雷達(dá)中的微多普勒技術(shù)及展望

楊淳紅

【摘要】微波雷達(dá)中的微多普勒效應(yīng)成為近年來一個(gè)新的技術(shù)研究熱點(diǎn)，目標(biāo)的微多普勒特征能夠刻畫其精細(xì)、獨(dú)特的特性。文章首先介紹微多普勒效應(yīng)的概念，分析其產(chǎn)生機(jī)理，闡述了雷達(dá)目標(biāo)微多普勒特征提取的經(jīng)典時(shí)頻分析方法，揭示其應(yīng)用，并展望微多普勒技術(shù)的發(fā)展。

【關(guān)鍵詞】微運(yùn)動;微多普勒;特征提取;時(shí)頻分析

1.引言

在現(xiàn)代信息化戰(zhàn)爭條件下，現(xiàn)有的目標(biāo)識別技術(shù)已不能滿足現(xiàn)代高技術(shù)戰(zhàn)爭的要求，雷達(dá)目標(biāo)研究所需要的數(shù)據(jù)不僅僅是目標(biāo)的整體運(yùn)動信息，還需要更多、更精細(xì)目標(biāo)數(shù)據(jù)，比如目標(biāo)所處狀態(tài)及其姿態(tài)的變化等，因而微波雷達(dá)目標(biāo)的微多普勒效應(yīng)成為近年來一個(gè)新的技術(shù)研究熱點(diǎn)。

微多普勒效應(yīng)最初是被引入到相參激光雷達(dá)系統(tǒng)中用來測量物體的運(yùn)動性質(zhì)[1]。微波雷達(dá)中的微多普勒效應(yīng)是美國海軍研究實(shí)驗(yàn)室的Victor C.Chen博士1998年在研究聯(lián)合時(shí)頻域分析應(yīng)用于雷達(dá)圖像和信號處理試驗(yàn)時(shí)，從得到的行人運(yùn)動逆合成孔徑雷達(dá)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)并從此開始研究。

微多普勒效應(yīng)是指運(yùn)動目標(biāo)除了主體移動外，目標(biāo)或其任何結(jié)構(gòu)部件還存在微運(yùn)動（振動、旋轉(zhuǎn)、翻滾、進(jìn)動、章動等小幅度運(yùn)動），這種微運(yùn)動在雷達(dá)回波信號上引起附加的多普勒頻率調(diào)制，并在主體移動產(chǎn)生的發(fā)射信號多普勒偏移頻率附近產(chǎn)生邊頻，使得目標(biāo)多普勒頻譜展寬的現(xiàn)象[1]。如直升機(jī)旋轉(zhuǎn)的旋翼葉片、汽車發(fā)動機(jī)引起的車身振動、飛鳥撲動的翅膀、行人擺動的手臂和腿等。

雷達(dá)目標(biāo)回波中包含的微多普勒信息能夠精細(xì)刻畫目標(biāo)的形狀、結(jié)構(gòu)、散射特性及其獨(dú)特的精細(xì)運(yùn)動特性，更進(jìn)一步反映目標(biāo)的類型和運(yùn)動意圖。目標(biāo)精細(xì)的微多普勒特征信息與目標(biāo)物性參數(shù)之間具有特定的對應(yīng)關(guān)系，被視為目標(biāo)獨(dú)一無二的特性，微動特征的提取為雷達(dá)目標(biāo)的分類和識別及微弱目標(biāo)的檢測提供了穩(wěn)定性好、可靠性高的新途徑。

2.目標(biāo)微多普勒特征提取方法

微多普勒的產(chǎn)生是由于目標(biāo)的微運(yùn)動所引起的雷達(dá)回波的微多普勒頻率調(diào)制，其中所包含的目標(biāo)各結(jié)構(gòu)部件的微運(yùn)動信息反映了目標(biāo)的微動特性，從雷達(dá)回波中的微多普勒特征信息可以進(jìn)一步反演出目標(biāo)的形狀、結(jié)構(gòu)、姿態(tài)、表面材料的電磁參數(shù)、運(yùn)動特征等信息，因此雷達(dá)目標(biāo)微多普勒特征的提取是微多普勒技術(shù)研究的關(guān)鍵。

