基于雷达识别的鸟情探测研究

航空发表于 2010-11-11 08:08:35

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航空发表于 2010-11-11 08:08:52

第居全国煤矿自动化与信息化学术会议论文集 基于雷达识别的鸟情探测研究 王军, 李明, 王晓宁, 王柯 中国矿业大学信电学院江苏徐州 摘要鸟击问题是全世界航空业共同的难题, 在给航空业造成巨大的经济损 失的同时, 也危及乘客的生命安全本文在分析鸟击的主要原因和危害的扣出上, 详细描述了雷达识别生物目标的特点及识别方法和雷达鸟情探测系统的发展, 阐 述了一种雷达鸟情探浏系统方案, 最后对雷达识别鸟类生物目标的技术前景进行 了展望 关键词鸟击机场雷达识别鸟情探测 引言 “ 鸟击” , 是世界航空业针对多年来不断发生飞机飞行器与在天 空飞翔的鸟类相撞而造成的飞行事故所下的定义的简称【〕【幻。到今天, 航空业在人们 的日常生活中, 在国土防御中都起着举足轻重的作用, 因此, 航空安全也就成了人们最 关心和需要研究的课题。利用雷达识别生物目标, 建立鸟情探测模型, 形成鸟情预警系 统, 可以有效地降低鸟击危险, 有针对性地驱散和避开鸟群。 鸟击的原因和危害 鸟击的原因 从飞机飞行的第一天起, 飞鸟就被世界航空业视为对飞机安全运行的一种潜在的威 胁。对鸟击的原因进行考查, 可以看出造成鸟击的因素是多方面的 生态保护的因素 鸟类对于地球上的生态环境是一个重要的物种, 尤其对于生态平衡与人类的生存是 不可或缺的。因此人类在过去的多年里, 对野生动物采取了相应的管理措施, 为鸟类 的繁衍创造了较好的环境条件。随着人类环保意识的增强, 鸟类的数量也急剧随之上升。 近些年, 我国的生态环境也得到一定的改善。在海拔多米, 约有平方公里的 青海湖鸟岛, 就栖息着多种数百万只鸟黑龙江的三江平原水草丛生的湿地上, 也 有鸟类多种, 约万只。据统计世界上易引起鸟击的种鸟中, 有种在我 国境内都有分布, 约占。 飞机制造因素 现在的飞机大多采用喷气式发动机, 飞机发动机是由进气道高速地吸入大量气体, 第届全国煤犷自动化与信息化学术会议论丈集 经过压缩燃烧室燃烧, 再经过尾喷管形成高温高速的向后喷射的气体而产生推动飞机高 速飞行需要的动力的。因此, 无论哪一种飞机发动机都需要从周围吸入大量的气体才能 进行工作, 产生的推力越大吸入的气体流量和速度就越高例如祸喷五型的发动机在 可的工况工作时, 每秒钟吸入的气体流量约在左右正是由于气体的这种 连续流动过程, 对于飞翔在飞机周围的鸟类形成了一个“ 危险区域” , 如果此时飞鸟正好 在这个区域附近就有可能被这股气流吸入发动机中。 机场周围环境因素 机场内树木较多, 且机场附近地区大量种植草地, 附近有许多垃圾堆不能得到妥善 处理。这些无不为鸟类提供了一个良好的生存条件由于机场建于郊区或乡村, 机场周 围农业活动频繁, 农作物的生产和牲畜的饲料、粪便都会吸引鸟类觅食。甚至一些机场 附近还有鱼塘和许多低洼积水区, 加上废水处理设施和相关的沉积鱼塘都能吸引大量鸟 类。机场周围鸟类的增多增加了鸟击事件发生的概率。 鸟击的危害 鸟击对于飞行安全是一种严重而又代价很大的威胁。研究测定, 一只重仅千克 的鸟对于以的速度飞行中的飞机产生的相对碰撞力约牛顿。全世界的飞机 每年因鸟击毁坏的发动机就有多台, 按每台发动机万美元计算就是亿美元, 而总的综合损失应是直接损失的倍左右。 