毫米波被動(dòng)探測(cè)信號(hào)的熵特征研究

馮建利，趙裔昌，張效民

(1.西安石油大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，西安　710065; 2.西北工業(yè)大學(xué) 航海學(xué)院，西安　710072;3.機(jī)電動(dòng)態(tài)控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安　710065)

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毫米波被動(dòng)探測(cè)信號(hào)的熵特征研究

馮建利1，2，趙裔昌3，張效民2

(1.西安石油大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，西安710065; 2.西北工業(yè)大學(xué) 航海學(xué)院，西安710072;3.機(jī)電動(dòng)態(tài)控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安710065)

針對(duì)毫米波被動(dòng)探測(cè)系統(tǒng)中以幅度值作為判決特征時(shí)，容易將無(wú)源干擾(如平面金屬、地面積水等)誤識(shí)別為裝甲目標(biāo)的問(wèn)題，提出了毫米波被動(dòng)探測(cè)信號(hào)的新特征量——熵;從毫米波被動(dòng)探測(cè)典型地物目標(biāo)的天線溫度基本組成出發(fā)，提出了熵的提取方法;對(duì)一定樣本量的地物探測(cè)信號(hào)進(jìn)行熵特征分析，結(jié)果表明裝甲目標(biāo)的熵與平面金屬及地面積水有明顯差異，對(duì)裝甲目標(biāo)識(shí)別的研究提供了新的分析思路和理論指導(dǎo)。

毫米波被動(dòng)探測(cè); 熵特征; 天線溫度; 裝甲目標(biāo); 目標(biāo)識(shí)別

0　引言

在毫米波段，地面背景和金屬的亮度溫度存在很大差異，因此利用毫米波被動(dòng)探測(cè)可以有效檢測(cè)地面裝甲目標(biāo)[1]。但由于地面其它低亮溫目標(biāo)(如平面金屬、地面積水等)的毫米波被動(dòng)探測(cè)信號(hào)與裝甲目標(biāo)信號(hào)在幅度域上有一定相似度，因此容易被誤識(shí)別為裝甲目標(biāo)[2-5]。為了探尋被動(dòng)毫米波探測(cè)地面裝甲目標(biāo)抗無(wú)源干擾的有效方法，從毫米波被動(dòng)探測(cè)的基本原理出發(fā)，分析了典型地物的輻射探測(cè)機(jī)理，提出了基于熵特征的毫米波被動(dòng)探測(cè)信號(hào)提取方法，計(jì)算了裝甲目標(biāo)信號(hào)和其他無(wú)源干擾信號(hào)熵特征，為毫米波被動(dòng)探測(cè)地面裝甲目標(biāo)的識(shí)別技術(shù)提供必要支撐。

1　毫米波被動(dòng)探測(cè)機(jī)理

天線溫度是毫米波被動(dòng)探測(cè)地物目標(biāo)所得探測(cè)結(jié)果的表現(xiàn)形式，其表達(dá)式為[6]：

(1)

式(1)中，TA為天線溫度；G(θ,φ)為歸一化天線增益；ΩM為天線主波束立體角，TAP(θ,φ)為(θ,φ)方向的視在溫度。由輻射測(cè)量學(xué)理論知，當(dāng)忽略大氣向上輻射亮溫及大氣衰減時(shí)，視在溫度表示為：

(2)

式(2)中TB(θ,φ)為被測(cè)目標(biāo)自身向外輻射的亮度溫度，簡(jiǎn)稱亮溫；TSC(θ,φ)為被測(cè)目標(biāo)反射的來(lái)自于其它輻射源輻射的亮溫；ε(θ,φ)為被測(cè)目標(biāo)的輻射率；Ts為被測(cè)目標(biāo)的物理溫度；Γ(θ,φ)為被測(cè)目標(biāo)的反射率，滿足Γ(θ,φ)+ε(θ,φ)=1；TBother(θ,φ)表示其它輻射源輻射到被測(cè)目標(biāo)上的亮溫。

通常，對(duì)于同一個(gè)毫米波被動(dòng)探測(cè)系統(tǒng)，(θ,φ)方向其天線方向圖F(θ,φ)函數(shù)值不變，該方向的視在溫度TAP(θ,φ)決定了天線溫度。因此，典型地物毫米波被動(dòng)探測(cè)機(jī)理的研究重在對(duì)地物目標(biāo)和背景的視在溫度組成的討論。

