毫米波雷達(dá)高壓線檢測(cè)技術(shù)的研究進(jìn)展*

羅旌勝，賀治華，熊　偉,2，陶飛翔

(1.中航工業(yè)雷華電子技術(shù)研究所，江蘇 無(wú)錫 214063；2.南京航空航天大學(xué) 電子信息工程學(xué)院,南京 210016)

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毫米波雷達(dá)高壓線檢測(cè)技術(shù)的研究進(jìn)展*

羅旌勝**，賀治華1，熊偉1,2，陶飛翔1

(1.中航工業(yè)雷華電子技術(shù)研究所，江蘇 無(wú)錫 214063；2.南京航空航天大學(xué) 電子信息工程學(xué)院,南京 210016)

高壓線是威脅飛行器低空安全飛行的主要障礙，高壓線的準(zhǔn)確檢測(cè)和有效預(yù)警是毫米波低空防撞雷達(dá)最重要的功能需求之一。首先介紹了毫米波雷達(dá)高壓線檢測(cè)技術(shù)的研究現(xiàn)狀，其次重點(diǎn)分析了高壓線的電磁散射特性、檢測(cè)算法和檢測(cè)系統(tǒng)三個(gè)主要方面的研究進(jìn)展，提出了毫米波防撞雷達(dá)應(yīng)具備大空域掃描、高數(shù)據(jù)更新率、高分辨率、小目標(biāo)檢測(cè)和抗雜波干擾等特點(diǎn)，最后指出了高壓線檢測(cè)技術(shù)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，即基于多傳感器信息融合檢測(cè)、自主學(xué)習(xí)的智能化檢測(cè)和深度信息檢測(cè)。

毫米波雷達(dá)；低空防撞雷達(dá)；高壓線檢測(cè)；電磁散射；研究進(jìn)展

1　引　言

隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)形式的復(fù)雜化，低空突防和低空搜救成為越來(lái)越重要的飛行任務(wù)。從近些年來(lái)飛行器的事故統(tǒng)計(jì)得知，飛行器與低空障礙物碰撞的事故頻頻發(fā)生，地面的煙囪、高壓線成為威脅其飛行安全的主要障礙。高壓線由于其體積小，在視線不好和前方有遮擋等情況下肉眼難以發(fā)現(xiàn)，因此高壓線成為飛行器在低空飛行中最危險(xiǎn)的障礙物。美軍的“阿帕奇”武裝直升機(jī)就曾多次因?yàn)榕鲎哺邏壕€而撞毀墜地。

毫米波雷達(dá)用于探測(cè)高壓線具有體積小、分辨率高、可全天時(shí)全天候使用等特點(diǎn)，成為近年來(lái)世界各國(guó)發(fā)展低空防撞系統(tǒng)的優(yōu)先選擇[1-4]。

近幾十年來(lái)，高壓線檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展已成為關(guān)注重點(diǎn)，但大多數(shù)的研究都是針對(duì)高壓線探測(cè)的某些難點(diǎn)開展的。大量的研究結(jié)果表明：高壓線檢測(cè)技術(shù)流程復(fù)雜，算法思路多樣，涉及技術(shù)領(lǐng)域廣泛，因此有必要對(duì)高壓線檢測(cè)技術(shù)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行專門性的整理與總結(jié)。

本文首先總結(jié)了毫米波雷達(dá)高壓線檢測(cè)技術(shù)的研究現(xiàn)狀，其次重點(diǎn)分析了高壓線檢測(cè)系統(tǒng)、高壓線電磁散射特性和高壓線檢測(cè)算法三個(gè)方面內(nèi)容的研究進(jìn)展，最后指出了高壓線檢測(cè)技術(shù)未來(lái)的研究方向。

2　研究現(xiàn)狀

近些年來(lái)，由于低空防撞裝備的應(yīng)用及發(fā)展需求不斷增加，世界各國(guó)開展了大量毫米波雷達(dá)高壓線檢測(cè)技術(shù)的研究工作。下面對(duì)主要的研究現(xiàn)狀進(jìn)行介紹。

2.1高壓線檢測(cè)系統(tǒng)技術(shù)要點(diǎn)

高壓線作為低空安全飛行的主要威脅，對(duì)其有效的探測(cè)和及時(shí)的告警是毫米波高壓線探測(cè)系統(tǒng)的首要任務(wù)。

低空飛行器希望高壓線探測(cè)系統(tǒng)可以全天時(shí)全天候在足夠大的空間快速掃描，盡可能遠(yuǎn)距離準(zhǔn)確地獲得目標(biāo)的位置信息，并進(jìn)行威脅分析與飛行引導(dǎo)。高壓線檢測(cè)的技術(shù)要點(diǎn)是高分辨率、高數(shù)據(jù)更新率、大掃描空域、小目標(biāo)檢測(cè)、遠(yuǎn)距離探測(cè)和抗雜波干擾等[3]。由于高壓線結(jié)構(gòu)復(fù)雜，雷達(dá)散射截面小，雜波干擾嚴(yán)重，要想完全實(shí)現(xiàn)這些技術(shù)要點(diǎn)對(duì)于毫米波雷達(dá)來(lái)說(shuō)是非常具有挑戰(zhàn)性的。

