一种机场场面活动目标检测及速度序列获取方法与流程

本发明涉及先进场面引导与控制中的一种机场场面活动目标检测及速度序列获取方法，尤其是一种基于分布式非协作的地磁传感技术的场面活动目标检测及速度序列获取方法。

背景技术：

机场场面活动目标检测及速度序列的获取是场面活动目标引导与控制的重要基础。随着航空运输业的发展，场面环境越来越复杂，场面交通流量越来越大，场面飞行区的运行管制能力的瓶颈效应日益明显。

目前，对于场面活动目标的检测主要采用场面监视雷达、ADS-B、多点定位等技术进行检测定位；场面活动目标速度主要根据场面监视雷达数据的处理或者ADS-B机载设备的下传数据进行获取。但上述的技术手段存在固有的缺陷，具体表现如下：(1)场面监视雷达：容易受场面建筑物遮挡、低杂波、降雨等影响不能准确检测目标，通过获取的雷达数据进行处理获取的速度值误差较大；(2)ADS-B：需要机/车载应答机，非协作目标无法获得检测，目标速度通过机载设备下传的数据获取，但数据传输率低，容易出现间断不连续现象；(3)多点定位：需要机/车载应答机，需要布设站点和站点之间的同步通信线路，航空器/车辆至少同时被三个地面站覆盖。

随着分布式非协作传感器技术的发展，将地磁传感技术应用于场面活动目标检测及速度序列获取中来，可以有效的改善上述手段的固有缺陷。有助于在低成本，自动化程度高的软硬件条件下获取机场场面的交通态势，提高机场的容量，使机场能够在目标高密度、天气低能见度和场面构造高复杂度条件下，保障航空器和车辆安全、有序、高效的运行。通过在机场飞行区道路系统上铺设地磁检测节点来获取地磁感应信号，通过数据处理与融合方法来实现对目标的准确检测定位与速度序列的获取，为机场管制人员对目标的实时引导与控制，防止发生运行冲突和跑道入侵等提供重要数据支持和决策依据。

目前，智能地磁检测节点多采用单节点单传感器方案，该设计对目标检测定位具有良好的效果，但对于检测目标运行方向和获取目标速度序列较有难度，主要表现在：(1)节点间部署间距较远，场面活动目标在两个节点间只要有少许的运行偏移，就会造成地磁传感器采集的信号特征不一致，给目标速度的获取带来较大误差；(2)节点间需要通过无线方式实现时间同步，一旦在检测过程中时间不同步则造成提取的目标交通信息参数失效；(3)节点间频繁的时间同步和频繁的交通信息交互导致地磁检测节点能量较大的消耗。

技术实现要素：

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种机场场面活动目标检测及速度序列获取方法，本发明能够实现对目标的准确检测定位与速度序列的获取，同时有效的改善目前场面活动目标检测定位和速度获取的固有缺陷。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种机场场面活动目标检测及速度序列获取方法，用于对场面活动目标准确检测，并获取目标经过节点时的速度序列信息。采用搭载双地磁传感器的检测节点实时采集活动目标地磁感应信号，对地磁感应信号运用五点三次平滑滤波方法进行预处理。对预处理后的双地磁感应信号根据状态互补融合规则进行数据融合，以检测场面活动目标驶近、驶离检测节点及运行方向。确定场面活动目标出现时提取双地磁感应信号对应的波峰和波谷特征点，计算对应特征点之间的平均速度，进而获得目标的速度序列。

具体包括以下步骤：

步骤1，采用单节点双地磁传感器方案对地磁检测节点进行设计，地磁检测节点搭载的双地磁传感器沿场面活动目标的运行方向排列布置在跑道/滑行道的中心线上，通过双地磁传感器采集活动目标的地磁感应信号以及确定该地磁感应信号的数据点ID。

