低分辨率雷達基于波形特征的目標識別

邵 云，王恒立，張何建，陳 輝

(解放軍95980部隊，襄陽 441500)

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低分辨率雷達基于波形特征的目標識別

邵 云，王恒立，張何建，陳 輝

(解放軍95980部隊，襄陽 441500)

針對低分辨率雷達的特點，分析了基于目標回波波形特征的目標識別，然后以波形展度的變化為切入點判定目標的架次，最后基于仿真的方法，分別對單架次小飛機目標回波、單架次大飛機目標回波、2架次小飛機目標回波和2架次大飛機目標回波進行仿真分析，對算法的有效性進行探討，為實際工程運用提供參考。

低分辨雷達；波形特征；目標識別

0 引 言

對于低分辨率雷達而言，空中目標為點目標，很難對其進行精細識別。但是，由于飛機的大小、機動特性、徑向運動速度等目標的一些內在屬性對目標回波的幅度和相位都會產生影響。基于雷達時域一維目標回波波形，利用參數方法對目標回波波形進行分析，并選取某些動態特征，可以實現目標的粗細分類和識別[1-3]。基于目標回波波形特征，低分辨率防空情報雷達對飛機目標的分類水平僅要求能粗略判斷飛機大小和架次。一般情況下，對識別算法進行研究需要通過采集大量回波數據，數據采集不僅耗時長而且花費大。因此，本文基于仿真的方法建立回波波形模型，對算法的有效性進行探討，為識別算法的研究提供了科學的方法和依據。

1 基于目標回波波形特征的目標識別

在人工測報中，對空中目標的判別主要基于雷達目標的A顯視頻回波圖形特征。飛機目標在A顯上的視頻回波特征表現為幅度大、寬度寬、波色亮，單機波峰一般較為穩定，而多機編隊的波峰就會產生抖動或跳動；氣象的A顯回波特征是回波弱、跳動無規律、波峰尖，波內無花紋。基于對目標視頻回波波形分析，提取視頻回波的波峰數、波寬、波內特征、變化率等圖形特征信息，可建立相應的識別模式，進而實現目標的粗分類和識別。針對雷達飛機目標回波的具體波形，可定義以下回波波形特征參數[4]：(1)回波波形中心與波形展度系數；(2)回波波形左、右截點；(3)峰頂平度；(4)主峰數；(5)透折投影圖與疏齒紋理。

本文主要以波形展度的變化為切入點判定目標的架次。

2 低分辨率雷達波形展度特征提取

(1)

(2)

文獻[5]提出一種回波方針方法，該方法選用辛格函數作為散射中心函數。所謂“散射中心”，是在光學區建立起來的基本概念，常規防空雷達的工作頻率對飛機等這些復雜軍用目標的散射大部分都在光學區。此時，入射波波長比目標尺寸小很多，目標可以看作為多個散射點源，因此，這些局部性的散射源一般稱為等效散射中心，簡稱散射中心。根據高頻區的散射特點，一般把一些獨立散射中心的散射體一起處理，從而各個獨立散射中心的散射場疊加起來就可得目標的總散射場。假設每個散射源上的場都是入射到該散射組合上的場(各部分之間的相互積累作用可忽略不計),并且將各散射中心相互的多次散射和遮擋效應進行忽略,則被分解成N個離散散射體或散射中心的組合，在給定頻率上的總雷達截面(RCS)可表示為[6]：

(3)

式中：σn為第n個散射體的RCS；φn為該散射體貢獻的相對相位，它由該散射中心在空間的實際位置所決定。

由多個散射中心函數的加權和逼近目標沖激響應，將發射信號與目標沖激響應卷積得到仿真回波。

3 回波波形特性分析與仿真

基于A顯目標回波波形特征的識別方法的本質是把操縱員經驗型的目標識別轉化成雷達識別系統對目標的自動識別，即把操縱員能夠在A顯上看到的目標回波的展度、峰頂平度、主峰數目等特征轉化成用計算機語言來描述的特征，通過提取描述的特征就可對目標進行粗分類和架次的識別。

3.1 單架次小飛機目標回波

對于單架次小飛機目標而言，目標回波為雷達系統接收其發射電磁波的散射信號，目標回波一般與目標的姿態角、幾何外形和外界環境等密切相關。把飛行目標的回波產生看作為一個線性時不變系統，其目標沖激響應用h(t)來表示,它與發射信號的卷積積分為雷達目標回波[5]，目標回波的波形用s(t)可表示為：

s(t)=p(t)*h(t)+n(t)

(4)

式中：p(t)為雷達發射信號視頻波形；n(t)為白噪聲。

高速采集的雷達回波可以觀察到波形的起伏。由于是小目標，可以用一個散射中心來對目標近似，散射中心函數即為沖激響應h(t)。對于線性調頻發射信號，脈沖壓縮后輸出的回波包絡是辛格函數，本文散射中心函數使用辛格函數，其表達式為：

(5)

