一种基于毫米波雷达与多传感器信息融合的能见度测量方法与流程

1.本发明涉及雷达信号处理技术领域，具体为一种基于毫米波雷达与多传感器信息融合的能见度测量方法。


背景技术：

2.道路交通事故作为危害人身安全的重要因素之一，长期以来受到社会各界，特别是交通部门和气象部门的重视，由于雾霾、雨雪、沙尘等气象因素造成的能见度降低严重影响着交通安全。
3.目前对能见度的监测方式主要有人工目测、光学测量法、数字摄像法、激光雷达、毫米波雷达等几种，近年来出现利用毫米波雷达对能见度的观测和研究工作，主要利用空气中云雾沙尘等粒子对电磁波的散射特性影响反演能见度，测量误差小，可全天时、全天候工作，集成芯片也使得毫米波雷达的设备尺寸减小，成本降低，但是探测水平范围较小，其工作性能受降雨影响严重，需要考虑雨衰减对雷达回波能量的严重影响，一般只适用于非降水云、毛毛雨、雾气及沙尘暴天气，不能满足人们的要求。


技术实现要素：

4.(一)解决的技术问题
5.针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于毫米波雷达与多传感器信息融合的能见度测量方法，可以综合利用多种传感器的各自优点，可以适应多种环境、天气情况，全天时、全天候，测量准确，标定与现场调试简单，设备体积较小，成本较低，易于大规模部署的能见度测量方法。
6.(二)技术方案
7.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
8.一种基于毫米波雷达与多传感器信息融合的能见度测量方法，包括以下步骤：
9.s1：选取毫米波雷达、摄像头及天气传感器型号，然后预置参照物及检测参数、选择标定测试环境，然后配置雷达参数，获得雷达反射率因子参数，然后进行毫米波雷达能见度计算；
10.s2：读取天气传感器数据，获得雾气水珠大小及水含量、空气质量、金属颗粒、沙尘含量、光强、降水量的数据；
11.s3：判断当前光照是否低于阀值，如果是则使用夜晚摄像头检测能见度模型，然后进行夜晚图像预处理，获取目标物体与光源亮度，然后利用夜晚数字摄像法能见度计算，如果否，则使用白天摄像头检测能见度模型，然后进行白天图像预处理，图像平均失真率计算，最后利用白天数字摄像法能见度计算；
12.s4：人工标定修正异常数据，把s1中毫米波雷达能见度计算结果，s3中夜晚数字摄像法能见度计算结果、白天数字摄像法能见度计算结果全部通过人工标定修正异常数据，然后构造多传感器数据与能见度的实测数据集；
13.s5：人工神经网络训练数据集融合多传感器信息，然后获得多传感器能见度测量模型。
14.作为本发明再进一步的方案，所述s1中空气中的能见度是一种描述空气透明程度的物理量，其定义是用特殊标志或发光体的可视距离，根据koschmider定律，满足下式：
15.ε＝e
‑
σv
16.式中，ε为观测者从背景物中辨认出目标物的对比阈值，σ为水平消光系数，v为空气水平能见度，国际民航组织推荐的ε取值为0.05，代入上式易得到：
[0017][0018]
进一步的，所述s1中在计算时标定毫米波雷达测量数据与能见度之间的关系，根据s1中的推导可知，能见度由消光系数σ唯一确定，其值与空气中粒子总量即各粒子大小有关，可以表示为：
[0019][0020]
式中，k
i
表示散射消光系数，r
i
表示粒子半径，n
i
表示半径为r
i
的粒子数量，雷达反射率因子z与r
i
，n
i
的关系可以表示为：
[0021]
z＝∑
i
n
i
(2r
i
)6。
[0022]
在前述方案的基础上，所述s3中先标定数字摄像法获得的图像信息与能见度之间的关系，对能见度高低的直观感受是图像视场中物体的清晰与模糊变化，能见度越高，视场中图像的细节特征更加丰富，颜色失真状况越小。
[0023]
进一步的，所述s3中白天的能见度检测模型与s1中推导相同，能见度由消光系数σ唯一确定，与人眼观察物体清晰度的方式类似，选择根据颜色失真状况表征能见度值，已知颜色分布的参照物放置在数字摄像头前方固定距离l0，假设在图像中该参照物共占有m行n列个像素点，每个像素的原始灰度值记为g0(i,j)，1≤i≤m、1≤j≤n，经过待测空气传输后被数字摄像头拍摄到的图像灰度值记为g(i,j)，则图像的平均失真率可以表示为：
[0024][0025]
通过s4人工模拟实验舱内或室外实测对数字图像颜色失真率与能见度之间的关系进行标定，夜间数字摄像法利用光源经待测空气传播后的衰减定律，预先设置两组目标物体和光源，记光源本身亮度为l0，两组目标物体和光源距离摄像机距离分别为d1和d2，摄像机接收到的光源视亮度分别为l
a1
和l
a2
，目标物亮度分别为l
b1
和l
b2
，能见度的计算表达式为：
