一种毫米波雷达图像的高压线检测方法与流程

1.本发明属于毫米波雷达技术领域，具体涉及一种毫米波雷达图像的高压线检测方法。


背景技术：

2.直升机/大中型无人机长期运行在山区、森林、城市等，其飞行途中面临着高压线等低空障碍物和复杂地形，严重威胁着直升机/大中型无人机的飞行安全。据统计，因恶劣气象、低能见度等因素，造成直升机撞地、撞击低空障碍物等事故占直升机全部飞行事故的60％以上。为了满足直升机/大中型无人机在复杂气象和地形环境下执行任务的安全飞行需求，毫米波雷达已成为直升机/大中型无人机探测复杂地形、有效规避高压线等低空障碍物的重要传感器。随着毫米波雷达的距离分辨率越来越高，甚至可以达到厘米级，突破高分辨率毫米波雷达图像的高压线检测方法，有助于提升直升机/大中型无人机的低空飞行和安全避障能力。
3.但是，现有技术中多的毫米波雷达的探测方法具有分辨率低，对于高压塔分布的多层高压线，仅能检测出一条、当高压塔/线点检测缺失或者目标检测虚警较多时，会出现高压线提取不出或者高压线走向判断错误的情况。
4.因此，需要提供一种能解决现有技术中的毫米波雷达在高压线检测上的应用问题的方法。


技术实现要素：

5.本发明针对上述问题，提出了一种高分辨率毫米波雷达图像的高压线检测方法，以提升直升机/大中型无人机的低空飞行和安全避障能力。
6.本发明的目的在于，提供一种毫米波雷达图像的高压线检测方法，所述方法包括如下步骤：
7.s1：将一个天线扫描周期内的雷达回波进行恒虚警(cfar)检测，获得目标测点；
8.s2：对目标点进行迭代凝聚；
9.s3：剔除杂波区数据；
10.s4：划分高压塔点和高压线点；
11.s5：将凝聚点坐标转换为以雷达为原点的三维直角坐标系中的坐标；
12.s6：基于hough变换(霍夫变换)，提取直线作为候选高压线；、
13.s7：设定候选高压线的特征段；
14.s8：根据bragg效应(布拉格效应)特征提取多条疑似高压线；
15.s9：关联多条疑似高压线识别高压线；
16.s10：将重叠部分的高压线合并，得到最终的高压线检测结果。
17.本发明所提供的毫米波雷达图像的高压线检测方法，还具有这样的特征，所述s2中按照距离和方位的阈值进行迭代凝聚以去除s1中获得目标测点中的虚警。
18.本发明所提供的毫米波雷达图像的高压线检测方法，还具有这样的特征，所述s3中根据杂波区径向距离和方位阈值去除杂波区数据。
19.本发明所提供的毫米波雷达图像的高压线检测方法，还具有这样的特征，所述s4包括如下步骤：
20.s4.1：设定高压塔点的径向距离门限范围和方位门限范围，所述高压塔点的径向距离门限小于杂波区径向距离阈值，高压塔点的方位门限小于杂波区的方位阈值；
21.s4.2：在经过s3剔除杂波区数据后的剩余数据中选取候选高压塔点，所述候选高压塔点的距离向长度和方向位长度均在s4.1设定的范围内，其余点为候选高压线点。
22.本发明所提供的毫米波雷达图像的高压线检测方法，还具有这样的特征，所述s7中，记当前雷达波的入射角为α，在候选高压线选取入射角范围为α
down
≤α≤α
up
的直线段，作为候选高压线的特征段。
23.本发明所提供的毫米波雷达图像的高压线检测方法，还具有这样的特征，所述s8包括如下步骤：
24.s8.1：从雷达回波中提取候选高压线特征段的角度-功率关系曲线，基于当前雷达波的入射角α，搜索最大功率峰值角度，记为β；
25.s8.2：在入射角范围[α
down
,β)内依次搜索最大峰值点，记其入射角为α
d1
，功率为p
d1
，δα1＝β-α
d1
[0026]
s8.3：设定对称峰值点搜索的入射角范围为δ和功率判定门限p
thres
，从入射角范围[β δα
1-δ/2,β δα1 δ/2]搜索最大峰值点，其中，
[0027]
β δα1 δ/2≤α
up
，如果搜索到最大峰值点，其入射角记为α
u1
，且其功率p
u1
满足约束|p
u1-p
d1
|≤p
thres
，计算识别置信度ρ：
[0028][0029]
s8.4：如果ρ》0.8，则认为该条候选高压线存在bragg效应，识别为疑似高压线；否则，进行下一步：
[0030]
s8.5：在范围[α
down
,β)内搜索功率第二大的峰值点，记其对应的入射角为α
d2