发生鸟击事故会造成如下几方面的危害一是造成飞机的损坏, 轻者出现撞痕小伤, 重则被毁二是造成人员的伤亡, 发生鸟击事故, 有时对飞行员造成伤害甚至死亡, 特 别是民航飞机, 有造成大量人员伤亡的可能三是对鸟类的伤害, 鸟一旦撞上飞机几乎 都难逃一死, 无论普通鸟类或珍贵鸟类, 尤其对濒临灭绝的鸟种, 所以对鸟类的生存发 展造成危害四是其它方面的危害, 比如影响作战、训练, 给飞行员造成精神和心理压 力, 破坏环境等。 雷达识别生物目标的特点及识别方法 雷达是观察鸟类活动的重要工具, 它可以在广大空域里识别各种鸟类, 而不局限于 观察人员用望远镜目视观察通过雷达可以计算出大群鸟类的飞行方向和速度, 可长时 间跟踪记录鸟类活动规律, 更重要的是雷达可以在夜间如同白天一样地观测鸟类。雷达 系统在鸟情信息收集上具有自动化程度高、数据便于分析存储、受天气和光线条件影响 小等多项优点。 · 目前的雷达鸟类探测系统多是由气象雷达或海事雷达系统改造而成, 鸟类信息的识 别大多基于雷达的回波图像和多普勒信息。这种雷达价格相对较低, 具有较高的探测精 度, 探测距离一般在几公里到十几公里之间, 恰好可以覆盖一个机场的范围。要从雷达 回波信息中正确地提取鸟类的信息, 必须从鸟类目标本身的特点、雷达系统的工作原理 和雷达图像处理算法等多方面去研究。 第居全国谋矿自动化与信息化学术会议论文集 鸟类生物目标的雷达散射截面 目标的雷达散射截面, 就是表征雷达目标对照射电磁波 散射能力的一个物理量, 鸟类的回波反射率取决于鸟类的铭, 多普勒信息则取决于鸟 类的飞行速度, 许多文献对鸟类的和飞行特点作了研究。鸟类的主要取决于它 的体积, 除了某些大型鸟类, 一般要小于飞机、舰船和导弹。 鸟类生物目标探测对雷达性能的特殊要求 鸟类目标探测不同于一般航空器探测, 总结目前研究和现有雷达特点, 具体要求如 下雷达波束宽度波束越窄, 分辨力越高, 越有利于分辨单个飞鸟, 雷达相 对于机场终端区域的相对位置。机场外的雷达易受到干扰源的影响, 不利于分辨小群或 单个鸟雷达扫描的更新率每分钟更新率最好达到次以上雷达可探测的 目标反射率较低一般要能够探测到低空飞行的为万分之一平方米的鸟类目标, 而 鸟群的反射率相对就高一些以便雷达极化方式。最好能够从线极化到回极化转换, 于探测因天气变化而变得模糊的目标雷达数据质雷达应能提供可编辑的雷达 图像数据, 这样配合杂波滤波器、多普勒分析和一些图像处理手段才能有利于识别。 鸟类生物目标回波图像特征及与其它信息的区分方法 利用雷达探测跟踪鸟类的难点在于在雷达回波图像中将气象、环境等非生物回波 信息同鸟类的回波信息区分开许多研究表明鸟类的回波图像具有如下特点鸟类 的回波区域总体上来说在分布情况上要小于气象信号生物目标的点刻度在一段回 波最大值和最小值之间区分预测斜率和实际斜率的度量值要大一些, 迁徙的鸟类比栖 息的鸟类更明显一些鸟类回波的速度变化或频谱宽度要小于气象信号鸟类 的回波经常有不均匀的反射率鸟类回波以中间有环形信号的圆弧模式传播鸟 类回波以最大反射率结合最大速度的模式出现相对于气象目标而言, 鸟类限制在 大气层中很窄的一层中活动。从屏幕上接收到的雷达图像来看, 对探测最重要的是回波 反射率和多普勒速度回波反射率可以从图像中直接得到, 通过对不同时刻的图像进行 处理得到多普勒速度图像。由于气象雷达中能够产生高仰角和低仰角的反射率图像, 可 以利用不同仰角的扇形波来区分在低海拔高度活动的鸟类和气象信号之类垂直分布的目 标‘’ , , 。 ’ 雷达鸟情探测系统的发展 雷达鸟情探测系统随着雷达技术、计算机技术、信息处理技术的进步获得了快速的发 展。高性能雷达系统和计算机处理系统使得快速获取鸟情信息成为可能与此同时, 从 混杂着气象信息的回波图像中提取鸟情信息的算法也取得突破。