2.2高壓線電磁散射特性

雷達(dá)信號(hào)回波與目標(biāo)的電磁散射特性密切相關(guān)。高壓線的結(jié)構(gòu)特殊，探測(cè)環(huán)境復(fù)雜，需要人們深入地研究其在各個(gè)空間方向、各種頻率下包括幅度、相位和極化等方面的電磁散射特性。

用簡(jiǎn)單長(zhǎng)導(dǎo)體圓柱模型可近似模擬高壓線，但其模型結(jié)構(gòu)不夠精細(xì)，只能反映高壓線在X頻段及以下頻段的電磁散射特性。麻省理工大學(xué)林肯實(shí)驗(yàn)室Al-Khatib[5]用幾何光學(xué)模型近似推導(dǎo)了單根高壓線的雷達(dá)散射截面積(Radar Cross Section，RCS)計(jì)算公式，從理論上較為精準(zhǔn)地反映了高壓線的周期結(jié)構(gòu)特性，并且進(jìn)一步預(yù)言了高壓線Bragg散射特性的存在。

隨后伊朗的Sarabandi[6-8]和日本的Hiroyuki Yamaguchi[9]等人都證實(shí)了高壓線Bragg散射特性的存在。Sarabandi等人發(fā)現(xiàn)了高壓線與雜波的極化分量有著明顯區(qū)別，這為基于雷達(dá)極化特征的高壓線檢測(cè)與識(shí)別方法奠定了基礎(chǔ)。近幾年來(lái)，文獻(xiàn)[10-13]對(duì)76 GHz高壓線的電磁散射特性做了重點(diǎn)研究，為滿足低成本小型化的應(yīng)用需求提供了技術(shù)方案。

高壓線是成組存在的，雷達(dá)在探測(cè)過(guò)程中一個(gè)波束內(nèi)往往會(huì)包含多根高壓線，文獻(xiàn)[14-16]研究了高壓線的群組特性，證實(shí)了多根高壓線的Bragg散射特性仍然存在，可以作為高壓線的不變特性。

2.3高壓線檢測(cè)算法

最早的高壓線檢測(cè)方法是基于恒虛警自動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)的，此方法在信雜比不足和雷達(dá)入射角度不佳的情形下，檢測(cè)效果很不理想。

高壓線的Bragg散射特性是區(qū)別高壓線與其他目標(biāo)的最有效特征，文獻(xiàn)[17]利用此特征提出了角度模板匹配(Angular Profile Matching，APM)高壓線檢測(cè)算法，文獻(xiàn)[7-8]和文獻(xiàn)[18]也將Bragg散射特性作為檢測(cè)高壓線的重要特征。

由于高壓線的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使得其在不同極化方式下的回波特征與地面的樹木、沙地等雜波有較大區(qū)別，Sarabandi等人提出了基于極化合成孔徑雷達(dá)(Synthetic Aperture Radar，SAR)圖像特征提取的高壓線檢測(cè)方法，研究結(jié)果表明該算法具有較好的抗雜波性能。

通常高壓塔架設(shè)基本處于一條直線，文獻(xiàn)[18-19]提出了用霍夫變換從信號(hào)或圖像中提取直線，再利用高壓線的Bragg散射特性、平均峰值距離等作為檢測(cè)特征的高壓線檢測(cè)思路，其中Ma Qirong等人與霍尼韋爾公司的Goshi[20]展開合作完成了算法的初步應(yīng)用，他們的公開測(cè)試結(jié)果表明算法對(duì)500 m左右的高壓線正確檢測(cè)概率達(dá)到98%，其檢測(cè)效果在特定的環(huán)境下已經(jīng)相當(dāng)有效了。

3　高壓線檢測(cè)關(guān)鍵技術(shù)

高壓線的RCS很小，受地表強(qiáng)雜波干擾也很嚴(yán)重，信噪比和信雜比的不足成為其探測(cè)的主要難點(diǎn)。要想解決這兩個(gè)難點(diǎn)，首先的研究重點(diǎn)是高壓線在毫米波段的電磁散射特性，其次是根據(jù)目標(biāo)的特性研究適合于高壓線探測(cè)的雷達(dá)體制、掃描策略等系統(tǒng)技術(shù)，最后是著重于研究高壓線檢測(cè)算法。下面分別對(duì)這三個(gè)關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行回顧與分析。

