一种低空慢速小目标飞行速度的复合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飞行速度的复合探测方法及系统。

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飞行速度的复合探测方法及系统，以对低空小目标进行有效探测，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飞行速度的复合探测方法，包括以下步骤：

S1、在目标的飞行区域下方布设N个探测单元，所述N个探测单元按照预设的分布策略设置在第一平面内、且N个探测单元不完全共线；每个探测单元由声音传感器、无线电多普勒传感器复合而成；

S2、对于每个探测单元，记录所述目标距离声音传感器的最近点时刻t_i、以及所述目标距离无线电多普勒传感器的最近点时刻t′_i，i＝1,2,…N；

S3、根据目标距离声音传感器的最近点时刻t_i计算目标飞行速度的第一估计值v₁，根据目标距离无线电多普勒传感器的最近点时刻t′_i计算目标飞行速度的第二估计值v₂；

S4、根据第一估计值v₁、第二估计值v₂确定目标的飞行速度v；

其中，所述目标保持匀速直线飞行，且飞行轨迹平行于第一平面，N为大于等于3的整数。

优选的，在步骤S1中，N＝4，所述预设的分布策略具体为：第一至第四探测单元依次排列在正方形阵列的四个顶点上。

优选的，在步骤S3之前，所述方法还包括以下步骤：以第一探测单元指向第二探测单元的方向为x轴正向，以第一探测单元指向第四探测单元的方向为y轴正向，构建xoy坐标系。

优选的，根据公式2计算飞行速度的第一估计值v₁；

式中，l为相邻两个探测单元的间距，t₁为目标距离第一探测单元中的声音传感器的最近点时刻，t₂为目标距离第二探测单元中声音传感器的最近点时刻，t₃为目标距离第三探测单元中声音传感器的最近点时刻，t₄为目标距离第四探测单元中声音传感器的最近点时刻；

以及，根据公式3计算飞行速度的第二估计值v₂；

式中，t₁'为目标距离第一探测单元中的无线电多普勒传感器的最近点时刻，t'₂为目标距离第二探测单元中无线电多普勒传感器的最近点时刻，t'₃为目标距离第三探测单元中无线电多普勒传感器的最近点时刻，t'₄为目标距离第四探测单元中无线电多普勒传感器的最近点时刻。

优选的，步骤S2具体为：对于声音传感器，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；对于无线电多普勒传感器，监测其产生的回波频谱，并将出现无频移点的时刻记为目标距离该传感器的最近点时刻t′_i。

本发明还提供了一种低空慢速小目标飞行速度的复合探测系统，所述系统包括：探测模块、飞行速度计算模块；

所述探测模块由布设在目标飞行区域下方的N个探测单元构成，所述N个探测单元按照预设的分布策略设置在第一平面内、且N个探测单元不完全共线；每个探测单元由声音传感器、无线电多普勒传感器复合而成；所述探测模块用于探测目标距离声音传感器的最近点时刻t_i、以及目标距离无线电多普勒传感器的最近点时刻t_i'，i＝1,2,…N；

所述飞行速度计算模块用于根据t_i计算目标飞行速度的第一估计值v₁，根据t′_i计算目标飞行速度的第二估计值v₂；以及，根据v₁、v₂确定目标的飞行速度v；

其中，所述目标做匀速直线飞行，且飞行轨迹平行于第一平面，N为大于等于3的整数。

优选的，所述探测模块由第一至第四探测单元构成；所述预设的分布策略具体为：第一至第四探测单元依次排列在正方形阵列的四个顶点上。

优选的，所述飞行速度计算模块根据公式6计算飞行速度的第一估计值v₁；

式中，l为相邻两个探测单元的间距，t₁为目标距离第一探测单元中的声音传感器的最近点时刻，t₂为目标距离第二探测单元中声音传感器的最近点时刻，t₃为目标距离第三探测单元中声音传感器的最近点时刻，t₄为目标距离第四探测单元中声音传感器的最近点时刻；

