一種基于調制譜的空中目標識別方法

徐利剛，苗振奎，鄭楊凡

（1.海軍駐無錫地區軍事代表室，江蘇 無錫 214061；2.江蘇自動化研究所，江蘇 連云港 222006）

目標或目標組成部分的振動或轉動會對雷達回波的頻譜產生調制,美國海軍研究實驗室的 Victor C.Chen將這種現象稱為微多普勒效應[1]。目前對于空中目標識別是雷達目標識別分類的一個難點。由于飛機旋翼的后向散射截面較小，其產生的回波功率較小,很容易淹沒在機身回波和雜波中,并且不同飛機的機身和旋翼的散射截面、旋翼長度、轉速和葉片數等都不相同，因此時域檢測的方法并不實用。而在頻域，由于旋翼的微多普勒頻譜與機身回波信號的頻譜是分開的,即可用頻域中的譜線個數、譜線間隔、譜線寬度作為特征量將不同結構的空中目標進行分類。Rajan Bhalla和 LingHao[2]研究了使用射線追蹤法(Shooting and Bouncing Ray,SBR)計算復雜目標的微多普勒，并利用多普勒外推法(dopplerextrapolation scheme)計算了四葉片直升機模型的時頻譜，從理論上預測了直升機的微多普勒現象。文獻[3]對直升機旋翼回波信號進行了理論分析與計算。文獻[4]美國陸軍研究實驗室使用92GHz連續毫米波雷達對Mi-24“雌鹿”D型直升機的多普勒特征進行測量的報告，分析了直升機目標的多普勒頻譜構成。對于空中目標，其調制特征由槳長，槳葉數和槳葉轉速決定。它們的回波信號復包絡幅度調制特性和瞬時頻率從時間上描述了微多普勒現象；頻譜展寬調制從空間上描述了微多普勒現象。其中時域的幅度閃爍峰值和脈寬反映飛機槳葉的周期轉動特征；頻域的譜線個數、譜線間隔、譜線寬度能很好地反映目標的物理結構。綜合時頻域的這些信息可將空中目標分為直升機類飛機、螺旋槳類飛機、渦扇類飛機。

1 空中目標回波特點

1.1 螺旋槳類飛機

螺旋槳類飛機一般有多個螺旋槳，在巡航時，通常在垂直于大地平面內旋轉，其槳葉較短，轉速較快。對于有N個槳的螺旋槳類飛機，其合成的調制回波[5]為：

在式（1）中，幅度分量 abk(t)，相位分量ψbk( t)分別為

式中，N為槳葉數；fr為槳葉轉速；L為有效槳長；f0為雷達載頻；λ為雷達波長；θ0是槳葉的旋轉初角，即葉片法向波束的夾角；β為雷達波束與旋轉平面的夾角。上式表明，旋轉部件調制回波基帶的幅相分量都受到轉速的周期調制。

1.2 直升機類飛機

直升機類飛機主旋翼大而長，巡航時，通常在平行于大地的平面內，其槳葉較長，轉速較慢，一般為3～10 r/min。我們只對主旋翼回波感興趣，暫不考慮葉轂回波和尾旋翼的回波。當旋轉槳旋轉中心的方位角為零時，旋轉中心相對于雷達的徑向速度為：v1=vcosβ，直升機類飛機N個槳合成的調制回波與式（1）相同。

1.3 渦扇類飛機

對于渦扇類飛機，一般有多個發動機，即有多個風扇，每個風扇中都有槳轂問題，處理的方法與旋轉槳類飛機一樣，但是，由于風扇在涵洞內，調制回波受飛機可見度的影響比較明顯，調制譜的幅度受飛機的姿態影響也較大。所有風扇合成的調制回波為

2 識別方法

不同空中目標回波的時域復包絡幅度調制信息、時域相位信息和頻域微多普勒調制特性，與自身物理結構有嚴格的對應關系。螺旋槳類飛機槳葉數少，槳長較短，轉速相對不高，調制回波時域閃爍周期較大，頻域出現展寬，雙邊譜線較少，譜線間隔較大，譜線寬度較寬；直升機類飛機槳葉數少，槳長較長，轉速較低，調制回波時域閃爍周期較小，頻域出現展寬，雙邊譜線較多，譜線間隔較小，譜線寬度較寬；渦扇類飛機槳葉數多，槳長短，轉速高，時域閃爍周期較大，頻域出現展寬，雙邊譜線較少，譜線間隔較大，譜線寬度較窄。根據不同的調制特征，計算其槳長、槳葉數及槳葉轉速，得出目標不同的物理結構，進而將目標進行分類。

其轉速、譜線寬度和譜線個數由下式確定：

式中，N為旋轉槳個數；fr為旋轉槳的轉速；fT為譜線間隔；B為譜線寬度；L為旋轉槳葉的長度；β為雷達波束與旋轉平面的夾角；λ為雷達波長；N1為單邊譜線個數。當槳葉數為偶數時，P=1，當槳葉數為奇數時，P=2。

選用參數：雷達重復周期Tr=0.2ms,λ=0.43m，β=0 。補償目標的多普勒頻移，綜合回波的時域復包絡幅度調制信息、時域相位信息及頻域微多普勒調制特性如圖1所示。

