基于時頻檢測與極化匹配的雷達無人機檢測方法

楊 勇 王雪松 張 斌

(國防科技大學(xué)電子信息系統(tǒng)復(fù)雜電磁環(huán)境效應(yīng)國家重點實驗室 長沙 410073)

1 引言

眾所周知，無人機現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于人們的日常生活以及軍事領(lǐng)域。無人機給使用方帶來諸多便利的同時，也給他人或他國的安全、利益帶來了嚴(yán)重威脅。為了防止無人機濫用給我國國家安全和人民利益造成損害，及時發(fā)現(xiàn)并識別無人機是對入侵無人機進行有效反制的前提。

雷達具有全天時、全天候的特點，利用雷達來檢測識別無人機是世界各國廣泛采用的技術(shù)手段。但是，由于無人機飛行高度低、雷達截面積(Radar Cross Section, RCS)小、飛行速度慢，無人機回波較弱，在時域或頻域雷達均難以檢測無人機[1]。為了檢測到無人機信號，雷達通常會降低檢測門限[2]，但與此同時，一些強雜波也被雷達檢測出，造成虛警。這樣，雷達無人機檢測問題演化為雷達無人機與雜波虛警鑒別問題。如何挖掘無人機回波與雜波的特征差異，然后利用二者的特征差異來鑒別無人機與雜波，進而剔除雜波虛警，是雷達無人機檢測的關(guān)鍵問題[3]。

無人機分為兩類：一類是旋翼無人機，另一類是固定翼無人機。目前，研究旋翼無人機雷達回波特性和識別的文獻較多。學(xué)者主要針對旋翼無人機的RCS均值和統(tǒng)計分布[4,5]、多普勒譜[6,7]、微多普勒譜[8–12]、極化[13]、ISAR圖像[5,14]等特性進行了研究分析。在特性研究基礎(chǔ)上，英國Aveillant公司提出利用雷達長時間駐留觀測信號的時頻圖來檢測無人機[8]；德國錫根大學(xué)[9]、荷蘭應(yīng)用科學(xué)研究機構(gòu)[10]、韓國先進科技研究所[11]等單位分別利用無人機回波的微多普勒特征來識別多型無人機；挪威國防科學(xué)研究院和英國倫敦大學(xué)學(xué)院聯(lián)合利用多個極化特征參數(shù)來識別無人機與鳥[13]。值得一提的是，英國Aveillant公司在試驗中遇到了強雜波和鳥的干擾，但其在文獻[8]中并未介紹其如何剔除雜波虛警和鳥的回波。針對旋翼無人機與雜波虛警的鑒別問題，國內(nèi)外均未見公開報道。

針對固定翼無人機，目前，美國海軍雷達反射率實驗室[15]、美國俄亥俄州立大學(xué)[16]、作者團隊[17–19]、北京環(huán)境特性研究所[20]、荷蘭應(yīng)用科學(xué)研究機構(gòu)[10]、北京遙感設(shè)備研究所均已開展了雷達固定翼無人機回波暗室和外場測量試驗。其中，美國海軍雷達反射率實驗室[15]、作者團隊[17–19]、北京環(huán)境特性研究所[20]結(jié)合實測數(shù)據(jù)研究了固定翼無人機的RCS值和ISAR圖像特性；作者團隊結(jié)合暗室測量數(shù)據(jù)還研究了固定翼無人機RCS分布、回波相位、極化比等統(tǒng)計特性[18]；荷蘭應(yīng)用科學(xué)研究機構(gòu)結(jié)合外場試驗數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)分析了固定翼無人機的微多普勒譜特性[9]。此外，北京遙感設(shè)備研究所開展了多批次固定翼無人機探測外場試驗，并結(jié)合試驗數(shù)據(jù)開展了大量的研究分析工作。在固定翼無人機檢測識別方面，美國俄亥俄州立大學(xué)通過暗室測量實驗，分析了MIMO雷達對固定翼無人機的檢測性能[16]，除此以外，尚無固定翼無人機檢測識別的公開報道。

本文開展了雙極化雷達固定翼無人機和旋翼無人機外場探測試驗，提出了一種綜合利用時頻、極化信息的雷達無人機檢測方法。該方法先降低雷達檢測門限，以保證利用時頻2維恒虛警率檢測器能夠檢測出無人機；然后，針對由于檢測門限降低引入的雜波虛警，依次利用雙門限檢測、雙極化通道檢測結(jié)果匹配等方法逐步剔除雜波虛警，最終實現(xiàn)無人機的檢測和雜波虛警的消除。實測數(shù)據(jù)處理結(jié)果驗證了該方法的有效性。

