基于Hough变换的目标数据处理算法研究

陈 镜，赵华敏

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

0 引言

要发挥直升机的性能，就必须提高直升机在复杂地形、恶劣气象条件下的超低空飞行能力[1]。为此，各国对直升机防撞告警设备，尤其是对电力线等障碍物的防撞告警系统的研究非常重视，直升机防撞已成为全世界关注的重要课题。

解决直升机避障可采用的技术有电磁场探测、红外探测、激光雷达和毫米波雷达等。在探测范围、分辨能力和全天候工作等多方面综合比较，毫米波雷达是理想选择。毫米波收发探测设备能在最恶劣的昼夜天气(包括冰雹、烟雾和雨雪等)情况下，对障碍物进行检测识别，为飞行员提供防撞告警[2]。

采用机载毫米波设备对电力线进行观测，发射信号选择为连续波调频波形，接收和发射同时进行，避免了距离盲区。在动态飞行情况下，录取得到电力线回波数据，分析了电力线目标的回波特征，在此基础上，采用基于Hough变换的目标数据处理算法实现了目标检测和识别。

1 电力线目标的回波特征

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

图1 电力线回波

直升机机载雷达探测目标场景如图2所示。直升机向前飞行，在飞行过程中机载雷达对电力线进行扫描，在Bragg散射角θ处出现强散射点，点C为主峰，点A，B为副峰。另外，2个铁塔也分别产生强散射点D，E。

图2 直升机机载雷达探测目标场景

随着直升机离电力线越来越近，点A，B逐渐向点C靠近，而点D，E的位置不变。

2 目标数据处理算法

采用毫米波雷达观测电力线，目标回波主峰、副峰以及铁塔回波在一条线上。在该特征基础上，提出了相应的电力线目标数据处理算法，流程如图3所示。

图3 电力线目标数据处理算法流程

2.1 运动补偿

雷达在行进间工作，直升机在运动过程中会发生姿态和位置的变化，因此需要先进行平台运动补偿[4-5]，把目标点迹统一到同一坐标系，然后才能进行后续的数据处理。运动补偿包括坐标旋转和坐标平移。

坐标旋转是把雷达测得的目标极坐标数据转为直角坐标，再转到北东下(NED)坐标系。测站坐标系、NED坐标系和平台姿态角如图4所示，OXYZ为测站坐标系，oxyz为NED坐标系，惯导系统以NED坐标系为基准，给出平台偏航角、俯仰角、横滚角ψ，θ，τ。

图4 测站坐标系、NED坐标系和平台姿态角

设点P的测站直角坐标为(X，Y，Z)T，则NED直角坐标为：

式中，

坐标平移是把不同时刻目标的NED直角坐标统一到以最新时刻平台位置为坐标原点的NED坐标系中。

设在t0时，点P的NED直角坐标为(X，Y，Z)T，惯导系统给出平台东速度、北速度和天速度ve，vn，vu，当前时刻为t1，则更新NED直角坐标：

x=X-sn，y=Y-se，z=Z-sd，

式中，sn=vnΔt，se=veΔt，sd=-vuΔt，Δt=t1-t0。

2.2 Hough变换

Hough变换示意如图5所示。

图5 Hough变换示意

点C是直线AB上的一点，NED直角坐标为(x，y)T，从原点O向直线AB做垂线，垂足为D，通过Hough变换方程[6-8]：

ρ=xcosθ+ysinθ，

建立起(x，y)T～(ρ，θ)T的映射，其中，ρ为从原点O到直线AB的距离，θ为垂线OD与x轴的夹角。

从直线AB上取几个点，通过Hough变换后得到参数空间中的曲线，这些曲线交于一点[9]

在单帧目标数据处理中，先对运动补偿后的点迹进行Hough变换，然后通过峰值提取找到交点，再对交点进行反变换，得到电力线[10-12]。

2.3 点目标数据处理

点目标包括电力线、铁塔以及其他点目标。

对于经多次观测，不能汇集成线的点目标，则认为是其他非电力线类目标，予以剔除。对能够形成连线的点目标认为是电力线点目标，处理时一直保留[13]。

铁塔点目标需要进行相关判断后决定是否保留。

若以前、当前铁塔点目标P1，P2的NED极坐标(r1，α1)T，(r2，α2)T满足：

|r1-r2|≤Gr，|α1-α2|≤Gα，

(1)

则点P1，P2相关，其中，Gr，Gα为距离、方位相关门[14-16]。

对于相关的点P1，P2，进行数据融合，得到融合点P的NED直角坐标：

(2)

式中，(x1，y1，z1)T，(x2，y2，z2)T分别为点P1，P2的NED直角坐标。

若点目标连续m次相关上，则一直保留该点目标；若点目标连续n次没有相关上，则删除该点目标。

2.4 线目标数据处理

线目标上的点目标包括铁塔、电力线点目标。确认为线目标的数据继续进行流水式相关和跟踪处理，若多次观测后，同一位置处线目标上的点数太少，则认为是虚假目标予以删除；否则，认为是真实的电力线回波，保留该线目标，同时保留线目标上的电力线、铁塔点目标[17]。

若以前、当前线目标L1，L2的参数(ρ1，θ1)T，(ρ2，θ2)T满足：

|ρ1-ρ2|≤Gρ，|θ1-θ2|≤Gθ，

则线目标L1，L2相关，其中，Gρ，Gθ为ρ，θ相关门。

对相关线目标L1，L2上的铁塔点目标，按式(1)和式(2)进行相关判断、数据融合。

若线目标连续m次相关上，则一直保留该线目标，并给出目标告警信息；否则，若线目标连续n次没有相关上，则认为是虚假目标，进行消批处理[18-19]。

3 试验结果

为验证数据处理模型和算法的有效性，对实际电力线进行了探测试验，试验设备主要参数为：工作频点35 GHz、信号带宽100 MHz、方位波束宽度1°以及俯仰波束宽度2°。试验的电力线距离雷达设备约3 km，试验结果如图6所示，其中，虚线为处理出来的电力线目标。

图6 目标数据处理试验结果

由图6可以看出，电力线回波幅度呈现出一定的周期性，导致线段不连续，在相邻的2个检测点目标中间的区域，由于散射信号弱，未能检测到信号。整体来看，由于检测到的点数较多，且呈现明显的线段分布特性，可以实现有效的目标检测。另外，几簇密集分布的面目标为铁塔目标，幅度较强，间隔约400 m，铁塔目标和电力线回波可综合进行数据处理，互相印证、协同处理。

试验结果表明，毫米波设备探测到了电力线、铁塔回波，经过数据处理，完成了电力线目标的有效检测。

4 结束语

为保证直升机的飞行安全，在飞行过程中，及时发现飞行航路中的电力线具有非常重要的意义。采用毫米波收发设备探测电力线，能够在各种天气条件下为直升机提供目标指示。通过研究电力线的回波特征，提出了一种基于Hough变换的目标数据处理算法。在该算法中，对目标进行运动补偿，通过Hough变换检测直线，再对检测出的点目标、线目标进行相应处理。为验证模型和算法的有效性，进行了实际电力线探测试验。结果表明，所提出的数据处理模型和算法能有效发现电力线，可以应用于直升机防撞。