一种基于椭圆质心法的雷达标定方法与流程

1.本发明属于雷达领域，涉及一种基于椭圆质心法的雷达标定方法。

背景技术：

2.随着雷达技术的日益成熟，雷达广泛应用于广泛应用于国防、气象、测控、航管、水利、抢险救灾等领域，在现代化建设中是不可或缺的。雷达的基本原理比较简单，然而在不同的场合的实现并不容易。它以辐射电磁能量并检测目标反射的回波的方式工作，通过分析回波信号的特性和定位系统的信号获取目标的有关信息。作为一个测量系统，其各测量均以参考点为基准获得的数值，通过系统标校，对一次测量值进行修正，最终获得测量目标的真实物理量数值。
3.传统的标校手段通常由计量的专业人员操作专用计量设备完成设备标校。该过程专业化程度高，标校精度高，然而资源有限，实施存在不便。设备运行中，总是因故障维修、阵地变更等因素造成设备原有的标校结果无法适用于新的设备状态，需要重新标校，才能恢复正常探测。

技术实现要素：

4.为解决现有技术存在的难题，本发明提供了一种基于椭圆质心法的雷达标定方法，包括以下步骤：
5.步骤1：获取被测对象的椭圆航迹的大地坐标数据和雷达测量的被测对象的椭圆航迹的极坐标数据；
6.步骤2：统一数据坐标系：将被测对象的椭圆航迹的大地坐标数据转换为站心直角坐标数据得到被测对象的真值数据，将雷达测量被测对象的椭圆航迹的极坐标数据转换为站心直角坐标数据得到被测对象的测量数据；
7.步骤3：抽取被测对象的真值数据和测量数据的x、y分量的分量数据，用于计算真值方位和测量值方位的偏差得到方位标校值；抽取被测对象的真值数据和测量数据的x、z分量的分量数据，用于计算真值仰角和测量仰角的偏差得到仰角标校值；所述真值方位和测量值方位的偏差的计算方法和真值仰角和测量仰角的偏差的计算方法相同；站心直角坐标系xoyoz中，x轴的正向指向正东，y轴的正向指向正北，z轴的正向指向正上方；
8.步骤4：重复步骤1到步骤4，重复次数m不低于三次；对获得的各方位标校值进行平均，获得最终的方校值；对获得的各仰角标校值进行平均，获得最终的仰角标校值。
9.进一步地，计算方位标校值的具体过程为：
10.步骤3.1：利用中值滤波对提取被测对象的真值数据的分量数据进行数据预处理，剔除异常点，得到第一数据样本集；
11.步骤3.2：随机选点进行椭圆拟合，进一步剔除杂点，确定椭圆最优数据点迹，得到第二数据样本集；
12.步骤3.3：用最小二乘曲线拟合算法对第二数据样本集拟合椭圆，求解椭圆质心坐
标，转换椭圆质心坐标数据为极坐标数据，求解真值数据的真值方位；
13.重复步骤3.1-3.3求得被测对象的测量数据的测量值方位，真值方位和测量值方位两者做差得方位标校值。
14.进一步地，获得第二样本数据集的具体过程为：
15.定义剔除门限点到椭圆的几何距离阈值tr、有效点数占比最低阈值t
minp
、有效点数占比最高阈值t
maxp
和最大迭代次数n；将第一样本数据集按照顺序分为六个区，每个区随机选出一点共六个点，带入如下参数未知的椭圆方程：
16.t1x2+t2xy+t3y2+t4x+t5y+t6＝0
17.组成一个方程组，求解椭圆方程系数(t1，t2，t3，t4，t5，t6)，将求解出的椭圆方程系数带回上述方程获得椭圆方程t1x2+t2xy+t3y2+t4x+t5y+t6；
18.将所有样本点依次带入椭圆方程t1x2+t2xy+t3y2+t4x+t5y+t6，所得值若大于阈值tr则舍弃该点，最后求得有效点数和总点数的百分比，若该百分比大于阈值t
minp
，则保存结果；重复以上过程，直到有效点数占比大于阈值t
maxp
或者迭代次数超过n，得到第二样本数据集。
19.进一步地，求椭圆质心的具体过程为：
20.对目标函数
[0021][0022]
求偏导，满足条件获得一个线性方程组，利用消元法求解方程，得到该方程系数(a
