雷達(dá)回波數(shù)量對(duì)目標(biāo)分類識(shí)別結(jié)果的影響分析

徐曉天 孫聚芳

(成都中電錦江信息產(chǎn)業(yè)有限公司 成都 610051)

0 引言

雷達(dá)自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別(Radar Automatic Target Recognition:RATR)是指在雷達(dá)目標(biāo)檢測(cè)的基礎(chǔ)上，從接收到的雷達(dá)目標(biāo)散射回波中提取目標(biāo)的有關(guān)信息標(biāo)志和選擇反映目標(biāo)屬性的穩(wěn)定特征，并利用已有的目標(biāo)先驗(yàn)信息，完成對(duì)目標(biāo)屬性、種類或型號(hào)的自動(dòng)識(shí)別［1］。為了更好的對(duì)目標(biāo)進(jìn)行分類識(shí)別，將空中目標(biāo)分成航天飛行器、臨近空間飛行器和空氣動(dòng)力飛行器三大類。其中航天飛行器包括衛(wèi)星和彈道導(dǎo)彈;臨近空間飛行器包括飛艇、氣球、再入滑翔飛行器、高超聲巡航飛行器、火箭動(dòng)力飛行器等;空氣動(dòng)力飛行器包括噴氣式飛機(jī)、螺旋槳飛機(jī)和直升機(jī)。本文主要討論的就是第三類空氣動(dòng)力飛行器的識(shí)別?；趹?zhàn)時(shí)作戰(zhàn)需求及目標(biāo)類別的可分性，將3 種空氣動(dòng)力飛行器目標(biāo)按類別劃分為11類?；趯拵Щ夭ê驼瓗Щ夭ㄐ畔⒎诸惖牧鞒倘鐖D1所示。

1 雷達(dá)參數(shù)和工作狀態(tài)對(duì)提取調(diào)制譜特征的影響

1．1 雷達(dá)重復(fù)頻率的影響

雷達(dá)脈沖重復(fù)頻率fr等價(jià)于雷達(dá)目標(biāo)回波信號(hào)采樣率。脈沖重復(fù)頻率過(guò)低會(huì)導(dǎo)致回波的方位采樣速率過(guò)低，從而不能完整采集到高速旋轉(zhuǎn)部件的調(diào)制周期，這樣在實(shí)際回波的頻譜分析中就不能顯示所有的調(diào)制譜，難以分析其調(diào)制的周期性。飛機(jī)目標(biāo)調(diào)制譜在頻率軸上所占據(jù)的范圍可由正調(diào)制譜或負(fù)調(diào)制譜最高次調(diào)制諧波分量頻率fh=2vs/λ 確定，其中vd為旋轉(zhuǎn)調(diào)制部件端部徑向速度。若要得到無(wú)混疊的調(diào)制譜，雷達(dá)脈沖重復(fù)頻率必須滿足fr≥2fh［3］。

圖1 目標(biāo)回波信息分類流程框圖

1．2 回波分量的影響

雷達(dá)接收機(jī)的線性動(dòng)態(tài)范圍有限，因此過(guò)大的機(jī)身分量使調(diào)制回波分量限幅，過(guò)大的噪聲或干擾分量會(huì)淹沒(méi)調(diào)制回波分量，都使得調(diào)制特征的提取變得困難。

1．3 雷達(dá)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響

雷達(dá)系統(tǒng)的不穩(wěn)定性和飛機(jī)的隨機(jī)抖動(dòng)也會(huì)影響回波中的調(diào)制分量，特別是特征譜線的寬度。

1．4 回波數(shù)量的影響(即持續(xù)照射時(shí)間的影響)

由于受雷達(dá)天線掃描的限制，有效回波數(shù)量難以覆蓋低速旋轉(zhuǎn)部件的調(diào)制周期，譜分辨力也會(huì)受到影響。設(shè)機(jī)械掃描雷達(dá)的方位波束寬度為α，掃描角頻率為ω，則雷達(dá)持續(xù)照射時(shí)間T 必須滿足T=α/ω≥TT，才能保證雷達(dá)每次掃描至少能采集到旋轉(zhuǎn)部件的一個(gè)回波脈沖，其中TT為旋轉(zhuǎn)部件時(shí)域調(diào)制回波周期。傅里葉頻譜的頻率分辨率為待分析信號(hào)積累時(shí)間長(zhǎng)度即雷達(dá)持續(xù)照射時(shí)間的倒數(shù)，T 值越大，所獲取調(diào)制譜頻率分辨率就越高，反之則越低。

