中段目標(biāo)高分辨距離像姿態(tài)敏感性分析

肇 格，胡杰民，張 軍

(國(guó)防科技大學(xué)ATR重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南長(zhǎng)沙410073)

0 引言

彈道導(dǎo)彈的識(shí)別技術(shù)是導(dǎo)彈防御系統(tǒng)中的關(guān)鍵問(wèn)題之一[1，2]。HRRP能夠提供目標(biāo)部分幾何結(jié)構(gòu)信息，且獲取條件簡(jiǎn)單，在導(dǎo)彈目標(biāo)分類與識(shí)別中有著重要的應(yīng)用。HRRP應(yīng)用中的關(guān)鍵問(wèn)題在于其姿態(tài)敏感性[3－7]，目前關(guān)于導(dǎo)彈目標(biāo) HRRP姿態(tài)敏感性的針對(duì)性研究較少[8]。下面基于某暗室實(shí)測(cè)的步進(jìn)頻回波數(shù)據(jù)，從任2幅HRRP的相似度、未發(fā)生散射點(diǎn)遷出和移入(MTRC)下HRRP的穩(wěn)定性以及平均相似度隨姿態(tài)間隔的變化3個(gè)方面定量分析導(dǎo)彈目標(biāo)高分辨距離像(HRRP)的姿態(tài)敏感性。針對(duì)未發(fā)生散射點(diǎn)MTRC下部分HRRP波形突變的原因展開深入分析，首先基于ISAR像提取導(dǎo)彈目標(biāo)的二維散射中心分布，然后具體分析各姿態(tài)下散射中心在距離分辨單元內(nèi)的分布情況，計(jì)算HRRP突變時(shí)各散射中心之間的相位關(guān)系，并結(jié)合HRRP的數(shù)學(xué)模型，解析突變現(xiàn)象的產(chǎn)生原因。

1 導(dǎo)彈目標(biāo)HRRP的姿態(tài)敏感性

導(dǎo)彈包括彈頭和彈體2部分，結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，由錐體、柱體和球體等常見散射部件構(gòu)成。通常來(lái)說(shuō)，在目標(biāo)的頭部、尾部及部件接連部位分別存在幾個(gè)強(qiáng)散射中心。隨著雷達(dá)視線的變化，各散射中心在雷達(dá)視線上的投影會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致其合成的HRRP隨姿態(tài)變化，這就是HRRP的姿態(tài)敏感性。

HRRP的姿態(tài)敏感性與各姿態(tài)下散射中心等效模型有關(guān)[9]，本文只分析散射中心等效模型未發(fā)生變化的姿態(tài)內(nèi)HRRP的姿態(tài)敏感性。在這一姿態(tài)范圍內(nèi)，HRRP的姿態(tài)敏感性有以下2個(gè)原因:①散射中心在各距離分辨單元間的MTRC會(huì)改變各距離分辨單元的回波強(qiáng)度;②即使散射中心沒有發(fā)生MTRC，由于寬帶回波是距離分辨單元上各散射中心子回波的相干合成，因此姿態(tài)的微小變化也會(huì)改變散射中心之間的相位關(guān)系，導(dǎo)致相干合成回波的幅度迅速變化。

目標(biāo)的相似度是分析HRRP姿態(tài)敏感性的有效工具[10]，定義如下:

式中，代表姿態(tài)為 φ1，φ2的2幅HRRP;C()定義了2幅HRRP之間的相似程度。下面將從任意2幅HRRP的相似度未發(fā)生散射點(diǎn)MTRC下HRRP的穩(wěn)定性以及平均相似度隨姿態(tài)間隔的變化3個(gè)方面全面分析導(dǎo)彈目標(biāo)HRRP的姿態(tài)敏感性。

2 任意2幅HRRP的相似度分析

HRRP是由各距離分辨單元回波構(gòu)成的高維矢量，而各距離分辨單元回波是其上散射中心的相干合成，隨姿態(tài)的變化規(guī)律是復(fù)雜的[10]，因此，HRRP隨姿態(tài)的變化更加復(fù)雜。下面通過(guò)0～10°姿態(tài)下任意2幅HRRP的相似度來(lái)宏觀觀察HRRP隨姿態(tài)的變化。0～10°姿態(tài)下任意2幅HRRP的相似度如圖1所示。從圖中可見:

①總體上來(lái)看，姿態(tài)變化越大，HRRP相似度越低;

②一般情況下，在不發(fā)生散射點(diǎn)MTRC的最小姿態(tài) Δ φmin-MTRC內(nèi)(Δ φmin-MTRC==1.8°，ΔR，Lmax分別代表雷達(dá)的距離分辨率及目標(biāo)的最大橫向尺寸[11])，HRRP 的相似度很高;

③某些情況下，即使沒有發(fā)生散射點(diǎn)MTRC，HRRP也會(huì)突變，相似度突然下降，但是持續(xù)一兩次回波后，又恢復(fù)正常(圖1標(biāo)注處)。