3.1高壓線的散射特性

高壓線的材料成分特殊，幾何結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，因此研究高壓線電磁散射特性，提煉出高壓線不同于其他目標(biāo)例如幅度、相位和極化等的電磁散射特性，是高壓線檢測(cè)的基本工作。

3.1.1高壓線的結(jié)構(gòu)特征

圖1為高壓線的物理結(jié)構(gòu)示意圖，高壓傳輸線纜是由一根承重線和多股絞合線纏繞而成的長(zhǎng)形導(dǎo)線。一組高壓線都是由兩根以上的火線和地線組成的，由此可知，在探測(cè)中高壓傳輸線總是成群成組出現(xiàn)在視場(chǎng)中的。

圖1　高壓線物理結(jié)構(gòu)

低空架設(shè)的高壓線根據(jù)地形、傳輸電壓的差異，所使用的線型會(huì)有所不同，通常單根高壓線直徑在10～50 mm，單根絞合線的直徑在5～10 mm，相鄰絞合線的表面間距在10～20 mm[9]，纏繞周期P要遠(yuǎn)大于單根高線的直徑。

由于電磁波的散射特性與目標(biāo)的結(jié)構(gòu)尺寸相關(guān)，高壓線的幾何尺寸處于毫米量級(jí)，因此研究高壓線在毫米波頻段的電磁散射特性是極為關(guān)鍵的。由于在35 GHz、76 GHz和94 GHz這幾個(gè)頻段電磁波傳播過(guò)程中大氣衰減較小，目前毫米波雷達(dá)高壓線散射特性的研究主要集中在這些頻段附近。

3.1.2高壓線電磁散射特性研究現(xiàn)狀

長(zhǎng)導(dǎo)體圓柱高壓線模型如圖2(a)[7]所示，當(dāng)雷達(dá)電磁波在0°角入射時(shí)，其RCS達(dá)到最大，如圖2(b)所示。長(zhǎng)導(dǎo)體圓柱模型基本可以反應(yīng)高壓線在X頻段及以下頻段的電磁散射特性，但并不能完全反映毫米波頻段的電磁散射特性。

(a)模型幾何結(jié)構(gòu)

(b)一定入射角度范圍的RCS

電磁波帶有重要的相位信息，當(dāng)接收到的電磁波相位相同時(shí)可達(dá)到最佳疊加效果。圖3[9]為精細(xì)化的高壓線結(jié)構(gòu)模型，圖3(a)所示為考慮高壓線絞合周期結(jié)構(gòu)，當(dāng)入射波到達(dá)相鄰絞合線表面的波程差為半波長(zhǎng)的整數(shù)倍時(shí)，其后向散射回波將同相疊加，即入射角滿足時(shí)，散射回波出現(xiàn)峰值如圖3(b)所示。式(1)中：θn為第n個(gè)散射峰值角；λ為波長(zhǎng)。這種在特定的入射角出現(xiàn)散射峰值的現(xiàn)象被稱為Bragg散射特性，入射角0°時(shí)散射峰值達(dá)到最大，將其稱為Bragg散射主瓣，其他散射峰稱為副瓣。

Lsin(θn)=nλ/2,n=0,±1,±2,…

(1)

(a)高壓線模型幾何結(jié)構(gòu)

(b)一定入射角度范圍的RCS

在20世紀(jì)90年代到21世紀(jì)初，世界范圍內(nèi)開展了大量的高壓線電磁散射特性研究。Sarabandi[6]建立了精細(xì)的高壓線結(jié)構(gòu)模型，仿真研究了C頻段(4.5～5 GHz)、X頻段(9.25～9.75 GHz)和Ka頻段(34.5～35 GHz)下幾種不同規(guī)格參數(shù)的高壓線電磁散射特性，得出的研究結(jié)論可歸納如下：

(1)在C、X頻段，高壓線RCS模型可近似為長(zhǎng)導(dǎo)體圓柱；

(2)高壓線在Ka頻段存在明顯的Bragg散射主副瓣；

(3)Bragg散射副瓣在多種極化條件下都存在，且垂直極化要強(qiáng)于其他極化方式。

1999年，Sarabandi[7]在實(shí)驗(yàn)室條件下比較了94 GHz頻段下同等直徑不同線型的高壓線和圓柱體的RCS特性，證實(shí)了文獻(xiàn)[6]中的結(jié)論，并且驗(yàn)證了高壓線懸掛有冰晶或雨水時(shí)其Bragg散射特性仍然存在。

在同一時(shí)，期日本的Hiroyuki Yamaguchi和Akihiro Kajiwara等人[9]在微波暗室內(nèi)，獲取了35 GHz、94 GHz不同極化方式下的高壓線回波，相比于Sarabandi等人他們對(duì)高壓線RCS特性的研究工作更加定量。其主要的研究結(jié)論可歸納為以下3條：