[0026][0027]
在前述方案的基础上，所述s4中在选取的标定环境中，将毫米波雷达、数字摄像头放置在同一位置，s1中标定所需的角反射器、s3标定所需的已知颜色分布参照物、标定所需的光源与目标物组放置在相同位置，正对毫米波雷达和数字摄像头，保持间距，滴谱仪、光敏传感器、降水量传感器、空气质量仪放置在相同测量环境下，标定s1中雷达的反射率因子
与能见度关系时，雷达发射波束经过模拟空气环境照射到角反射器，反射回波再经过模拟空气环境被雷达接收，记录雷达反射率因子数据，标定s3白天数字图像颜色失真率与能见度关系时，数字摄像头记录已知颜色分布参照物的颜色失真率数据，当夜间则使用s3中的方式，记录能见度、光强数据，同时配合滴谱仪、光敏传感器、降水量传感器、空气质量仪完成标定和测量过程。
[0028]
本发明再进一步的方案，所述在人工模拟实验舱或室外实测时，充分考虑天气状况、光照条件、温湿度情况，建立多种情况下多传感器数据与能见度的实测数据集。
[0029]
(三)有益效果
[0030]
与现有技术相比，本发明提供了一种基于毫米波雷达与多传感器信息融合的能见度测量方法，具备以下有益效果：
[0031]
1、本发明可以综合利用多种传感器的各自优点，可以适应各种环境、天气情况，全天时、全天候，测量准确，标定与现场调试简单，设备体积较小，成本较低，易于大规模部署。
[0032]
2、本发明基于白天与夜间能见度检测模型不同，配合光敏传感器感知当前环境光强，当高于亮度阈值时使用白天能见度数字摄像检测方式，低于亮度阈值时使用夜晚能见度数字摄像检测方式，细化了检测方式，提高了检测的效率。
[0033]
3、本发明选取毫米波雷达、数字摄像法两种传感器，配合天气传感器如滴谱仪、光敏传感器、降水量传感器等其他多种传感器进行信息融合处理，充分利用各传感器优点，毫米波雷达的高测量精度可以弥补数字摄像法的较大测量误差，而数字摄像法对恶劣气象条件和复杂场地的高适应性可以弥补雨衰减对毫米波雷达工作性能的影响。
[0034]
4、本发明的滴谱仪、光敏传感器、降水量传感器、空气质量仪等天气传感器用于感知当前的气象情况，滴谱仪主要提供当前空气的雾滴谱(雾滴半径
‑
浓度信息)，用于雷达反射因子和能见度的关系曲线确定，光敏传感器主要是感知当前光强情况，用于提供光强信息并切换数字摄像法白天/黑夜工作模型，降水量传感器则提供当前降水量信息，空气质量仪获取当前空气中漂浮粒子的主要成分及其含量。
附图说明
[0035]
图1为本发明提出的一种基于毫米波雷达与多传感器信息融合的能见度测量方法的流程结构示意图；
[0036]
图2为本发明提出的一种基于毫米波雷达与多传感器信息融合的能见度测量方法的毫米波雷达测量能见度示意图；
[0037]
图3为本发明提出的一种基于毫米波雷达与多传感器信息融合的能见度测量方法的数字摄像法测量白天能见度示意图；
[0038]
图4为本发明提出的一种基于毫米波雷达与多传感器信息融合的能见度测量方法的数字摄像法测量夜晚能见度示意图；
[0039]
图5为本发明提出的一种基于毫米波雷达与多传感器信息融合的能见度测量方法的不同雾滴半径下能见度与雷达反射率因子的关系示意图；
[0040]
图6为本发明提出的一种基于毫米波雷达与多传感器信息融合的能见度测量方法的多传感器数据融合示意图。
具体实施方式
[0041]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0042]
参照图1
‑
6，一种基于毫米波雷达与多传感器信息融合的能见度测量方法，包括以下步骤：
[0043]
s1：选取毫米波雷达、摄像头及天气传感器型号，然后预置参照物及检测参数、选择标定测试环境，然后配置雷达参数，获得雷达反射率因子参数，然后进行毫米波雷达能见度计算；
[0044]
s2：读取天气传感器数据，获得雾气水珠大小及水含量、空气质量、金属颗粒、沙尘含量、光强、降水量的数据；
[0045]
s3：判断当前光照是否低于阀值，如果是则使用夜晚摄像头检测能见度模型，然后进行夜晚图像预处理，获取目标物体与光源亮度，然后利用夜晚数字摄像法能见度计算，如果否，则使用白天摄像头检测能见度模型，然后进行白天图像预处理，图像平均失真率计算，最后利用白天数字摄像法能见度计算；
[0046]
s4：人工标定修正异常数据，把s1中毫米波雷达能见度计算结果，s3中夜晚数字摄像法能见度计算结果、白天数字摄像法能见度计算结果全部通过人工标定修正异常数据，然后构造多传感器数据与能见度的实测数据集；
[0047]
s5：人工神经网络训练数据集融合多传感器信息，然后获得多传感器能见度测量模型，可以综合利用多种传感器的各自优点，可以适应各种环境、天气情况，全天时、全天候，测量准确，标定与现场调试简单，设备体积较小，成本较低，易于大规模部署。
