直升机机载毫米波雷达高压线防撞处理.pdf

-49-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION May.2024中国科技信息 2024 年第 10 期航空航天目前，直升机在多个不同的领域中得到日渐广泛的应用。直升机最大的优势就是低空悬停的能力，所以其主要的使用场景是低空环境。而高压线凭借体积小，肉眼难以辨认等特点，成为直升机低空环境中的最大威胁。对高压线的识别一直是直升机领域内的研究热点。直升机高压线防撞直升机在低空飞行时，由于视线受阻，飞行员往往难以准确判断高压线的位置和高度，容易发生撞击事故。此外，直升机的飞行速度和机动性也增加了事故发生的可能性。一旦发生撞击，轻则导致直升机受损，重则可能造成人员伤亡。为了解决这一问题，一些先进的防撞技术开始被应用于直升机。例如，一些直升机配备了先进的雷达和传感器系统，能够实时监测周围环境，包括高压线的位置和高度。这些系统能够为飞行员提供准确的信息，帮助其避免与高压线发生碰撞。此外，一些直升机还配备了自动避撞系统，能够在飞行过程中自动识别周围环境中的障碍物，并在必要时采取紧急避让措施。这些系统大大提高了直升机的安全性，降低了事故发生的概率。然而，防撞技术的应用并不能完全消除低空环境中直升机的飞行安全隐患。因此，政府和相关部门应该加强对直升机飞行安全的监管和管理，建立健全的法律法规和监管体系，规范直升机的飞行行为，确保飞行安全。同时，直升机制造商也应该不断提高技术水平，研发更加先进的防撞技术，为飞行员提供更加安全、可靠的飞行环境。总之，直升机在低空环境中的飞行安全问题需要得到足够的重视和关注。只有通过不断地技术创新和管理规范，才能确保直升机的安全飞行，为人们的生活和工作带来更多的便利和安全保障。直升机机载毫米波雷达高压线防撞应用毫米波防撞雷达在高压线探测领域，直升机上的激光防撞雷达和毫米波防撞雷达是目前主流的高压线探测设备。从其应用特性来看，毫米波防撞雷达的优势尤为明显。它具有全天候能力强、扫描视场大、抗地波能力强等优点，使其在复杂环境中也能保持良好的工作状态。同时，毫米波防撞雷达还具有在烟雾、沙尘和雨雪等恶劣天气条件下工作的能力，这使得它在高压线探测领域具有很高的应用价值。毫米波防撞雷达能够实现行业曲线开放度创新度生态度互交度持续度可替代度影响力可实现度行业关联度真实度直升机机载毫米波雷达高压线防撞处理李静锴李静锴航空工业直升机所中国科技信息 2024 年第 10 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION May.2024-50-航空航天对高压线的有效高扫描率和高分辨率，这意味着它可以准确识别高压线的位置和形态，为直升机操作人员提供重要的安全保障。此外，毫米波防撞雷达的精度和可靠性也得到了广泛认可，使其在高压线探测领域具有很高的应用前景。然而，尽管毫米波防撞雷达在高压线探测领域具有诸多优势，但也存在一些挑战和限制。例如，其价格相对较高，对维护保养的要求也较高。因此，在实际应用中，需要根据具体情况进行权衡和选择，以确保最佳的使用效果和经济效益。总的来说，毫米波防撞雷达作为直升机上高压线探测设备的一种重要选择，具有很高的应用价值和潜力。在实际应用中，需要充分考虑其优势和挑战，并采取相应的措施来克服限制，以提高其应用效果和可靠性。应用思路为提升研究的实践价值，本文选择了围绕高压线探测、处理、识别的直升机毫米波防撞雷达研究作为实例。在直升机毫米波防撞雷达的研究中，国内的研究者们已经更多地关注到了布喇咯效应的影响。然而，现有的研究并未能满足直升机毫米波防撞雷达的实际需求，这主要是由于布喇咯效应的应用所带来的问题，如高压线发现概率低、受地物影响大、作用距离近等。