(1)35 GHz和94 GHz的散射主副瓣都與Bragg散射角度相符，垂直共極化的RCS要強(qiáng)于水平共極化；

(2)相同的高壓線，94 GHz 的Bragg散射副瓣要比35 GHz高7～13 dB；

(3)相同角度范圍內(nèi)94 GHz的Bragg散射副瓣要多于35 GHz，滿足與頻率成正比例關(guān)系。

前期的高壓線電磁散射特性研究工作主要集中于35 GHz和94 GHz附近，在76 GHz的研究由于其較低的發(fā)射功率和較近的探測(cè)距離并未得到重視，但考慮到低造價(jià)小型化[21]的民用防撞檢測(cè)系統(tǒng)需求，76～77 GHz的高壓線散射特性和防撞雷達(dá)系統(tǒng)的研究得以開展。Shunichi Futatsumori[10-11]細(xì)致地研究了76 GHz的高壓線極化特征，證實(shí)了垂直極化Bragg散射第一、二個(gè)副瓣的大小主要受高壓線直徑的大小影響，水平極化Bragg散射主瓣大于垂直極化。德國(guó)Volker Ziegler和Falk Schubert等人[13]構(gòu)建了小型化、低造價(jià)的民用防撞檢測(cè)系統(tǒng)地面實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)中他們獲取的140 m的高壓線信噪比(Signal-to-noise Ratio，SNR)為32 dB，245 m的高壓線SNR為25 dB，通過(guò)三維空間內(nèi)探測(cè)目標(biāo)的重構(gòu)可分辨出真實(shí)障礙物和虛假障礙物。

很顯然低空架設(shè)的高壓線不是單根存在的。如圖4所示，一組高壓傳輸線通常架設(shè)3～5層，每層的兩捆線纜又有2～6根單線。為了更符合實(shí)際，有必要研究多根、多組類型的高壓線RCS特性。

圖4　典型高壓線實(shí)物圖

德國(guó)的Helmut Essen[16]研究了10 GHz、35 GHz和94 GHz頻段兩種類型高壓線纜的RCS特性，但其研究的重點(diǎn)是在仿真數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比，并未對(duì)單根線纜和多根線纜的散射特性差異作進(jìn)一步分析。

受實(shí)驗(yàn)條件約束，早期的高壓線散射特性研究主要集中在近距離(大多在100～200 m)。Yamamoto[15]利用地面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)500 m外94 GHz頻段的高壓線RCS特性做了相應(yīng)的研究，其高壓線及塔的結(jié)構(gòu)示意圖如圖5[15]所示，高壓線離地44～49 m，塔高67～72 m。研究結(jié)果表明:

(1)在遠(yuǎn)距離同一波束內(nèi)的高壓線的條數(shù)要比近距離的多，其RCS要大于近距離單根高壓線的情況；

(2)高壓線組的Bragg散射特性仍然存在；

(3)實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)中高塔的RCS比高壓線要大1～15 dB，如圖5(b)所示。

(a)高壓塔結(jié)構(gòu)

(b)散射特性

經(jīng)證實(shí)，多根高壓線的Bragg散射回波可以疊加。

高壓線散射特性的研究已經(jīng)逐漸深入，高壓線的模型越來(lái)越精細(xì)，建模的場(chǎng)景也越來(lái)越真實(shí)，高壓線Bragg散射特性、極化特性、群組特性等的發(fā)現(xiàn)為高壓線檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

3.2高壓線檢測(cè)系統(tǒng)技術(shù)

高壓線檢測(cè)實(shí)際上是對(duì)空間環(huán)境的一種感知，從作戰(zhàn)使用的角度出發(fā)，應(yīng)充分考慮檢測(cè)系統(tǒng)在體積、成本和探測(cè)能力方面的要求。毫米波雷達(dá)基本滿足軍用直升機(jī)體積和重量的要求。已被廣泛裝備于武裝直升機(jī)上，探測(cè)能力主要指的是在探測(cè)距離、探測(cè)精度和探測(cè)范圍等方面的要求。為確保飛行的安全性，探測(cè)系統(tǒng)需要滿足4個(gè)設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

(1)大空域掃描

直升機(jī)機(jī)動(dòng)性強(qiáng)，特別是在低速飛行時(shí)水平變向能力很強(qiáng)，因而雷達(dá)要有足夠大的掃描范圍。歐洲直升機(jī)公司的Heliradar[1]毫米波引導(dǎo)與防撞雷達(dá)探測(cè)視角水平方向?yàn)?0°，垂直方向?yàn)?0°；Honeywell公司專門采訪了幾十個(gè)直升機(jī)飛行員，了解到他們對(duì)掃描空域的指標(biāo)需求是垂直方向視場(chǎng)大于15°，水平方向視場(chǎng)大于24°。實(shí)際的天線掃描策略應(yīng)根據(jù)飛機(jī)的飛行狀態(tài)、機(jī)動(dòng)性能動(dòng)態(tài)地調(diào)整，在保證安全飛行的同時(shí)提高探測(cè)性能。