要分析并利用目標(biāo)的微動特性，從微動目標(biāo)雷達(dá)回波中提取出目標(biāo)的微多普勒特征信息，關(guān)鍵在于對微多普勒雷達(dá)回波信號瞬時(shí)頻率的高精度估計(jì)。由于目標(biāo)微動具有時(shí)變性，所以由微動引起的微多普勒回波信號也具有時(shí)變、非平穩(wěn)的特點(diǎn)，它反映了多普勒頻移的變化特性和瞬時(shí)特性，回波信號的頻譜組合是作為時(shí)間的函數(shù)而變化的。因此，目標(biāo)微動特征的提取需要用時(shí)變信號處理方法，經(jīng)典時(shí)變信號分析方法是時(shí)頻分析。作為時(shí)間和頻率的二維函數(shù)，時(shí)頻分析能夠同時(shí)對時(shí)間和頻率成分進(jìn)行細(xì)致分析，給出了信號在不同時(shí)間和不同頻率處的能量分布特性。

時(shí)頻分析方法可分為線性時(shí)頻變換和雙線性時(shí)頻變換。線性時(shí)頻變換是由傅里葉變換轉(zhuǎn)化而來，最典型的是短時(shí)傅里葉變換（STFT）。雙線性時(shí)頻變換反映的是信號能量的時(shí)頻分布，典型形式是Wigner-Vaille分布（WVD）及其改進(jìn)形式Cohen類時(shí)頻分布等。

2.1 短時(shí)傅里葉變換（STFT）

短時(shí)傅里葉變換基本思想是在信號傅里葉變換前乘上一個(gè)時(shí)間有限的窗函數(shù)，并假定非平穩(wěn)信號在分析窗的短時(shí)間間隔內(nèi)是平穩(wěn)的，然后沿時(shí)間軸移動窗函數(shù)，計(jì)算出各個(gè)不同時(shí)刻的頻譜，得到信號的時(shí)變特性。短時(shí)傅里葉變換關(guān)鍵在于選擇合適的窗函數(shù)，窗函數(shù)大小決定短時(shí)傅里葉變換的時(shí)間分辨率和頻率分辨率。選擇較寬的窗，則頻率分辨率較高，但時(shí)間分辨率差;選擇較窄的窗，則時(shí)間分辨率較高而頻率分辨率較差。這類分析方法只能提供信號粗略的時(shí)頻分布，頻譜擴(kuò)展比較寬，分辨率低，優(yōu)點(diǎn)是在對多信號進(jìn)行分析時(shí)不會產(chǎn)生交叉干擾項(xiàng)。

2.2 Wigner-Vaille分布（WVD）

Wigner-Vaille分布（WVD）是一種高分辨率的時(shí)頻變換，避免了線性時(shí)頻分布中時(shí)間分辨率和頻率分辨率的相互制約，能夠更準(zhǔn)確地反映時(shí)變微多普勒頻率特性及其局域聯(lián)合時(shí)頻信息。雙線性WVD變換比其他線性變換有更好的聯(lián)合時(shí)頻分辨率，但因其雙線性性質(zhì)，對于多分量信號存在嚴(yán)重的交叉項(xiàng)干擾的問題。

2.3 Cohen類時(shí)頻分布

Leon Cohen提出一種對通過核函數(shù)對Wigner-Vaille分布（WVD）進(jìn)行平滑的時(shí)頻分析方法Cohen類。Cohen類既保持了高時(shí)頻分辨率有大大地減小了交叉項(xiàng)干擾。通過選擇不同的核函數(shù)，就可得到不同性能的時(shí)頻分布。

3.微多普勒技術(shù)應(yīng)用

基于雷達(dá)目標(biāo)的微多普勒特征，微多普勒技術(shù)在軍、民用方面將存在廣闊的應(yīng)用前景。從目前國內(nèi)外研究現(xiàn)狀來看，雷達(dá)微多普勒技術(shù)應(yīng)用主要集中在以下幾方面：

（1）空間、空中及地面目標(biāo)分類和識別

基于目標(biāo)的微動特性，對空間碎片的大小、數(shù)量、分布及軌跡的探測和分類識別有助于人造衛(wèi)星的運(yùn)行和航天測繪;可對彈道導(dǎo)彈彈頭和誘餌進(jìn)行真假目標(biāo)的識別，對炮彈落點(diǎn)進(jìn)行精確估計(jì);依據(jù)不同的外形結(jié)構(gòu)及運(yùn)動特性對各種飛機(jī)和直升機(jī)進(jìn)行分類識別;依據(jù)不同發(fā)動機(jī)所引起的車身振動分類識別各型坦克、裝甲車、汽車等。

