一种高分辨率跑道外来物探测系统及其相位漂移校正方法技术方案

本发明专利技术公开一种高分辨率跑道外来物探测系统及其相位漂移校正方法，方法包括：通过AS

【技术实现步骤摘要】
一种高分辨率跑道外来物探测系统及其相位漂移校正方法


[0001]本专利技术涉及机场安全防护
，特别涉及一种高分辨率跑道外来物探测系统及其相位漂移校正方法。

技术介绍

[0002]异物碎片（foreign object debris，FOD）包括可能损坏飞机和设备或威胁机场工作人员和机场跑道等活动区域地面乘客安全的异物。近年来，随着世界民用航空业的快速发展，发现FOD不时会刺破轮胎并损坏飞机，不仅给航空公司造成更大的经济损失，而且给飞行安全和人员安全带来更大的风险。因此，对FOD检测设备的研究迫在眉睫，并受到越来越多的关注。目前，FOD检测设备主要包括光电检测设备、雷达检测设备。光电检测设备安装维护成本低，随着图像处理技术的发展，检测性能不断提高，识别率逐渐提高。然而，此类改进受到夜间等弱光条件的限制，也容易受到雨、雪和其他极端天气条件的影响。雷达探测设备具有探测率高、定位精度高、可靠性高、可全天工作、环境适应性强等特点，是当前研究的重点。然而，当前雷达探测设备都采用实孔径工作模式，存在测向精度低、识别困难、虚警率高等问题。
[0003]合成孔径雷达（synthetic aperture radar，SAR）具有高分辨率对地观测能力，能够实现对地表微小目标的高精度探测，其在FOD目标探测方面有着巨大的潜力。圆弧合成孔径雷达（Arc
‑
scanning SAR，AS
‑
SAR）是一种孔径为圆弧线的特殊SAR，具有360
°
全方位观测能力。将其应用于机场跑道FOD检测具有天然优势：一是系统天线体积小，重量轻，整体使用成本低；二是系统通过算法实现极高的成像分辨率，有利于检测小目标；三是系统对平台旋转精度要求较低，能够保持较高的目标测向和测距精度；四是目标信息更丰富，利于目标识别并降低虚警。目前，湖南师范大学、湖南吉赫信息科技有限公司等已开始利用AS
‑
SAR对FOD目标的探测，其基本流程为信号采集、成像、相干积累、检测、识别等。
[0004]在满足联邦通信委员会（Federal Communications Commission, FCC）要求基础上，为减小大气衰减，有效地利用大气窗口，且更好地检测约1cm大小的FOD目标，AS
‑
SAR工作频率为94 GHz，工作波长仅为3.2mm。由于大气散射会引起电磁信号传播路径的改变，可引起大气相位扰动。且当目标距离雷达较远时，温度、湿度等大气变化引起的相位扰动更为明显。一般情况下，传输信号波长越短，大气相位扰动会越明显。同时，在不同温度条件下系统硬件也存在相位漂移。目标相位稳定性既是相干积累提高信噪比的基础，也是目标识别背景的一个重要特征。因此这些相位漂移都会影响系统探测流程中的相干积累、识别等结果。本专利技术针对这个问题进行相位漂移校正。为了便于分析，所有这些相位漂移统称为系统相位漂移（systematic phase drift, SPD）。