(2)高數(shù)據(jù)更新率

一般的直升機(jī)飛行速度在250 km/h左右，高速直升機(jī)的速度可達(dá)到400 km/h以上。若雷達(dá)在一次掃描中未能檢測(cè)到高壓線，數(shù)據(jù)更新周期太長(zhǎng)則在下一次發(fā)現(xiàn)目標(biāo)時(shí)可能已經(jīng)相當(dāng)危險(xiǎn)了。加拿大的Oasys直升機(jī)態(tài)勢(shì)感知系統(tǒng)掃描速率達(dá)到150°/s，具有快速空間感知能力；國(guó)外典型的雷達(dá)數(shù)據(jù)更新周期在1～3 s[4]?？焖賿呙柰瑫r(shí)也帶來(lái)了大量的信息數(shù)據(jù)處理壓力，因此高數(shù)據(jù)更新率要考慮到掃描策略的制定，還應(yīng)該考慮到系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力。

(3)高分辨率

目標(biāo)的探測(cè)精度不僅與距離分辨率相關(guān)，還受限于角度分辨率，這是因?yàn)殡S著距離的增加波束覆蓋范圍增大，目標(biāo)區(qū)域以外的障礙物和地面回波干擾將更加嚴(yán)重。出于對(duì)小目標(biāo)檢測(cè)和強(qiáng)雜波抑制的考慮，也要求雷達(dá)有較高的距離和角度分辨率。典型的歐洲直升機(jī)公司的Heliradar雷達(dá)是SAR體制系統(tǒng)，其方位分辨率優(yōu)于0.2°，俯仰角誤差小于3°，距離分辨率小于2 m；德國(guó)的Hivision毫米波視景增強(qiáng)雷達(dá)其距離分辨率優(yōu)于5 m。距離與角度分辨率與目標(biāo)特性、波束寬度、信號(hào)波形等都密切相關(guān)，因此要從探測(cè)精度的要求出發(fā)綜合設(shè)計(jì)雷達(dá)系統(tǒng)。

(4)小目標(biāo)檢測(cè)和抗雜波干擾

目標(biāo)回波中如果受到有強(qiáng)雜波干擾其檢測(cè)難度非常大。天線副瓣水平和脈壓副瓣性能也將影響回波的質(zhì)量。為提高小目標(biāo)檢測(cè)性能，盡可能減少雜波的影響，需要設(shè)計(jì)高增益低副瓣天線，同時(shí)應(yīng)降低脈壓副瓣的影響，并且可以考慮將增強(qiáng)信號(hào)的小目標(biāo)檢測(cè)方法如檢測(cè)前跟蹤[22](Track before Detect,TBD)應(yīng)用于高壓線檢測(cè)中。國(guó)外研究的極化SAR體制高壓線檢測(cè)系統(tǒng)，綜合利用了水平極化、垂直極化和交叉極化的信息，具有較好的抗雜波性能。

高壓線檢測(cè)系統(tǒng)所需的大空域掃描、高數(shù)據(jù)更新率、高分辨率等特點(diǎn)，涉及到雷達(dá)體制的選擇、發(fā)射波形的設(shè)計(jì)和波束掃描策略的制定等技術(shù)領(lǐng)域，其復(fù)雜度可想而知，然而即便解決完這些問(wèn)題也只是滿足了獲取高質(zhì)量的探測(cè)數(shù)據(jù)的要求，高壓線檢測(cè)算法也是值得深入研究的課題。

3.3高壓線檢測(cè)算法

高壓線的體積非常小，與地面多數(shù)目標(biāo)如樹叢、水塔、建筑等相比，其回波強(qiáng)度普遍要小10～20 dB，想要在極復(fù)雜的低空環(huán)境下檢測(cè)到極小的雷達(dá)散射截面積的高壓線，就要充分提取出高壓線區(qū)別于其他目標(biāo)或是雜波的特征。高壓線的Bragg散射特性、多極化特性、群組特性等是其重要特征，目前大多數(shù)的高壓線檢測(cè)算法都是基于這些特征開展的。下面重點(diǎn)介紹幾種比較有代表性的高壓線檢測(cè)算法。

3.3.1恒虛警檢測(cè)方法

自1960年以來(lái)，基于恒虛警率(Constant False Alarm Rate,CFAR)的自動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)技術(shù)就被提出來(lái)，但由于高壓線檢測(cè)中受雜波的影響嚴(yán)重，直接將CFAR方法用于高壓線檢測(cè)其效果并不理想。

