基于Hough變換的目標數據處理算法研究

陳 鏡，趙華敏

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0 引言

要發揮直升機的性能，就必須提高直升機在復雜地形、惡劣氣象條件下的超低空飛行能力[1]。為此，各國對直升機防撞告警設備，尤其是對電力線等障礙物的防撞告警系統的研究非常重視，直升機防撞已成為全世界關注的重要課題。

解決直升機避障可采用的技術有電磁場探測、紅外探測、激光雷達和毫米波雷達等。在探測范圍、分辨能力和全天候工作等多方面綜合比較，毫米波雷達是理想選擇。毫米波收發探測設備能在最惡劣的晝夜天氣(包括冰雹、煙霧和雨雪等)情況下，對障礙物進行檢測識別，為飛行員提供防撞告警[2]。

采用機載毫米波設備對電力線進行觀測，發射信號選擇為連續波調頻波形，接收和發射同時進行，避免了距離盲區。在動態飛行情況下，錄取得到電力線回波數據，分析了電力線目標的回波特征，在此基礎上，采用基于Hough變換的目標數據處理算法實現了目標檢測和識別。

1 電力線目標的回波特征

當f=35 GHz，p=17 mm時，θ=0，±14.6°，±30.3°，±49.1°，…。

圖1 電力線回波

直升機機載雷達探測目標場景如圖2所示。直升機向前飛行，在飛行過程中機載雷達對電力線進行掃描，在Bragg散射角θ處出現強散射點，點C為主峰，點A，B為副峰。另外，2個鐵塔也分別產生強散射點D，E。

圖2 直升機機載雷達探測目標場景

隨著直升機離電力線越來越近，點A，B逐漸向點C靠近，而點D，E的位置不變。

2 目標數據處理算法

采用毫米波雷達觀測電力線，目標回波主峰、副峰以及鐵塔回波在一條線上。在該特征基礎上，提出了相應的電力線目標數據處理算法，流程如圖3所示。

圖3 電力線目標數據處理算法流程

2.1 運動補償

雷達在行進間工作，直升機在運動過程中會發生姿態和位置的變化，因此需要先進行平臺運動補償[4-5]，把目標點跡統一到同一坐標系，然后才能進行后續的數據處理。運動補償包括坐標旋轉和坐標平移。

坐標旋轉是把雷達測得的目標極坐標數據轉為直角坐標，再轉到北東下(NED)坐標系。測站坐標系、NED坐標系和平臺姿態角如圖4所示，OXYZ為測站坐標系，oxyz為NED坐標系，慣導系統以NED坐標系為基準，給出平臺偏航角、俯仰角、橫滾角ψ，θ，τ。

圖4 測站坐標系、NED坐標系和平臺姿態角

設點P的測站直角坐標為(X，Y，Z)T，則NED直角坐標為：

式中，

坐標平移是把不同時刻目標的NED直角坐標統一到以最新時刻平臺位置為坐標原點的NED坐標系中。

設在t0時，點P的NED直角坐標為(X，Y，Z)T，慣導系統給出平臺東速度、北速度和天速度ve，vn，vu，當前時刻為t1，則更新NED直角坐標：

x=X-sn，y=Y-se，z=Z-sd，

式中，sn=vnΔt，se=veΔt，sd=-vuΔt，Δt=t1-t0。

2.2 Hough變換

Hough變換示意如圖5所示。

圖5 Hough變換示意

點C是直線AB上的一點，NED直角坐標為(x，y)T，從原點O向直線AB做垂線，垂足為D，通過Hough變換方程[6-8]：

ρ=xcosθ+ysinθ，

建立起(x，y)T～(ρ，θ)T的映射，其中，ρ為從原點O到直線AB的距離，θ為垂線OD與x軸的夾角。

從直線AB上取幾個點，通過Hough變換后得到參數空間中的曲線，這些曲線交于一點[9]

在單幀目標數據處理中，先對運動補償后的點跡進行Hough變換，然后通過峰值提取找到交點，再對交點進行反變換，得到電力線[10-12]。

2.3 點目標數據處理

點目標包括電力線、鐵塔以及其他點目標。

對于經多次觀測，不能匯集成線的點目標，則認為是其他非電力線類目標，予以剔除。對能夠形成連線的點目標認為是電力線點目標，處理時一直保留[13]。

鐵塔點目標需要進行相關判斷后決定是否保留。

若以前、當前鐵塔點目標P1，P2的NED極坐標(r1，α1)T，(r2，α2)T滿足：

|r1-r2|≤Gr，|α1-α2|≤Gα，

(1)

則點P1，P2相關，其中，Gr，Gα為距離、方位相關門[14-16]。

對于相關的點P1，P2，進行數據融合，得到融合點P的NED直角坐標：

(2)

式中，(x1，y1，z1)T，(x2，y2，z2)T分別為點P1，P2的NED直角坐標。

若點目標連續m次相關上，則一直保留該點目標；若點目標連續n次沒有相關上，則刪除該點目標。

2.4 線目標數據處理

線目標上的點目標包括鐵塔、電力線點目標。確認為線目標的數據繼續進行流水式相關和跟蹤處理，若多次觀測后，同一位置處線目標上的點數太少，則認為是虛假目標予以刪除；否則，認為是真實的電力線回波，保留該線目標，同時保留線目標上的電力線、鐵塔點目標[17]。

若以前、當前線目標L1，L2的參數(ρ1，θ1)T，(ρ2，θ2)T滿足：

|ρ1-ρ2|≤Gρ，|θ1-θ2|≤Gθ，

則線目標L1，L2相關，其中，Gρ，Gθ為ρ，θ相關門。

對相關線目標L1，L2上的鐵塔點目標，按式(1)和式(2)進行相關判斷、數據融合。

若線目標連續m次相關上，則一直保留該線目標，并給出目標告警信息；否則，若線目標連續n次沒有相關上，則認為是虛假目標，進行消批處理[18-19]。

3 試驗結果

為驗證數據處理模型和算法的有效性，對實際電力線進行了探測試驗，試驗設備主要參數為：工作頻點35 GHz、信號帶寬100 MHz、方位波束寬度1°以及俯仰波束寬度2°。試驗的電力線距離雷達設備約3 km，試驗結果如圖6所示，其中，虛線為處理出來的電力線目標。

圖6 目標數據處理試驗結果

由圖6可以看出，電力線回波幅度呈現出一定的周期性，導致線段不連續，在相鄰的2個檢測點目標中間的區域，由于散射信號弱，未能檢測到信號。整體來看，由于檢測到的點數較多，且呈現明顯的線段分布特性，可以實現有效的目標檢測。另外，幾簇密集分布的面目標為鐵塔目標，幅度較強，間隔約400 m，鐵塔目標和電力線回波可綜合進行數據處理，互相印證、協同處理。

試驗結果表明，毫米波設備探測到了電力線、鐵塔回波，經過數據處理，完成了電力線目標的有效檢測。

4 結束語

為保證直升機的飛行安全，在飛行過程中，及時發現飛行航路中的電力線具有非常重要的意義。采用毫米波收發設備探測電力線，能夠在各種天氣條件下為直升機提供目標指示。通過研究電力線的回波特征，提出了一種基于Hough變換的目標數據處理算法。在該算法中，對目標進行運動補償，通過Hough變換檢測直線，再對檢測出的點目標、線目標進行相應處理。為驗證模型和算法的有效性，進行了實際電力線探測試驗。結果表明，所提出的數據處理模型和算法能有效發現電力線，可以應用于直升機防撞。