1．5 發(fā)射信號(hào)的影響

由于發(fā)射脈寬為τ 的單一載頻矩形包絡(luò)脈沖，因此槳葉調(diào)制回波不再是sinc 函數(shù)的全部形狀，而是以周期Tr、脈寬τ 對(duì)sinc 函數(shù)的采樣。更重要的是，雷達(dá)重復(fù)頻率和槳葉旋轉(zhuǎn)頻率不同步，使得每一發(fā)射脈沖不一定能對(duì)準(zhǔn)槳葉最大RCS 的位置，這會(huì)進(jìn)一步減小槳葉回波的幅度甚至槳葉回波的數(shù)量，從而導(dǎo)致調(diào)制譜分辨力下降。

綜上所述，若要獲取穩(wěn)定、可靠的調(diào)制周期特征，對(duì)雷達(dá)的基本要求是:穩(wěn)定的雷達(dá)系統(tǒng)、較大的接收機(jī)線性動(dòng)態(tài)范圍、較高的重復(fù)頻率和合適的天線轉(zhuǎn)速［5］。由于目前雷達(dá)不能達(dá)到或者不能同時(shí)達(dá)到上述要求，使得利用調(diào)制譜特征進(jìn)行的識(shí)別變得困難。

但在實(shí)際對(duì)目標(biāo)識(shí)別的過(guò)程中，從雷達(dá)回波數(shù)據(jù)中可以提取目標(biāo)的多種特征信息，因此把目標(biāo)具有可分性的多種特征信息進(jìn)行有效的融合，充分發(fā)揮各個(gè)特征的作用，可以有效提高目標(biāo)分類的成功率、正確率及可信度。

2 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)識(shí)別結(jié)果統(tǒng)計(jì)

本文從雷達(dá)回波中提取待探測(cè)目標(biāo)的多個(gè)特征信息，并應(yīng)用貝葉斯分類技術(shù)對(duì)特征信息進(jìn)行融合，得出此目標(biāo)被判為三類機(jī)型的概率值，同時(shí)進(jìn)行可信度分析，把目標(biāo)判為融合概率值最大且位于可信度范圍內(nèi)的那一類機(jī)型。

2．1 指標(biāo)定義

(1)識(shí)別次數(shù):對(duì)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤識(shí)別的總次數(shù)，跟蹤過(guò)程中，完成對(duì)目標(biāo)的一次識(shí)別采集即為一次識(shí)別。

(2)識(shí)別成功次數(shù):未提示識(shí)別失敗的次數(shù)。在識(shí)別過(guò)程中，存在由于目標(biāo)信噪比過(guò)低，采集波門(mén)偏離及特征不明顯等因素導(dǎo)致無(wú)法識(shí)別的問(wèn)題。因此定義識(shí)別成功次數(shù)為識(shí)別并輸出識(shí)別結(jié)果的次數(shù)，無(wú)法識(shí)別的數(shù)據(jù)輸出識(shí)別失敗。

(3)識(shí)別正確次數(shù):已知目標(biāo)類型并被正確識(shí)別成該類型的次數(shù)。

(4)識(shí)別成功率:識(shí)別成功次數(shù)與識(shí)別次數(shù)之比。

(5)識(shí)別正確率:識(shí)別正確次數(shù)與識(shí)別成功次數(shù)之比。

2．2 識(shí)別結(jié)果統(tǒng)計(jì)

通過(guò)對(duì)實(shí)測(cè)的三類機(jī)型數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別仿真，分別統(tǒng)計(jì)回波數(shù)量小于等于25、小于等于40、小于等于80 和小于等于200 時(shí)識(shí)別成功率和識(shí)別正確率。以回波數(shù)量小于等于200 為例給出三類機(jī)型的融合后驗(yàn)概率分布圖，如圖2、圖3 和圖4所示。

圖2 直升機(jī)的融合后驗(yàn)概率分布圖

圖3 螺旋槳的融合后驗(yàn)概率分布圖

圖2 是對(duì)直升機(jī)識(shí)別時(shí)各個(gè)樣本的融合后驗(yàn)概率分布圖，共有753 個(gè)待識(shí)別樣本。從圖中可以看出，被錯(cuò)誤識(shí)別的直升機(jī)樣本大部分被識(shí)別為螺旋槳，因?yàn)橹仡l較低，導(dǎo)致提取的調(diào)制周期變大，接近于螺旋槳的調(diào)制周期，所以被誤識(shí)別為螺旋槳，且融合概率較高。因此，直升機(jī)易被識(shí)別為螺旋槳飛機(jī)。

圖3 是對(duì)螺旋槳識(shí)別時(shí)各個(gè)樣本的融合后驗(yàn)概率分布圖，共有402 個(gè)待識(shí)別樣本。從圖中可以看出，被錯(cuò)誤識(shí)別的螺旋槳樣本大部分被識(shí)別為噴氣式。在我們?cè)O(shè)定的準(zhǔn)則下，經(jīng)統(tǒng)計(jì)有12.8%的螺旋槳被識(shí)別為噴氣式，而識(shí)別為直升機(jī)的只有3.2%。因此，螺旋槳飛機(jī)易被識(shí)別為噴氣式飛機(jī)。

