一种低空慢速小目标立体角度的探测方法及系统与流程

本发明涉及目标探测领域，尤其涉及一种低空慢速小目标立体角度的探测方法及系统。

背景技术：

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。

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。

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。

技术实现要素：

本发明的目的在于提出一种低空慢速小目标立体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。

本发明公开了一种低空慢速小目标立体角度的探测方法，包括以下步骤：

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相互垂直的第一、二平面内；其中，N为大于等于4的整数，且任一平面内的传感器个数大于等于3；

S2、记录所述目标距离每个传感器的最近点时刻t_i，i＝1,2,…N；

S3、根据第一平面内的传感器的最近点时刻计算所述目标在第一平面内的第一航向角α；

S4、根据第二平面内的传感器的最近点时刻计算所述目标在第二平面内的第二航向角β；其中，所述目标做匀速直线飞行。

优选的，所述传感器为声音传感器。

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t_i。

优选的，N＝6，所述预设的分布策略具体为：在第一平面内设置四个传感器，分别是依次排列在正方形四个顶点上的第一至第四传感器；在第二平面内设置四个传感器，分别是依次排列在正方形四个顶点上的第三至第六传感器；其中，第三、四传感器位于第一平面与第二平面的交线上。

优选的，步骤S3具体为：

在第一平面上，以第三传感器指向第二传感器的方向为x轴正向，以第三传感器指向第四传感器的方向为y轴正向，构建xoy坐标系，以目标运动轨迹在第一平面的投影与x轴的夹角为第一航向角α，根据公式1计算第一航向角α；

式中，t₁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；

以及，步骤S4具体为：

在第二平面上，以第三传感器指向第四传感器的方向为y轴正向，以第三传感器指向第六传感器的方向为z轴正向，构建yoz坐标系，以目标运动轨迹在第二平面的投影与z轴的夹角为第二航向角β，根据公式2计算第二航向角β；

式中，t₅为目标距离第五传感器的最近点时刻，t₆为目标距离第六传感器的最近点时刻。

优选的，N＝4，所述预设的分布策略具体为：在第一平面内设置三个传感器，分别是依次排列在正三角形三个顶点上的第一至第三传感器；在第二平面内设置三个传感器，分别是依次排列在直角三角形三个顶点上的第二至第四传感器；其中，第二、三传感器位于第一平面与第二平面的交线上。

优选的，步骤S3具体为：

在第一平面内，以与第二、三传感器所在直线垂直的直线为x轴，以第二传感器指向第三传感器的方向为y轴正向，构建xoy坐标系，以目标运动轨迹在第一平面的投影与x轴的夹角为第一航向角α；根据第一至第三传感器的位置关系以及最近点时刻t₁、t₂、t₃，计算第一航向角α；

以及，步骤S4具体为：

在第二平面内，以第二传感器指向第三传感器的方向为y轴正向，以与第二、三传感器所在直线垂直的直线为z轴，构建yoz坐标系，以目标运动轨迹在第二平面的投影与z轴的夹角为第二航向角β；根据第二至第四传感器的位置关系以及最近点时刻t₂、t₃、t₄，计算第二航向角β。

本发明还提供了一种低空慢速小目标立体角度的探测系统，所述系统包括：传感器模块、航向角计算模块；

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，i＝1,2,…N；所述N个传感器按照预设的分布策略设置在相互垂直的第一、二平面内；其中，N为大于等于4的整数，且任一平面内的传感器个数大于等于3；

所述航向角计算模块用于根据第一平面内的传感器的最近点时刻计算所述目标在第一平面内的第一航向角α；所述航向角计算模块还用于根据第二平面内的传感器的最近点时刻计算所述目标在第二平面内的第二航向角β；其中，所述目标做匀速直线飞行。

优选的，所述传感器为声音传感器，N＝6，所述预设的分布策略具体为：在第一平面内设置四个传感器，分别是依次排列在正方形四个顶点上的第一至第四传感器；在第二平面内设置四个传感器，分别是依次排列在正方形四个顶点上的第三至第六传感器；其中，第三、四传感器位于第一平面与第二平面的交线上；

并且，所述航向角计算模块计算第一航向角α的公式为：

所述航向角计算模块计算第二航向角β的公式为：

式中，t₁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；t₅为目标距离第五传感器的最近点时刻，t₆为目标距离第六传感器的最近点时刻。

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：在第一平面内设置三个传感器，分别是依次排列在正三角形三个顶点上的第一至第三传感器；在第二平面内设置三个传感器，分别是依次排列在直角三角形三个顶点上的第二至第四传感器；其中，第二、三传感器位于第一平面与第二平面的交线上；

并且，所述航向角计算模块根据第一至第三传感器的位置关系以及最近点时刻t₁、t₂、t₃，计算第一航向角α；并且，所述航向角计算模块根据第二至第四传感器的位置关系以及最近点时刻t₂、t₃、t₄，计算第二航向角β。