步骤2，对地磁检测节点的采集的地磁感应信号采用五点三次平滑滤波方法进行预处理。

步骤3，对预处理后的双地磁传感器采集的地磁感应信号根据状态互补融合规则进行数据融合。所述状态互补融合规则为双地磁传感器中任一一个地磁传感器检测到目标信号，则互补融合的状态即为检测到目标信号。根据预处理后的双地磁传感器采集的地磁感应信号和状态互补融合规则检测场面活动目标及运行方向。

步骤4，根据步骤3的检测结果，确定场面活动目标出现时，根据基于双地磁感应信号特征点的方法获取目标的速度序列。

所述步骤3中检测场面活动目标及运行方向的方法，包括以下步骤：

步骤31：设定检测场面活动目标的状态互补融合规则如下，

步骤32：检测是否有场面活动目标驶近地磁检测节点所部署区域，具体是，对检测节点搭载的双地磁传感器获取的地磁感应信号分别设置门限阈值T_i(k)，i＝1,2，分别对应传感器一和传感器二。k为传感器的采样时刻。任一地磁传感器采集的地磁感应信号超过设置的门限阈值，即认为场面活动目标驶近地磁检测节点。当出现步骤31中编号为S1或编号为S3的情形即认为场面活动目标驶近地磁检测节点部署区域。

步骤33：检测判断场面活动目标的运行方向，具体是，根据检测节点上搭载的双地磁传感器采集的地磁感应信号分别超过门限阈值的时间早晚来判断目标的运行方向，如出现步骤31中编号为S1的情形的时间早于出现编号为S3的情形的时间即判断场面活动目标的运行方向为传感器一至传感器二的方向。出现步骤31中的编号为S3的情形的时间早于出现编号为S1的情形的时间即判断场面活动目标的运行方向为传感器二至传感一的方向。

步骤34：检测场面活动目标是否驶离地磁检测节点，具体是，根据步骤31所设定的状态互融合规则，判断融合状态依次出现的顺序来检测场面活动目标是否驶离地磁检测节点，当编号依次为S0，S1，S2，S3，S0或者S0，S3，S2，S1，S0即认为场面活动目标驶离地磁检测节点。通过检测场面活动目标驶离地磁检测节点，然后转入步骤4，对场面活动目标的速度序列进行获取。

所述步骤32中门限阈值T_i(k)的设置方法：

步骤321，根据传感器的基准值根据状态互补融合规则采用权值更新法对基准值进行自适应处理，其自适应基准值公式如下所示：

式中：B_i(k)为传感器i自适应更新后的基准值。B_i(k-1)为传感器i更新前的基准值，a_i(k)为传感器i第k次采样时经过平滑后的采样信号值。α为更新遗忘权值。

步骤322，通过对地磁基准值自适应更应，取更新后的地磁基准值的(1±α)倍作为检测场面活动目标有无状态的阈值，其自适应阈值公式如下所示：

T_i(k)＝(1±α)B_i(k)i＝1,2。

式中：T_i(k)为门限阈值。

步骤4中根据基于双地磁感应信号特征点的方法获取目标的速度序列的方法：

步骤41：提取双地磁感应信号的对应特征点：在步骤3中检测场面活动目标的同时，分别截取传感器一采集的目标地磁感应信号组a₁[n]，n为数据点个数。传感器二采集的目标地磁感应信号组a₂[m]，m为数据点个数，并分别提取两组数据的第一个数据a₁[0]、a₂[0]和最后一个数据a₁[n-1]、a₂[m-1]作为目标地磁感应信号的对应的起始特征点和结束特征点，然后计算每一组数据的当前采样数据与前一时刻采样数据的差分值和当前采样数据与后一时刻采样数据的差分值，若两个差分值同时大于零则为波峰特征点，若两个差分值同时小于零则为波谷特征点。