技术实现思路

[0005]专利技术的目的在于提供一种高分辨率跑道外来物探测系统及其相位漂移校正方法，解决了现有的用于跑道异物检测的系统容易受到外界影响从而存在测向精度低、识别困
难、虚警率高等问题。
[0006]本专利技术是这样实现的，一种高分辨率跑道外来物探测系统的相位漂移校正方法，该方法首先对SPD进行建模，然后进行稳定相位控制点(stable phase control point, SPCP)筛选，接着通过SPCP对SPD进行估计，进而实现SPD校正。
[0007]本专利技术的进一步技术方案是：SPD的建模与估计：将两个连续图像中的监测目标值设置为，那么SPD
ꢀ∆
φ可以表示为：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(10)其中表示计算的相位角度， * 表示复共轭。
[0008]考虑到 SPD 是由系统本身和大气相位扰动，所以
∆
φ可以表示为：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(11)其中表示系统本身引起的相位，表示大气引起的相位，表示噪声相位。一般来说，是恒定的。众所周知，大气的温度和湿度随着时间的变化而变化，导致电磁特性的不均匀，使电磁波的传播速度和方向在穿过大气层时不断变化。当大气随距离向和方位向变化相互独立时，可以建立SPD的二元一次函数模型：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(12)其中是载体频率波长，是从目标到雷达的地面范围，是目标与雷达初始扫描方向之间的角度。是加权系数。
[0009]从方程（12）可以看出，只要找到三个稳定的高信噪比(signal
‑
to
‑
noise ratio, SNR)强散射点，就可以通过其相位漂移建立方程组，并通过解方程组获得加权系数。这里稳定的高信噪比强散射点称为SPCP。事实上，我们可以获得的SPCP数量远远大于3。因此，将使用最小二乘方法来估计加权系数。让，方程可以表示为矩阵如下
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(13)其中为噪声矩阵。且
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(14)
对多个SPCP点，可用矩阵表示方程
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(15)使用最小二乘算法，可得
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(16)那么可通过下式估计
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(17)由于温度和湿度变化导致 SPD 的时间连续性，估计 SPD 可以通过卡尔曼过滤器进行过滤。建立状态过渡矩阵，如公式：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(18)其中是高斯噪声，是状态转移矩阵。观察方程被确定为：
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(19)根据实际测量，对应的方差矩阵为4，对应的方差矩阵 为 9。和。然后可以实现 SPCP 的时间域过滤。
[0010]本专利技术的进一步技术方案是：SPCP筛选方法：在SPD计算过程中，SPCP的选择非常重要。对于幅度图像，我们定义了筛选 SPCP 的三个功能：局部图像对比度、幅度离差和相关系数。SPCP 的筛选过程流程显示为图4。
[0011]使得序列图像为，其中是图像的数量。表示像素点的图像幅度值。然后，分别定义分别如下。
[0012]对于，首先获取中每个像素的邻域图像切片，然后计算平均值和标准偏差，然后计算
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(20)越大，SNR 越大，对相应的像素就越稳定。
[0013]对于，我们计算雷达序列图像中每个像素的振幅平均值和标准偏差，然后使用下式计算：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高分辨率跑道外来物探测系统的相位漂移校正方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：步骤一、SPD的建模：通过AS
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SAR系统对跑道进行观测，生成高分辨的图像，进行SPD的建模，得到SPD模型；步骤二、SPCP的筛选：对当前通过AS
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SAR系统获取的复图像采用先进先出的原则形成固定长度的复图像序列，进行特征提取后分类处理；步骤三、通过SPCP对SPD进行估计；对步骤二中获取的SPCP，基于SPD模型采用最小二乘算法估计SPD，得到SPD估计值；步骤四、对SPD的校正：通过所述当前复图像的相位与SPD估计值相减实现图像的SPD校正，输出相位校正后的高分辨率的AS
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SAR复图像。2.根据权利要求1所述的一种高分辨率跑道外来物探测系统的相位漂移校正方法，其特征在于，在所述步骤二之后进行二次SPCP的筛选：通过距离约束选择离跑道较近的稳定相位控制点，然后提取SPCP，进行步骤三处理。3.根据权利要求1所述的一种高分辨率跑道外来物探测系统的相位漂移校正方法，其特征在于，所述步骤三中得到的SPD估计值通过卡尔曼过滤器进行过滤，得到更加准确的SPD估计值。4.根据权利要求1
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3中任意一项所述的一种高分辨率跑道外来物探测系统的相位漂移校正方法，其特征在于，所述步骤一SPD的建模步骤为：通过AS
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SAR系统对跑道进行观测，获取两个连续图像，考虑SPD由系统本身以及大气相位扰动对相位差的影响，同时当大气随距离向和方位向变化相互独立时，建立SPD的二元一次函数模型。5.根据权利要求4所述的一种高分辨...

【专利技术属性】
技术研发人员：王玉明，
申请(专利权)人：湖南师范大学，
类型：发明
国别省市：