3.3.2APM檢測(cè)方法

APM高壓線檢測(cè)算法是由日本的Hiroyuki Yamaguchi等人[17]提出的，算法基本的檢測(cè)流程是將每種高壓線在各個(gè)入射角度的RCS特征作為模板，使用高分辨毫米波雷達(dá)對(duì)高壓線進(jìn)行掃描，用各個(gè)角度檢測(cè)到的高壓線信號(hào)與特征模板進(jìn)行匹配完成相關(guān)性排序，最后對(duì)檢測(cè)序列判決，從而實(shí)現(xiàn)高壓線的檢測(cè)。此方法與恒虛警檢測(cè)相比，有5 dB左右的信噪比提升。但Yamaguchi未考慮到雜波干擾對(duì)檢測(cè)性能的影響，并且在實(shí)際應(yīng)用中掃描出完整的高壓線截面也是相當(dāng)困難的。

3.3.3基于極化SAR圖像的檢測(cè)方法

由前文分析得知高壓線垂直極化的RCS要大于水平極化，多種極化方式下都存在Bragg散射副瓣，因此研究基于極化特征的高壓線檢測(cè)算法是較為有效的途徑。

Sarabandi和M.Park等人[7-8]研究了不同極化方式的高壓線電磁散射特性，并提出可以用不同極化分量來(lái)區(qū)別高壓線和雜波；Lei Xie[23]證明了極化雷達(dá)的線性極化率和線極化維度兩個(gè)參數(shù)可用于區(qū)分水平結(jié)構(gòu)目標(biāo)和垂直結(jié)構(gòu)目標(biāo)；鄧少平[24]提出了基于Hough域同極化和交叉極化相干性恒虛警率電力線自動(dòng)檢測(cè)方法。這些都是基于極化的高壓線檢測(cè)算法的很好應(yīng)用。

高壓線下方的雜波背景通常為草地和森林等，其散射具有方位對(duì)稱性，散射矩陣的同極化和交叉極化分量是不相關(guān)的，然而高壓線不滿足散射對(duì)稱性，極化分量則具有相關(guān)性。同極化及正交極化相關(guān)系數(shù)定義為

(2)

式中：Svv為散射矩陣的水平共極化分量；Shv為散射矩陣的正交極化分量。Sarabandi理論推導(dǎo)了目標(biāo)檢測(cè)的虛警概率和檢測(cè)概率，計(jì)算了相關(guān)系數(shù)與檢測(cè)概率的變化關(guān)系。圖6[8]為高壓線極化相關(guān)系數(shù)與概率密度函數(shù)的關(guān)系，從圖中可以看出雜波和目標(biāo)有明顯的相關(guān)系數(shù)門限。

圖6　相關(guān)系數(shù)

Sarabandi利用相關(guān)系數(shù)特征，提出基于極化的高壓線檢測(cè)算法，將其應(yīng)用于毫米波極化SAR圖像的高壓線檢測(cè)中。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明高壓線水平極化與正交極化的相關(guān)性要強(qiáng)于大部分的地面雜波(如樹木、瀝青地面等)，在強(qiáng)雜波背景條件下，極化檢測(cè)在大入射角度甚至可提高20 dB的信雜比。

基于SAR極化的高壓線檢測(cè)方法具有分辨率高、覆蓋面積廣的特點(diǎn)，用于大面積的高壓線測(cè)繪應(yīng)用前景廣闊，但SAR圖像數(shù)據(jù)量大、實(shí)時(shí)性差，并且無(wú)法對(duì)飛行前視范圍的目標(biāo)成像，這也將制約其在低空飛行器的應(yīng)用。

3.3.4基于特征分類器的檢測(cè)方法

模式識(shí)別的方法經(jīng)常被用于目標(biāo)檢測(cè)和識(shí)別中。經(jīng)典的支持向量機(jī)(Support Vector Machine,SVM)是基于特征的，適用于訓(xùn)練樣本小、特征維數(shù)高的模式識(shí)別方法，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于目標(biāo)識(shí)別與分類。高壓線的散射特性與噪聲及雜波存在差異，高壓線又是由分布較為均勻的高壓塔支撐的，因此提取回波中的平均功率、峰值功率、強(qiáng)散射點(diǎn)均值和方差等特征用于檢測(cè)或識(shí)別高壓線是完全可行的。

2011年，Ma Qirong[18]提出了一種聯(lián)合利用Hough變換和SVM分類器的自適應(yīng)高壓線檢測(cè)算法。算法的基本流程為：雷達(dá)獲取前方一定空域的掃描回波圖像(以下稱為天線幀圖像)，如圖7[18](a)所示；用Hough變換提取圖像中的直線，得到如圖7(b)所示的一維像素點(diǎn)信息；計(jì)算直線的功率均值、平均峰值間距和方差等多維特征信息；用SVM分類器分類，加入Bragg散射特征判斷，完成高壓線的檢測(cè)。在考慮了多個(gè)天線幀之間高壓線的積累問(wèn)題[20]，檢測(cè)算法更加穩(wěn)定。

(a)雷達(dá)天線幀掃描信號(hào)

