低分辨率雷達(dá)基于波形特征的目標(biāo)識(shí)別

邵 云，王恒立，張何建，陳 輝

(解放軍95980部隊(duì)，襄陽 441500)

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低分辨率雷達(dá)基于波形特征的目標(biāo)識(shí)別

邵 云，王恒立，張何建，陳 輝

(解放軍95980部隊(duì)，襄陽 441500)

針對(duì)低分辨率雷達(dá)的特點(diǎn)，分析了基于目標(biāo)回波波形特征的目標(biāo)識(shí)別，然后以波形展度的變化為切入點(diǎn)判定目標(biāo)的架次，最后基于仿真的方法，分別對(duì)單架次小飛機(jī)目標(biāo)回波、單架次大飛機(jī)目標(biāo)回波、2架次小飛機(jī)目標(biāo)回波和2架次大飛機(jī)目標(biāo)回波進(jìn)行仿真分析，對(duì)算法的有效性進(jìn)行探討，為實(shí)際工程運(yùn)用提供參考。

低分辨雷達(dá)；波形特征；目標(biāo)識(shí)別

0 引 言

對(duì)于低分辨率雷達(dá)而言，空中目標(biāo)為點(diǎn)目標(biāo)，很難對(duì)其進(jìn)行精細(xì)識(shí)別。但是，由于飛機(jī)的大小、機(jī)動(dòng)特性、徑向運(yùn)動(dòng)速度等目標(biāo)的一些內(nèi)在屬性對(duì)目標(biāo)回波的幅度和相位都會(huì)產(chǎn)生影響。基于雷達(dá)時(shí)域一維目標(biāo)回波波形，利用參數(shù)方法對(duì)目標(biāo)回波波形進(jìn)行分析，并選取某些動(dòng)態(tài)特征，可以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的粗細(xì)分類和識(shí)別[1-3]?；谀繕?biāo)回波波形特征，低分辨率防空情報(bào)雷達(dá)對(duì)飛機(jī)目標(biāo)的分類水平僅要求能粗略判斷飛機(jī)大小和架次。一般情況下，對(duì)識(shí)別算法進(jìn)行研究需要通過采集大量回波數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集不僅耗時(shí)長(zhǎng)而且花費(fèi)大。因此，本文基于仿真的方法建立回波波形模型，對(duì)算法的有效性進(jìn)行探討，為識(shí)別算法的研究提供了科學(xué)的方法和依據(jù)。

1 基于目標(biāo)回波波形特征的目標(biāo)識(shí)別

在人工測(cè)報(bào)中，對(duì)空中目標(biāo)的判別主要基于雷達(dá)目標(biāo)的A顯視頻回波圖形特征。飛機(jī)目標(biāo)在A顯上的視頻回波特征表現(xiàn)為幅度大、寬度寬、波色亮，單機(jī)波峰一般較為穩(wěn)定，而多機(jī)編隊(duì)的波峰就會(huì)產(chǎn)生抖動(dòng)或跳動(dòng)；氣象的A顯回波特征是回波弱、跳動(dòng)無規(guī)律、波峰尖，波內(nèi)無花紋?；趯?duì)目標(biāo)視頻回波波形分析，提取視頻回波的波峰數(shù)、波寬、波內(nèi)特征、變化率等圖形特征信息，可建立相應(yīng)的識(shí)別模式，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的粗分類和識(shí)別。針對(duì)雷達(dá)飛機(jī)目標(biāo)回波的具體波形，可定義以下回波波形特征參數(shù)[4]：(1)回波波形中心與波形展度系數(shù)；(2)回波波形左、右截點(diǎn)；(3)峰頂平度；(4)主峰數(shù)；(5)透折投影圖與疏齒紋理。

本文主要以波形展度的變化為切入點(diǎn)判定目標(biāo)的架次。

2 低分辨率雷達(dá)波形展度特征提取

(1)

(2)

文獻(xiàn)[5]提出一種回波方針方法，該方法選用辛格函數(shù)作為散射中心函數(shù)。所謂“散射中心”，是在光學(xué)區(qū)建立起來的基本概念，常規(guī)防空雷達(dá)的工作頻率對(duì)飛機(jī)等這些復(fù)雜軍用目標(biāo)的散射大部分都在光學(xué)區(qū)。此時(shí)，入射波波長(zhǎng)比目標(biāo)尺寸小很多，目標(biāo)可以看作為多個(gè)散射點(diǎn)源，因此，這些局部性的散射源一般稱為等效散射中心，簡(jiǎn)稱散射中心。根據(jù)高頻區(qū)的散射特點(diǎn)，一般把一些獨(dú)立散射中心的散射體一起處理，從而各個(gè)獨(dú)立散射中心的散射場(chǎng)疊加起來就可得目標(biāo)的總散射場(chǎng)。假設(shè)每個(gè)散射源上的場(chǎng)都是入射到該散射組合上的場(chǎng)(各部分之間的相互積累作用可忽略不計(jì)),并且將各散射中心相互的多次散射和遮擋效應(yīng)進(jìn)行忽略,則被分解成N個(gè)離散散射體或散射中心的組合，在給定頻率上的總雷達(dá)截面(RCS)可表示為[6]：