，功率为p
d2
，δα2＝β-α
d2
，在其对应的入射角范围[β δα
2-δ/2,β δα2 δ/2]搜索第二大峰值点，其中β δα2 δ/2≤α
up
，并判定峰值点功率是否满足约束条件|p
u2-p
d2
|≤p
thres
，若满足则计算置信度，反之，以此类推，在[α
down
,β)范围内最多共完成前n
peak
个最大峰值点的搜索。
[0031]
本发明所提供的毫米波雷达图像的高压线检测方法，还具有这样的特征，所述s9包括如下步骤：
[0032]
s9.1：判断疑似高压线的斜率是否相同，相同的疑似高压线数据则进行s9.2，不同的疑似高压线数据则进行s9.3：
[0033]
s9.2：进行关联识别置信度计算，其中n为相同斜率的疑似高压线的数量，计算后进行s9.4；
[0034]
s9.3：斜率与其余疑似高压线数据均不同的疑似高压线所对应的关联识别置信度为ζi＝ρi，后进行s9.4；
[0035]
s9.4：设定阈值，分别判断s9.2和s9.3获取的疑似高压线的关联识别置信度，若不大于阈值，则判定为虚假高压线，否则为真实高压线。
[0036]
本发明所提供的毫米波雷达图像的高压线检测方法，还具有这样的特征，所述s10包括：
[0037]
s10.1：设定高压线合并的径向距离门限和方位门限分别记为r
tower_thres
和θ
tower_thres
；
[0038]
s10.2：选取某高压线的端点，计算该端点与另一条高压线上的线点以及塔点的径向距离差和方位差的绝对值分别为δr
tower
和δθ
tower
，当δr
tower
《r
tower_thres
且δθ
tower
《θ
tower_thres
，则判定该端点落在另一条高压线上，此时，判定该高压线上的另一端点在另一条高压线上是否有重合点，若有则判断为该高压线与另一条高压线重合；
[0039]
s10.3：若有重合高压线，则进行合并，保留包含塔线点数最多的那条，若没有重合高压线则直接输出数据。
[0040]
与现有技术相比，本发明的有益效果：
[0041]
本发明所提供的毫米波雷达图像的高压线检测方法，针对高分辨率毫米波雷达图像的高压线识别问题，综合利用高压线特有的bragg效应特征，降低了对高压塔检测的依赖程度，高压线提取准确率高，而且能够检测和辨识同一组高压塔分布中的多条高压线，可以应用于毫米波雷达防撞领域中。
附图说明
[0042]
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0043]
图1：本发明实施例所提供的高压线检测方法的流程图；
[0044]
图2：本发明实施例所提供的高压线检测方法的雷达回波图；
[0045]
图3：本发明实施例所检测的高压塔线；
[0046]
图4：本发明实施例所提供的检测方法中的cfar目标检测点分布图；
[0047]
图5：本发明实施例所提供的检测方法中的cfar检测点经凝聚处理和坐标转换后的分布图；
[0048]
图6：本发明实施例所提供的检测方法中的hough变换图5(b)提取的候选高压线示意图；
[0049]
图7：本发明实施例所提供的检测方法中提取候选高压线的bragg散射点分布图；
[0050]
图8：本发明实施例所提供的检测方法的结果显示图。
具体实施方式
[0051]
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明所提供的检测方法作具体阐述。
[0052]
在本发明实施例的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明创造和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明创造的限制。
[0053]
此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
[0054]
术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明创造中的具体含义。
[0055]
如图1所示，一种毫米波雷达图像的高压线检测方法，所述方法包括如下步骤：
[0056]