(b)提取的高壓線樣本及噪聲樣本

基于特征分類器的高壓線檢測(cè)方法易于推廣，對(duì)于新的高壓線特征，經(jīng)過(guò)訓(xùn)練后可快速應(yīng)用于檢測(cè)中，但此方法對(duì)目標(biāo)的訓(xùn)練樣本較為敏感，要適應(yīng)各種不同環(huán)境下的高壓線檢測(cè)，需要大量不同類型的樣本。

3.3.5其他檢測(cè)算法

毫米波雷達(dá)高壓線檢測(cè)算法還有很多：魏璽章等[25]研究的34 GHz水平極化毫米波雷達(dá)的高壓線檢測(cè)算法是基于一維距離像特征的；衛(wèi)青春等[19]也做了相關(guān)的研究工作，其中衛(wèi)青春對(duì)多個(gè)天線幀高壓線的Bragg散射點(diǎn)積累，用Hough變換提取高壓線強(qiáng)散射點(diǎn)回波用于檢測(cè)高壓線具有一定的參考價(jià)值；文獻(xiàn)[26-27]對(duì)基于塔與線、線與線的空間位置關(guān)系的高壓線檢測(cè)算法的研究，具有一定的指導(dǎo)意義。這些檢測(cè)算法主要區(qū)別是在高壓線特征選擇或是特征獲得的方法不同。在未來(lái)的高壓線檢測(cè)算法中應(yīng)考慮不同的應(yīng)用場(chǎng)景，挖掘出更多有用的高壓線特征，提高檢測(cè)算法的可靠性。

表1對(duì)比了不同的高壓線檢測(cè)算法的原理和優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)果表明極化SAR檢測(cè)方法信雜比高，適于大面積測(cè)繪，特征分類檢測(cè)方法實(shí)時(shí)性強(qiáng)、穩(wěn)定性好，更適用于飛行器低空防撞。

表1　高壓線檢測(cè)算法比較

4　未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)分析

近些年來(lái)，國(guó)內(nèi)外的研究人員對(duì)高壓線電磁散射特性得到了比較統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，高壓線檢測(cè)算法也逐漸成熟，這為高壓線檢測(cè)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展、低空飛行的安全保障奠定了更堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。縱觀上述的研究進(jìn)展，結(jié)合高壓線檢測(cè)在信號(hào)增強(qiáng)及雜波抑制的技術(shù)難點(diǎn)，從未來(lái)信息的獲取途徑、維度和深度等方面擴(kuò)展，毫米波雷達(dá)高壓線檢測(cè)技術(shù)未來(lái)值得重點(diǎn)關(guān)注的方向主要有：

第一，多傳感器信息融合檢測(cè)。隨著未來(lái)高壓線的探測(cè)需求不斷提高，單一傳感器的信息承載量難以滿足探測(cè)要求，融合GPS[28]、光學(xué)、紅外、激光和毫米波等多傳感器的高壓線探測(cè)系統(tǒng)是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)之一。如何協(xié)調(diào)不同傳感器之的工作，在不同層次上對(duì)多傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，最大限度發(fā)揮多傳感器的探測(cè)優(yōu)勢(shì)，確保系統(tǒng)高效穩(wěn)定工作是后續(xù)要考慮的問(wèn)題。

第二，基于自主學(xué)習(xí)的智能化探測(cè)?，F(xiàn)有基于特征分類的高壓線檢測(cè)算法都是通過(guò)提取已知目標(biāo)特性完成檢測(cè)或識(shí)別處理的，這實(shí)際是一種監(jiān)督學(xué)習(xí)分類的方法。這樣的識(shí)別分類方法需要人工選取目標(biāo)樣本，花費(fèi)大量人力的同時(shí)也限制了機(jī)器的學(xué)習(xí)能力。自主學(xué)習(xí)方法不再被動(dòng)地接受信息，而是主動(dòng)詢問(wèn)對(duì)用戶有價(jià)值的信息進(jìn)行標(biāo)記學(xué)習(xí)[29]，例如：通過(guò)學(xué)習(xí)獲得不同雜波環(huán)境、不同目標(biāo)的回波特性，用于調(diào)整波形、掃描策略及高壓線的檢測(cè)算法等。通過(guò)這一途徑可突破傳統(tǒng)的檢測(cè)方法的瓶頸，完成對(duì)探測(cè)環(huán)境和探測(cè)目標(biāo)的學(xué)習(xí)，達(dá)到智能化檢測(cè)高壓線的目的。

第三，基于深度信息的高壓線檢測(cè)。深度信息最早是從計(jì)算機(jī)視覺(jué)引入的，其研究?jī)?nèi)容是由多幅二維平面圖恢復(fù)出三維空間信息[30]。目前的高壓線檢測(cè)算法大都是基于一維信息或是二維信息完成的，若能恢復(fù)探測(cè)區(qū)域的三維信息，進(jìn)行目標(biāo)信息的提取，立體匹配或是識(shí)別處理，就如同視覺(jué)系統(tǒng)中看到了高壓線一般，這將極大地提高探測(cè)能力?；谏疃刃畔⒌母邏壕€檢測(cè)其研究重點(diǎn)是三維信息的獲取、三維特征的提取和立體的匹配識(shí)別算法等。