(3)

式中：σn為第n個(gè)散射體的RCS；φn為該散射體貢獻(xiàn)的相對(duì)相位，它由該散射中心在空間的實(shí)際位置所決定。

由多個(gè)散射中心函數(shù)的加權(quán)和逼近目標(biāo)沖激響應(yīng)，將發(fā)射信號(hào)與目標(biāo)沖激響應(yīng)卷積得到仿真回波。

3 回波波形特性分析與仿真

基于A顯目標(biāo)回波波形特征的識(shí)別方法的本質(zhì)是把操縱員經(jīng)驗(yàn)型的目標(biāo)識(shí)別轉(zhuǎn)化成雷達(dá)識(shí)別系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)的自動(dòng)識(shí)別，即把操縱員能夠在A顯上看到的目標(biāo)回波的展度、峰頂平度、主峰數(shù)目等特征轉(zhuǎn)化成用計(jì)算機(jī)語言來描述的特征，通過提取描述的特征就可對(duì)目標(biāo)進(jìn)行粗分類和架次的識(shí)別。

3.1 單架次小飛機(jī)目標(biāo)回波

對(duì)于單架次小飛機(jī)目標(biāo)而言，目標(biāo)回波為雷達(dá)系統(tǒng)接收其發(fā)射電磁波的散射信號(hào)，目標(biāo)回波一般與目標(biāo)的姿態(tài)角、幾何外形和外界環(huán)境等密切相關(guān)。把飛行目標(biāo)的回波產(chǎn)生看作為一個(gè)線性時(shí)不變系統(tǒng)，其目標(biāo)沖激響應(yīng)用h(t)來表示,它與發(fā)射信號(hào)的卷積積分為雷達(dá)目標(biāo)回波[5]，目標(biāo)回波的波形用s(t)可表示為：

s(t)=p(t)*h(t)+n(t)

(4)

式中：p(t)為雷達(dá)發(fā)射信號(hào)視頻波形；n(t)為白噪聲。

高速采集的雷達(dá)回波可以觀察到波形的起伏。由于是小目標(biāo)，可以用一個(gè)散射中心來對(duì)目標(biāo)近似，散射中心函數(shù)即為沖激響應(yīng)h(t)。對(duì)于線性調(diào)頻發(fā)射信號(hào)，脈沖壓縮后輸出的回波包絡(luò)是辛格函數(shù)，本文散射中心函數(shù)使用辛格函數(shù)，其表達(dá)式為：

(5)

式中：t0為匹配濾波器的時(shí)延；B為發(fā)射信號(hào)帶寬。

在發(fā)射信號(hào)帶寬為40 MHz、脈沖寬度為4 μs的條件下對(duì)回波波形仿真，假設(shè)信噪比為30 dB，回波波形如圖1所示。

圖1 單架小飛機(jī)回波

3.2 單架次大飛機(jī)目標(biāo)回波

對(duì)于單架次大飛機(jī)目標(biāo)而言，目標(biāo)回波與單架次小飛機(jī)目標(biāo)回波類似。由于是大目標(biāo)，需要用多個(gè)散射中心來對(duì)目標(biāo)近似，多個(gè)散射中心函數(shù)的加權(quán)和來逼近目標(biāo)沖激響應(yīng)h(t)。由式(5)得到單架次大飛機(jī)目標(biāo)的沖激響應(yīng)h(t)的表達(dá)式為：

(6)

式中：ti為第i個(gè)散射中心反射電磁波到達(dá)雷達(dá)的時(shí)間；n為散射中心的個(gè)數(shù)，n的取值一般與目標(biāo)的姿態(tài)角和幾何外形相關(guān)；wi為第i個(gè)散射中心幅度加權(quán)值，其取值一般與目標(biāo)散射中心的曲率半徑相關(guān)，曲率半徑越大，這個(gè)點(diǎn)權(quán)值越大。

在發(fā)射信號(hào)帶寬為40 MHz，脈沖寬度為4 μs的條件下對(duì)回波波形仿真，假設(shè)信噪比為30 dB，回波波形如圖2所示。

圖2 單架次大飛機(jī)回波

3.3 2架次小飛機(jī)目標(biāo)回波

對(duì)于2架次小飛機(jī)目標(biāo)而言，目標(biāo)回波一般可看作為相距較遠(yuǎn)兩散射中心的散射信號(hào)。兩散射中心函數(shù)的加權(quán)和來逼近目標(biāo)沖激響應(yīng)h(t)。由式(5)得到2架次小飛機(jī)目標(biāo)的沖激響應(yīng)h(t)的表達(dá)式為：