圖4 噴氣式的融合后驗(yàn)概率分布圖

圖4 是對(duì)噴氣式識(shí)別時(shí)各個(gè)樣本的融合后驗(yàn)概率分布圖，共有317 個(gè)待識(shí)別樣本。從圖中可以看出，大部分噴氣式樣本的融合后驗(yàn)概率值都在0.9之上，與直升機(jī)和螺旋槳具有明顯的可分性，因?yàn)閲姎馐骄哂懈呖?、高速、大尺寸等特征，所以，噴氣式是三類機(jī)型中最易識(shí)別的。

圖5 識(shí)別率隨回波數(shù)量變化統(tǒng)計(jì)圖

圖5 給出了四種回波數(shù)量下識(shí)別成功率和識(shí)別正確率隨回波數(shù)量變化的統(tǒng)計(jì)圖。如圖5所示:

(1)三種機(jī)型的識(shí)別成功率和識(shí)別正確率都隨著有效回波數(shù)量的增加而增加。因?yàn)楫?dāng)回波數(shù)量增加時(shí)，可以提高提取的目標(biāo)特征信息的質(zhì)量，增加可分性。

(2)識(shí)別成功率和識(shí)別正確率隨回波數(shù)量的變化是慢變的，并不是成比例增長(zhǎng)的。因?yàn)榛夭〝?shù)量只是影響提取調(diào)制特征的一個(gè)因素，如果其他因素如雷達(dá)脈沖重復(fù)頻率、發(fā)射信號(hào)等因素不達(dá)標(biāo)，也會(huì)影響目標(biāo)特征的提取，導(dǎo)致提取的特征質(zhì)量下降，這種情況下即使有再多的回波數(shù)量，其識(shí)別結(jié)果也不好。

(3)三類機(jī)型中直升機(jī)隨回波數(shù)量的增加，其識(shí)別成功率和識(shí)別正確率提高最大。因?yàn)橹鄙龣C(jī)的旋翼旋轉(zhuǎn)速度相對(duì)較慢，較少的回波數(shù)量難以覆蓋低速旋轉(zhuǎn)部件的調(diào)制周期，所以直升機(jī)的識(shí)別成功率和識(shí)別正確率都低于噴氣式和螺旋槳飛機(jī)。而隨著回波數(shù)量的增加，提取的直升機(jī)調(diào)制特征變化最明顯，所以其識(shí)別率增長(zhǎng)最快。

3 總結(jié)

本文在綜合目標(biāo)識(shí)別的模型下，針對(duì)噴氣式、螺旋槳和直升機(jī)三類機(jī)型，統(tǒng)計(jì)了不同回波數(shù)量條件下三類目標(biāo)識(shí)別的成功率和正確率，并對(duì)回波數(shù)量對(duì)識(shí)別結(jié)果的影響進(jìn)行分析。通過(guò)仿真可知，在其他條件不變的情況下，隨著回波數(shù)量的增加，識(shí)別成功率和識(shí)別正確率都有所增加。由于三類機(jī)型的結(jié)構(gòu)不同，每類機(jī)型增加的比例并不一樣。經(jīng)分析，在雷達(dá)其他條件不變的情況，在滿足識(shí)別時(shí)間、運(yùn)算量等各類指標(biāo)要求的前提下，可用的回波數(shù)量越多，識(shí)別結(jié)果越好。但是隨著回波數(shù)量的不斷增加，三類機(jī)型的識(shí)別成功率和識(shí)別正確率是否會(huì)一直保持緩慢增長(zhǎng)還是會(huì)趨于平穩(wěn)，由于現(xiàn)有條件限制無(wú)法論證，有待進(jìn)一步討論。

［1］柴晶.雷達(dá)高分辨距離像目標(biāo)識(shí)別的拒判算法和特征提取技術(shù)研究［D］.西安電子科技大學(xué).2010.

［2］Peter Tait，羅軍等譯.雷達(dá)目標(biāo)識(shí)別導(dǎo)論［M］.電子工業(yè)出版社.2013.

［3］程榮剛.基于JEM 特征的空中飛機(jī)目標(biāo)分類方法研究［D］.西安電子科技大學(xué).2012.

［4］陳娟.基于多特征融合的雷達(dá)目標(biāo)識(shí)別［D］.西安電子科技大學(xué).2010.

［5］丁建江.防空雷達(dá)目標(biāo)識(shí)別技術(shù)［M］.國(guó)防工業(yè)出版社.2008.