一种低空慢速小目标飞行角度的探测方法及系统的制作方法
【专利摘要】公开了一种低空慢速小目标飞行角度的探测方法，包括：在目标的飞行区域下方布设N个传感器，所述N个传感器按照预设的分布策略设置在第一平面内、且N个传感器不完全共线；记录所述目标距离每个传感器的最近点时刻；根据每个传感器的最近点时刻计算所述目标在第一平面内的航向角α；其中，所述目标做匀速直线飞行，N为大于等于3的整数。本发明的方法能够简便、快捷地对低空慢速小目标进行探测，探测成本较低、易于推广。本发明还公开了一种探测系统，其能实现探测方法的所有有益效果。
【专利说明】
一种低空慢速小目标飞行角度的探测方法及系统
技术领域
[0001 ]本发明涉及目标探测领域，尤其涉及一种低空慢速小目标飞行角度的探测方法及 系统。
【背景技术】
[0002] 低空慢速小目标，是对在低空或超低空下飞行、速度较慢、有效探测面积较小的各 种小型航空器和空中漂浮物的统称。一般而言，飞行高度在100米~1000米之间称为低空， 飞行高度低于100米称为超低空。由于具有飞行高速低、速度慢、散射强度弱等特点，低空慢 速小目标的探测工作非常困难。通常，我们很难利用单一的探测手段对其进行全天时、全天 候的有效探测与监控。
[0003] 近年来，虽然传统的目标探测方法日臻完善，但是低空慢速小目标的探测与监控 仍然是国际范围内的技术难题之一。随着我国低空空域的开放，对低空慢速小目标的监管 与防范更是成为亟待解决的技术难题。
[0004] 在现有技术中，可基于一种由红外光学传感器和雷达组成的探测系统对低空慢速 小目标进行探测。但是，该探测系统的成本较高，难以大面积使用。鉴于此，亟需一种低成 本、可大范围推广使用的低空慢速小目标探测方法与探测系统。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于提出一种低空慢速小目标飞行角度的探测方法及系统，以对低 空小目标的飞行角度进行有效探测，同时降低探测成本，提高探测系统的可推广性。
[0006] 本发明公开了一种低空慢速小目标飞行角度的探测方法，包括以下步骤：
[0007] S1、在目标的飞行区域下方布设N个传感器，所述N个传感器按照预设的分布策略 设置在第一平面内、且N个传感器不完全共线；
[0008] S2、记录所述目标距离每个传感器的最近点时刻ti，i = 1，2，…N;
[0009] S3、根据每个传感器的最近点时刻计算所述目标在第一平面内的航向角α;
[0010] 其中，所述目标做匀速直线飞行，Ν为大于等于3的整数。
[0011]优选的，所述传感器为声音传感器。
[0012]优选的，步骤S2具体为:对于每个传感器，监测其在100~1000Hz频段的噪声频谱， 并将出现噪声峰值点的时刻记为目标距离该传感器的最近点时刻U。
[0013] 优选的，N = 4,所述预设的分布策略具体为:第一至第四传感器顺次排列在正方形 阵列的四个顶点上。
[0014] 优选的，步骤S3具体为：以第一传感器指向第二传感器的方向为X轴正向，以第一 传感器指向第四传感器的方向为y轴正向，构建x〇y坐标系;所述航向角α具体为目标的运动 轨迹在第一平面的投影与X轴的夹角;并且，根据公式1计算所述航向角α;
公式1
[0016] 式中，为目标距离第一传感器的最近点时刻，t2为目标距离第二传感器的最近点 时刻，t3为目标距离第三传感器的最近点时刻，t 4为目标距离第四传感器的最近点时刻。
[0017] 优选的，N = 3,所述预设的分布策略具体为:第一至第三传感器顺次排列在正三角 形阵列的三个顶点上。
[0018] 优选的，步骤S3具体为:在第一平面内，以第一传感器指向第二传感器的方向为X 轴正向，以与第一、二传感器所在直线垂直的直线为y轴，构建X0y坐标系;所述航向角α具体 为目标的运动轨迹在第一平面的投影与X轴的夹角;并且，根据公式2、公式3计算所述航向 角α;
公式2
[0020] sin2a+cos2a = 1 公式 3