2　典型目標(biāo)視在溫度

2.1平面金屬視在溫度

為了便于分析，假設(shè)平面金屬填充在整個(gè)天線波束內(nèi)，即探測(cè)器天線沒(méi)有照射到背景，如圖1所示。

圖1平面目標(biāo)視在溫度示意圖

圖1中T

DN

(θ,H)為大氣向下輻射亮溫。當(dāng)圖1中的被測(cè)平面目標(biāo)為平面金屬時(shí)，由于金屬在8 mm波段輻射率ε(θ,φ)≈0，反射率Γ(θ,φ)≈1，根據(jù)式(2)得輻射計(jì)探測(cè)平面金屬時(shí)視在溫度如式(3)。

(3)

2.2積水目標(biāo)視在溫度

在圖1中取被測(cè)平面目標(biāo)為積水，8 mm波段，水的輻射率ε(θ,φ)≈0.63，反射率Γ(θ,φ)≈0.37[7]。因此，積水目標(biāo)與平面金屬目標(biāo)的不同之處在于，積水除了主要反射大氣向下輻射亮溫之外，本身還向外輻射能量。根據(jù)式(2)得積水的視在溫度可表示為：

(4)

2.3裝甲目標(biāo)視在溫度

相比于平面目標(biāo)，裝甲目標(biāo)是幾何形狀復(fù)雜的立體金屬目標(biāo)，其視在溫度組成如圖2所示。

圖2裝甲目標(biāo)視在溫度示意圖

從圖2中可以看出，裝甲目標(biāo)不同于平面金屬目標(biāo)和積水之處在于裝甲目標(biāo)的散射溫度由兩部分構(gòu)成：(1)，部分面元反射的大氣向下輻射亮溫T

DN

(θ,H)形成的向天線口面方向散射的能量T

SC大氣

；(2)，部分面元反射的地面背景輻射亮溫T

B地

向天線口面方向散射的能量T

SC地

。因此，根據(jù)式(2)得裝甲目標(biāo)視在溫度表示為

(5)

式(5)中TDNi表示裝甲目標(biāo)的第i個(gè)面元反射大氣向下輻射亮溫；TB地j表示裝甲目標(biāo)的第j個(gè)面元反射地面背景的輻射亮溫。

3　毫米波被動(dòng)探測(cè)信號(hào)的熵特征

由平面金屬、地面積水和裝甲目標(biāo)視在溫度組成的分析可知，毫米波探測(cè)器運(yùn)動(dòng)過(guò)程中掃描所得平面金屬目標(biāo)和地面積水目標(biāo)天線溫度曲線呈現(xiàn)較均勻變化，而裝甲目標(biāo)視在溫度大小由照射條件決定。在探測(cè)器波束掃描裝甲目標(biāo)過(guò)程中，天線與裝甲目標(biāo)的空間關(guān)系不斷發(fā)生變化，導(dǎo)致同一面元在不同的掃描時(shí)刻既有可能反射大氣向下輻射亮溫，又有可能反射地面背景輻射亮溫，而且還有可能存在面元之間能量的多次反射[8]。因此，裝甲目標(biāo)的天線溫度曲線存在一定的不均勻性。

針對(duì)裝甲目標(biāo)探測(cè)信號(hào)的不均勻性，借鑒物理學(xué)中混亂程度的表征量——熵[9]，提出毫米波被動(dòng)探測(cè)信號(hào)的熵。假設(shè)毫米波被動(dòng)探測(cè)所得地物目標(biāo)天線溫度曲線數(shù)據(jù)為N個(gè)采樣點(diǎn)的集合TA={TA1,TA2,TA3……TAN}，則毫米波被動(dòng)探測(cè)信號(hào)的熵定義為：

(6)

式(6)中，E表示天線溫度曲線的熵；TAi表示探測(cè)目標(biāo)的第i個(gè)天線溫度值，為敘述方便，定義{|TA(i+1)-TAi|,i=1,…,N-1}為差值序列。E的大小體現(xiàn)了天線溫度曲線的起伏即混亂程度，E值越大天線溫度曲線的波動(dòng)程度越大、混亂程度越高。

4　典型地物目標(biāo)毫米波被動(dòng)探測(cè)信號(hào)的熵

為了對(duì)毫米波被動(dòng)探測(cè)地物目標(biāo)天線溫度進(jìn)行熵分析，采用目標(biāo)面元法分別建立地面積水目標(biāo)模型、平面金屬目標(biāo)模型和裝甲目標(biāo)模型，編寫(xiě)仿真程序得到各種目標(biāo)在草地背景下的天線溫度曲線，并計(jì)算了不同目標(biāo)的熵。為了更加明確的分析天線溫度曲線的波動(dòng)程度，進(jìn)一步計(jì)算了差值序列。仿真參數(shù)設(shè)置：系統(tǒng)采樣率2 000 Hz，背景為草地，環(huán)境溫度為30 ℃，天線為卡塞格倫天線，彈載輻射計(jì)探測(cè)俯角30°，彈丸以200 m/s的速度從裝甲目標(biāo)的正前方上空20米處勻速直線掠飛。如圖3為草地的天線溫度曲線及其差值序列。