圖1 飛機回波特性分析

由圖1可得：斜在一個相位周期內，時域調制出現兩個波峰，說明N=4，有頻域譜線的特征可以計算fT=2 00Hz，N1=6，B=1200Hz

由此確定此目標為螺旋槳類飛機。

如得到回波的時頻域調制特性如圖2所示。

圖2 飛機回波特性分析

可得一個相位周期內，時域調制出現兩個波峰，說明N=4，有頻域譜線的特征可以計算fT=2 0Hz，B=1160Hz

可以確定：fr=5r/s，L=7.94m

確定此目標為直升機類飛機。

如得到回波的時頻域調制特性如圖3所示。

圖3 飛機回波特性分析

可得：一個相位周期內，時域調制出現八個波峰，說明N=16，有頻域譜線的特征可以計算fT=8 00Hz，B=800Hz

根據計算，fr=50r/s，L=0.55m

確定此目標為渦扇類飛機。

3 實測數據分析

基于以上研究，對2010年3月在南京某試驗場的雷達實測數據進行了分析，選用的雷達帶寬：5M；距離單元：30m；天線轉速：4s/圈，天線方位面波寬度（3db）3度；雷達重復頻率：300us，分析結果如下：

1）目標1

目標1的航跡圖如圖4所示，時頻域信息如圖5所示。

圖4 目標1的航跡圖

圖5 目標1的時頻域信息

圖5是計算該目標在方位 206.068°，距離36.203km處下200個相關脈沖的結果。從頻譜圖上看出，譜線出現了展寬，其最大多普勒頻率為2133Hz，展寬譜線的單邊個數有三根，譜線間隔為216Hz，可計算螺旋槳飛機旋轉部件的結構。與理論的fT=PNfr相一致，驗證了回波特點的正確性，并且可以估計目標為螺旋槳類飛機。從中提取調制特征，可以為以后目標的個體識別做準備。

2）目標2

目標2的航跡圖如圖6所示，時頻域信息如圖7所示。

圖7是計算該目標在方位234.199°，距離21.749Km處下200個相關脈沖的結果。由于目標與雷達視線的夾角很小，在主瓣處有明顯的副瓣產生。正頻率1279Hz處有一個明顯的譜線，為多普勒頻率。主瓣旁邊的副瓣是由于角度太小或機身振動引起的譜線。在2688Hz處的譜線，說明是調制產生的，譜線間隔是1400Hz，與回波特點一致，估計目標是渦扇類飛機。

圖6 目標2的航跡圖

圖7 目標2時頻域信息

3）目標3

目標3的航跡圖如圖8所示，時頻域信息如圖9所示。

圖8 目標3的航跡圖

圖9 目標3的時頻域信息

該批次目標跟蹤時間很長，目標回波的譜線呈現主譜線附近有明顯的副瓣，且幅度很強，其譜線展寬明顯，譜線個數較多，可以認為是直升機槳葉調制產生的，估計此目標是直升機類飛機。

4）目標4

目標4的航跡圖如圖10所示，時頻域信息如圖11所示。

圖11是計算該目標方位164.113°，距離15.115Hm處下200個相關脈沖的結果。飛機的多普勒頻率為1644Hz。由于該目標基本是側向飛行，在采集數據回波中，頻域譜線沒有展開。原因是飛機側飛，發動機葉片被擋住而沒有出現調制現象，其影響程度取決于可見函數，需進一步探討。

圖10 目標4的航跡圖

圖11 目標4的時頻域信息

4 結束語

雷達目標微動特征提取與識別是目前一個新興的研究領域。它是運動學與雷達信號處理的交叉結合，技術涉及運動建模、時頻分析、變采樣濾波、雷達成像理論和技術等。本文對各類空中目標回波的特性進行分析，利用時域幅度和相位信息的周期性、頻域微多普勒特性體現出來的譜線個數、譜線間隔、譜線寬度等特征將空中目標分為直升機類飛機、螺旋槳類飛機和渦扇類飛機，并利用實測數據進行驗證。結果表明該方法可以用來對這些目標進行分類，這為雷達目標綜合識別分類提供了可靠的依據。在現代高度自動化的戰爭中，微多普勒目標識別如何實現智能識別和個體識別有待于進一步研究。

[1]Chen V C,LiF Y,Ho S S.Micro-Doppler effect in radar-phenomenon,model and simulation study[J].IEEE Trans-actions on Aerospace and Electronic Systems,2006,42(1): 2-21.

[2]Rajan B,Ling H.A fast algorithm for simulating Doppler spectra of targets with rotating parts using the shooting and bouncing ray technique[J].IEEE Transactions on antennas and propagation,1998,46(9): 1389-1391.

[3]Chen V C.Radar signatures of rotor blades Proceedings of SPIE on Radar Processing.Orlando,FL,USA,2001,4391: 63-70.

[4]Wellman R J,Silvious JL.Doppler signature measurements of a Mi-24 Hind-D Helicopter at 92 GHz[R].ARL-TR-1637,AD,AirResearchLaboratory,Adelphi Maryland,1998.

[5]丁建江.防空雷達目標識別技術[M].北京:國防工業出版社,2008.

[6]丁鷺飛.雷達原理 [M].第3版.成都:西安電子科技大學出版社,2002.