基于回波特性的直升機(jī)載雷達(dá)目標(biāo)探測(cè)與識(shí)別

趙亞先,唐 堯,景 雄

(北方電子研究院，西安 710010)

【裝備理論與裝備技術(shù)】

基于回波特性的直升機(jī)載雷達(dá)目標(biāo)探測(cè)與識(shí)別

趙亞先,唐 堯,景 雄

(北方電子研究院，西安 710010)

研究雷達(dá)目標(biāo)識(shí)別的基本方法，比較了傳統(tǒng)雷達(dá)對(duì)于坦克目標(biāo)的回波幅度檢測(cè)和基于回波特性的機(jī)載雷達(dá)高壓線探測(cè)識(shí)別方法，分析目前目標(biāo)識(shí)別和分類(lèi)用于雷達(dá)的難點(diǎn)。

目標(biāo)識(shí)別；直升機(jī)載雷達(dá)；幅度檢測(cè)；回波特性；高壓線探測(cè)識(shí)別

隨著20世紀(jì)科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，許多新科技應(yīng)用于國(guó)防建設(shè)之中?，F(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)環(huán)境是一個(gè)復(fù)雜多變的電磁環(huán)境，對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)目標(biāo)的監(jiān)測(cè)和識(shí)別顯得尤為重要。僅僅的目標(biāo)探測(cè)與跟蹤已經(jīng)不滿足目前的戰(zhàn)場(chǎng)要求。于是人們將雷達(dá)的功能提升到辨別目標(biāo)幾何特征、運(yùn)行速度、真?zhèn)蔚雀敿?xì)的目標(biāo)信息上來(lái)。雷達(dá)自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生[1-2]。

首先對(duì)過(guò)去的設(shè)置門(mén)限檢測(cè)回波幅度的方法進(jìn)行試驗(yàn)分析，因?yàn)槟壳笆褂美走_(dá)對(duì)軍用目標(biāo)經(jīng)行分析存在種種困難。而高壓線又對(duì)直升機(jī)造成嚴(yán)重影響，所以首先將對(duì)高壓線的探測(cè)進(jìn)行試驗(yàn)分析。

1 目標(biāo)識(shí)別的基本方法

目標(biāo)識(shí)別需要經(jīng)過(guò)兩個(gè)階段：訓(xùn)練階段與測(cè)試階段。目前關(guān)于目標(biāo)識(shí)別還有在線學(xué)習(xí)這一階段。在本研究中重點(diǎn)關(guān)注訓(xùn)練與測(cè)試階段。

訓(xùn)練階段：① 預(yù)處理；② 特征提??；③ 特征選擇；④ 分類(lèi)器設(shè)計(jì)[3-4]。預(yù)處理階段：主要進(jìn)行信號(hào)處理工作，對(duì)回波進(jìn)行去噪濾波。

特征提?。耗繕?biāo)回波可以看作是目標(biāo)類(lèi)型、距離和方位等參數(shù)的多元函數(shù)，這樣回波顯然無(wú)法直接用于目標(biāo)分類(lèi)。所以必須通過(guò)信號(hào)處理，提取目標(biāo)特征信息，將信號(hào)空間轉(zhuǎn)化為特征空間。

特征選擇：目標(biāo)有多重類(lèi)型特征，在進(jìn)行分類(lèi)器設(shè)計(jì)之前，要根據(jù)目標(biāo)本身特點(diǎn)對(duì)特征進(jìn)行選擇。常用特征有目標(biāo)的RCS，熵特征，峰值個(gè)數(shù)，功率譜等。

分類(lèi)器設(shè)計(jì)：目前常用的有SVM(支持向量機(jī))，PCA(降維處理)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及過(guò)去最常使用的模板匹配法。

在訓(xùn)練階段，需要訓(xùn)練大量的試驗(yàn)樣本建立訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)庫(kù)。

測(cè)試階段：① 預(yù)處理；② 特征提取，③ 特征選擇；④ 分類(lèi)器判決；⑤ 輸出結(jié)果[4]。

在建立了訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)庫(kù)后，需要對(duì)測(cè)試目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)識(shí)別，并對(duì)不屬于樣本庫(kù)的目標(biāo)進(jìn)行拒判，屬于樣本庫(kù)的目標(biāo)進(jìn)行分類(lèi)輸出。