圖3草地的天線溫度曲線及差值序列

如圖3所示，無(wú)論是草地背景的仿真信號(hào)還是實(shí)測(cè)信號(hào)，差值序列趨于平緩，根據(jù)式(6)計(jì)算得到仿真信號(hào)和實(shí)測(cè)信號(hào)的熵分別為0.026 6和0.781 9。圖4所示為地面積水的天線溫度曲線及差值序列。

圖4積水目標(biāo)的天線溫度曲線及差值序列

如圖4所示，地面積水的天線溫度差值序列與草地不同，有一定的起伏特性，根據(jù)式(6)計(jì)算得到仿真信號(hào)和實(shí)測(cè)信號(hào)的熵分別為0.412 1和0.984 0。圖5所示為平面金屬目標(biāo)的天線溫度曲線及差值序列。

圖5平面金屬的天線溫度曲線及差值序列

如圖5所示，平面金屬的天線溫度差值序列與地面積水相似，有一定的起伏特性，同時(shí)由于平面金屬與地面背景的天線溫度差大于地面積水與地面背景的天線溫度差，所以平面金屬的天線溫度差值序列的起伏程度略高于地面積水。根據(jù)式(6)得到仿真信號(hào)和實(shí)測(cè)信號(hào)的熵分別為1.037 8和1.192 0。如圖6所示為某裝甲目標(biāo)的天線溫度曲線及差值序列。

圖6裝甲目標(biāo)的天線溫度曲線及差值序列

如圖6所示，裝甲目標(biāo)信號(hào)的差值序列起伏特性尤為明顯，根據(jù)式(6)計(jì)算得到裝甲目標(biāo)天線溫度的仿真曲線和實(shí)測(cè)曲線的熵分別為2.924 2和3.756 1。

5　仿真分析

仿真條件同上，為了統(tǒng)計(jì)得到各目標(biāo)的熵，對(duì)各目標(biāo)進(jìn)行了200次的仿真，對(duì)仿真得到的天線溫度曲線計(jì)算熵，然后計(jì)算熵均值，得到各地物目標(biāo)熵的統(tǒng)計(jì)平均值如表1所示。

表1　不同目標(biāo)天線溫度熵的統(tǒng)計(jì)平均值

從表1可知在樣本量為200時(shí)得到的各目標(biāo)天線溫度熵統(tǒng)計(jì)平均值與上節(jié)單次實(shí)測(cè)和仿真得到的結(jié)果相符，即熵值由低到高的排序依次為：草地、地面積水、平面金屬、裝甲目標(biāo)。原因在于：(1)實(shí)測(cè)和仿真均以草地為背景，所以當(dāng)目標(biāo)也為草地時(shí)，目標(biāo)和背景相同，所以熵最??；(2)地面積水的天線溫度低于草地，即地面積水和草地之間存在一定的天線溫度差，所以地面積水的差值序列存在一定程度的起伏，熵大于草地；(3)平面金屬的天線溫度低于地面積水，即平面金屬與草地之間存在更大的天線溫度差，所以其差值序列的波動(dòng)大于地面積水，從而熵大于地面積水；(4)裝甲目標(biāo)實(shí)際為金屬目標(biāo)，所以裝甲目標(biāo)與草地之間也存在較大的天線溫度差；同時(shí)，裝甲目標(biāo)又是幾何外形復(fù)雜的立體金屬目標(biāo)，面元的反射能量可能來(lái)源于大氣向下輻射亮溫、地面背景輻射亮溫以及其它面元反射的輻射亮溫等多種情況，所以裝甲目標(biāo)的天線溫度曲線波動(dòng)程度最高，其熵最大。因此，根據(jù)熵的大小可以明確將裝甲目標(biāo)從其它目標(biāo)中識(shí)別出來(lái)。為了進(jìn)一步說(shuō)明該方法的可行性，圖7繪制了不同目標(biāo)熵的直方圖。