s1：将一个天线扫描周期内的雷达回波进行恒虚警(cfar)检测，获得目标测点；
[0057]
s2：对目标点进行迭代凝聚：
[0058]
设定邻域径向距离门限r
thres
和方位门限θ
thres
，将径向距离门限r
thres
和方位门限θ
thres
邻域内的目标检测点凝聚为一个目标点，其径向距离和方位值取凝聚目标点径向距离和方位的均值，类似地，进行迭代凝聚；
[0059]
s3：剔除杂波区数据：
[0060]
设定杂波区的径向距离向门限和方位向门限在凝聚点中剔除距离向长度大于或者方位向长度大于的杂波区；
[0061]
s4：划分高压塔点和高压线点；
[0062]
s5：将上述凝聚点的径向距离、方位角和俯仰角，转换为以雷达为原点的三维直角坐标系中，其中高度方向为z轴，并投影到x-y直角坐标系中
[0063]
s6：在s5处得到的凝聚点x-y直角坐标系分布图中，基于hough变换(霍夫变换)，提取直线作为候选高压线；
[0064]
s7：记当前雷达波的入射角为α，在候选高压线选取入射角范围为α
down
≤α≤α
up
的直线段，作为候选高压线的特征段；
[0065]
s8：根据bragg效应(布拉格效应)特征提取多条疑似高压线；
[0066]
s9：关联多条疑似高压线识别高压线；
[0067]
s10：将重叠部分的高压线合并，得到最终的高压线检测结果。
[0068]
在部分实施例中，所述s2中按照距离和方位的阈值进行迭代凝聚以去除s1中获得目标测点中的虚警。
[0069]
在部分实施例中，所述s3中根据杂波区径向距离和方位阈值去除杂波区数据。
[0070]
在部分实施例中，所述s4包括如下步骤：
[0071]
s4.1：设定高压塔点的径向距离门限范围和方位门限范围，所述高压塔点的径向距离门限小于杂波区径向距离阈值，高压塔点的方位门限小于杂波区的方位阈值；
[0072]
s4.2：在经过s3剔除杂波区数据后的剩余数据中选取候选高压塔点，所述候选高
压塔点的距离向长度和方向位长度均在s4.1设定的范围内，其余点为候选高压线点。
[0073]
在部分实施例中，所述s7中，记当前雷达波的入射角为α，在候选高压线选取入射角范围为α
down
≤α≤α
up
的直线段，作为候选高压线的特征段。
[0074]
在部分实施例中，所述s8包括如下步骤：
[0075]
s8.1：从雷达回波中提取候选高压线特征段的角度-功率关系曲线，基于当前雷达波的入射角α，搜索最大功率峰值角度，记为β；
[0076]
s8.2：在入射角范围[α
down
,β)内依次搜索最大峰值点，记其入射角为α
d1
，功率为p
d1
，δα1＝β-α
d1
[0077]
s8.3：设定对称峰值点搜索的入射角范围为δ和功率判定门限p
thres
，从入射角范围[β δα
1-δ/2,β δα1 δ/2]搜索最大峰值点，其中，
[0078]
β δα1 δ/2≤α
up
，如果搜索到最大峰值点，其入射角记为α
u1
，且其功率p
u1
满足约束|p
u1-p
d1
|≤p
thres
，计算识别置信度ρ：
[0079][0080]
s8.4：如果ρ》0.8，则认为该条候选高压线存在bragg效应，识别为疑似高压线；否则，进行下一步：
[0081]
s8.5：在范围[α
down
,β)内搜索功率第二大的峰值点，记其对应的入射角为α
d2
，功率为p
d2
，δα2＝β-α
d2
，在其对应的入射角范围[β δα
2-δ/2,β δα2 δ/2]搜索第二大峰值点，其中β δα2 δ/2≤α
up
，并判定峰值点功率是否满足约束条件|p
u2-p
d2
|≤p
thres
，若满足则计算置信度，反之，以此类推，在[α
down
,β)范围内最多共完成前n
peak
个最大峰值点的搜索。
[0082]
在部分实施例中，所述s9包括如下步骤：
[0083]
s9.1：判断疑似高压线的斜率是否相同，相同的疑似高压线数据则进行s9.2，不同的疑似高压线数据则进行s9.3：
[0084]
s9.2：进行关联识别置信度计算，其中n为相同斜率的疑似高压线的数量，计算后进行s9.4；
[0085]
s9.3：斜率与其余疑似高压线数据均不同的疑似高压线所对应的关联识别置信度为ζi＝ρi，后进行s9.4；
[0086]
