微多普勒特征提取方法研究

林新黨，肖　龍

(1.海軍駐南京地區(qū)雷達(dá)系統(tǒng)軍事代表室，南京 210003；2.中國船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所，南京 211153)

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微多普勒特征提取方法研究

林新黨1，肖龍2

(1.海軍駐南京地區(qū)雷達(dá)系統(tǒng)軍事代表室，南京 210003；2.中國船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所，南京 211153)

根據(jù)飛機(jī)局部散射機(jī)理與局部散射RCS模型，理論分析了飛機(jī)旋轉(zhuǎn)部件的微多普勒回波模型。通過雷達(dá)回波的頻譜特征分析，提出了一種目標(biāo)微多普勒特征的提取方法。利用實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，表明該微多普勒特征提取方法是有效可行的。

多普勒；微多普勒；特征提取

0　引　言

對(duì)空警戒雷達(dá)在窄帶工作方式下，由于發(fā)射的脈沖帶寬窄，其目標(biāo)回波近似為點(diǎn)目標(biāo)的回波，不具備徑向和橫向上的高分辨能力。這造成了雷達(dá)回波中不包含目標(biāo)大小、形狀、結(jié)構(gòu)等用作目標(biāo)分類識(shí)別的細(xì)節(jié)信息[1]。所以，在常規(guī)雷達(dá)體制下實(shí)現(xiàn)對(duì)空目標(biāo)的分類識(shí)別是一個(gè)難點(diǎn)。

空中飛機(jī)目標(biāo)主要分為直升機(jī)、螺旋槳飛機(jī)和噴氣式飛機(jī)。這3類飛機(jī)上都存在旋轉(zhuǎn)部件，如直升機(jī)的主旋翼和尾旋翼、螺旋槳飛機(jī)的螺旋槳葉片和噴氣式飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮葉片。它們在飛機(jī)飛行的同時(shí)自身也存在周期性的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。美國著名學(xué)者VICTORC.CHEN將旋轉(zhuǎn)部件的這種旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)稱為微運(yùn)動(dòng)。在一定的目標(biāo)姿態(tài)角范圍內(nèi)，這種微運(yùn)動(dòng)會(huì)引起雷達(dá)回波中的多普勒調(diào)制。他將這種微運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的多普勒調(diào)制稱為微多普勒效應(yīng)[2-4]。微多普勒效應(yīng)的提出為窄帶工作方式下對(duì)空目標(biāo)的分類提供了新的途徑。

基于飛機(jī)局部散射機(jī)理與局部散射RCS模型，本文從理論上分析了提取目標(biāo)微多普勒調(diào)制特征的物理基礎(chǔ)，并提出了一種目標(biāo)微多普勒特征的提取方法。通過這種方法，能夠有效地將微多普勒分量從目標(biāo)回波頻譜中提取出來。本文利用實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該微多普勒特征提取方法是有效可行的。

1　飛機(jī)旋轉(zhuǎn)部件的回波模型

對(duì)于常規(guī)雷達(dá)所發(fā)射電磁波波長，空中目標(biāo)旋轉(zhuǎn)部件的每一片槳葉都在光學(xué)區(qū)。每一個(gè)槳葉可等效為一個(gè)散射中心。調(diào)制散射回波可以由旋轉(zhuǎn)部件所有的散射回波線性疊加構(gòu)成，雷達(dá)回波便由它和機(jī)身散射分量的相疊加合成。p個(gè)散射中心構(gòu)成合成回來的調(diào)制散射回波復(fù)矢量可以用下式來描述：

(1)

式中，sk為第個(gè)槳葉散射的幅度函數(shù)，ψk(t)為第k個(gè)槳葉散射的相位函數(shù)。

單個(gè)槳葉的RCS值σk可根據(jù)光學(xué)區(qū)的RCS散射機(jī)理求得：

(2)

式中，λ為指雷達(dá)的工作波長；l是指目標(biāo)散射面的長度；a是常數(shù)，單槳的前緣a=0.5，單槳的后緣a=0.1。

單個(gè)槳葉的相位函數(shù)可表示為

(3)