式中：t0為匹配濾波器的時延；B為發射信號帶寬。

在發射信號帶寬為40 MHz、脈沖寬度為4 μs的條件下對回波波形仿真，假設信噪比為30 dB，回波波形如圖1所示。

圖1 單架小飛機回波

3.2 單架次大飛機目標回波

對于單架次大飛機目標而言，目標回波與單架次小飛機目標回波類似。由于是大目標，需要用多個散射中心來對目標近似，多個散射中心函數的加權和來逼近目標沖激響應h(t)。由式(5)得到單架次大飛機目標的沖激響應h(t)的表達式為：

(6)

式中：ti為第i個散射中心反射電磁波到達雷達的時間；n為散射中心的個數，n的取值一般與目標的姿態角和幾何外形相關；wi為第i個散射中心幅度加權值，其取值一般與目標散射中心的曲率半徑相關，曲率半徑越大，這個點權值越大。

在發射信號帶寬為40 MHz，脈沖寬度為4 μs的條件下對回波波形仿真，假設信噪比為30 dB，回波波形如圖2所示。

圖2 單架次大飛機回波

3.3 2架次小飛機目標回波

對于2架次小飛機目標而言，目標回波一般可看作為相距較遠兩散射中心的散射信號。兩散射中心函數的加權和來逼近目標沖激響應h(t)。由式(5)得到2架次小飛機目標的沖激響應h(t)的表達式為：

式中：α1、α2分別為散射中心1、2的加權值；f1(t)、f2(t)分別表示散射中心1、2的函數表達式。

以主峰數為目標特征，在兩目標幅度相對穩定、信噪比一定的前提下，確定目標間距為多少時，可將編隊飛行的2架小飛機與1架大飛機目標完全分開。當回波波形為兩主峰時，認為兩目標存在；當回波波形只有1個主峰時，情況不一定，此時只依靠主峰特征不能進行架次識別。在發射信號帶寬為40 MHz，脈沖寬度為4 μs的條件下對回波波形仿真，假設信噪比為30 dB，仿真一系列間距不同的兩目標回波波形，選取有代表性的4個圖，回波波形如圖3～圖6所示。

圖3 2架次小飛機回波1

圖4 2架次小飛機回波2

圖5 2架次小飛機回波3

圖6 2架次小飛機回波4

3.4 2架次大飛機目標回波

對于2架次大飛機目標而言，目標回波一般可看作為相距較遠兩散射中心簇的散射信號。兩散射中心簇函數的加權和來逼近目標沖激響應h(t)。由式(5)得到2架次大飛機目標的沖激響應h(t)的表達式為：

h(t)=α1f(t1)+α2f(t2)

(8)

式中:α1、α2分別為散射中心1、2的加權值;f1(t)、f2(t)分別為散射中心簇1、2的函數表達式，其具體形式見式(6)。

在發射信號帶寬為40MHz，脈沖寬度為4μs的條件下對回波波形仿真，假設信噪比為30dB，當兩目標間距不同，回波波形如圖7～圖10所示。

圖7 2架次大飛機回波1

圖8 2架次大飛機回波2

圖9 2架次大飛機回波3

圖10 2架次大飛機回波4

4 識別方法

目標回波特征的提取容易受到噪聲的污染，因此，識別方法選用模糊極大-極小神經網絡(FMM)[7]，FMM這種前饋式全局聯接結構的人工神經網絡具有重新學習和自學功能。大量研究表明：模糊極大-極小神經網絡雷達目標識別方法[8]對訓練和目標識別都有很大的幫助和效果。

5 結束語

[1] 王利華．基于低分辨率雷達的目標識別方法研究[D]．南京:南京理工大學，2008．

[2] 趙曉平．低分辨雷達目標識別研究[D]．大連:大連理工大學，2010．

[3] 米紅妹．低分辨雷達目標識別的應用研究[D]．大連:大連理工大學，2011．

[4] 張漢華，王偉，姜衛東,等．低分辨雷達基于波形特征的飛機架次判別方法[J]．國防科技大學學報，2003(2)：38-52．

[5] 胡忠明，江晶．一種低分辨雷達編隊目標回波仿真方法[J]．空軍雷達學院學報，2005,19(4):40-42．

[6] 阮穎錚．雷達截面與隱身技術[M]．北京：國防工業出版社，1998．

[7] 孫真真，陳曾平，莊釗文．模糊極大-極小神經網絡雷達目標識別方法研究[J]．現代雷達，1998，20(6):29-35．

[8] 陳曾平．雷達目標結構特征識別的理論與應用[D]．長沙:國防科技大學，1994．

Target Recognition of Low Resolution Radar Based on Waveform Feature

SHAO Yun，WANG Heng-li，ZHANG He-jian，CHEN Hui

(Unit 95980 of PLA,Xiangyang 441500,China)

Aiming at the characteristics of low resolution radar,this paper analyzes the target recognition based on target echo waveform feature,then,distinguishes the target sortie in the point of the changes of waveform expansion,in the end,based on the simulation method,performs simulative analysis to the target echoes of a single sortie small plane,a single sortie large plane,two sorties small planes,two sorties large planes,discusses the validity of the algorithm,which offers reference for practical engineering application.

low-resolution radar；waveform feature；target recognition

2015-04-13

TN957.51

A

CN32-1413(2015)04-0062-04

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2015.04.016