在本发明中，低空慢速小目标立体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相互垂直的第一、二平面内；其中，N为大于等于4的整数，且任一平面内的传感器个数大于等于3；记录所述目标距离每个传感器的最近点时刻；根据第一平面内的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，根据第二平面内的传感器的最近点时刻计算所述目标在第二平面内的航向角β。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

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：

图1是本发明的低空慢速小目标立体角度探测方法的流程示意图；

图2是具体实施例一中传感器的布设结构示意图；

图3是具体实施例一中第一航向角的计算示意图；

图4是具体实施例二中传感器的布设结构示意图；

图5是具体实施例二中第一航向角的计算示意图；

图6是本发明中的低空慢速小目标立体角度探测系统的结构示意图。

具体实施方式

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。

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。

鉴于此，本申请的发明人提出了一种针对低空慢速小目标立体角度的探测方法及探测系统。其中，所述立体角度是对目标飞行轨迹在不同平面内的投影角度的统称。本发明的探测方法的主要思路是：首先，根据预定策略在相互垂直的第一、二平面上布置多个传感器；然后，获取目标距离多个传感器的最近点时刻；最后，基于第一平面上多个传感器之间的位置差异、最近点时刻差异计算目标的第一航向角，基于第二平面上多个传感器之间的位置差异、最近点时刻差异计算目标的第二航向角。通过上述步骤，能够实现对低空慢速小目标立体角度的准确探测。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。

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立体角度探测方法的流程图。从图1可见，该方法包括以下步骤：

步骤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相互垂直的第一、二平面内；其中，N为大于等于4的整数，且任一平面内的传感器个数大于等于3。

在步骤S1中，将所述N个传感器布设在目标飞行区域下方，以组成传感器模块。比如，可将传感器设置在各种建筑，和/或，路灯等物体上。为了加大对目标的监测力度，还可以布设多个传感器模块，以构成传感器网络。在具体实施时，相邻两个传感器的设置间隔、一个传感器模块中传感器的总个数N、任一平面内的传感器个数可根据实际情况确定。比如，设置间隔可以为1000米，N取4且在任一平面设置3个传感器。

在本发明中，所述预设的分布策略可以有多种。例如，在具体实施例一中，所述预设的分布策略为：设置六个传感器，即第一至第六传感器；并且，在第一平面内设置四个传感器，分别是依次排列在正方形四个顶点上的第一至第四传感器；在第二平面内设置四个传感器，分别是依次排列在正方形四个顶点上的第三至第六传感器；其中，第三、四传感器位于第一平面与第二平面的交线上。

在具体实施例二中，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；并且，在第一平面内设置三个传感器，分别是依次排列在正三角形三个顶点上的第一至第三传感器；在第二平面内设置三个传感器，分别是依次排列在直角三角形三个顶点上的第二至第四传感器；其中，第二、三传感器位于第一平面与第二平面的交线上。

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，在具体实施例三中，传感器的总个数还可以是5个，并且在第一平面内设置四个传感器，即呈正方形阵列分布的第一至第四传感器，在第二平面内设置三个传感器，即呈正三角形阵列分布的第三至第五传感器；其中，第三、四传感器位于第一、二平面的交线上。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。

步骤S2、记录所述目标距离每个传感器的最近点时刻t_i，i＝1,2,…N。

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。

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t_i。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。

步骤S3、根据第一平面内的传感器的最近点时刻计算所述目标在第一平面内的第一航向角α。

步骤S4、根据第二平面内的传感器的最近点时刻计算所述目标在第二平面内的第二航向角β。

具体地，在步骤S3、S4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第一、第二航向角的大小。下面结合具体实施例一、二对步骤S3、S4进行详细说明。

图2为具体实施例一中传感器的布设结构示意图。从图2可见，声音传感器总个数为6个，在第一平面设置四个传感器，分别是第一至第四传感器，以O₁、O₂、O₃、O₄表示。并且，第一至第四传感器依次排列在边长为l的正方形的四个顶点上。在第二平面上设置四个传感器，分别是第三至第六传感器，以O₃、O₄、O₅、O₆表示。并且，第三至第六传感器依次排列在边长为l的正方形的四个顶点上。其中，第三、四传感器位于第一、二平面的交线上。

在具体实施例一中，当声音传感器布设完成后，可启动声音传感器对噪声进行监测。由于第一、二平面上传感器的分布位置不同，目标距离各个传感器的最近点时刻也不同。因此，可根据第一、二平面内各个传感器的位置差异、最近点时刻差异计算第一航向角α、第二航向角β。

图3示出了具体实施例一中第一航向角α的计算原理图。在图3中，以第三传感器指向第二传感器的方向为x轴正向，以第三传感器指向第四传感器的方向为y轴正向，构建xoy坐标系。并且，以目标运动轨迹在第二平面的投影与x轴的夹角为第一航向角α。进一步的，在图3中，设目标飞行轨迹A'B'在第一平面内的投影直线为AB，并用M₁、M₂、M₃、M₄分别代表直线AB距离第一至第四传感器的最近点，并用t₁、t₂、t₃、t₄代表目标距离第一至第四传感器最近的时刻。