2 單極化通道時頻檢測

雙極化雷達采用水平或垂直單極化發(fā)射，水平和垂直雙極化同時接收。雷達發(fā)射線性調(diào)頻脈沖信號，發(fā)射信號可表示為

雷達對接收信號進行匹配濾波、頻域加窗處理，然后對頻域加窗處理后的輸出信號進行逆傅里葉變換，得到時域輸出信號。以水平極化接收通道為例，匹配濾波與頻域加窗后的時域輸出信號可表示為

其 中， IFT[·] 表 示 逆 傅 里 葉 變 換，S (ω) , H (ω),F (ω)分別為發(fā)射信號頻譜、匹配濾波器頻率響應(yīng)和窗函數(shù)頻率響應(yīng)。

對加窗后的時域輸出信號進行兩脈沖對消，兩脈沖對消后的輸出信號可表示為

對脈沖對消后的輸出信號進行多普勒濾波，從而得到雷達距離多普勒圖。然后，對每個距離-多普勒單元信號進行2維CFAR檢測，判斷每個距離-多普勒單元是否存在目標(biāo)。2維CFAR檢測判決表達式為

其中， A為一個自然數(shù)，它代表雙門限檢測中的第2門限，它的取值直接決定著雷達檢測概率和虛警概率。在實際設(shè)置中，需結(jié)合數(shù)據(jù)情況、期望達到的虛警概率和檢測概率來綜合設(shè)定[21]。采用式(6)判決時，目標(biāo)存在時，記為1，目標(biāo)不存在時，記為0，最終將HH, HV極化通道檢測結(jié)果分別存入一 個P ×Q 維矩陣，分別記為DHH和DHV。

3 雙極化通道檢測結(jié)果匹配

地面反射屬于體散射，每個距離分辨單元內(nèi)有很多個散射點，這些散射點的回波相互疊加產(chǎn)生雜波。如果雷達采用距離維CFAR檢測，在HH極化方式下，若干距離分辨單元內(nèi)的多個散射點回波相干合成，形成很強的雜波，這些距離分辨單元的雜波強度比鄰近距離分辨單元雜波強很多，最終成為雜波虛警。同樣，在HV極化方式下，也會有若干距離單元的雜波較鄰近距離單元的雜波強很多，最終成為雜波虛警。需要說明的是，在一種極化方式下發(fā)生虛警的概率并不高。而某一個距離分辨單元的雜波在HH和HV極化方式下均比鄰近距離分辨單元雜波強很多的可能性很低。因為由于極化方式的改變，一個距離分辨單元內(nèi)多個散射點的回波在HH和HV極化方式下均相干疊加，且疊加后雜波強于臨近距離分辨單元雜波的概率很低。所以，在極大概率上，HH和HV極化方式下的雜波虛警分別來自不同的距離分辨單元。而對于窄帶雷達，無人機可視為點目標(biāo)，在HH和HV極化方式下檢測出的無人機回波均來自同一個距離分辨單元。這就是雜波虛警和無人機回波的本質(zhì)區(qū)別。

當(dāng)雷達采用時頻2維檢測時，上述區(qū)別仍然存在，只不過產(chǎn)生雜波虛警的對象由距離分辨單元變?yōu)榫嚯x-多普勒分辨單元，這時，HH和HV極化方式下的雜波虛警分別來自不同的距離-多普勒分辨單元所對應(yīng)的概率反而更大，這更有利于鑒別雜波虛警和無人機回波。

根據(jù)上述原理，結(jié)合第2節(jié)HH極化通道和HV極化通道的檢測結(jié)果，對DHH和DHV中的每個元素進行比對， DHH和DHV中對應(yīng)元素同時為1時判斷此目標(biāo)為真目標(biāo)，當(dāng)DHH和DHV中對應(yīng)元素只有一個為1時判斷此目標(biāo)為雜波虛警。

雙極化雷達檢測方法流程圖如圖1所示。

4 試驗數(shù)據(jù)分析與驗證

雙極化雷達無人機探測試驗在外場進行。試驗雷達為國防科技大學(xué)電子科學(xué)學(xué)院的雙極化雷達系統(tǒng)，本文涉及的無人機機型包括一型固定翼無人機和大疆S1000八旋翼無人機。雷達試驗場景與固定翼無人機航線圖如圖2所示。

圖1 雙極化雷達無人機檢測方法流程圖

圖2 雙極化雷達無人機外場試驗場景和無人機航線

試驗時，固定翼無人機在400 m左右的高度、距離雷達5～7 km范圍內(nèi)往返飛行，速度為20 m/s左右；旋翼無人機在距離雷達4 km左右、200 m高度懸停飛行。試驗時，無人機能夠?qū)崟r反饋其GPS位置和速度信息，在無人機飛行過程中，雷達主波束始終對準(zhǔn)無人機。雷達發(fā)射水平極化線性調(diào)頻信號，接收采用水平和垂直極化同時接收，發(fā)射信號脈沖寬度為5 μs，中心頻率為9.4 GHz，帶寬為5 MHz，脈沖重復(fù)周期為1.25 ms，雷達采樣率為10 MHz。