[0021]式中，t为目标距离第一传感器的最近点时刻，t2为目标距离第二传感器的最近点 时刻，t3为目标距离第三传感器的最近点时刻，| |为绝对值运算符。
[0022] 本发明还公开了一种低空慢速小目标飞行角度的探测系统，所述系统包括:传感 器模块、航向角计算模块；
[0023] 所述传感器模块由布设在目标飞行区域下方的N个传感器构成，用于探测所述目 标距离每个传感器的最近点时刻t，i = 1，2，…N;所述N个传感器按照预设的分布策略设置 在第一平面内、且N个传感器不完全共线；
[0024] 所述航向角计算模块根据每个传感器的最近点时刻计算所述目标在第一平面内 的航向角a;
[0025] 其中，所述目标做匀速直线飞行，N为大于等于3的整数。
[0026] 优选的，所述传感器为声音传感器，N = 4,所述预设的分布策略具体为:第一至第 四传感器顺次排列在正方形阵列的四个顶点上；
[0027] 并且，所述航向角计算模块计算航向角a的公式为：
公式4
[0029]式中，t为目标距离第一传感器的最近点时刻，t2为目标距离第二传感器的最近点 时刻，t3为目标距离第三传感器的最近点时刻，t4为目标距离第四传感器的最近点时刻。
[0030] 优选的，所述传感器为声音传感器，N=3,所述预设的分布策略具体为:第一至第 三传感器顺次排列在正三角形阵列的四个顶点上；
[0031] 并且，所述航向角计算模块计算航向角a的公式为：
公式5
[0033] sin2a+cos2a = 1 公式 6
[0034]式中，t为目标距离第一传感器的最近点时刻，t2为目标距离第二传感器的最近点 时刻，t3为目标距离第三传感器的最近点时刻，I I为绝对值运算符。
[0035] 在本发明中，低空慢速小目标飞行角度的探测方法包括以下步骤:在目标的飞行 区域下方布设N个传感器，所述N个传感器按照预设的分布策略设置在第一平面内、且N个传 感器不完全共线;记录所述目标距离每个传感器的最近点时刻;根据每个传感器的最近点 时刻计算所述目标在第一平面内的航向角α;其中，所述目标做匀速直线飞行，N为大于等于 3的整数。本发明的探测方法不仅能够简单、快捷地对低空慢速小目标的飞行角度进行探 测，而且降低了探测成本，便于进行大范围推广使用。
【附图说明】
[0036] 通过以下参照附图而提供的【具体实施方式】部分，本发明的特征和优点将变得更加 容易理解，在附图中：
[0037] 图1是本发明的低空慢速小目标飞行角度探测方法的流程示意图；
[0038] 图2是具体实施例一中航向角的计算示意图；
[0039] 图3是具体实施例二中航向角的计算示意图；
[0040] 图4是本发明的低空慢速小目标飞行角度探测系统的结构示意图。
【具体实施方式】
[0041] 下面参照附图对本发明的示例性实施方式进行详细描述。对示例性实施方式的描 述仅仅是出于示范目的，而绝不是对本发明及其应用或用法的限制。
[0042] 目前，低空慢速小目标的探测与监控仍然是国际范围内的技术难题之一。在现有 技术中，主要通过红外光学传感器和雷达组成的探测系统对低空慢速小目标进行探测。但 是，该探测系统的成本较高、难以大范围地推广使用。
[0043] 鉴于此，本申请的发明人提出了一种针对低空慢速小目标的新的探测方法及探测 系统。本发明的探测方法的主要思路是:首先，根据预定策略布置多个传感器;然后，获取目 标距离多个传感器的最近点时刻;最后，基于多个传感器之间的位置差异、最近点时刻差异 计算目标的飞行角度。通过上述步骤，能够实现对低空慢速小目标飞行角度的准确探测。进 一步地，由于仅需设置一种传感器即可进行探测，大大降低了探测成本，提高了探测方法的 可推广性。
[0044]下面结合附图及具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。图1为本发明中 低空慢速小目标飞行角度探测方法的流程图。从图1可见，该方法包括以下步骤：
