基于Hough變換的目標(biāo)數(shù)據(jù)處理算法研究

陳 鏡，趙華敏

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0 引言

要發(fā)揮直升機(jī)的性能，就必須提高直升機(jī)在復(fù)雜地形、惡劣氣象條件下的超低空飛行能力[1]。為此，各國對直升機(jī)防撞告警設(shè)備，尤其是對電力線等障礙物的防撞告警系統(tǒng)的研究非常重視，直升機(jī)防撞已成為全世界關(guān)注的重要課題。

解決直升機(jī)避障可采用的技術(shù)有電磁場探測、紅外探測、激光雷達(dá)和毫米波雷達(dá)等。在探測范圍、分辨能力和全天候工作等多方面綜合比較，毫米波雷達(dá)是理想選擇。毫米波收發(fā)探測設(shè)備能在最惡劣的晝夜天氣(包括冰雹、煙霧和雨雪等)情況下，對障礙物進(jìn)行檢測識別，為飛行員提供防撞告警[2]。

采用機(jī)載毫米波設(shè)備對電力線進(jìn)行觀測，發(fā)射信號選擇為連續(xù)波調(diào)頻波形，接收和發(fā)射同時(shí)進(jìn)行，避免了距離盲區(qū)。在動(dòng)態(tài)飛行情況下，錄取得到電力線回波數(shù)據(jù)，分析了電力線目標(biāo)的回波特征，在此基礎(chǔ)上，采用基于Hough變換的目標(biāo)數(shù)據(jù)處理算法實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)檢測和識別。

1 電力線目標(biāo)的回波特征

當(dāng)f=35 GHz，p=17 mm時(shí)，θ=0，±14.6°，±30.3°，±49.1°，…。

圖1 電力線回波

直升機(jī)機(jī)載雷達(dá)探測目標(biāo)場景如圖2所示。直升機(jī)向前飛行，在飛行過程中機(jī)載雷達(dá)對電力線進(jìn)行掃描，在Bragg散射角θ處出現(xiàn)強(qiáng)散射點(diǎn)，點(diǎn)C為主峰，點(diǎn)A，B為副峰。另外，2個(gè)鐵塔也分別產(chǎn)生強(qiáng)散射點(diǎn)D，E。

圖2 直升機(jī)機(jī)載雷達(dá)探測目標(biāo)場景

隨著直升機(jī)離電力線越來越近，點(diǎn)A，B逐漸向點(diǎn)C靠近，而點(diǎn)D，E的位置不變。

2 目標(biāo)數(shù)據(jù)處理算法

采用毫米波雷達(dá)觀測電力線，目標(biāo)回波主峰、副峰以及鐵塔回波在一條線上。在該特征基礎(chǔ)上，提出了相應(yīng)的電力線目標(biāo)數(shù)據(jù)處理算法，流程如圖3所示。

圖3 電力線目標(biāo)數(shù)據(jù)處理算法流程

2.1 運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償

雷達(dá)在行進(jìn)間工作，直升機(jī)在運(yùn)動(dòng)過程中會(huì)發(fā)生姿態(tài)和位置的變化，因此需要先進(jìn)行平臺運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償[4-5]，把目標(biāo)點(diǎn)跡統(tǒng)一到同一坐標(biāo)系，然后才能進(jìn)行后續(xù)的數(shù)據(jù)處理。運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償包括坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)和坐標(biāo)平移。

坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)是把雷達(dá)測得的目標(biāo)極坐標(biāo)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為直角坐標(biāo)，再轉(zhuǎn)到北東下(NED)坐標(biāo)系。測站坐標(biāo)系、NED坐標(biāo)系和平臺姿態(tài)角如圖4所示，OXYZ為測站坐標(biāo)系，oxyz為NED坐標(biāo)系，慣導(dǎo)系統(tǒng)以NED坐標(biāo)系為基準(zhǔn)，給出平臺偏航角、俯仰角、橫滾角ψ，θ，τ。

圖4 測站坐標(biāo)系、NED坐標(biāo)系和平臺姿態(tài)角

設(shè)點(diǎn)P的測站直角坐標(biāo)為(X，Y，Z)T，則NED直角坐標(biāo)為：

式中，

坐標(biāo)平移是把不同時(shí)刻目標(biāo)的NED直角坐標(biāo)統(tǒng)一到以最新時(shí)刻平臺位置為坐標(biāo)原點(diǎn)的NED坐標(biāo)系中。

設(shè)在t0時(shí)，點(diǎn)P的NED直角坐標(biāo)為(X，Y，Z)T，慣導(dǎo)系統(tǒng)給出平臺東速度、北速度和天速度ve，vn，vu，當(dāng)前時(shí)刻為t1，則更新NED直角坐標(biāo)：

x=X-sn，y=Y-se，z=Z-sd，

式中，sn=vnΔt，se=veΔt，sd=-vuΔt，Δt=t1-t0。

2.2 Hough變換

Hough變換示意如圖5所示。

圖5 Hough變換示意

點(diǎn)C是直線AB上的一點(diǎn)，NED直角坐標(biāo)為(x，y)T，從原點(diǎn)O向直線AB做垂線，垂足為D，通過Hough變換方程[6-8]：

ρ=xcosθ+ysinθ，

建立起(x，y)T～(ρ，θ)T的映射，其中，ρ為從原點(diǎn)O到直線AB的距離，θ為垂線OD與x軸的夾角。

從直線AB上取幾個(gè)點(diǎn)，通過Hough變換后得到參數(shù)空間中的曲線，這些曲線交于一點(diǎn)[9]