4.1 固定翼無人機數(shù)據(jù)處理結(jié)果與分析

對雷達固定翼無人機探測的原始數(shù)據(jù)進行匹配濾波和頻域加窗處理后輸出時域信號幅度如圖3所示。

從圖3可以看出，固定翼無人機回波位于第250個采樣點附近。多個脈沖觀測時，由于固定翼無人機RCS起伏變化，導(dǎo)致無人機回波若隱若現(xiàn)。特別是在400～800個脈沖，HH和HV通道的固定翼無人機回波強度均較弱。經(jīng)過統(tǒng)計計算，匹配濾波后，圖3(a)中HH通道的信雜噪比約為3.5 dB?？傮w上，HH通道回波強度強于HV通道回波強度，但HV通道無人機信雜噪比較HH通道高。

圖3 雷達匹配濾波和加窗后的時域輸出信號幅度

為了驗證本文方法的有效性，下面針對上述1000個脈沖回波數(shù)據(jù)進行處理。在2維CFAR檢測時，將50個脈沖作為一幀，總共有20幀數(shù)據(jù)。在對每一幀數(shù)據(jù)進行FFT和2維CFAR檢測后，再對20幀數(shù)據(jù)的檢測結(jié)果進行積累，設(shè)置第2門限進行判決。其中，2維CFAR檢測的保護單元數(shù)為2，參考單元數(shù)為32。為了檢測到無人機，單幀檢測門限因子取為3?？紤]到無人機目標(biāo)回波信雜噪比不高，有的幀可能檢測不到無人機，因此，采用雙門限檢測時，第2門限不易設(shè)置過大。另外，雜波起伏較劇烈，多幀都檢測到雜波的可能性較低。綜上考慮，第2檢測門限設(shè)為2。對圖3中的數(shù)據(jù)依次進行頻域加窗、脈沖對消、多普勒濾波和2維CFAR檢測，得到雙極化雷達對固定翼無人機的多幀檢測結(jié)果如圖4所示。圖4表明，經(jīng)2維CFAR和多幀檢測結(jié)果積累與判決后，HH通道和HV通道均能檢測出固定翼無人機，但同時也出現(xiàn)了很多雜波虛警，這些雜波虛警為雷達后續(xù)判斷目標(biāo)類型造成了嚴(yán)重不利影響。從圖4可以發(fā)現(xiàn)，HH通道和HV通道檢測出的雜波虛警的位置并不重合，而HH通道和HV通道檢測出的無人機目標(biāo)位置大部分重合，這驗證了本文第2節(jié)理論分析的合理性。

在圖4結(jié)果的基礎(chǔ)上，經(jīng)過雙極化通道檢測結(jié)果匹配后的多幀檢測結(jié)果如圖5所示，其中，圖5(b)為圖5(a)的局部放大圖。圖5(a)表明，經(jīng)過雙極化通道檢測結(jié)果匹配后，固定翼無人機被成功檢測，位置與真實值一致，而雜波虛警被全部消除，這驗證了雙極化通道檢測結(jié)果匹配方法的有效性。

圖4 雙極化雷達對固定翼無人機的多幀檢測結(jié)果

圖5 雙極化通道對固定翼無人機檢測結(jié)果匹配后的結(jié)果及其放大圖

另外，圖5(b)表明，經(jīng)過雙極化通道檢測結(jié)果匹配后，多幀檢測的固定翼無人機目標(biāo)占據(jù)多個距離單元，且存在距離徙動；由于無人機的運動，多幀間的無人機多普勒譜會發(fā)生移動，另外，由于無人機多普勒譜的展寬，多幀檢測出的無人機回波在頻率上占據(jù)一定寬度。為了更加清晰地說明這一現(xiàn)象，我們統(tǒng)計了雷達HH通道每一幀對無人機的檢測結(jié)果。其中，第1, 14, 18幀檢測結(jié)果如圖6所示。雷達帶寬 B 為5 MHz，采樣率fs為10 MHz，雷達距離分辨率為30 m。在原始數(shù)據(jù)中，無人機回波在距離維占據(jù)2個采樣點( N =fs/B)。當(dāng)無人機回波較強時，經(jīng)匹配濾波和FFT之后，無人機回波會在距離維和頻率維展寬。由于無人機回波起伏，不同幀的無人機回波強度不同，因此，各幀無人機回波在距離維和頻率維展寬效應(yīng)會存在差異。由圖6可見，第1幀和第18幀無人機回波在距離維和頻率維均有一定展寬；第14幀無人機回波在距離維有一定展寬，在頻率維未展寬。第1幀無人機回波在頻率維占據(jù)4個采樣點，擴展效應(yīng)最明顯，這說明目標(biāo)回波最強。另外，對比第1幀和第18幀無人機回波，我們發(fā)現(xiàn)這兩幀無人機回波均在距離維占據(jù)5個采樣點，但存在1個采樣點的距離徙動。這是因為兩幀數(shù)據(jù)中間間隔17幀，在17幀的時間內(nèi)，無人機在距離上移動了?R=vkTf≈20×17×50×1.25 × 10–3= 21.25 m ( v為無人機速度，k 為幀數(shù)， Tf為一幀對應(yīng)的時長，即50個脈沖重復(fù)周期)，這超過1個采樣點對應(yīng)的距離，而又不足2個采樣點對應(yīng)的距離。