11
，a
12
，a
22
，a1，a2，a3)，使得目标函数值最小，得到椭圆方程；
[0023]
根据方程系数(a
11
，a
12
，a
22
，a1，a2，a3)求解椭圆的质心坐标(x0，y0)，计算公式为：
[0024][0025]
根据如下站心直角坐标系到极坐标系的转换公式，求得真值数据的真值方位值α：
[0026][0027]
进一步地，大地坐标数据转换为站心直角坐标数据的过程具体如下：
[0028][0029]
其中是卯酉曲率半径；a为椭球的长半轴，b为椭球短半轴；站心的大地直角坐标为(x0，y0，z0)；b为大地坐标的纬度，l为大地坐标的经度，h为大地
坐标的高度，(x，y，z)表示大地直角坐标系中的点；
[0030]
极坐标数据转换为站心直角坐标数据的具体公式如下：
[0031][0032]
其中，(x，y，z)表示站心直角坐标系中的点，(r，a，e)表示极坐标系中的点。
[0033]
与现有技术相比，本发明具有如下技术效果：
[0034]
(1)本发明仅需对航迹数据的分析即可获得雷达标校数据，地理适应性强，且费用较低，测试方便。
[0035]
(2)适用于系统调整后快速完成标校，恢复值班；也可日常运行使用，集成实时处理系统，实时监测系统目标测量的有效性。
附图说明
[0036]
图1为本发明实施例的本发明处理示意图。
[0037]
图2为本发明实施例的x、y分量投影示意图。
[0038]
图3为本发明实施例的x、z分量投影示意图。
具体实施方式
[0039]
本发明通过对目标的特定形状的航迹的大地坐标航迹数据和雷达测量航迹数据采用基于曲线拟合的分析方法进行处理从而获取两曲线的特征点的差异，据此来完成雷达标定。
[0040]
为了使本技术领域的人员更好地理解本技术方案，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
[0041]
如图1所示，本发明的实施例具体包括以下步骤：
[0042]
步骤一：获取被测对象的椭圆航迹的大地坐标数据和对应雷达测量的极坐标数据。
[0043]
步骤二：统一数据坐标系。将被测对象的椭圆航迹的大地坐标数据转换为站心直角坐标数据得到被测对象的真值数据，将雷达测量被测对象的椭圆航迹的极坐标数据转换为站心直角坐标数据得到被测对象的测量数据。
[0044]
大地坐标到站心直角坐标转换要经过大地坐标系到大地直角坐标系、大地直角坐标系到站心直角坐标系的过程。具体公式如下：
[0045]
b为大地坐标的纬度，l为大地坐标的经度，h为大地坐标的高度，(x，y，z)表示大地直角坐标系中的点；(x，y，z)表示站心直角坐标系中的点，(r，a，e)表示极坐标系中的点。站心的大地直角坐标为(x0，y0，z0)。涉及的公式如下：
[0046]
[0047]
其中是卯酉曲率半径；a为椭球的长半轴，b为椭球短半轴。
[0048][0049]
极坐标到站心直角坐标转换的具体公式如下：
[0050][0051]
站心直角坐标系中，x轴的正向指向正东，y轴的正向指向正北，y轴的正向指向正上方，
[0052]
步骤三：抽取x、y分量，用于计算方位α的偏差；抽取x、z分量，用于计算仰角β的偏差。两个分支的计算过程是一致的，下文以第一个分支为例进行阐述。本实施例的x、y分量投影示意图如图2所示，本实施例的x、z分量投影示意图如图3所示。
[0053]
步骤四：利用中值滤波对提取的分量数据进行数据预处理，剔除异常点，得到第一数据样本集。
[0054]
步骤五：随机选点进行椭圆拟合，进一步剔除杂点，确定椭圆最优数据点迹，得到第二数据样本集。
[0055]
依据所需精度定义剔除门限点到椭圆的几何距离阈值tr、有效点数占比最低阈值t
minp
、有效点数占比最高阈值t
maxp
