；
[0030] 記〇 i為雷達(dá)天線波束主瓣與目標(biāo)的相交部分，則n i所占的距離分辨單元序號(hào) 為：
[0031]
[0032] 且目標(biāo)的有效照射長(zhǎng)度込為：
[0033]
[0034] 式中，尺=/Wmv妁為L(zhǎng)iKi到雷達(dá)的距離；
[0035] 若nn=n2i，則Π i連續(xù)占據(jù)多個(gè)距離分辨單元，此時(shí)，假定每個(gè)距離分辨單元內(nèi)目 標(biāo)有效照射體積相等，則在每個(gè)距離分辨單元內(nèi)的目標(biāo)體積近似為：
[0036]
[0037] 式中，11￡[1110112」，顯然，當(dāng)《茫[?1"?2,.]時(shí)4(11)=0 ;
[0038] 假設(shè)單位體積內(nèi)的目標(biāo)雷達(dá)反射率因子為σ C1，若雷達(dá)發(fā)射功率為Pt，工作波長(zhǎng)為 λ，發(fā)射信號(hào)脈沖寬度為τ，帶寬為Bw，天線增益為G，雷達(dá)綜合損耗為L(zhǎng)ci,則在第i個(gè)掃描 波位，雷達(dá)回波經(jīng)匹配濾波處理后，第η個(gè)距離波門對(duì)應(yīng)的目標(biāo)回波功率為：
[0039]
[0040] 雷達(dá)接收機(jī)噪聲功率為
[0041] N0= k BBJ〇Fn
[0042] 式中，Kb為波爾茲曼常數(shù)；T ^為標(biāo)準(zhǔn)溫度；F n為接收機(jī)噪聲系數(shù)；
[0043] 由回波檢測(cè)因子01〇1)和能量Et表示的高壓線分布式目標(biāo)雷達(dá)方程為
[0044]
[0045] 式中，Et=Pj ;檢測(cè)因子〇>)表明在第i個(gè)掃描波位對(duì)高壓線目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)時(shí) 的回波信噪比，它與目標(biāo)探測(cè)距離1^的3次方成反比；
[0046] 綜上，上述高壓電線目標(biāo)的巡航直升機(jī)機(jī)載雷達(dá)檢測(cè)預(yù)警模型即建立。
[0047] 進(jìn)一步地，步驟二根據(jù)步驟一中建立的模型，通過Matlab仿真此模型，記高壓線 目標(biāo)的雷達(dá)掃描圖像數(shù)據(jù)為NsX隊(duì)的矩陣T :
[0048] T[p, q] = I s(p, q+nb-l)
[0049] 其中，I < p < Ns，I < q <隊(duì)，T中每個(gè)元素的值均對(duì)應(yīng)于給定掃描角度與距離分 辨單元上的雷達(dá)回波能量，為減少運(yùn)算量，降低對(duì)于高壓線目標(biāo)檢測(cè)的預(yù)警概率，在圖像數(shù) 據(jù)空間T上設(shè)置第一門限ε，對(duì)于未超過第一門限的元素，賦該元素值為0,得到新的矩陣 Τε [p, q];對(duì)于Τε [p, q]中元素值非0的元素，提取坐標(biāo)（p, q)，并保存在矩陣Measure(x ; y)中。
[0050] 進(jìn)一步地，步驟三中根據(jù)步驟二中將高壓線目標(biāo)的雷達(dá)掃描圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng) 的二維坐標(biāo)點(diǎn)，即矩陣Measure (X ;y);然后將其按照x-y方向遞增的順序分割如下三個(gè)子 矩陣中，
[0051] Measure_scan_l (X ;y)、Measure_scan_2 (X ;y)、Measure_scan_3 (X ;y)
[0052] 然后將 Measure_scan_l (x ;y)的點(diǎn)分別與 Measure_scan_2 (x ;y)、Measure_ scan_3(x ;y)的點(diǎn)進(jìn)行遍歷，在每一次遍歷中都進(jìn)行如下計(jì)算：
[0053] temp_x_ij = Measure_scan_l (I, i)-Measure_scan_2 (I, j)
[0054] temp_y_ij = Measure_scan_l (2, i)-Measure_scan_2 (2, j)
[0055] temp_x_im = Measure_scan_l (I, i) _Measure_scan_3 (I, m)
[0056] temp_y_im = Measure_scan_l (2, i) -Meas