2 傳統(tǒng)回波幅度監(jiān)測(cè)進(jìn)行的目標(biāo)輸出

該實(shí)驗(yàn)基于某型機(jī)載雷達(dá)，用于探測(cè)某型坦克在17.5～21 km范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)(由于遮擋原因，雷達(dá)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)距離起始為18 km左右)。通過(guò)設(shè)置門(mén)限，如果目標(biāo)在MTD處理后的目標(biāo)幅度超過(guò)門(mén)限，即報(bào)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)。

從18 km(確認(rèn)目標(biāo)距離)到20 km跟蹤目標(biāo)，連續(xù)觀測(cè)不同距離、波位下的目標(biāo)幅度。

圖1中，不帶點(diǎn)的曲線為回波MTD后的強(qiáng)度，帶黑點(diǎn)的曲線為當(dāng)前參數(shù)下恒虛警門(mén)限。由圖1可見(jiàn)，目標(biāo)幅度明顯超過(guò)恒虛警門(mén)限，因此目標(biāo)能夠被檢測(cè)到。

圖1 18.01 km目標(biāo)強(qiáng)度

由圖2可見(jiàn)，目標(biāo)仍在第41多普勒通道，距離為18.03 km。目標(biāo)幅度明顯超過(guò)監(jiān)測(cè)門(mén)限，依然可以被探測(cè)到。

圖2 18.03 km目標(biāo)強(qiáng)度

圖3中目標(biāo)運(yùn)動(dòng)到20 km左右時(shí)，目標(biāo)幅度明顯減弱。目標(biāo)在20.11 km時(shí)，幅度相對(duì)18 km處明顯降低。雖然依然超過(guò)檢測(cè)門(mén)限，但通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)目標(biāo)在18 km附近的數(shù)據(jù)，幅度在4 500左右；比對(duì)目標(biāo)在20 km附近數(shù)據(jù)，幅度在2 700左右(0.6倍左右)。18 km與20 km的距離比值為0.9，因此相同截面積目標(biāo)的在這兩個(gè)距離段的回波強(qiáng)度比值為0.656 1。

圖3 20.11 km目標(biāo)強(qiáng)度

通過(guò)本次試驗(yàn)，可以看出，運(yùn)用傳統(tǒng)的MTD監(jiān)測(cè)方法。雷達(dá)可以對(duì)目標(biāo)經(jīng)行識(shí)別，并在顯控設(shè)備上顯示。但無(wú)法對(duì)目標(biāo)的類(lèi)別進(jìn)行判斷。在大部分情況下需要先驗(yàn)信息進(jìn)行支持。針對(duì)這種情況，提出了目標(biāo)識(shí)別分類(lèi)這一要求。軍用目標(biāo)探測(cè)識(shí)別，建立數(shù)據(jù)庫(kù)極其困難，存在干擾物類(lèi)極多，目標(biāo)分類(lèi)所需運(yùn)算量極大等問(wèn)題，所以在下一節(jié)中首先解決高壓線探測(cè)與識(shí)別這一問(wèn)題。

3 利用回波形狀識(shí)別高壓線

1) 信處端處理任務(wù)：對(duì)恒虛警過(guò)門(mén)限的點(diǎn)，進(jìn)行粗距離單元的距離凝聚，即對(duì)于連續(xù)的過(guò)門(mén)限點(diǎn)，僅保留幅值最大的點(diǎn)作為過(guò)門(mén)線點(diǎn)。保留前一距離單元、本距離單元、后一距離單元的64點(diǎn)細(xì)分辨IFFT結(jié)果(共192個(gè)點(diǎn))，進(jìn)行后續(xù)的拼像和識(shí)別。對(duì)于過(guò)門(mén)限的粗距離單元，找出該粗距離單元IFFT后最大幅度點(diǎn)的序號(hào)(1～64)。拼接像以該點(diǎn)為中心拼接前后各一副距離像的細(xì)分辨點(diǎn)，合成拼接后的距離像并作歸一化處理[5]。