、最大迭代次数n。对第一样本数据集按照顺序分为六个区，每个区随机选出一点共六个点，带入如下参数未知的椭圆方程：
[0056]
t1x2+t2xy+t3y2+t4x+t5y+t6＝0
[0057]
组成一个方程组，求解方程组，获得一组椭圆方程系数(t1，t2，t3，t4，t5，t6)。带入上述方程获得椭圆方程。将所有样本点依次带入椭圆方程t1x2+t2xy+t3y2+t4x+t5y+t6，所得值若大于阈值tr则舍弃该点，最后求得有效点数和总点数的百分比，大于阈值t
minp
，则保存结果。重复以上过程，直到有效点数占比大于阈值t
maxp
或者迭代次数超过n。
[0058]
步骤六：用最小二乘曲线拟合算法对第二数据样本集拟合椭圆，求解椭圆质心(中心)。
[0059]
对第二数据样本集，利用最小二乘法进行椭圆拟合：
[0060]
对目标函数
[0061][0062]
求偏导，满足以下条件
[0063][0064]
即可获得一个线性方程组，利用消元法求解方程，得到一组方程系数(a
11
，a
12
，a
22
，a1，a2，a3)，使得目标函数值最小，也就得到椭圆方程。
[0065]
步骤七：求解椭圆质心(中心)坐标，转换椭圆质心(中心)坐标数据为极坐标数据。
[0066]
将上一步求得的方程系数(a
11
，a
12
，a
22
，a1，a2，a3)代入下面的公式获得椭圆的质心(中心)坐标(x0，y0)。
[0067][0068]
利用如下站心直角坐标系到极坐标系的转换公式，求得方位α。
[0069][0070]
步骤八：求解方位α的偏差。
[0071]
按照步骤四到步骤七的方法对真值数据和测量数据分别处理求得真值方位α1、测量值方位α2，两者做差得方位标校值δ
α
。
[0072]
δ
α
＝α
1-α2[0073]
步骤九：对抽取的x、z分量按照步骤四到步骤八的处理，求解仰角β的标校值δ
β
。
[0074]
步骤十：重复步骤一到步骤九，重复次数m不低于三次；对获得的各方位标校值进行平均，获得最终的方位，对获得的各仰角标校值进行平均，获得最终的仰角标校值。
[0075]
本实施例还给出了算法的实际应用流程。可以将该算法打包为一个自完备模块，提供数据输入、输出接口，与其他实时系统或分析软件进行集成，扩展标校功能，具体主要开发过程如下：
[0076]
步骤一：确定的输入大地坐标数据格式、雷达测量的极坐标数据格式；定义中值滤波参数接口；定义点到椭圆的几何距离阈值tr、有效点数占比最低阈值t
minp
、有效点数占比最高阈值t
maxp
、最大迭代次数n、平均次数m、标校值的收敛度(分方位和仰角)等的数据接口。用大地坐标数据为真值，用该数据作为标准来校正雷达测量的极坐标数据；
[0077]
步骤二：按照定义的输入大地坐标数据格式和雷达测量的极坐标数据格式开发数据解析程序模块，对导入的数据进行数据解析；开发步骤一的参数输入接口，并输入参数；为后续处理开辟辅助内存空间。
[0078]
步骤三：利用前述坐标转换公式将大地坐标系的数据转换为站心直角坐标系数据、将极坐标数据转换为为站心直角坐标系数据；
[0079]
步骤四：从获得站心直角直角坐标系中，抽取x、y分量存入两个缓冲区备用，再抽取x、z分量存入另外两个缓冲区备用。
[0080]
步骤五：对四个缓冲区中的数据进行中值滤波，剔除异常值。将数据转存到另外四个缓冲区。
[0081]
步骤六：对每个缓冲区的数据平均分成六份，保存分区点。
[0082]
步骤七：在每个分区随机选择一点，存入数组，利用这六点，求得一组椭圆参数，获得椭圆方程，然后将对应缓冲区内的每个点，代入椭圆方程，如果值大于阈值tr，则剔除该点。求解有效点数占比，大于最低阈值t
minp
，则保存结果。当占比大于阈值t
maxp
或处理次数大于n次时，结束处理。按照此法对每个分区进行处理，获得新的数据集。