[0045] 步骤S1、在目标的飞行区域下方布设Ν个传感器，所述Ν个传感器按照预设的分布 策略设置在第一平面内、且Ν个传感器不完全共线。其中，所述目标做匀速直线飞行，Ν为大 于等于3的整数。
[0046] 在具体实施时，可以将所述Ν个传感器设置在各种建筑，和/或，路灯等物体上，以 组成传感器模块。在一个传感器模块中，传感器的个数、设置间隔可根据实际情况确定。比 如，传感器的个数可以为3个，相邻传感器的设置间隔可以为1000米。为了加大对目标的监 测力度，可以布设多个传感器模块，以构成传感器网络。为了降低探测成本，可以选取声音 传感器构建传感器模块，并基于声强探测技术对低空慢速小目标进行探测。
[0047] 在步骤S1中，所述预设的分布策略为:设置四个传感器，即第一至第四传感器，并 将第一至第四传感器顺次排列在正方形阵列的四个顶点上。或者，所述预设的分布策略为： 设置三个传感器，即第一至第三传感器，并将第一至第三传感器顺次排列在正三角形阵列 的三个顶点上。需要指出的是，所述预设的分布策略并不限于以上两种方式。比如，当传感 器为四个时，其可以呈长方形阵列分布；当传感器为三个时，其可以呈直角三角形阵列分 布。只要不影响本发明的实施，任何预设的分布策略都在本发明的保护范围内。
[0048] 步骤S2、记录所述目标距离每个传感器的最近点时刻。，1 = 1，2,…N。
[0049] 目标在飞行过程中会由于多种因素向外辐射噪声，比如发动机运转、机体与空气 摩擦、喷流与空气相互作用、桨叶拍打空气等等。由于产生机理不同，不同目标的噪声频谱 会表现出很大差异。根据噪声频谱的不同，我们可以将目标分为两大类:宽谱目标和线谱目 标。其中，小型飞行目标的声谱主要集中在100~1000Hz，而车辆的声谱主要集中在50Hz以 下。因此，在对低空慢速小目标进行探测时，我们主要对100~1000Hz频段的噪声进行监测。
[0050] 在监测100~1000Hz频段的噪声频谱过程中，当传感器接收的噪声的幅值最大时， 即可认为该时刻目标距离声音传感器最近，即最近点时刻1。同时，由于多普勒效应的影 响，在目标接近和远离声音传感器的过程中，噪声频谱会发生频偏。因此，在具体实施时，可 综合考虑噪声幅值的变化情况以及频率偏移情况，以确定最近点时刻。
[0051] 步骤S3、根据每个传感器的最近点时刻计算所述目标在第一平面内的航向角α。
[0052] 具体地，在步骤S3中，可根据多个传感器的位置差异、以及最近点时刻差异确定航 向角的大小。下面通过两个具体实施例对步骤S3进行详细说明。
[0053] 在具体实施例一中，在第一平面设置四个传感器，包括:第一至第四传感器。并且， 第一至第四传感器顺次排列在正方形的四个顶点上。图2为具体实施例一中航向角的计算 原理图。在图2中，四个声音传感器设置在边长为1的正方形的四个顶点上，以102U4分 别代表第一至第四传感器的几何中心。并且，以第一传感器指向第二传感器的方向为X轴正 向，以第一传感器指向第四传感器的方向为y轴正向，构建x〇y坐标系。在该实施例中，目标 做匀速直线飞行，飞行轨迹A'B'位于第一平面外，A'B'在第一平面内的投影为直线AB。％、 M2、M3、M4分别代表目标投影AB距离第一至第四传感器的最近点，并且目标经过 点的时刻依次为七、^、^^4。在该实施例中，可以将投影直线48与1轴的夹角作为航向角€1。 [0054]在具体实施例一中，当四个声音传感器的位置布设完成后，可启动声音传感器对 噪声进行监测。由于四个传感器在第一平面上的分布位置不同，目标距离各个传感器的最 近点时刻也是不同的。因此，可根据多个传感器确定的最近点时刻的差异计算航向角α。具 体的，航向角α计算公式为：