以及，根据公式7计算飞行速度的第二估计值v₂；

式中，t₁'为目标距离第一探测单元中的无线电多普勒传感器的最近点时刻，t'₂为目标距离第二探测单元中无线电多普勒传感器的最近点时刻，t'₃为目标距离第三探测单元中无线电多普勒传感器的最近点时刻，t'₄为目标距离第四探测单元中无线电多普勒传感器的最近点时刻。

优选的，所述探测模块布设在建筑物，和/或，路灯上。

优选的，相邻探测单元的布设间隔为1000米。

在本发明中，低空慢速小目标飞行速度的复合探测方法包括以下步骤：在目标的飞行区域下的第一平面内按预设的分布策略布置N个探测单元，每个探测单元由声音传感器、无线电多普勒传感器复合而成；对于每个探测单元，记录目标距声音传感器的最近点时刻t_i、以及目标距无线电多普勒传感器的最近点时刻t′_i；根据t_i计算目标飞行速度的第一估计值v₁，根据t′_i计算目标飞行速度的第二估计值v₂；根据v₁、v₂确定目标的飞行速度v。本发明通过以上方法能够简单、快捷的测算目标的飞行速度。与传统的基于红外光学传感器、雷达的探测方法相比，本发明由于采用低成本的声音传感器、无线电多普勒传感器，降低了探测成本，提高了探测方法的可推广性。进一步的，本发明通过声音传感器、无线电多普勒传感器进行复合探测，实现了声探测技术与无线电探测技术的结合，被动探测与主动探测的结合。通过声音传感器与无线电多普勒传感器的协同互补，实现了低空慢速小目标探测的低虚警率、低漏警率。

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飞行速度的复合探测方法的流程示意图；

图2是具体实施例一中飞行速度的第一估计值计算示意图；

图3是具体实施例二中飞行速度的第一估计值的计算示意图；

图4是本发明的低空慢速小目标飞行速度的复合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飞行速度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探测单元；其中，每个探测单元由声音传感器、无线电多普勒传感器构成；然后，获取目标距离声音传感器的最近点时刻t_i、以及目标距离无线电多普勒传感器的最近点时刻t′_i；接下来，根据t_i计算飞行速度的第一估计值，根据t′_i计算飞行速度的第二估计值；最后，对第一、二估计值取平均，以确定飞行速度的值。本发明通过声音传感器、无线电多普勒传感器进行复合探测，能够对低空慢速小目标的飞行速度进行准确探测。进一步地，由于选用低成本的声音传感器及无线电多普勒传感器，大大降低了探测成本。

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速度的复合探测方法的流程图。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个探测单元，所述N个探测单元按照预设的分布策略设置在第一平面内、且N个探测单元不完全共线；每个探测单元由声音传感器、无线电多普勒传感器复合而成。其中，所述目标做匀速直线飞行，且飞行轨迹平行于第一平面，N为大于等于3的整数。

在具体实施时，可以将所述N个探测单元按照预设的分布策略设置在各种建筑，和/或，路灯等物体上，以组成探测模块。在一个探测模块中，探测单元的个数、设置间隔可根据实际情况确定。比如，探测单元的个数为4个，相邻探测单元的设置间隔为1000米。

其中，所述预设的分布策略可以有多种。例如，设置四个探测单元，并使其呈正方形阵列分布。或者，设置三个探测单元，并使其呈正三角形阵列分布。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。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、对于每个探测单元，记录所述目标距离声音传感器的最近点时刻t_i、以及所述目标距离无线电多普勒传感器的最近点时刻t′_i，i＝1,2,…N。

本申请的发明人考虑到，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。鉴于此，可通过声音传感器对100～1000Hz频段的噪声进行监测。在通过声音传感器监测100～1000Hz频段的噪声频谱过程中，当接收的噪声的幅值达到最大时，目标距离声音传感器最近，由此可确定最近点时刻t_i。