[0083]
步骤八：对新的数据集利用上述最小二乘法进行椭圆拟合，利用椭圆质心(中心)坐标计算公式获取四个椭圆质心(中心)坐标，在利用站心坐标系到站心极坐标系转换公式获得真值方位、测量值方位、真值仰角、测量值仰角。
[0084]
步骤九：利用技术方案中的方法做差，求得方位标校值和仰角标校，并存储；
[0085]
步骤十：重复步骤二到步骤九的过程，进行3次求解，获得3组标校值；
[0086]
步骤十一：对3组标校值求算数平均，输出最终标校值。
[0087]
本发明所述的基于椭圆质心法的雷达标定方法，本发明仅需对航迹数据的分析即可获得雷达标校数据，地理适应性强，且费用较低，测试方便。适用于系统调整后快速完成标校，恢复值班；也可日常运行使用，集成实时处理系统，实时监测系统目标测量的有效性。
[0088]
本技术的说明书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本技术的实施例例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
[0089]
应当理解，在本技术中，“至少一个(项)”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，用于描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，“a和/或b”可以表示：只存在a，只存在b以及同时存在a和b三种情况，其中a，b可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。“以下至少一项(个)”或其类似表达，是指这些项中的任意组合，包括单项(个)或复数项(个)的任意组合。例如，a，b或c中的至少一项(个)，可以表示：a，b，c，“a和b”，“a和c”，“b和c”，或“a和b和c”，其中a，b，c可以是单个，也可以是多个。
[0090]
在本技术所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统和装置，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
[0091]
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
[0092]
另外，在本技术各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
[0093]
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本技术的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式
体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本技术各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(英文全称：read-onlymemory，英文缩写：rom)、随机存取存储器(英文全称：random access memory，英文缩写：ram)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0094]
以上所述，以上实施例仅用以说明本技术的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本技术进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本技术各实施例技术方案的精神和范围。