此外, 现代雷达鸟情探 测系统还具有后台数据处理的能力, 通过数据挖掘的算法, 研究鸟类活动的规律, 用于 预测鸟情, 防范鸟击世纪年代到年代, 欧洲利用鸟类雷达探测技术开发了 系统, 提供近似实时的鸟情观测, 发布鸟击预替。然而, 当时用于鸟类探测的雷 达技术是有限的, 在量化方面留下了大量的手工作业。世纪年代, 德国军用地球 第届全国煤矿自动化与信息化学术会议论文集 物理实验室开发的雷达鸟情探测系统中延续了脚的名字, 该系统被广泛用来观察鸟 类迁徙, 给出实时鸟击警告, 获取的鸟情资料已经提供给德国航空业和周边国家应用 【。年秋, 公司鸟类研究实验室在美国空战指挥总部的资助下, 开 发了鸟类危险咨询系统闪, 用于监控和预报美国个州的鸟类活动。目前该系统 基于美国新安装的招山气象雷达网。该雷达网几乎覆盖所有美国地区和加拿大 南部地区, 具有很强的探测弱目标的功能, 该雷达网提供的数据被用于防范鸟击, 保障 飞行安全, 保护迁徙鸟群等许多方面肛认系统利用气象雷达提供的数据, 采用图像处 理和神经网络等模式识别的算法, 从雷达数据中准确地将生物学目标同其他目标区别开 来, 实时地将雷达数据转变为鸟情信息, 减少鸟击的可能性’叫。 雷达鸟情探测系统设计方案 对机场大环境而言, 机场防鸟击系统设计方案如图所示, 由探鸟雷达系统模块、 鸟情信息统计模块、鸟情信息显示模块、历史鸟情数据库、鸟击风险评估模块和空管通 信接口等一系列复杂系统模块构成, 建立一套完整的机场雷达鸟击防范系统设计方案, 实现机场鸟击风险管理, 克服现有机场缺乏实时鸟击风险管理系统的缺陷, 有效的降低 机场区域鸟击事件发生的概率 图机场防鸟击系统设计方案框图 其中探鸟雷达系统模块是基于雷达图像技术, 设计动目标识别算法识别出飞鸟信息, 为机场飞机起降提供防鸟击安全保障和决策支持。系统可由一台观测车搭载, 包括雷达、 处理器、、传输设备等。探鸟雷达的主要用途, 一是搜集数据帮助确定鸟群运动图谱, 二是提供实时的鸟群位置探鸟雷达可以进行方位和俯仰扫描, 作用范围可达千米。 结论 第居全国煤矿自动化与信息化学术会议论文集 应用雷达技术识别鸟类生物目标, 建立鸟击预警系统, 是降低鸟击风险比较有效的 途径西方一些发达国家已经建立起相当完善的雷达鸟击防范系统, 使用先进雷达技术 和图像处理、模式识别的技术应用到生物目标识别中, 取得很好的效果。我国在这方面 起步较晚, 近些年所有一些专家学者开始着手相关研究, 但在鸟类跟踪算法等关键技术 上少有实质性进展, 值得相关科研工作者重视和进一步探索 参考文献 〔陈玉安, 武卫等著, 《机场鸟撞防治》, 蓝天出版社, 年月 」刘勇机场鸟害防治重在综合治理中国民用航空, , 一 【《年鸟机数据分析报告》, 民航总局航空安全信息中心, 年月 【《加强鸟击防范安全共享蓝天》, 民航总局航空安全信息中心, 年月 【〕’李敬, 路遥, 栗牧怀著, 《各方协同, 做好鸟击航空器防治工做》, 民航总局航空安 全信息中心, 年月 【《浦东机场鸟击防范工作介绍》, 民航浦东机场, 年月 枷呢 招山从〕, , 一 以 , , 一 , 呢, , 一 【毛士艺, 等, 编著脉冲多普勒雷达〕北京国防工业出版社, , 【郭华东主编中国雷达遥感图像分析北京科学出版社 份 ’ , , 一 既胡 , , 即, 一 , , 帕 面 〕, , 阮, , , 一 〕, 书 , , 一 〔, “ ” 〕, , 一

醒不来睡不着 发表于 2010-12-2 20:15:25

向各位老师学习

carole_zhang 发表于 2010-12-13 05:20:22

Thanks~~~!

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