2) 數(shù)處端處理任務(wù)

a) 方位緯凝聚

對(duì)方位連續(xù)，距離間隔在20m(3個(gè)粗距離分辨單元)內(nèi)的點(diǎn)進(jìn)行方位凝聚。即對(duì)于方位上連續(xù)出現(xiàn)的點(diǎn)只對(duì)幅度最大點(diǎn)的合成距離像保留并進(jìn)行識(shí)別[5-7]。

b) 特征提取

記錄圖像特征，即目標(biāo)像的(主峰寬、次峰高、主次間隔、再次峰高、主再次間隔、峰數(shù))等特征信息[5]。

c) 識(shí)別分類(lèi)

根據(jù)特征信息進(jìn)行目標(biāo)分類(lèi)，將目標(biāo)分為塔(類(lèi)型1)、疑似塔(類(lèi)型2)、非塔(類(lèi)型3)、其他(類(lèi)型4)4類(lèi)目標(biāo)。

d) 幀間關(guān)聯(lián)穩(wěn)定

歷史點(diǎn)跡僅保留類(lèi)型1的目標(biāo)，根據(jù)慣導(dǎo)信息將這些點(diǎn)補(bǔ)償?shù)疆?dāng)前幀下并進(jìn)行關(guān)聯(lián)。只要能關(guān)聯(lián)上則該目標(biāo)類(lèi)型仍為1(例如，關(guān)聯(lián)到的點(diǎn)位為類(lèi)型3，但記錄該點(diǎn)的類(lèi)型仍為1)。關(guān)聯(lián)后，累計(jì)其被識(shí)別成塔的次數(shù)(最多5次)，以及連續(xù)未被識(shí)別成塔或疑似塔的次數(shù)(若連續(xù)6次未被識(shí)別成塔，則該點(diǎn)被判決為非塔，不參與下次關(guān)聯(lián))。對(duì)于連續(xù)4次沒(méi)有關(guān)聯(lián)上任何目標(biāo)的塔點(diǎn)也從歷史點(diǎn)中刪除，不參與下次關(guān)聯(lián)。

e) 高壓線連接

對(duì)于類(lèi)型1目標(biāo)比較它們被識(shí)別成塔的次數(shù)n，以n值最大者作為高壓線連線的起始點(diǎn)。連線的對(duì)象為塔點(diǎn)/疑似塔點(diǎn)和其他點(diǎn)。以起點(diǎn)為中心在200～800 m范圍內(nèi)搜索可供連接的點(diǎn)，搜索順序分別為塔點(diǎn)→疑似塔點(diǎn)→其他點(diǎn)，即如果某個(gè)塔點(diǎn)在200～800 m范圍內(nèi)找到其他塔點(diǎn)可供連線則不再在疑似塔點(diǎn)和其他點(diǎn)的集合中繼續(xù)搜索。

若某個(gè)塔點(diǎn)在200～800 m搜索到多個(gè)可連接點(diǎn)，則按連線的矢量角進(jìn)行高壓線走向連接。

3) 高壓線探測(cè)結(jié)果輸出

完成信處端與輸出端的工作之后，高壓線走向的鏈接工作完成。隨后可在顯控端進(jìn)行結(jié)果輸出，并對(duì)飛行員進(jìn)行高壓線告警。

4 利用回波形狀判別高壓線的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

選擇雁引路作為實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)，根據(jù)肉眼估計(jì)距雷達(dá)1.5 km到2 km的左方和右方各有兩個(gè)高壓塔，但受地理?xiàng)l件限制無(wú)法進(jìn)行定標(biāo)，場(chǎng)景周邊房屋道路多，地形復(fù)雜。

在識(shí)別結(jié)果圖4中：① 五角星代表識(shí)別高壓塔點(diǎn)(高可能性)；② 六角星代表識(shí)別疑似高壓塔點(diǎn)；③ 叉代表識(shí)別非塔點(diǎn)；④ 圓圈代表其他點(diǎn)(既不符合塔點(diǎn)的判決條件也不符合非塔點(diǎn)的判決條件)。

圖4 雁引路識(shí)別結(jié)果

圖4為雁引路0到10 km雷達(dá)觀測(cè)點(diǎn)的識(shí)別結(jié)果。根據(jù)當(dāng)時(shí)的場(chǎng)景，肉眼判斷高壓塔距雷達(dá)1.5 km到2 km左方和右方各有兩個(gè)高壓塔。在圖4的基礎(chǔ)上，進(jìn)行目標(biāo)的判定與分類(lèi)，在顯控上即可顯示出圖5的結(jié)果。