在單幀目標(biāo)數(shù)據(jù)處理中，先對運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償后的點(diǎn)跡進(jìn)行Hough變換，然后通過峰值提取找到交點(diǎn)，再對交點(diǎn)進(jìn)行反變換，得到電力線[10-12]。

2.3 點(diǎn)目標(biāo)數(shù)據(jù)處理

點(diǎn)目標(biāo)包括電力線、鐵塔以及其他點(diǎn)目標(biāo)。

對于經(jīng)多次觀測，不能匯集成線的點(diǎn)目標(biāo)，則認(rèn)為是其他非電力線類目標(biāo)，予以剔除。對能夠形成連線的點(diǎn)目標(biāo)認(rèn)為是電力線點(diǎn)目標(biāo)，處理時(shí)一直保留[13]。

鐵塔點(diǎn)目標(biāo)需要進(jìn)行相關(guān)判斷后決定是否保留。

若以前、當(dāng)前鐵塔點(diǎn)目標(biāo)P1，P2的NED極坐標(biāo)(r1，α1)T，(r2，α2)T滿足：

|r1-r2|≤Gr，|α1-α2|≤Gα，

(1)

則點(diǎn)P1，P2相關(guān)，其中，Gr，Gα為距離、方位相關(guān)門[14-16]。

對于相關(guān)的點(diǎn)P1，P2，進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，得到融合點(diǎn)P的NED直角坐標(biāo)：

(2)

式中，(x1，y1，z1)T，(x2，y2，z2)T分別為點(diǎn)P1，P2的NED直角坐標(biāo)。

若點(diǎn)目標(biāo)連續(xù)m次相關(guān)上，則一直保留該點(diǎn)目標(biāo)；若點(diǎn)目標(biāo)連續(xù)n次沒有相關(guān)上，則刪除該點(diǎn)目標(biāo)。

2.4 線目標(biāo)數(shù)據(jù)處理

線目標(biāo)上的點(diǎn)目標(biāo)包括鐵塔、電力線點(diǎn)目標(biāo)。確認(rèn)為線目標(biāo)的數(shù)據(jù)繼續(xù)進(jìn)行流水式相關(guān)和跟蹤處理，若多次觀測后，同一位置處線目標(biāo)上的點(diǎn)數(shù)太少，則認(rèn)為是虛假目標(biāo)予以刪除；否則，認(rèn)為是真實(shí)的電力線回波，保留該線目標(biāo)，同時(shí)保留線目標(biāo)上的電力線、鐵塔點(diǎn)目標(biāo)[17]。

若以前、當(dāng)前線目標(biāo)L1，L2的參數(shù)(ρ1，θ1)T，(ρ2，θ2)T滿足：

|ρ1-ρ2|≤Gρ，|θ1-θ2|≤Gθ，

則線目標(biāo)L1，L2相關(guān)，其中，Gρ，Gθ為ρ，θ相關(guān)門。

對相關(guān)線目標(biāo)L1，L2上的鐵塔點(diǎn)目標(biāo)，按式(1)和式(2)進(jìn)行相關(guān)判斷、數(shù)據(jù)融合。

若線目標(biāo)連續(xù)m次相關(guān)上，則一直保留該線目標(biāo)，并給出目標(biāo)告警信息；否則，若線目標(biāo)連續(xù)n次沒有相關(guān)上，則認(rèn)為是虛假目標(biāo)，進(jìn)行消批處理[18-19]。

3 試驗(yàn)結(jié)果

為驗(yàn)證數(shù)據(jù)處理模型和算法的有效性，對實(shí)際電力線進(jìn)行了探測試驗(yàn)，試驗(yàn)設(shè)備主要參數(shù)為：工作頻點(diǎn)35 GHz、信號帶寬100 MHz、方位波束寬度1°以及俯仰波束寬度2°。試驗(yàn)的電力線距離雷達(dá)設(shè)備約3 km，試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示，其中，虛線為處理出來的電力線目標(biāo)。

圖6 目標(biāo)數(shù)據(jù)處理試驗(yàn)結(jié)果

由圖6可以看出，電力線回波幅度呈現(xiàn)出一定的周期性，導(dǎo)致線段不連續(xù)，在相鄰的2個(gè)檢測點(diǎn)目標(biāo)中間的區(qū)域，由于散射信號弱，未能檢測到信號。整體來看，由于檢測到的點(diǎn)數(shù)較多，且呈現(xiàn)明顯的線段分布特性，可以實(shí)現(xiàn)有效的目標(biāo)檢測。另外，幾簇密集分布的面目標(biāo)為鐵塔目標(biāo)，幅度較強(qiáng)，間隔約400 m，鐵塔目標(biāo)和電力線回波可綜合進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，互相印證、協(xié)同處理。

試驗(yàn)結(jié)果表明，毫米波設(shè)備探測到了電力線、鐵塔回波，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，完成了電力線目標(biāo)的有效檢測。

4 結(jié)束語

為保證直升機(jī)的飛行安全，在飛行過程中，及時(shí)發(fā)現(xiàn)飛行航路中的電力線具有非常重要的意義。采用毫米波收發(fā)設(shè)備探測電力線，能夠在各種天氣條件下為直升機(jī)提供目標(biāo)指示。通過研究電力線的回波特征，提出了一種基于Hough變換的目標(biāo)數(shù)據(jù)處理算法。在該算法中，對目標(biāo)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償，通過Hough變換檢測直線，再對檢測出的點(diǎn)目標(biāo)、線目標(biāo)進(jìn)行相應(yīng)處理。為驗(yàn)證模型和算法的有效性，進(jìn)行了實(shí)際電力線探測試驗(yàn)。結(jié)果表明，所提出的數(shù)據(jù)處理模型和算法能有效發(fā)現(xiàn)電力線，可以應(yīng)用于直升機(jī)防撞。