因此，本文提出了一种联合应用布喇咯效应、铁塔识别和邻域处理的直升机毫米波防撞雷达的具体实现思路。首先，布喇咯效应的应用是至关重要的。它能够有效地检测和跟踪目标，但在某些情况下，如高压线的检测，其性能可能会受到影响。因此，我们需要结合铁塔识别技术，利用其高精度和高分辨率的特点，进一步提高对高压线的检测能力。同时，邻域处理技术也可以被引入进来，通过识别和消除地物对雷达信号的影响，进一步增强雷达的性能。总的来说，本文提出的直升机毫米波防撞雷达具体实现思路是一种结合了布喇咯效应、铁塔识别和邻域处理的综合方案。这样的设计旨在克服现有研究中的不足，并有望提高直升机在复杂环境下的安全性能。然而，该方案的具体实现和性能还需要在实际应用中进行验证和优化。布喇咯效应根据理论分析，当毫米波雷达以水平极化的方式垂直入射到高压线上时，就会出现较强的后向散射，如图 1 所示。这种现象的产生与雷达的频率和高压线的结构有关。当毫米波雷达以特定的角度照射高压线时，其高频电磁波会在高压线上产生反射和散射。由于高压线表面的螺旋状结构，这些散射信号会在高压线上形成多个散射中心，并相互叠加，使得只有某些特定的入射角上才会有较强的散射。这种现象对于雷达探测高压线和其他电磁波的传播有着重要的意义。通过研究这种现象，我们可以更好地了解电磁波在特定环境下的传播特性，并为相关领域的研究和应用提供有益的参考。此外，这种现象也可以为高压线的安全检测和预警系统提供重要的技术支持，有助于提高电网的安全性和稳定性。但是此方法受到的局限较多，例如，在直升机的飞行过程中，如果贴地飞行，受到振动、气流和惯导精度限制等因素的影响，会导致检测概率的降低，这可能会使高压线检测变得困难。此外，强地杂波的存在也给弱小目标的检测带来了挑战。一般来说，当信噪比达到 8 10dB 时，检测精度会有所提升。但是，地形、地物和照射角度的变化也会对目标检测产生影响，为了提高毫米波雷达在直升机贴地飞行时的检测效果，需要采取一些策略和措施。首先，可以通过优化雷达硬件和软件算法来提高波束指向的精确性和覆盖范围。其次，需要调整飞行航线以避免与高压线地过近接触，确保雷达波束能够同时覆盖机头前方和高压线垂直方向。此外，还需要采取有效地去杂波技术，以降低强地杂波对弱小目标检测的影响。最后，应定期进行雷达性能测试和调整，以确保其在各种地形、地物和照射角度下的最佳检测效果。为了克服布喇咯效应带来的限制，我们可以对具有较强反射特性的高压线进行识别和跟踪。铁塔识别在国内，高压线电路中的高压电塔会产生较强的散射，影响直升机飞行的稳定性，威胁直升机飞行安全。相邻高压电塔的间隔很近，直升机在穿越高压铁塔时，安全性会大打折扣。总的来说，对于高压线电路的管理和维护，需要考虑多个因素，包括电塔的高度、散射强度、铁塔间距以及飞行器的类型和飞行路线等。只有这样，才能有效地减少潜在的危险，保障空中和地面的安全。根据上述特点，在毫米波雷达铁塔识别过程中，首先要对大量的自然界物体进行区分，将单个疑似铁塔目标识别出来。这就需要根据铁塔的尺寸信息进行精细处理。由于毫米波雷达的穿透力强，可以在距离较远的情况下清晰地识别铁塔，因此在这种情况下，铁塔的高度信息以及横向尺寸信息是两个重要的特征。雷达的俯仰测角可以很方便地测算出铁塔的高度。在一定的高度范围内，距离越近角度差越大，因此可以利用这一特性精确地获取目标的高度尺寸。其次，毫米波雷达在识别物体时，不仅可以识别物体的形状和尺寸，还可以识别物体的位置和运动状态。因此，将高压铁塔进行分类，确定铁塔的走向，从而提高识别的准确率。毫米波雷达铁塔识别这一过程需要精确的设备操作、数据处理技术和图 1 雷达照射示意图-51-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION May.2024中国科技信息 2024 年第 10 期航空航天精细的分析技巧。