技术特征：

1.一种基于椭圆质心法的雷达标定方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：步骤1：获取被测对象的椭圆航迹的大地坐标数据和雷达测量的被测对象的椭圆航迹的极坐标数据；步骤2：统一数据坐标系：将被测对象的椭圆航迹的大地坐标数据转换为站心直角坐标数据得到被测对象的真值数据，将雷达测量被测对象的椭圆航迹的极坐标数据转换为站心直角坐标数据得到被测对象的测量数据；步骤3：抽取被测对象的真值数据和测量数据的x、y分量的分量数据，用于计算真值方位和测量值方位的偏差得到方位标校值；抽取被测对象的真值数据和测量数据的x、z分量的分量数据，用于计算真值仰角和测量仰角的偏差得到仰角标校值；所述真值方位和测量值方位的偏差的计算方法和真值仰角和测量仰角的偏差的计算方法相同；站心直角坐标系xoyoz中，x轴的正向指向正东，y轴的正向指向正北，z轴的正向指向正上方；步骤4：重复步骤1到步骤4，重复次数m不低于三次；对获得的各方位标校值进行平均，获得最终的方校值；对获得的各仰角标校值进行平均，获得最终的仰角标校值。2.根据权利要求1所述的基于椭圆质心法的雷达标定方法，其特征在于，计算方位标校值的具体过程为：步骤3.1：利用中值滤波对提取被测对象的真值数据的分量数据进行数据预处理，剔除异常点，得到第一数据样本集；步骤3.2：随机选点进行椭圆拟合，进一步剔除杂点，确定椭圆最优数据点迹，得到第二数据样本集；步骤3.3：用最小二乘曲线拟合算法对第二数据样本集拟合椭圆，求解椭圆质心坐标，转换椭圆质心坐标数据为极坐标数据，求解真值数据的真值方位；重复步骤3.1-3.3求得被测对象的测量数据的测量值方位，真值方位和测量值方位两者做差得方位标校值。3.根据权利要求2所述的基于椭圆质心法的雷达标定方法，其特征在于，获得第二样本数据集的具体过程为：定义剔除门限点到椭圆的几何距离阈值t
r
、有效点数占比最低阈值t
minp
、有效点数占比最高阈值t
maxp
和最大迭代次数n；将第一样本数据集按照顺序分为六个区，每个区随机选出一点共六个点，带入如下参数未知的椭圆方程：t1x2+t2xy+t3y2+t4x+t5y+t6＝0组成一个方程组，求解椭圆方程系数(t1，t2，t3，t4，t5，t6)，将求解出的椭圆方程系数带回上述方程获得椭圆方程t1x2+t2xy+t3y2+t4x+t5y+t6；将所有样本点依次带入椭圆方程t1x2+t2xy+t3y2+t4x+t5y+t6，所得值若大于阈值t
r
则舍弃该点，最后求得有效点数和总点数的百分比，若该百分比大于阈值t
minp
，则保存结果；重复以上过程，直到有效点数占比大于阈值t
maxp
或者迭代次数超过n，得到第二样本数据集。4.根据权利要求3所述的基于椭圆质心法的雷达标定方法，其特征在于，求椭圆质心的具体过程为：对目标函数
求偏导，满足条件获得一个线性方程组，利用消元法求解方程，得到该方程系数(a
11
，a
12
，a
22
，a1，a2，a3)，使得目标函数值最小，得到椭圆方程；根据方程系数(a
11
，a
12
，a
22
，a1，a2，a3)求解椭圆的质心坐标(x0,y0)，计算公式为：根据如下站心直角坐标系到极坐标系的转换公式，求得真值数据的真值方位值α：5.根据权利要求4所述的基于椭圆质心法的雷达标定方法，其特征在于，大地坐标数据转换为站心直角坐标数据的过程具体如下：其中是卯酉曲率半径；a为椭球的长半轴，b为椭球短半轴；站心的大地直角坐标为(x0，y0，z0)；b为大地坐标的纬度，l为大地坐标的经度，h为大地坐标的高度，(x，y，z)表示大地直角坐标系中的点；极坐标数据转换为站心直角坐标数据的具体公式如下：其中，(x，y，z)表示站心直角坐标系中的点，(r，a，e)表示极坐标系中的点。

技术总结

本发明提供了一种基于椭圆质心法的雷达标定方法，步骤1：获取被测对象的椭圆航迹的大地坐标数据和雷达测量的被测对象的椭圆航迹的极坐标数据；步骤2：统一数据坐标系；步骤3：抽取被测对象的真值数据和测量数据的x、y分量的分量数据，用于计算真值方位和测量值方位的偏差得到方位标校值；步骤4：重复步骤1到步骤4，重复次数M不低于三次；对获得的各方位标校值进行平均，获得最终的方校值；对获得的各仰角标校值进行平均，获得最终的仰角标校值。本发明仅需对航迹数据的分析即可获得雷达标校数据，地理适应性强，且费用较低，测试方便。测试方便。测试方便。