式中，f0為雷達(dá)發(fā)射頻率，λ為雷達(dá)工作波長，rk(t)為第個(gè)散射中心到雷達(dá)的距離。

設(shè)雷達(dá)發(fā)射窄帶相參的連續(xù)波信號(hào)：

ut=exp(j2πf0t)

(4)

采用“點(diǎn)”目標(biāo)的假設(shè)，雷達(dá)回波的序列就可看成是對(duì)連續(xù)波的采樣，則回波信號(hào)：

(5)

式中，a(t)和φ(t)分別是幅度的調(diào)制函數(shù)和相位的調(diào)制函數(shù)，s(t)=a(t)exp(jφ(t))是雷達(dá)回波的復(fù)包絡(luò)，f0為載頻。

根據(jù)式(1)、(3)和(5)可知，回波信號(hào)與各個(gè)散射中心回波的關(guān)系為

令θk(t)=4πrk(t)/λ表示第k個(gè)散射中心回波復(fù)包絡(luò)相位函數(shù)。根據(jù)上式可知，回波復(fù)包絡(luò)與各個(gè)散射中心回波復(fù)包絡(luò)的關(guān)系為

(6)

從式(6)中可以得到

(7)

(8)

式(8)說明飛機(jī)旋轉(zhuǎn)部件散射中心的任何微小運(yùn)動(dòng)都會(huì)使得相位函數(shù)θk(t)波動(dòng)。上述散射模型描述了低分辨力常規(guī)窄帶雷達(dá)對(duì)位于光學(xué)區(qū)內(nèi)飛機(jī)目標(biāo)的旋轉(zhuǎn)部件相對(duì)雷達(dá)運(yùn)動(dòng)而引起的回波復(fù)包絡(luò)幅度、相位波動(dòng)的物理機(jī)理。它既說明了常規(guī)窄帶雷達(dá)回波復(fù)包絡(luò)受到了空中目標(biāo)旋轉(zhuǎn)部件的調(diào)制，又說明了理論上常規(guī)窄帶雷達(dá)回波復(fù)包絡(luò)中含有飛機(jī)旋轉(zhuǎn)部件調(diào)制特征這種情況。這是從雷達(dá)調(diào)制回波中提取調(diào)制特征的物理基礎(chǔ)，為后面的目標(biāo)微多普勒特征的提取奠定了理論基礎(chǔ)。

2　微多普勒特征的提取

實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)微多普勒特征的穩(wěn)健提取是利用微多普勒調(diào)制特征進(jìn)行目標(biāo)分類的前提。目標(biāo)回波頻譜中包含噪聲、雜波、機(jī)身多普勒譜和旋轉(zhuǎn)部件產(chǎn)生的微多普勒調(diào)制，如圖1所示。