在图3中，根据几何位置关系可推出第一航向角α的计算公式，具体为：

$\mathrm{\α}=\frac{\mathrm{\π}}{4}-arctan\frac{t_4-t_2}{t_3-t_1}$

式中，t₁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。

接下来，可通过类似方法计算第二航向角的大小。具体的，在第二平面内，以第三传感器指向第四传感器的方向为y轴正向，以第三传感器指向第六传感器的方向为z轴正向，构建了yoz坐标系。并且，以目标运动轨迹在第二平面的投影与z轴的夹角为第二航向角β。根据第三至第六传感器的位置关系可推出第二航向角的计算公式，具体为：

$\mathrm{\β}=\frac{\mathrm{\π}}{4}-arctan\frac{t_5-t_3}{t_6-t_4}$

式中，t₅为目标距离第五传感器的最近点时刻，t₆为目标距离第六传感器的最近点时刻。

图4为具体实施例二中传感器的布设结构示意图。从图4可见，声音传感器总个数为4个，在第一平面设置三个传感器，分别是第一至第三传感器，以O₁、O₂、O₃表示。并且，第一至第三传感器依次排列在边长为l的正三角形的三个顶点上。在第二平面上设置三个传感器，分别是第二至第四传感器，以O₂、O₃、O₄表示。并且，第二至第四传感器依次排列在边长为l的正三角形的三个顶点上。其中，第二、三传感器位于第一、二平面的交线上。

图5示出了具体实施例二中第一航向角α的计算原理图。在图5中，设目标飞行轨迹A'B'在第一平面内的投影直线为AB，并用M₁、M₂、M₃分别代表直线AB距离第一至第三传感器的最近点，用t₁、t₂、t₃代表目标距第一至第三传感器最近的时刻，即最近点时刻。在该实施例中，确定第一航向角的计算公式主要包括以下步骤：首先，以位于第一平面内、且与第二、三传感器所在直线垂直的直线为x轴，以第二传感器指向第三传感器的方向为y轴正向，构建xoy坐标系，并以目标运动轨迹在第一平面的投影与x轴的夹角为第一航向角；然后，根据图5所示的几何位置关系以及最近点时刻，即可推出第一航向角α的计算公式，

接下来，可通过类似方法计算第二航向角的大小。首先，以第二传感器指向第三传感器的方向为y轴正向，以位于第二平面内、且以与第二、三传感器所在直线垂直的直线为z轴，构建yoz坐标系，并以目标运动轨迹在第二平面的投影与z轴的夹角为第二航向角β；然后，根据第二至第四传感器的几何位置关系可相应地推导第二航向角β的计算公式。

在具体实施例一、二中，本发明通过预设的分布策略布设多个低成本的声音传感器，能够发现、识别低空慢速小目标；通过多个传感器的空间位置差异、最近点时刻差异，能够对低空慢速小目标的飞行角度进行准确测算。通过将传感器排列成正方形或正三角形阵列，在一定程度上简化了航向角的求解过程。进一步的，通过选取低成本的声音传感器，降低了探测成本，使得本发明的探测方法易于大范围推广。

此外，本发明还提出了一种低空慢速小目标立体角度的探测系统。图4示出了该探测系统的结构示意图。从图6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。

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t_i，i＝1,2,…N。所述N个传感器按照预设的分布策略设置在相互垂直的第一、二平面内；其中，N为大于等于4的整数，且任一平面内的传感器个数大于等于3。

航向角计算模块2，用于根据第一平面内的传感器的最近点时刻计算所述目标在第一平面内的第一航向角α，以及，根据第二平面内的传感器的最近点时刻计算所述目标在第二平面内的第二航向角β。其中，所述目标做匀速直线飞行。

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。并且，航向角计算模块2可根据传感器布设策略的不同选取不同的计算公式。比如，在一个较佳的实施例中，N＝6，在第一平面内设置呈正方形阵列分布的第一至第四传感器，在第二平面内设置呈正方形阵列分布的第三至第六传感器，并且第三、四传感器位于第一平面与第二平面的交线上。在该实施例中，航向角计算模块2计算第一航向角α、第二航向角β的公式分别为：

$\mathrm{\α}=\frac{\mathrm{\π}}{4}-arctan\frac{t_4-t_2}{t_1-t_3}$

$\mathrm{\β}=\frac{\mathrm{\π}}{4}-arctan\frac{t_5-t_3}{t_6-t_4}$

在另一较佳的实施例中，N＝4，在第一平面内设置呈正三角形阵列分布的第一至第三传感器，在第二平面内设置呈正三角形阵列分布的第二至第四传感器，并且，第三、四传感器位于第一平面与第二平面的交线上。在该实施例中，可根据第一至第四传感器的位置差异、最近点时刻差异确定第一、二航向角β的计算公式。

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的第一、二航向角的探测。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。

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。