（2）微弱目標(biāo)的探測和識別

微弱目標(biāo)信號常常會被淹沒在背景雜波中，然而基于微多普勒效應(yīng)，可以從中檢測出微弱目標(biāo)信號。例如，對生物目標(biāo)心臟跳動及呼吸時(shí)胸腔運(yùn)動或喉部的振動的探測以及從高海雜波背景中檢測出航海浮標(biāo)和漂浮的冰塊等微弱海面目標(biāo)，對其進(jìn)行識別分類可應(yīng)用于軍事偵察和災(zāi)害救援領(lǐng)域。對橋梁振動的檢測也有助于橋梁健康監(jiān)測，為橋梁的維護(hù)和壽命的延長提供幫助。

（3）生物目標(biāo)的運(yùn)動識別

生物目標(biāo)的運(yùn)動識別，微多普勒效應(yīng)在人的個(gè)體識別、生物醫(yī)學(xué)、運(yùn)動醫(yī)學(xué)、醫(yī)學(xué)診斷、物理療法和康復(fù)醫(yī)學(xué)有重要的意義。依據(jù)鳥類的尺寸和撲翼的頻率可以用時(shí)變多普勒譜帶寬來分辨鳥的種類。其他生物目標(biāo)如四足動物的運(yùn)動模式和特性的研究在分類識別和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)與動畫制作領(lǐng)域有重大價(jià)值。

4.微多普勒技術(shù)展望

微波雷達(dá)中的微多普勒技術(shù)的研究和應(yīng)用時(shí)間并不是很長，還存在許多問題和挑戰(zhàn)，需要更深入的研究，未來微多普勒技術(shù)的發(fā)展將會有以下幾方面發(fā)展趨勢：

（1）從單基到多基的發(fā)展

現(xiàn)有目標(biāo)微多普勒的參數(shù)估計(jì)和特征提取大都基于單基雷達(dá)。由于微多普勒效應(yīng)與目標(biāo)所處方位有關(guān)，單基雷達(dá)目標(biāo)由于自身的遮擋效應(yīng)和對雷達(dá)視線影響，使得目標(biāo)回波不能更完整和精確地反映目標(biāo)的運(yùn)動細(xì)節(jié)。而多基雷達(dá)具有多個(gè)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)，分布在多個(gè)節(jié)點(diǎn)位置上，可從多個(gè)不同視角觀測目標(biāo)，得到更加完整和精確的目標(biāo)多普勒和微多普勒信息，從而產(chǎn)生更清晰的目標(biāo)運(yùn)動圖像。

（2）建立精準(zhǔn)目標(biāo)微多普勒綜合數(shù)據(jù)庫

目前，許多運(yùn)動模型的建立主要還是靠經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，并不完善和精確，針對目標(biāo)所具有的多種特征不同方面的側(cè)重研究，特征參數(shù)提取的重點(diǎn)可能不同，因此，更完善精準(zhǔn)的目標(biāo)綜合數(shù)據(jù)庫的建立也是一個(gè)重要的研究發(fā)展方向。

（3）微多普勒的目標(biāo)辨識應(yīng)用范圍的推廣

目前基于微多普勒特征的目標(biāo)識別分類都是基于目標(biāo)的行為運(yùn)動，而人腦經(jīng)過訓(xùn)練可以分辨并處理微多普勒信號，因此，將微多普勒推廣到聽覺領(lǐng)域是可行的，可以利用偵測目標(biāo)的運(yùn)動音素對不同的運(yùn)動方式進(jìn)行分類。

（4）穿墻環(huán)境下微多普勒的檢測

微多普勒對微弱目標(biāo)的檢測和對人類運(yùn)動微多普勒特征的成功提取，為穿墻環(huán)境下的雷達(dá)微多普勒技術(shù)應(yīng)用提供了可能，可用于探測有無生命跡象及其運(yùn)動等，例如地震或爆炸后，生物活體的探測、定位和監(jiān)視，以及單兵作戰(zhàn)的活動檢測，在軍事偵察和災(zāi)害救援等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。

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