步骤42：计算对应特征点之间的采样偏移量ds_i，具体是，根据对应特征点的数据点ID号计算差值来获取对应特征点之间的采用偏移量。

步骤43：获取场面活动目标经过地磁检测节点时的速度序列，具体是，计算对应特征点之间的速度值，计算公式为：

其中，D为地磁检测节点上双传感器之间的距离，地磁检测节点上搭载的双地磁传感器之间的距离D是可调的，且不大于场面上最短活动目标的长度L_min。f_s为双传感器的数据采样频率，ds_i为地磁感应信号一和地磁感应信号二在采样序列上第i个对应特征点的偏移量。从而得到场面活动目标经过地磁检测节点时的速度序列为V＝{v(1),v(2),…,v(i)…}。

所述步骤41中的特征点包括：目标地磁感应信号起始点、波峰、波谷以及目标地磁感应信号结束点。

本发明具有的有益效果是：将地磁传感技术应用于场面活动目标检测及速度序列获取中来，可以有效的改善目前场面活动目标检测定位和速度获取的固有缺陷。通过在机场飞行区道路系统上铺设地磁检测节点来获取地磁感应信号，通过数据处理与融合方法来实现对目标的准确检测定位与速度序列的获取，为机场管制人员对目标的实时引导与控制，防止发生运行冲突和跑道入侵等提供重要数据支持和决策依据。

附图说明

图1是一种机场场面活动目标检测及速度序列获取方法流程图；

图2是地磁检测节点设计结构图

图3是地磁检测节点的部署示意图

图4是地磁传感器采集的原始地磁感应信号数据

图5是经过五点三次平滑滤波后的地磁感应信号波形

图6是场面活动目标检测状态互补融合流程图

图7是某一场面活动目标的双地磁感应信号波形图

图8为场面活动目标地磁感应信号特征点提取流程。

图9是某一场面活动目标匀速运动经过检测节点时预处理后的双地磁感应信号波形图

图10是某一场面活动目标匀速运动经过检测节点时预处理后的双地磁感应信号波形图

图11是某一场面活动目标匀速运动经过检测节点时预处理后的双地磁感应信号波形图

图12是某一场面活动目标匀速运动时提取的对应特征点及计算的采样偏移量

图13是某一场面活动目标匀加速运动时提取的对应特征点及计算的采样偏移量

图14是某一场面活动目标匀减速运动时提取的对应特征点及计算的采样偏移量

图15是某一场面活动目标匀速运动时获取速度序列与实际速度序列对比图

图16是某一场面活动目标匀加速运动时获取速度序列与实际速度序列对比图

图17是某一场面活动目标匀减速运动时获取速度序列与实际速度序列对比图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

一种机场场面活动目标检测及速度序列获取方法，采用搭载双地磁传感器的检测节点实时采集活动目标地磁感应信号，对地磁感应信号运用五点三次平滑滤波方法进行预处理。对预处理后的双地磁感应信号根据状态互补融合规则进行数据融合，以检测场面活动目标驶近、驶离检测节点及运行方向。确定场面活动目标出现时提取双地磁感应信号对应的波峰和波谷特征点，计算对应特征点之间的平均速度，进而获得目标的速度序列。

如图1所示，包括以下步骤：

步骤1，为了避免由于时间同步问题、地磁感应信号特征不一致，能量消耗等方面造成的速度序列获取误差，本发明采用单节点双地磁传感器方案对地磁检测节点进行设计，如图2所示是地磁检测节点设计结构图。

地磁检测节点的主要功能是部署在机场场面的不同位置，感知检测所在区域的磁场变化，以此来检测判断目标的运动状态。本发明设定地磁检测节点上搭载的双地磁传感器之间的距离D是可调的，且不大于场面上最短活动目标的长度L_min。考虑到在机场场面中道路的宽度较大，如果将地磁检测节点部署在道路两侧，采集的地磁感应信号比较微弱，不便于对目标的检测定位和速度序列的获取。因此本发明将地磁检测节点搭载的双地磁传感器沿场面活动目标的运行方向排列布置在跑道/滑行道的中心线上，如图3所示是地磁检测节点的部署示意图。