为实现高质量的高压铁塔检测与识别，选择了使用步进频信号的雷达，而考虑到地物情况千变万化与近区杂波影响，虽然布喇咯效应与步进频信号雷达的应用能够实现高压塔不漏检，但高压电缆的存在与走向并不能由此自动给出，因此选择了马尔科夫随机场理论进行图像像素空间相关特性的描述。这一理论可以有效地描述图像像素之间的空间关系，为图像处理提供了强大的工具。在 SAR 图像处理中，马尔科夫随机场理论的应用也越来越普遍。它可以对斑点噪声进行去斑处理，模糊聚类等操作，通过描述像素的空间相关性，实现了图像的恢复和重建。同时，马尔科夫随机场理论也可以应用于纹理分析和边缘检测，提高图像处理的准确性和精度。此外，马尔科夫随机场理论还可以应用于图像分割和模板匹配等方面。通过概率描述，可以对图像进行精细的分割，实现更准确地匹配效果。这些应用都得益于马尔科夫随机场理论对图像像素空间相关特性的描述，使得图像处理更加高效和准确。邻域处理将上述应用布喇咯效应与高压铁塔识别得出的全平面点迹视作马尔科夫随机场图像，因此即可按照“点迹稳定高压塔疑似点迹寻找连线”流程完成高压线走向的确定，直升机毫米波防撞雷达的功能实现也将由此获得有力支持。点迹稳定利用布喇咯效应技术对全平面点迹进行精确识别和分析，确保图像的稳定性和准确性。高压塔疑似点迹寻找通过分析全平面点迹的变化趋势和分布特点，寻找可能代表高压铁塔的点迹，进一步验证其真实性。根据疑似高压塔的点迹与其他相关点迹的连线，确定高压线的走向和位置。通过以上流程，可以实现对高压线走向的准确确定，进而为直升机毫米波防撞雷达的功能实现提供有力支持。这一技术的应用将有助于提高航空安全，减少因误判导致的飞行事故。具体来看，需要按照“归类查找延拓投票”流程进行。归类从图 2 中可见，当前的 A200 米范围内的两座高压线铁塔 B、C、D 都沿着 15的轨道延伸，而且距离介乎150 1 000m 之间。将高压线铁塔 A、B、C、D 均列为同一个高压线铁塔范畴。查找在图 3 中，我们可以看到，当一个铁塔点被选为链的第一个节点时，它的一条轨迹就成了当前的延伸方向。在实际应用中，我们可以通过观察这个节点周围的环境来查找其他一些铁塔点。如果我们发现了其他的铁塔，那么我们就可以把它们都归入同一个高压电缆系统中。延拓在延拓过程中，我们将已知的高压线铁塔链的尾节点当作新链路的首节点，尾节点的下一延伸方向视为新链路的当前延伸方向。在实际应用中的，设定当前节点为参照，在200m 的范围内（图 4 中扇形区域）进行查找，新发现的铁塔也属于同一高压线铁塔范畴。投票对横坐标和纵坐标的范围进行设定，分别设定为-5 000m，5 000m 和 0，5 000m，对点迹区域进行划分，划分为若干正方形方格，方格的边长为 100m。当方格实际坐标位于当前帧找到的铁塔链的附近，则将投票矩阵设置为Aa，b=1，否则 Aa，b=0。投票矩阵的判定标准如公式（1）所示：nbaAbascorenii=0,（1）当对应小方格的值 scorea，b05 时，投票结果表明该区域探测到的铁塔链为真实存在。处理结果基于螺旋状绕核捆绑形成的周期性结构原理的布喇咯效应能够较好满足直升机机载毫米波防撞雷达高压线处理需要，而具备适用于简单地物背景优势的铁塔识别，以及具备易检测、易处理、漏警少的邻域处理同样在其中发挥着关键性作用，高质量的直升机毫米波防撞雷达功能实现也离不开布喇咯效应、铁塔识别、邻域处理的共同应用支持。总结此次研究介绍了直升机高压线防撞现实需求，以及直升机毫米波防撞雷达的特点，进而详细论述了直升机毫米波防撞雷达的相关应用问题。研究中提出了一种联合应用布喇咯效应、铁塔识别和邻域处理的直升机毫米波防撞雷达的具体实现思路，结果显示可以获得良好的应用效果。图 2 高压线铁塔归类图 3 高压线铁塔查找图 4 头尾方向延拓