此外，当目标从接近到远离无线电多普勒传感器时，目标与无线电多普勒传感器的相对速度会发生变化，即由正的相对速度、零相对速度到负的相对速度。相应的，无线电多普勒传感器的回波会出现“蓝移—无频移—红移”的变化。也就是说，当回波频谱出现无频移点时，目标距离无线电多普勒传感器最近，由此可确定最近点时刻t′_i。

步骤S3、根据目标距离声音传感器的最近点时刻t_i计算目标飞行速度的第一估计值v₁，根据目标距离无线电多普勒传感器的最近点时刻t′_i计算目标飞行速度的第二估计值v₂。

步骤S4、根据第一估计值v₁、第二估计值v₂确定目标的飞行速度v，计算公式为：

$v=\frac{v_1+v_2}{2}$

在本发明的技术方案中，通过声音传感器、无线电多普勒传感器进行复合探测，能够对低空慢速小目标的飞行速度进行准确探测。进一步地，通过选用低成本的声音传感器及无线电多普勒传感器，大大降低了探测成本。

下面通过具体实施例一对本发明的探测方法进行更为详尽的说明。在具体实施例一中，N＝3，所述预设的的分布策略为：三个探测单元，即第一至第三探测单元，依次排列在边长为l的正三角形的三个顶点上。其中，每个探测单元由一个声音传感器和一个B波段无线电无线电多普勒传感器构成。在按照预设的分布策略安装探测单元以后，启动声音传感器、无线电多普勒传感器，以对目标进行复合探测。

在该实施例中，在计算目标的飞行速度之前，可先构建坐标系。具体地，在第一平面内，以第一探测单元指向第二探测单元的方向为x轴正向，以与第一、二探测单元所在直线垂直的直线为y轴，构建xoy坐标系。接下来，根据探测单元的位置差异、以及最近点时刻差异计算目标飞行速度的第一估计值v₁、第二估计值v₂。

图2为具体实施例一中v₁的计算原理图。在图2中，以O₁、O₂、O₃代表第一至第三探测单元中声音传感器的几何中心，以直线AB代表目标飞行轨迹在第一平面的投影，以M₁、M₂、M₃代表直线AB距第一至第三声音传感器的最近点，以α代表直线AB与x轴的夹角。由图2可得：

v₁|t₂-t₁|＝lcosα

$v_1|t_3-t_1|=lcos(\frac{\mathrm{\π}}{3}-\mathrm{\α})$

式中，||为绝对值运算符。通过求解以上方程组即可得出v₁的值。与v₁的计算方法类似，通过无线电多普勒传感器的位置差异、最近点时刻差异可求解出v₂。具体的，v₂的计算公式如下：

v₂|t'₂-t₁'|＝lcosα

$v_2|t_3^{\′}-t_1^{\′}|=lcos(\frac{\mathrm{\π}}{3}-\mathrm{\α})$

最后，对v₁、v₂取平均，即可得到目标的飞行速度v。

在具体实施例一中，通过以上步骤即可实现对目标飞行速度的探测。进一步地，由于只需设置三组探测单元即可实现对目标飞行速度的探测，大大降低了探测成本。

下面给出本发明探测方法的具体实施例二。在具体实施例二中，N＝4，所述预设的分布策略为：四个探测单元，即第一至第四探测单元，依次排列在边长为l的正方形阵列的四个顶点上。其中，每个探测单元由一个声音传感器和一个B波段无线电无线电多普勒传感器构成。在按照预设的分布策略安装探测单元以后，启动声音传感器、无线电多普勒传感器，以对目标进行复合探测。

在该实施例中，在计算目标的飞行速度之前，首先构建坐标系。具体地，以第一探测单元指向第二探测单元的方向为x轴正向，以第一探测单元指向第四探测单元的方向为y轴正向，构建xoy坐标系。接下来，根据探测单元的位置差异、以及最近点时刻差异计算目标飞行速度的第一估计值v₁、第二估计值v₂。