s9.4：设定阈值，分别判断s9.2和s9.3获取的疑似高压线的关联识别置信度，若不大于阈值，则判定为虚假高压线，否则为真实高压线。
[0087]
在部分实施例中，所述s10包括：
[0088]
s10.1：设定高压线合并的径向距离门限和方位门限分别记为r
tower_thres
和θ
tower_thres
；
[0089]
s10.2：选取某高压线的端点，计算该端点与另一条高压线上的线点以及塔点的径向距离差和方位差的绝对值分别为δr
tower
和δθ
tower
，当δr
tower
《r
tower_thres
且δθ
tower
《θ
tower_thres
，则判定该端点落在另一条高压线上，此时，判定该高压线上的另一端点在另一条高压线上是否有重合点，若有则判断为该高压线与另一条高压线重合；
[0090]
s10.3：若有重合高压线，则进行合并，保留包含塔线点数最多的那条，若没有重合高压线则直接输出数据。
[0091]
在部分实施例中，采用某w波段fmcw毫米波雷达辐射采集的高压线回波数据进行测试，距离分辨率为0.15米,一个天线扫描周期毫米波雷达回波图如图2所示，其中天线方位扫描范围从-50
°
到50
°
，径向距离方位从100米到600米，图2(b)是图2(a)入射角范围[-5 25],径向距离范围[450 510]的放大图，辐射场景内的高压塔/线的光学图像如图3所示，
[0092]
步骤1：将一个天线扫描周期内的雷达回波进行cfar检测,获得目标检测点，其中cfar检测的保护窗半窗长度为5，参考窗半窗长度为20，检测门限为80分贝，图4是图2对应区域的目标检测点分布图；
[0093]
步骤2：取邻域距离门限r
thres
＝0.5和方位门限θ
thres
＝0.4进行候选目标检测点迭代凝聚；
[0094]
步骤3：杂波区的径向距离向门限设定为和方位向门限为进行剔除杂波区处理；
[0095]
步骤4：分别选取凝聚高压塔点的距离向门限为r
t
′
hres1
＝1.5,r
t
′
hres2
＝10和方位向门限为θ
t
′
hres1
＝0.5,θ
t
′
hres2
＝2，确定候选的高压塔和高压线点；
[0096]
步骤5：将上述凝聚点转换为以雷达为原点的三维直角坐标系中，并投影到x-y直角坐标系中，图4所示区域凝聚点xy直角坐标系分布如图5所示；
[0097]
步骤6：在步骤5处理得到的凝聚点x-y直角坐标系分布图中，基于hough变换提取直线作为候选高压线；
[0098]
步骤7：分别取α
down
和α
up
为0
°
和30
°
，选取的4条候选高压线特征段如图7所示，分别用不同线条表示，对应线条的“*”符号分别表示候选高压线上的候选高压塔点和高压线点，图6是图5(b)提取的候选高压线示意图，从上到下依次命名为第一条候选高压线、第二条候选高压线、第三条候选高压线、第四条候选高压线。
[0099]
步骤8：4条候选高压线特征段bragg散射点分布如图7所示，其中取n
peak
＝5，δ＝1，p
thres
＝10分贝，以第三条候选高压线特征段为例，其中最大峰值点对应入射角为β＝11.4
°
，在[-5
°
,11.4
°
)范围内搜索最大峰值点，入射角分别为α
d1
＝2.5
°
，功率为p
d1
＝135.1分贝，δα1＝8.9
°
，在[19.8
°
,20.8
°
]搜索到对应的峰值点，入射角为α
u1
＝20.1
°
，功率为p
d1
＝132分贝，功率差值为3.1分贝，第三条候选高压线的识别置信度计算为0.85。类似的，第二条、第一条和第四条候选高压线的识别置信度分别为0.89,0.86和0.82。
[0100]
步骤9：计算4条具有相同斜率的高压线组的关联识别置信度分别为：0.97,1,0.98和0.94，则该组疑似高压线均被识别为高压线。
[0101]
步骤10：选取高压线合并的距离差门限为r
tower_thres
＝3，方位差门限为θ
tower_thres
＝1.5，对可能存在重叠部分或者塔点相距很近的高压线进行合并输出。图8是图2(b)中高压线组检测、辨识和增强显示结果，其中高压线均用明显线条表示。
[0102]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。