式中：α1、α2分別為散射中心1、2的加權(quán)值；f1(t)、f2(t)分別表示散射中心1、2的函數(shù)表達(dá)式。

以主峰數(shù)為目標(biāo)特征，在兩目標(biāo)幅度相對(duì)穩(wěn)定、信噪比一定的前提下，確定目標(biāo)間距為多少時(shí)，可將編隊(duì)飛行的2架小飛機(jī)與1架大飛機(jī)目標(biāo)完全分開。當(dāng)回波波形為兩主峰時(shí)，認(rèn)為兩目標(biāo)存在；當(dāng)回波波形只有1個(gè)主峰時(shí)，情況不一定，此時(shí)只依靠主峰特征不能進(jìn)行架次識(shí)別。在發(fā)射信號(hào)帶寬為40 MHz，脈沖寬度為4 μs的條件下對(duì)回波波形仿真，假設(shè)信噪比為30 dB，仿真一系列間距不同的兩目標(biāo)回波波形，選取有代表性的4個(gè)圖，回波波形如圖3～圖6所示。

圖3 2架次小飛機(jī)回波1

圖4 2架次小飛機(jī)回波2

圖5 2架次小飛機(jī)回波3

圖6 2架次小飛機(jī)回波4

3.4 2架次大飛機(jī)目標(biāo)回波

對(duì)于2架次大飛機(jī)目標(biāo)而言，目標(biāo)回波一般可看作為相距較遠(yuǎn)兩散射中心簇的散射信號(hào)。兩散射中心簇函數(shù)的加權(quán)和來逼近目標(biāo)沖激響應(yīng)h(t)。由式(5)得到2架次大飛機(jī)目標(biāo)的沖激響應(yīng)h(t)的表達(dá)式為：

h(t)=α1f(t1)+α2f(t2)

(8)

式中:α1、α2分別為散射中心1、2的加權(quán)值;f1(t)、f2(t)分別為散射中心簇1、2的函數(shù)表達(dá)式，其具體形式見式(6)。

在發(fā)射信號(hào)帶寬為40MHz，脈沖寬度為4μs的條件下對(duì)回波波形仿真，假設(shè)信噪比為30dB，當(dāng)兩目標(biāo)間距不同，回波波形如圖7～圖10所示。

圖7 2架次大飛機(jī)回波1

圖8 2架次大飛機(jī)回波2

圖9 2架次大飛機(jī)回波3

圖10 2架次大飛機(jī)回波4

4 識(shí)別方法

目標(biāo)回波特征的提取容易受到噪聲的污染，因此，識(shí)別方法選用模糊極大-極小神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(FMM)[7]，F(xiàn)MM這種前饋式全局聯(lián)接結(jié)構(gòu)的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有重新學(xué)習(xí)和自學(xué)功能。大量研究表明：模糊極大-極小神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)雷達(dá)目標(biāo)識(shí)別方法[8]對(duì)訓(xùn)練和目標(biāo)識(shí)別都有很大的幫助和效果。

5 結(jié)束語

[1] 王利華．基于低分辨率雷達(dá)的目標(biāo)識(shí)別方法研究[D]．南京:南京理工大學(xué)，2008．

[2] 趙曉平．低分辨雷達(dá)目標(biāo)識(shí)別研究[D]．大連:大連理工大學(xué)，2010．

[3] 米紅妹．低分辨雷達(dá)目標(biāo)識(shí)別的應(yīng)用研究[D]．大連:大連理工大學(xué)，2011．

[4] 張漢華，王偉，姜衛(wèi)東,等．低分辨雷達(dá)基于波形特征的飛機(jī)架次判別方法[J]．國(guó)防科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2003(2)：38-52．

[5] 胡忠明，江晶．一種低分辨雷達(dá)編隊(duì)目標(biāo)回波仿真方法[J]．空軍雷達(dá)學(xué)院學(xué)報(bào)，2005,19(4):40-42．

[6] 阮穎錚．雷達(dá)截面與隱身技術(shù)[M]．北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1998．

[7] 孫真真，陳曾平，莊釗文．模糊極大-極小神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)雷達(dá)目標(biāo)識(shí)別方法研究[J]．現(xiàn)代雷達(dá)，1998，20(6):29-35．

[8] 陳曾平．雷達(dá)目標(biāo)結(jié)構(gòu)特征識(shí)別的理論與應(yīng)用[D]．長(zhǎng)沙:國(guó)防科技大學(xué)，1994．

Target Recognition of Low Resolution Radar Based on Waveform Feature

SHAO Yun，WANG Heng-li，ZHANG He-jian，CHEN Hui

(Unit 95980 of PLA,Xiangyang 441500,China)

Aiming at the characteristics of low resolution radar,this paper analyzes the target recognition based on target echo waveform feature,then,distinguishes the target sortie in the point of the changes of waveform expansion,in the end,based on the simulation method,performs simulative analysis to the target echoes of a single sortie small plane,a single sortie large plane,two sorties small planes,two sorties large planes,discusses the validity of the algorithm,which offers reference for practical engineering application.

low-resolution radar；waveform feature；target recognition

2015-04-13

TN957.51

A

CN32-1413(2015)04-0062-04

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2015.04.016