通过双地磁传感器采集活动目标的地磁感应信号以及确定该地磁感应信号的数据点ID。

步骤2，对地磁检测节点的采集的地磁感应信号采用五点三次平滑滤波方法进行预处理。

由于在数据采集过程中地磁感应信号混入了随机噪声信号，导致信号曲线中产生毛刺和尖峰，因此需要对信号进行滤波平滑处理。

本发明采用五点三次平滑滤波方法进行预处理；具体过程是：五点三次平滑法是利用最小二乘法原理对离散数据进行三次最小二乘多项式平滑的方法。假设所采集到的原始地磁感应信号时间序列为e(1),e(2),…,e(k),…，a(1),a(2),…,a(k),…a(m)为经过五点三次平滑滤波后的信号时间序列，则第k个采样信号的计算公式为：

图4是地磁传感器采集的原始地磁感应信号数据，图5为经过五点三次平滑滤波后的地磁感应信号波形。

步骤3，对预处理后的双地磁传感器采集的地磁感应信号根据状态互补融合规则进行数据融合。所述状态互补融合规则为双地磁传感器中任一一个地磁传感器检测到目标信号，则互补融合的状态即为检测到目标信号。根据预处理后的双地磁传感器采集的地磁感应信号和状态互补融合规则检测场面活动目标及运行方向。

步骤31：设定检测场面活动目标的状态互补融合规则如下，

图6为场面活动目标检测状态互补融合流程图。

步骤32：检测是否有场面活动目标驶近地磁检测节点所部署区域，具体是，对检测节点搭载的双地磁传感器获取的地磁感应信号分别设置门限阈值T_i(k)，i＝1,2，分别对应传感器一和传感器二。k为传感器的采样时刻。任一地磁传感器采集的地磁感应信号超过设置的门限阈值，即认为场面活动目标驶近地磁检测节点。当出现步骤31中编号为S1或编号为S3的情形即认为场面活动目标驶近地磁检测节点部署区域。

基准值和阈值是实现场面活动目标地磁感应信号分离的重要参数。由于地磁检测节点周边地磁环境和温度的改变会使地磁感应信号的基准值产生漂移，如果不对基准值和阈值进行自适应处理，会影响场面活动目标检测的精度甚至造成算法的失效。本发明采用权值更新法对基准值和阈值进行自适应处理。自适应基准值公式如下式所示：

式中：B_i(k)为传感器i自适应更新后的基准值；B_i(k-1)为传感器i更新前的基准值，a_i(k)为传感器i第k次采样时经过平滑后的采样信号值；α为更新遗忘权值，其取值影响基准值的自适应快慢程度，取值过小，基准值更新过慢，导致自适应延迟，取值过大，外界磁场的干扰会对基准值的更新产生影响。

通过对地磁基准值自适应更应，取更新后的地磁基准值的(1±α)倍作为检测场面活动目标有无状态的阈值，其自适应阈值公式如下式所示：

T_i(k)＝(1±α)B_i(k)i＝1,2。

步骤33：检测判断场面活动目标的运行方向，具体是，根据检测节点上搭载的双地磁传感器采集的地磁感应信号分别超过门限阈值的时间早晚来判断目标的运行方向，如出现步骤31中编号为S1的情形的时间早于出现编号为S3的情形的时间即判断场面活动目标的运行方向为传感器一至传感器二的方向。出现步骤31中的编号为S3的情形的时间早于出现编号为S1的情形的时间即判断场面活动目标的运行方向为传感器二至传感一的方向。

步骤34：检测场面活动目标是否驶离地磁检测节点，具体是，根据步骤31所设定的状态互融合规则，判断融合状态依次出现的顺序来检测场面活动目标是否驶离地磁检测节点，当编号依次为S0，S1，S2，S3，S0或者S0，S3，S2，S1，S0即认为场面活动目标驶离地磁检测节点。通过检测场面活动目标驶离地磁检测节点，然后转入步骤4，对场面活动目标的速度序列进行获取。