[0048]
本发明的s1中空气中的能见度是一种描述空气透明程度的物理量，其定义是用特殊标志或发光体的可视距离，根据koschmider定律，满足下式：
[0049]
ε＝e
‑
σv
[0050]
式中，ε为观测者从背景物中辨认出目标物的对比阈值，σ为水平消光系数，v为空气水平能见度，国际民航组织推荐的ε取值为0.05，代入上式易得到：
[0051][0052]
s1中在计算时标定毫米波雷达测量数据与能见度之间的关系，根据s1中的推导可知，能见度由消光系数σ唯一确定，其值与空气中粒子总量即各粒子大小有关，可以表示为：
[0053][0054]
式中，k
i
表示散射消光系数，r
i
表示粒子半径，n
i
表示半径为r
i
的粒子数量，雷达反射率因子z与r
i
，n
i
的关系可以表示为：
[0055]
z＝∑
i
n
i
(2r
i
)6[0056]
因此，可以将雷达反射率因子作为表征能见度的依据，s3中先标定数字摄像法获得的图像信息与能见度之间的关系，对能见度高低的直观感受是图像视场中物体的清晰与模糊变化，能见度越高，视场中图像的细节特征更加丰富，颜色失真状况越小，对于普通可
见光数字摄像法而言，白天与夜间能见度检测模型不同，配合光敏传感器感知当前环境光强，当高于亮度阈值时使用白天能见度数字摄像检测方式，低于亮度阈值时使用夜晚能见度数字摄像检测方式，细化了检测方式，提高了检测的效率。
[0057]
需要特别说明的是，s3中白天的能见度检测模型与s1中推导相同，能见度由消光系数σ唯一确定，与人眼观察物体清晰度的方式类似，选择根据颜色失真状况表征能见度值，已知颜色分布的参照物放置在数字摄像头前方固定距离l0，假设在图像中该参照物共占有m行n列个像素点，每个像素的原始灰度值记为g0(i,j)，1≤i≤m、1≤j≤n，经过待测空气传输后被数字摄像头拍摄到的图像灰度值记为g(i,j)，则图像的平均失真率可以表示为：
[0058][0059]
通过s4人工模拟实验舱内或室外实测对数字图像颜色失真率与能见度之间的关系进行标定，夜间数字摄像法利用光源经待测空气传播后的衰减定律，预先设置两组目标物体和光源，记光源本身亮度为l0,两组目标物体和光源距离摄像机距离分别为d1和d2，摄像机接收到的光源视亮度分别为l
a1
和l
a2
，目标物亮度分别为l
b1
和l
b2
，能见度的计算表达式为：
[0060][0061]
尤其的，s4中在选取的标定环境中，将毫米波雷达、数字摄像头放置在同一位置，s1中标定所需的角反射器、s3标定所需的已知颜色分布参照物、标定所需的光源与目标物组放置在相同位置，正对毫米波雷达和数字摄像头，保持间距，滴谱仪、光敏传感器、降水量传感器、空气质量仪放置在相同测量环境下，标定s1中雷达的反射率因子与能见度关系时，雷达发射波束经过模拟空气环境照射到角反射器，反射回波再经过模拟空气环境被雷达接收，记录雷达反射率因子数据，标定s3白天数字图像颜色失真率与能见度关系时，数字摄像头记录已知颜色分布参照物的颜色失真率数据，当夜间则使用s3中的方式，记录能见度、光强数据，同时配合滴谱仪、光敏传感器、降水量传感器、空气质量仪完成标定和测量过程，选取毫米波雷达、数字摄像法两种传感器，配合天气传感器如滴谱仪、光敏传感器、降水量传感器等其他多种传感器进行信息融合处理，充分利用各传感器优点，毫米波雷达的高测量精度可以弥补数字摄像法的较大测量误差，而数字摄像法对恶劣气象条件和复杂场地的高适应性可以弥补雨衰减对毫米波雷达工作性能的影响，滴谱仪、光敏传感器、降水量传感器、空气质量仪等天气传感器用于感知当前的气象情况，滴谱仪主要提供当前空气的雾滴谱(雾滴半径
‑
浓度信息)，用于雷达反射因子和能见度的关系曲线确定，光敏传感器主要是感知当前光强情况，用于提供光强信息并切换数字摄像法白天/黑夜工作模型，降水量传感器则提供当前降水量信息，空气质量仪获取当前空气中漂浮粒子的主要成分及其含量，s1
‑
s6中使用多个传感器探测及人工标定修正异常数据的方法，可以获得各能见度情况下的雷达反射率因子、数字摄像头颜色失真率、雾气水珠大小及水含量、空气质量如金属颗粒及沙尘含量、光强、降水量的数据关系，为了增加普遍性和环境适应性，在人工模拟实验舱或室外实测时，充分考虑天气状况、光照条件、温湿度情况，建立多种情况下多传感器数据与能
见度的实测数据集。
[0062]
在该文中的描述中，需要说明的是，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
[0063]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。