L〇〇56J 式中，t为目标距离第一传感器的最近点时刻，t2为目标距离第二传感器的最近点 时刻，t3为目标距离第三传感器的最近点时刻，t4为目标距离第四传感器的最近点时刻。 [0057]在具体实施例二中，在第一平面设置三个传感器，包括:第一至第三传感器。并且， 第一至第三传感器顺次排列在正三角形的三个顶点上。图3为具体实施例二中航向角的计 算原理图。在图3中，三个声音传感器设置在边长为1的正三角形的三个顶点上，以0^0^03 分别代表第一至第三传感器的几何中心。并且，以第一传感器指向第二传感器的方向为X 轴，以与(h〇2垂直的直线为y轴，构建xoy坐标系。在该实施例中，目标做匀速直线飞行，飞行 轨迹A'B'位于第一平面外，A'B'在第一平面内的投影为直线分别代表目标投影 AB距离第一至第三传感器的最近点，并且目标经过点的时刻依次为^、^、^。在该 实施例中，将投影直线AB与X轴的夹角作为航向角α。
[0058]在具体实施例二中，当三个声音传感器的位置布设完成后，启动声音传感器对噪 声进行监测。由于三个传感器在第一平面上的分布位置不同，目标距离各个传感器的最近 点时刻也是不同的。因此，可根据多个传感器确定的最近点时刻的差异计算航向角α。具体 的，航向角α计算公式为：
L0060」 sinza+coszct = 1
[0061] 式中，t为目标距离第一传感器的最近点时刻，t2为目标距离第二传感器的最近点 时刻，t3为目标距离第三传感器的最近点时刻，| |为绝对值运算符。
[0062] 从具体实施例一、二可看出，本发明通过布设多个低成本的声音传感器，并根据多 个传感器的空间位置差异、最近点时刻差异，即可对低空慢速小目标的飞行角度进行准确 探测。本发明的探测方法简单便捷、探测成本低、易于大范围推广。
[0063] 此外，本发明还提出了一种低空慢速小目标飞行角度的探测系统。图4示出了该探 测系统的结构示意图。从图4可见，该探测系统具体包括:传感器模块1、航向角计算模块2。
[0064] 传感器模块1由布设在目标飞行区域下方的N个传感器构成，用于探测所述目标距 离每个传感器的最近点时刻。所述N个传感器按照预设的分布策略设置在第一平面内、且N 个传感器不完全共线。
[0065] 具体地，在传感器模块1中，N个传感器可以按照多种预设的分布策略进行布设。在 一个较佳的实施例中，传感器模块1由四个声音传感器构成，分别是第一至第四传感器，并 且，第一至第四传感器顺次排列在正方形阵列的四个顶点上。在另外一个较佳的实施例中， 传感器模块1由三个声音传感器构成，分别是第一至第三传感器，并且，第一至第三传感器 顺次排列在正三角形阵列的三个顶点上。
[0066] 航向角计算模块2，根据每个传感器的最近点时刻计算所述目标在第一平面内的 航向角α。
[0067] 具体地，在航向角计算模块2中，可根据传感器模块1的不同，选取不同的航向角计 算公式。比如，当Ν=4且四个传感器呈正方形阵列分布时，可以第一、二传感器所在直线为X 轴，以第一、四传感器所在直线为y轴，构建x〇y坐标系，并以目标飞行轨迹投影与X轴的夹角 为航向角。在该种情况下，航向角计算公式为：
[0069]式中，t为目标距离第一传感器的最近点时刻，t2为目标距离第二传感器的最近点 时刻，t3为目标距离第三传感器的最近点时刻，t4为目标距离第四传感器的最近点时刻。 [0070]比如，当N = 3且三个传感器呈正三角形阵列分布时，可以第一、二传感器所在直线 为X轴，以与第一、二传感器所在直线垂直的直线为y轴，构建 X0y坐标系，并以目标飞行轨迹 投影与X轴的夹角为航向角。在该种情况下，航向角计算公式为：
[0072] 81]1^〇+〇〇8^〇 = 1
[0073]式中，t为目标距离第一传感器的最近点时刻，t2为目标距离第二传感器的最近点 时刻，t3为目标距离第三传感器的最近点时刻，| |为绝对值。
[0074] 在本发明的探测系统中，通过传感器模块可实现对低空慢速小目标的识别，进而 确定目标距离每个传感器的最近点时刻;通过航向角计算模块可实现对目标飞行角度的探 测。进一步的，通过选用低成本的声音传感器，降低了探测成本，便于探测系统的大面积推 广使用。