图3为具体实施例二中v₁的计算原理图。在图3中，以O₁、O₂、O₃、O₄代表第一至第四探测单元中声音传感器的几何中心，以直线AB代表目标飞行轨迹在第一平面内的投影，以M₁、M₂、M₃、M₄代表直线AB距第一至第四探测单元中的声音传感器的最近点，以α代表直线AB与x轴的夹角。由图3可得，v₁的计算公式为：

$v_1=\frac{\sqrt{2}l}{\sqrt{{(t_1-t_3)}^2+{(t_4-t_2)}^2}}$

式中，t₁为目标距离第一声音传感器的最近点时刻，t₂为目标距离第二声音传感器的最近点时刻，t₃为目标距离第三声音传感器的最近点时刻，t₄为目标距离第四声音传感器的最近点时刻。

与v₁的计算方法类似，通过无线电多普勒传感器的位置差异、最近点时刻差异可求解出v₂。具体的，v₂的计算公式如下：

$v_2=\frac{\sqrt{2}l}{\sqrt{{(t_1^{\′}-t_3^{\′})}^2+{(t_4^{\′}-t_2^{\′})}^2}}$

式中，t′₁为目标距离第一无线电多普勒传感器的最近点时刻，t′₂为目标距离第二无线电多普勒传感器的最近点时刻，t′₃为目标距离第三无线电多普勒传感器的最近点时刻，t′₄为目标距离第四无线电多普勒传感器的最近点时刻。

最后，对v₁、v₂取平均，即可得到目标的飞行速度v。

在具体实施例二中，通过以上步骤即可对低空慢速小目标的飞行速度进行准确探测。进一步的，通过将探测单元排列成正方形阵列，大大简化了飞行速度的计算过程。

以探测方法为基础，本发明还提出了一种低空慢速小目标飞行速度的复合探测系统。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：探测模块1、飞行速度计算模块2。

探测模块1由布设在目标飞行区域下方的N个探测单元构成，所述N个探测单元按照预设的分布策略设置在第一平面内、且N个探测单元不完全共线；每个探测单元由声音传感器、无线电多普勒传感器复合而成。探测模块1用于探测目标距离声音传感器的最近点时刻t_i、以及目标距离无线电多普勒传感器的最近点时刻t_i'，i＝1,2,…N。其中，所述目标做匀速直线飞行，N为大于等于3的整数。

在具体实施时，可将探测模块1布设在建筑物，和/或，路灯上。其中，探测单元的总个数、相邻探测单元的间隔可根据实际情况确定。比如，N取4，间隔为1000米。

飞行速度计算模块2用于根据t_i计算目标飞行速度的第一估计值v₁，根据t′_i计算目标飞行速度的第二估计值v₂；以及，根据v₁、v₂确定目标的飞行速度v。其中，目标飞行速度v的计算公式如下：

$v=\frac{v_1+v_2}{2}$

在具体实施时，当探测模块1不同时，飞行速度计算模块2计算v₁、v₂所用的公式也不同。比如，在一个实施例中，探测模块1由第一至第四探测单元构成，且第一至第四探测单元依次排列在正方形阵列的四个顶点上。在该实施例中，v₁、v₂的计算公式如下：

$v_1=\frac{\sqrt{2}l}{\sqrt{{(t_1-t_3)}^2+{(t_4-t_2)}^2}}$

$v_2=\frac{\sqrt{2}l}{\sqrt{{(t_1^{\′}-t_3^{\′})}^2+{(t_4^{\′}-t_2^{\′})}^2}}$

式中，l为相邻两个探测单元的间距。在本发明的探测系统中，通过探测模块可实现对低空慢速小目标的识别，进而确定目标距离声音传感器、无线电多普勒传感器的最近点时刻；通过飞行速度计算模块可实现对目标飞行速度的精确探测。进一步的，通过选用低成本的声音传感器、无线电多普勒传感器，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。