圖1　目標(biāo)回波頻譜

微多普勒特征提取過程就是從目標(biāo)回波頻譜中提取出微多普勒分量。要做好微多普勒特征的提取工作，需要解決以下兩個(gè)問題：

(1) 如何區(qū)分目標(biāo)多普勒附近幅度較強(qiáng)的分量是微多普勒分量還是機(jī)身多普勒副瓣；

(2) 如何將微多普勒分量與雜波和噪聲分量區(qū)分開來。

針對(duì)上述兩個(gè)問題，本文提出了一種微多普勒特征提取算法，算法流程如圖2所示。

算法步驟如下：

(1) 根據(jù)目標(biāo)回波的I/Q通道信息，得到目標(biāo)回波頻譜；

(2) 找到目標(biāo)頻譜最大位置作為機(jī)身多普勒位置；

(3) 將機(jī)身多普勒位置平移到零頻(坐標(biāo)軸中間)位置；

(4) 將幅度最大位置左右各個(gè)N1點(diǎn)作為頻譜主瓣區(qū)；

(5) 將頻譜主瓣區(qū)外左右各個(gè)N2點(diǎn)作為副瓣區(qū)；

(6) 判斷副瓣區(qū)域是否存在幅度值大于主瓣最大幅度值1/N3的點(diǎn)；

(7) 如果是則副瓣區(qū)域存在微多普勒，如果否則副瓣區(qū)域不存在微多普勒；

(8) 將除主瓣區(qū)和副瓣區(qū)外的點(diǎn)視為雜波、噪聲區(qū)域，設(shè)定噪聲判別門限值；

(9) 判別雜波、噪聲區(qū)域是否存在幅度大于K倍噪聲判別門限值的點(diǎn)；

(10) 如果是則雜波、噪聲區(qū)域可能存在微多普勒，如果否則雜波、噪聲區(qū)域不存在微多普勒；

(11) 將頻譜移回原位，零頻率左右各個(gè)N4點(diǎn)作為雜波區(qū)；

(12) 若上述步驟7、10中提取的微多普勒在雜波區(qū)，則不是微多普勒；

(13) 輸出提取得到的微多普勒分量。

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文使用S波段雷達(dá)在5kHz脈沖重復(fù)頻率工作模式下采集到的飛機(jī)實(shí)測數(shù)據(jù)來驗(yàn)證所提方法的可行性。為了驗(yàn)證本文提出方法的可行性，對(duì)大量的實(shí)測飛機(jī)回波頻譜進(jìn)行了測試。圖3為一架渦噴式飛機(jī)的回波頻譜及其微多普勒特征的提取過程。圖3(a)為目標(biāo)原始頻譜，圖3(b)為平移后的目標(biāo)頻譜及特征提取門限值，圖3(c)為去掉機(jī)身多普勒和噪聲后的頻譜，圖3(d)為提取得到的目標(biāo)微多普勒特征。對(duì)比圖3(a)和圖3(d)可以看出，本文提出的微多普勒特征提取方法可以有效地將目標(biāo)頻譜中的微多普勒特征提取出來。

(a) 目標(biāo)原始頻譜

(b) 平移后的目標(biāo)頻譜及特征提取門限值

(c) 去掉機(jī)身多普勒和噪聲后的頻譜

(d) 提取得到的目標(biāo)微多普勒特征

4　結(jié)束語

本文從理論上分析了飛機(jī)旋轉(zhuǎn)部件的回波模型，并提出了一種目標(biāo)微多普勒特征的提取方法。對(duì)實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行微多普勒特征提取的結(jié)果表明本文提出的方法是有效可行的。

[1]LanDu,BaoshuaiWang,YanbingLi,HongweiLiu.RobustClassificationSchemeforAirplaneTargetsWithLowResolutionRadarBasedonEMD-CLEANFeatureExtractionMethod[J].IEEESensorsJournal, 2013, 13(12): 4648-4662.

[2]王寶帥，杜蘭，劉宏偉，李彥兵，馮博. 基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解的空中飛機(jī)目標(biāo)分類[J]. 電子與信息學(xué)報(bào)，2012，9(34)：2116-2121.

[3]杜玩文. 空中雷達(dá)目標(biāo)識(shí)別技術(shù)研究[D]. 南京理工大學(xué)，2009.6.

[4]張群, 羅迎, 何勁. 雷達(dá)目標(biāo)微多普勒效應(yīng)研究概述[J]. 空軍工程大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2011，12(2): 22-26.

Amethodofmicro-Dopplerfeatureextraction

LINXin-dang,XIAOLong

(1.MilitaryRepresentativesOfficeofRadarSystemofthePLANavyinNanjing,Nanjing210003;2.No.724ResearchInstituteofCSIC,Nanjing211153)

Themicro-DopplerechomodelfortherotatingpartsoftheaircraftisanalyzedtheoreticallybasedontheaircraftlocalscatteringtheoryandRCSmodel.Accordingtothespectrumsignatureanalysisofradarechoes,amethodofmicro-Dopplerfeatureextractionisproposed.Finally,themethodisverifiedtobeeffectiveandfeasibleusingtheactualtestdata.

Doppler;micro-Doppler;featureextraction

2016-03-04

林新黨(1970-),男，工程師，碩士，研究方向:雷達(dá)總體技術(shù)；肖龍(1984-)，男，工程師，碩士，研究方向：雷達(dá)目標(biāo)識(shí)別及數(shù)據(jù)處理。

TN957.52

A

1009-0401(2016)03-0041-03