[0075] 虽然参照示例性实施方式对本发明进行了描述，但是应当理解，本发明并不局限 于文中详细描述和示出的【具体实施方式】，在不偏离权利要求书所限定的范围的情况下，本 领域技术人员可以对所述示例性实施方式做出各种改变。
【主权项】
1. 一种低空慢速小目标飞行角度的探测方法，其特征在于，所述方法包括： 51、 在目标的飞行区域下方布设N个传感器，所述N个传感器按照预设的分布策略设置 在第一平面内、且N个传感器不完全共线； 52、 记录所述目标距离每个传感器的最近点时刻t，i = 1，2，. . .N; 53、 根据每个传感器的最近点时刻计算所述目标在第一平面内的航向角α; 其中，所述目标做匀速直线飞行，N为大于等于3的整数。2. 如权利要求1所述的方法，其中，所述传感器为声音传感器。3. 如权利要求2所述的方法，其中，步骤S2具体为： 对于每个传感器，监测其在100~1000 Hz频段的噪声频谱，并将出现噪声峰值点的时刻 记为目标距离该传感器的最近点时刻ti。4. 如权利要求3所述的方法，其中，N=4,所述预设的分布策略具体为:第一至第四传感 器顺次排列在正方形阵列的四个顶点上。5. 如权利要求4所述的方法，其中，步骤S3具体为： 以第一传感器指向第二传感器的方向为X轴正向，以第一传感器指向第四传感器的方 向为y轴正向，构建x〇y坐标系;所述航向角α具体为目标的运动轨迹在第一平面的投影与X 轴的夹角； 根据公式1计算所述航向角α;公式1 式中，t为目标距离第一传感器的最近点时刻，t2为目标距离第二传感器的最近点时 亥IJ，t3为目标距离第三传感器的最近点时刻，t4为目标距离第四传感器的最近点时刻。6. 如权利要求3所述的方法，其中，N= 3，所述预设的分布策略具体为:第一至第三传感 器顺次排列在正三角形阵列的三个顶点上。7. 如权利要求6所述的方法，其中，步骤S3具体为： 在第一平面内，以第一传感器指向第二传感器的方向为X轴正向，以与第一、二传感器 所在直线垂直的直线为y轴，构建x〇y坐标系;所述航向角α具体为目标的运动轨迹在第一平 面的投影与X轴的夹角； 根据公式2、公式3计算所述航向角α;公式2 sin2a+cos2a = 1 公式 3 式中，t为目标距离第一传感器的最近点时刻，t2为目标距离第二传感器的最近点时 亥Ij，t3为目标距离第三传感器的最近点时刻，I I为绝对值运算符。8. -种低空慢速小目标飞行角度的探测系统，其特征在于，所述系统包括：传感器模 块、航向角计算模块； 所述传感器模块由布设在目标飞行区域下方的N个传感器构成，用于探测所述目标距 离每个传感器的最近点时刻t，i = 1，2，…N;所述N个传感器按照预设的分布策略设置在第 一平面内、且N个传感器不完全共线； 所述航向角计算模块根据每个传感器的最近点时刻计算所述目标在第一平面内的航 向角α; 其中，所述目标做匀速直线飞行，N为大于等于3的整数。9. 如权利要求8所述的系统，其中，所述传感器为声音传感器，Ν=4,所述预设的分布策 略具体为:第一至第四传感器顺次排列在正方形阵列的四个顶点上； 所述航向角计算模块计算航向角α的公式为：公式4 式中，t为目标距离第一传感器的最近点时刻，t2为目标距离第二传感器的最近点时 亥IJ，t3为目标距离第三传感器的最近点时刻，t4为目标距离第四传感器的最近点时刻。10. 如权利要求8所述的系统，其中，所述传感器为声音传感器，N = 3,所述预设的分布 策略具体为:第一至第三传感器顺次排列在正三角形阵列的四个顶点上； 所述航向角计算模块计算航向角α的公式为：公式5 式中，t为目标距离第一传感器的最近点时刻，t2为目标距离第二传感器的最近点时 亥ij，t3为目标距离第三传感器的最近点时刻，I I为绝对值运算符。
【文档编号】G01C1/00GK106017403SQ201610475849
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年6月24日
【发明人】高洁
【申请人】北京环境特性研究所