圖6 雷達HH通道單幀對固定翼無人機的檢測結(jié)果

為了進一步驗證無人機回波在距離維和頻率維的展寬效應(yīng)，我們分析了雷達第1幀數(shù)據(jù)多普勒濾波后的輸出結(jié)果，如圖7所示。

圖7表明，第1幀數(shù)據(jù)在多普勒濾波后，在距離維有5個采樣點強度較大，在頻率維有4個采樣點強度較大，這剛好對應(yīng)于圖6中的雷達第1幀檢測無人機結(jié)果—距離維擴展占據(jù)5個采樣點，頻率維擴展占據(jù)4個采樣點。以上分析驗證了圖6中檢測結(jié)果的正確性。

4.2 旋翼無人機數(shù)據(jù)處理結(jié)果與分析

我們還開展了對大疆S1000旋翼無人機的探測試驗，并利用試驗數(shù)據(jù)對本文方法進行了進一步驗證。其中，雷達HH, HV極化通道對大疆S1000無人機的檢測結(jié)果如圖8所示。

由圖8可見，由于脈沖對消抑制了零頻附近的雜波和旋停無人機機身回波，因此，在零頻附近沒有檢測到雜波虛警或無人機。而在遠離零頻處，HH通道和HV通道均能夠檢測到S1000旋翼無人機，但同時也檢測到很多雜波虛警。檢測到的無人機回波主要是無人機的旋葉回波。由于無人機的多個旋葉相對于雷達視線的速度不一樣，旋葉回波的多普勒譜線存在展寬且不連續(xù)。圖8表明，雜波虛警在HH和HV極化通道中出現(xiàn)的位置不一樣，而無人機在HH和HV極化通道中出現(xiàn)的位置有部分重合。對雙極化通道的檢測結(jié)果進行匹配，結(jié)果如圖9所示。從圖9可見，經(jīng)過兩個極化通道檢測結(jié)果的匹配，旋翼無人機目標(biāo)得以保留，而雜波虛警被完成剔除，這進一步驗證了本文理論分析的合理性和所提檢測方法的有效性。旋翼無人機懸停在空中，因此，多幀檢測結(jié)果不存在距離徙動。但由于旋翼無人機回波的起伏，不同幀的無人機回波強度不一樣，最終會導(dǎo)致不同幀的無人機回波在距離維擴展效應(yīng)不一樣，即占據(jù)的采樣點數(shù)不一樣。

5 結(jié)束語

圖7 雷達HH通道第1幀數(shù)據(jù)多普勒濾波輸出

圖8 雙極化雷達對旋翼無人機的多幀檢測結(jié)果

圖9 對雙極化通道旋翼無人機檢測結(jié)果匹配后的結(jié)果

本文提出了一種時頻檢測與極化匹配相結(jié)合的雙極化雷達無人機檢測方法，并采用雙極化雷達探測固定翼和旋翼無人機外場實測數(shù)據(jù)驗證了該方法的有效性。該方法先降低檢測門限，以檢測出無人機和雜波虛警；然后利用無人機、雜波在雙極化通道檢測結(jié)果的差異性來識別無人機和雜波，從而剔除雜波，降低雷達虛警概率。該方法無需雜波和無人機先驗信息，易于實現(xiàn)，具有較強的工程適用性。

值得一提的是，本文通過外場試驗只驗證了所提方法的有效性。對于該方法的理論檢測性能如何，目前，我們正在開展研究分析。另外，在有效檢測出無人機目標(biāo)之后，如何識別無人機，是一項富有挑戰(zhàn)性的課題。對此，我們也正在開展技術(shù)攻關(guān)。

致謝

感謝國防科技大學(xué)施龍飛、宋鯤鵬、馬佳智、龐晨、逯旺旺、王歡以及航天宏圖湖南分公司張紀(jì)陽在外場試驗中給予的幫助。感謝國防科技大學(xué)董臻教授對文章提出的寶貴意見。