由圖5可見(jiàn)，在2 km左右被識(shí)別出5個(gè)高壓塔(其中有一個(gè)高壓塔在兩個(gè)波位上被識(shí)別了2次，由于這兩個(gè)波位不連續(xù)所以沒(méi)有被凝聚)。

這4個(gè)塔的距離和方位依次為：

R= 1.531 2, 1.962 9, 2.025 3, 1.937 5 km

Az= -28°, -12°, 1°, 14°

基本符合當(dāng)時(shí)肉眼觀測(cè)到的塔位置，另外該距離段內(nèi)除了這4個(gè)塔外沒(méi)有再判決出其他的塔。

在這次實(shí)驗(yàn)中可以看到，首先有高壓塔被識(shí)別兩次，但不影響對(duì)飛行員告警。其次雷達(dá)回波不穩(wěn)定。同一個(gè)場(chǎng)景，上一大幀和下一大幀(全波位掃描一次稱(chēng)為一個(gè)大幀)，獲取的目標(biāo)點(diǎn)跡及點(diǎn)跡識(shí)別結(jié)果存在差異。這一方面需要在日后的工作中努力改進(jìn)。

圖5 雁引路4 km內(nèi)識(shí)別塔點(diǎn)標(biāo)定

5 結(jié)束語(yǔ)

傳統(tǒng)的雷達(dá)技術(shù)只能實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的探測(cè)與顯示。為了適應(yīng)現(xiàn)在戰(zhàn)場(chǎng)復(fù)雜多變的環(huán)境，對(duì)雷達(dá)提出了對(duì)目標(biāo)分類(lèi)識(shí)別的要求。本文首先對(duì)傳統(tǒng)雷達(dá)探測(cè)方式進(jìn)行了試驗(yàn)。目前對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)目標(biāo)分類(lèi)識(shí)別存在很多困難，所以對(duì)高壓線的分類(lèi)識(shí)別進(jìn)行試驗(yàn)。

[1] 馬林.雷達(dá)目標(biāo)識(shí)別技術(shù)綜述[J].現(xiàn)代雷達(dá),2011,33(6):1-7.

[2] ZHU M,MARTINEZ A M.Subclass Discriminates Analysis[J].IEEE Trans Pattern Analysis and Machine Intelligence,2006,28(8):1274-1284.

[3] 王曉丹.雷達(dá)目標(biāo)識(shí)別技術(shù)綜述[J].現(xiàn)代雷達(dá),2003，25(5)：22-26.

[4] 董鴻鵬.面向雷達(dá)圖像仿真的三維實(shí)體模型表示方法[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào),2016，37(2)：155-158.

[5] 張明.直升機(jī)載毫米波雷達(dá)高壓線防撞處理研究[J].火控雷達(dá)技術(shù),2016，45(2)：7-12.

[6] 保錚.王彤著.雷達(dá)成像技術(shù)[M].北京:電子工業(yè)出版社，2005.

[7] 劉晨.基于兩坐標(biāo)雷達(dá)和紅外傳感器的融合目標(biāo)跟蹤算法[J].探測(cè)與控制學(xué)報(bào),2005,27(5)：45-50.

(責(zé)任編輯周江川)

Helicopter Radar Detected and Recognized Based on Echo Characteristic

ZHAO Ya-xian, TANG Yao, JING Xiong

(Northern Electronic Engineering Research Institute, Xi’an 710010, China)

Though discussing the basic theories of target recognition, being compared the traditional radar target detected that setting the threshold to detected the target and the new method that using the echo characteristic to recognize the target, we analyzed the difficulty of target detected and recognized using to helicopter radar.

target recognition; helicopter radar; setting threshold of amplitude; echo characteristic; power line detection

2016-09-20；

趙亞先(1991—)，男(滿族)，碩士研究生，助理工程師，主要從事火控雷達(dá)研究。

10.11809/scbgxb2016.12.012

趙亞先,唐堯,景雄.基于回波特性的直升機(jī)載雷達(dá)目標(biāo)探測(cè)與識(shí)別[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2016(12):48-50.

format:ZHAO Ya-xian, TANG Yao, JING Xiong.Helicopter Radar Detected and Recognized Based on Echo Characteristic[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(12):48-50.

V275.1

A

2096-2304(2016)12-0048-03

修回日期：2016-10-11