圖7典型地物信號(hào)熵特征分布直方圖對(duì)比

分析圖7(a)可知，地面積水與平面金屬的熵分布存在明顯交集，所以從概率論理論知，它們彼此誤識(shí)別的概率較高。因此，以熵作為特征量難以將地面積水與平面金屬進(jìn)行區(qū)分。但是，分析圖(b)、(c)和(d)可以看出，坦克和草地、地面積水及平面金屬的熵分布幾乎不存在交集，所以依據(jù)概率論知：以目標(biāo)的天線溫度的熵作為特征量可以準(zhǔn)確地將坦克與草地、地面積水及平面金屬區(qū)分，從而實(shí)現(xiàn)了在典型地物中對(duì)裝甲目標(biāo)的有效識(shí)別。

6　結(jié)論

從被動(dòng)毫米波探測(cè)的基本原理出發(fā)，詳細(xì)分析了地面裝甲目標(biāo)與易誤判為裝甲目標(biāo)的典型無(wú)源干擾——平面金屬和地面積水的視在溫度組成，分析了他們的差異。根據(jù)存在差異的特點(diǎn)提出了毫米波被動(dòng)探測(cè)信號(hào)熵特征的概念及計(jì)算方法，并對(duì)大量典型地物目標(biāo)及背景的實(shí)測(cè)信號(hào)和仿真信號(hào)分別進(jìn)行了熵分布的統(tǒng)計(jì)。結(jié)果表明，利用目標(biāo)天線溫度的特征量——熵可以有效地將裝甲目標(biāo)從典型地物背景中識(shí)別出來(lái)，進(jìn)一步提高了毫米波被動(dòng)探測(cè)系統(tǒng)抗無(wú)源干擾的能力。

[1]Ulaby F T，Moore R K，F(xiàn)ung A K．Microwave Remote Sensing，Active and Passive. Vol. 1[M]. Addison-Wesley Publishing Company，1981．

[2]Zhang Y M. Study on the technique of passive millimeter wave detector[J]. Journal of Beijing Institute of Technology. 2005, 14(4) : 391-395.

[3] 張彥梅，崔占忠. 利用毫米波輻射計(jì)探測(cè)坦克頂甲的研究[J]. 探測(cè)與控制學(xué)報(bào)，2004，26(3)：17-20，24.

[4] 張彥梅. 基于被動(dòng)毫米波探測(cè)技術(shù)的近場(chǎng)目標(biāo)識(shí)別方法[J]. 北京理工大學(xué)學(xué)報(bào)， 2006，26(7)：622-625.

[5] 時(shí)翔，婁國(guó)偉，李興國(guó)，等. 裝甲目標(biāo)毫米波輻射溫度的建模與計(jì)算[J]. 紅外與毫米波學(xué)報(bào)，2007，26(1)：43-46.

[6] 李興國(guó)，毫米波近感技術(shù)及其應(yīng)用[M]. 北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1991.

[7] 時(shí)翔. 被動(dòng)毫米波探測(cè)及其隱身技術(shù)研究[D]. 南京：南京理工大學(xué)，2007.

[8] 馮建利，張效民. 基于多次反射的毫米波被動(dòng)探測(cè)裝甲目標(biāo)輻射特性研究[J]. 西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2015,33(1):135-140.

[9] 王可達(dá)，張之翔. 熵的定義和物理意義[J]. 汕頭大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，1997,12(2): 88-93.

Research on the Entropy Feature of Analysis of Passive Millimeter Wave Detection Signal

Feng Jianli1，2, Zhao Yichang3, Zhang Xiaomin2

(1.School of computer science, Xi’an Shiyou University, Xi’an710065, China;2.College of Marine Engineering, Northwestern polytechnical University, Xi’an710072, China;3.Key Laboratory of Electromechanical Dynamic Control, Xi’an710065, China)

In passive millimeter wave detection system, it is easy to be passive jamming (such as planar metal, ground water, etc.) mistakenly identified as an armored target, when the signal amplitude value was deemed as a decisive characteristic. In order to solve this problem, this paper proposes a new feature named as entropy. According to the antenna temperature’s composition of typical targets, proposed the extraction method of signal entropy feature. Analyzed a large number of detection signal entropy features, the results showed that the entropy feature of armored target significantly different with planer metal and ground water. The results of this paper provide a new analytical thinking and theoretical guidance for the armored target identification.

passive millimeter wave detection; entropy feature; antenna temperature; armored target; target recognition

2015-07-10；

2015-08-25。

馮建利(1981-)，女，陜西人，講師，博士研究生，主要從事毫米波被動(dòng)探測(cè)輻射原理及信號(hào)處理方向的研究。

1671-4598(2016)01-0223-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.01.061

TN015; TP391.9

A