5　結(jié)束語(yǔ)

毫米波雷達(dá)高壓線檢測(cè)技術(shù)是低空防撞領(lǐng)域備受關(guān)注的研究?jī)?nèi)容，檢測(cè)性能的優(yōu)越與否對(duì)于飛行器低空飛行的安全起到了至關(guān)重要的作用。近年來(lái)隨著高壓線檢測(cè)技術(shù)研究的不斷深入，已完成了多個(gè)方面多個(gè)角度的探索。本文圍繞高壓線檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，重點(diǎn)分析了高壓線電磁散射特性、高壓線檢測(cè)系統(tǒng)和高壓線檢測(cè)算法三個(gè)方面的研究進(jìn)展，并提出了未來(lái)的研究方向，希望可以對(duì)高壓線檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展提供幫助。

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羅旌勝(1987—)，男，福建永安人，2013年于電子科技大學(xué)獲碩士學(xué)位，現(xiàn)為工程師，主要從事雷達(dá)防撞技術(shù)和信號(hào)處理的研究;

LUO Jingsheng is born in Yongan,Fujian Province,in 1987. He received the M.S.degree from University of Electronic Science and Technology of China in 2013.He is now an engineer. His research concerns radar collision avoidance and signal processing.

Email:362046864@qq.com

賀治華(1973—)，男，河北滄州人，2005年于國(guó)防科技大學(xué)獲博士學(xué)位，現(xiàn)為高級(jí)工程師，主要從事雷達(dá)目標(biāo)識(shí)別和雷達(dá)防撞技術(shù)的研究;

HE Zhihua is born in Cangzhou,Hebei Province,in 1973. He received the Ph.D. degree from National University of Defense Technology in 2005. He is now a senior engineer. His research concerns radar target recognition and collision avoidance.

熊偉(1984—)，男，河南信陽(yáng)人，高級(jí)工程師，南京航空航天大學(xué)博士研究生，主要從事雷達(dá)圖像目標(biāo)識(shí)別的研究;

XIONG Wei is born in Xinyang,Henan Province,in 1984. He is now a senior engineer and currently working toward the Ph.D.degree. His research concerns radar image target recognition.

陶飛翔(1990—)，男，江蘇如皋人，2015年于南京航空航天大學(xué)獲碩士學(xué)位，主要從事雷達(dá)目標(biāo)識(shí)別的研究。

TAO Feixiang is born in Rugao,Jiangsu Province,in 1990. He received the M.S.degree from Nanjing University of Aeronautics and Astronautics in 2015. His research concerns radar target recognition.

Research Progress of High Voltage Line Detection by Millimeter-wave Radars

LUO Jingsheng1,HE Zhihua1,XIONG Wei1,2,TAO Feixiang1

(1.Leihua ElectronicTechnology Research Institute,Aviation Industry Corporation of China，Wuxi 214063，China；2.College of Electronic and Information Engineering,Nanjing University of Aeronautics and Astronautics Nanjing 210016,China)

High voltage line(HVL) is the main safety threat of low-flying aircrafts,and its accurate detect and effective early-warning is one of the most important functional requirements for low-altitude collision avoidance radars at millimeter-wave(MMW).This paper starts with introduction of the present research on HVL detection technology at millimeter-wave,then analyzes the main progress on electromagnetic scattering,detection algorithm and detection system of HVL detection,proposes that MMW collision avoidance radars should possess some necessary characteristics such as large scan volume,high data refreshment rate,high resolution,small target detection and anti-jamming clutter capability.Finally,it points out the main developing trends of HVL detection technology,i.e. HVL detection algorithms based on multi-sensor information fusion,intelligence of active learning and depth information.

millimeter-wave radar;low-altitude collision avoidance radar;detection of high voltage line;electromagnetic scattering;research progress

10.3969/j.issn.1001-893x.2016.10.020

2016-02-29；

2016-06-29Received date:2016-02-29；Revised date：2016-06-29

TN959.73

A

1001-893X(2016)10-1174-09

引用格式：羅旌勝，賀治華，熊偉，等.毫米波雷達(dá)高壓線檢測(cè)技術(shù)的研究進(jìn)展[J].電訊技術(shù)，2016,56(10):1174-1182.[LUO Jingsheng,HE Zhihua,XIONG Wei,et al.Research progress of high voltage line detection by millimeter-wave radars[J].Telecommunication Engineering,2016,56(10):1174-1182.]

**通信作者：362046864@qq.comCorresponding author：362046864@qq.com1