圖1 0～10°姿態(tài)下任意2幅HRRP相似度

以0°姿態(tài)為例:由目標(biāo)模型可知，0°時(shí)導(dǎo)彈尾部頂端的2個(gè)散射中心在雷達(dá)視線上投影的距離差為0，處于同一距離分辨單元;姿態(tài)變化4.2°后，這樣的一對(duì)散射中心在雷達(dá)視線上投影的距離差，也就是說(shuō)發(fā)生了散射點(diǎn)MTRC，因此姿態(tài)角大于4.2°的HRRP與0°時(shí)HRRP相似度很低(由圖1可見，相似度低于0.85)。然而，姿態(tài)角0°～4.2°內(nèi)，相似度也會(huì)出現(xiàn)較低的情況(如 θ=1.4°，1.8°，3.2°，4°)。圖2 繪出了 θ=1.8°，4°時(shí)的 HRRP，由圖 2 可見:與 0°時(shí)HRRP相比，此時(shí)HRRP中的部分尖峰發(fā)生了突變。

圖2 θ =1.8°，4°時(shí)的突變 HRRP

另外，從圖1中也可看出:一般情況下，鄰近數(shù)個(gè)姿態(tài)的HRRP是很相似的，且相似度隨姿態(tài)的下降很緩慢;但是在發(fā)生突變的姿態(tài)處，鄰近姿態(tài)的HRRP相似度迅速下降。

3 未發(fā)生散射點(diǎn)MTRC下HRRP的穩(wěn)定性

平均HRRP是對(duì)沒有發(fā)生散射點(diǎn)MTRC的一組不同姿態(tài)的HRRP平均處理產(chǎn)生的，是常見的克服HRRP姿態(tài)敏感性的方法，廣泛應(yīng)用于HRRP模板庫(kù)的建立中。因此下面針對(duì)導(dǎo)彈目標(biāo)的暗室測(cè)量數(shù)據(jù)，分析未發(fā)生散射點(diǎn)MTRC下各HRRP與平均HRRP的相似度，平均范圍的選擇依據(jù)Δ φmin-MTRC。對(duì)0～10°姿態(tài)的HRRP依據(jù)Δ φmin-MTRC劃分而形成的平均HRRP如圖3所示。各HRRP與相應(yīng)平均HRRP的相似度如圖4所示。

圖3 依據(jù)Δ φmin-MTRC劃分形成的平均HRRP

圖4 各HRRP與平均HRRP的相似度

由圖3可見，不同的姿態(tài)范圍內(nèi)(也稱為方位幀)，平均HRRP會(huì)有輕微的變化。從圖4可以看出:在不發(fā)生散射點(diǎn)MTRC的姿態(tài)范圍內(nèi)，大多數(shù)姿態(tài)下的HRRP與平均HRRP的相似度很高，在96%左右，這表明平均HRRP能夠很好地逼近或代表這些姿態(tài)下的HRRP，是有效的目標(biāo)HRRP模板;但是對(duì)于有些姿態(tài)下(θ=1.8°，4°)的 HRRP，其與平均HRRP的相似性并不是很高，因此平均HRRP不能很好的代表這些姿態(tài)的HRRP。

4 平均相似度隨姿態(tài)間隔的變化

上述分析了任意2幅HRRP的相似度，從整體上觀察了HRRP隨姿態(tài)的變化。2幅HRRP的相似度不僅僅依賴于它們的姿態(tài)間隔，也與它們的具體姿態(tài)有關(guān)。然而，目標(biāo)識(shí)別時(shí)關(guān)注的是全姿態(tài)下的平均識(shí)別性能，也就是平均相似度，定義如下[3]:

因此下面將分析平均相似度隨姿態(tài)間隔的變化。具體到暗室數(shù)據(jù)，式(2)可近似由所有姿態(tài)差為Δφ的2幅HRRP相似度的平均計(jì)算得到，結(jié)果如圖5所示。

圖5 0～90°內(nèi)的HRRP平均相似度

由圖5可知，隨著姿態(tài)間隔的增大，平均相似度迅速下降。當(dāng)姿態(tài)間隔增大到Δ φmin-MTRC時(shí)，平均相似度已下降到85%左右。這表明即使沒有發(fā)生散射點(diǎn)MTRC，HRRP波形也會(huì)隨姿態(tài)發(fā)生明顯變化。顯然，這是由于距離分辨單元內(nèi)散射中心之間的相干疊加造成的。

由上述分析可以看出，距離分辨單元內(nèi)散射中心之間的相干疊加會(huì)造成某些姿態(tài)下的HRRP突變，這種突變影響了傳統(tǒng)依據(jù)MTRC劃分的各方位角域內(nèi)HRRP的穩(wěn)定性及平均HRRP作為模板的性能。

5 結(jié)束語(yǔ)

距離分辨單元內(nèi)散射點(diǎn)之間的干涉導(dǎo)致HRRP嚴(yán)重的姿態(tài)敏感。上述基于某暗室實(shí)測(cè)的步進(jìn)頻回波數(shù)據(jù)，從任意2幅HRRP的相似度、平均相似度隨姿態(tài)間隔的變化以及未發(fā)生散射點(diǎn)MTRC下HRRP的穩(wěn)定性3個(gè)方面定量分析HRRP的姿態(tài)敏感性，結(jié)論表明:距離分辨單元內(nèi)散射中心之間的相干疊加會(huì)造成某些姿態(tài)下的HRRP突變，這種突變影響了傳統(tǒng)依據(jù)MTRC劃分的各方位角域內(nèi)HRRP的穩(wěn)定性及平均HRRP作為模板的性能。

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