步骤4，根据步骤3的检测结果，确定场面活动目标出现时，根据基于双地磁感应信号特征点的方法获取目标的速度序列。

基于双地磁感应信号特征点对目标速度序列的获取方法。图7为某一场面活动目标的双地磁感应信号波形图。由于在同一检测区域对同一活动目标的检测，地磁检测节点搭载的双地磁传感器获取的地磁感应信号波形相似。同一目标的铁磁性材料分布部位相同，铁磁性材料分布密度较大的部位依次经过双地磁传感器时，会导致节点检测区域地磁较大的扰动，映射在波形曲线上则为波形的波峰、波谷等特征点。因此，波形1和波形2均存在相同的若干特征点(检测起始点、波峰、波谷、极值点、检测结束点等)。两波形的对应特征点可认为目标某一横断面穿越地磁检测节点时依次经过双地磁传感器所获取的地磁扰动信息。在波形1和波形2上提取若干特征点，通过对应特征点的采样偏移量可求取目标若干横断面的瞬时速度序列，该速度序列可作为目标经过地磁检测节点的瞬时速度序列。图8，图9，图10为某一场面活动目标分别以匀速，匀加速，匀减速运动经过同一检测节点时所采集的双地磁感应信号波形图。其具体步骤包括：

步骤41：提取双地磁感应信号的对应特征点：特征点包括：目标地磁感应信号起始点、波峰、波谷以及目标地磁感应信号结束点。提取方法具体是，在步骤3中检测场面活动目标的同时，分别截取传感器一采集的目标地磁感应信号组a₁[n]，n为数据点个数。传感器二采集的目标地磁感应信号组a₂[m]，m为数据点个数，并分别提取两组数据的第一个数据a₁[0]、a₂[0]和最后一个数据a₁[n-1]、a₂[m-1]作为目标地磁感应信号的对应的起始特征点和结束特征点，然后计算每一组数据的当前采样数据与前一时刻采样数据的差分值和当前采样数据与后一时刻采样数据的差分值，若两个差分值同时大于零则为波峰特征点，若两个差分值同时小于零则为波谷特征点。图11为场面活动目标地磁感应信号特征点提取流程图。

步骤42：计算对应特征点之间的采样偏移量ds_i，具体是，根据对应特征点的数据点ID号计算差值来获取对应特征点之间的采用偏移量。

图12为从图8中的双地磁感应信号波形图中提取的对应特征点及计算的采样偏移量，即该场面活动目标匀速运动时提取的对应特征点及计算的采样偏移量。

图13为从图9中的双地磁感应信号波形图中提取的对应特征点及计算的采样偏移量，即该场面活动目标匀加速运动时提取的对应特征点及计算的采样偏移量。

图14为从图10中的双地磁感应信号波形图中提取的对应特征点及计算的采样偏移量，即该场面活动目标匀减速运动时提取的对应特征点及计算的采样偏移量。

步骤43：获取场面活动目标经过地磁检测节点时的速度序列，具体是，计算对应特征点之间的速度值，计算公式为：

其中，D为地磁检测节点上双传感器之间的距离，地磁检测节点上搭载的双地磁传感器之间的距离D是可调的，且不大于场面上最短活动目标的长度L_min。f_s为双传感器的数据采样频率，ds_i为地磁感应信号一和地磁感应信号二在采样序列上第i个对应特征点的偏移量。从而得到场面活动目标经过地磁检测节点时的速度序列为V＝{v(1),v(2),…,v(i)…}。

图15是目标匀速运动时获取速度序列与实际速度序列对比图。

图16是目标匀加速运动时获取速度序列与实际速度序列对比图。

图17是目标匀减速运动时获取速度序列与实际速度序列对比图。

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，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。