裝甲目標毫米波被動探測信號熵特征提取及仿真分析

馮建利 ，雒明世 ，張效民

(1.西安石油大學計算機學院，陜西 西安 710065;2.西北工業大學航海學院，陜西 西安 710072)

裝甲目標毫米波被動探測信號熵特征提取及仿真分析

馮建利1，2，雒明世1，張效民2

(1.西安石油大學計算機學院，陜西 西安 710065;2.西北工業大學航海學院，陜西 西安 710072)

根據裝甲目標毫米波被動探測信號的不規則波動性，提出以熵為特征的裝甲目標的識別方法。以實測數據為基礎，論證了方法的有效性。對仿真獲得的裝甲目標、干沙、鋼板、積水的天線溫度曲線分別提取了熵特征，分析了彼此間熵的直方圖及平均值。結果表明，以熵為特征可以對地面背景及典型“干擾物”中的裝甲目標進行有效識別，具有切實可行的工程借鑒意義。

裝甲目標;毫米波被動探測;熵特征;目標識別

1 引言

毫米波輻射計利用金屬和地面背景在毫米波段輻射能量的不同，可以有效識別地面上的裝甲目標［1，2］。但真實的戰場環境中往往除了地面背景本身以外，還存在其他諸如平面鋼板、積水等與裝甲目標毫米波被動探測信號相似的“干擾物”。因此，對裝甲目標的識別除了要區別裝甲目標與地面背景以外，還要區分裝甲目標與“干擾物”，即提高裝甲目標的抗干擾能力。目前，對裝甲目標的識別方法大多是在時域內以天線溫度曲線的峰值、寬度、上升斜率、信號能量等特征［3-5］，或者通過各種傅里葉變換在頻域或其他變換域內提取信號的特征［6-9］，依據裝甲目標與其他地物目標對同一特征的不同特征值進行裝甲目標的有效識別。本文考慮到算法的復雜度、運算量、實時性等因素，從毫米波被動探測的基本原理出發，建立了裝甲目標的毫米波輻射模型，提出了裝甲目標的熵特征，并以熵為特征量對裝甲目標和“干擾物”進行了對比分析，論證了熵特征對地面背景及“干擾物”中的裝甲目標識別的有效性和可靠性。

2 毫米波被動探測基本原理

自然界一切溫度高于絕對零度的物質都會向外界輻射電磁能量，輻射能量的大小通常用天線附近的溫度(即視在溫度)來表征。在毫米波近距離被動探測中，當忽略大氣衰減時，視在溫度為:

其 中 ，TAP(θ，φ)為 目 標 的視 在 溫 度;TB(θ，φ)為 被 測 目 標自身主動向外界輻射的亮度溫度，它是目標的輻射率ε(θ，)與目標的物理溫度Ts的乘積;TSC(θ，φ)為被測目標反射的來自于其他輻射源的輻射溫度，其數值用目標的反射率Γ(θ，)與目標表面接收到的來自于其他輻射源的輻射溫度TBother(θ，φ)的乘積來計算。

毫米波被動探測體制利用毫米波輻射計來接收地物目標的毫米波輻射能量。由于不同地物目標的視在溫度不同，輻射計探測不同目標時接收到的毫米波輻射能量不同，因此可以利用毫米波輻射計實現對不同目標的探測、識別。由于功率與溫度的一一對應關系，輻射計天線口面接收到的輻射能量表征為天線溫度，表達式為:

其中，TA為被測地物目標的天線溫度;G(θ，)為輻射計天線的歸一化天線增益;ΩM為天線主波束立體角。根據式(2)可知，當忽略天線旁瓣時，天線溫度是視在溫度用歸一化天線增益在天線主波束范圍內的加權積分。當輻射計天線確定后，天線溫度主要取決于視在溫度，視在溫度的不同必將導致天線溫度的不同。因此，要利用輻射計對裝甲目標進行探測、識別，首先要建立裝甲目標的天線溫度模型。

3 裝甲目標天線溫度建模

裝甲目標表面大多為金屬材料，8 mm波段，金屬的發射率近似為0，所以裝甲目標的毫米波輻射能量主要是反射的來自于其他輻射源的輻射能量。由于裝甲目標是結構復雜的立體金屬目標，所以裝甲目標除了某些表面會反射大氣向下輻射溫度以外，某些表面還會反射地面背景輻射溫度，具體的輻射情況主要取決于輻射計和裝甲目標的相對空間關系［10］。當輻射計天線波束僅探測到裝甲目標時，天線波束內的輻射溫度示意如圖1所示。

圖1 裝甲目標的輻射溫度示意

圖1中，TSC1(θ，)表示裝甲目標表面反射的大氣向下輻射溫度，由于裝甲目標的反射率 Γ(θ，)=1，因此 TSC1(θ，)=TDN(θ，H);TSC2(θ，)表示裝甲目標表面反射的地面背景輻射溫度，同樣，由于裝甲目標的反射率為1，所以TSC2(θ，)=TBb(θ，)，其中 TBb(θ，)表示地面背景的輻射溫度。因此，根據式(2)得出裝甲目標的天線溫度表示為:

其中，Ωi表示反射大氣向下輻射溫度的裝甲目標表面所占立體角;Ωj表示反射地面背景輻射溫度的裝甲目標表面所占立體角;滿足 Ωi+Ωj=ΩM。

4 裝甲目標毫米波被動探測信號的熵

毫米波輻射計對地面裝甲目標的探測、識別是通過對裝甲目標的毫米波被動探測信號進行特征提取、分析特征量來進行的。為此，首先要分析裝甲目標天線溫度曲線的特點，進而才能提取特征。圖2所示為環境溫度為6℃，地面背景為干沙，毫米波輻射計從距離地面高度6 m處分別垂直探測鋼板和某坦克時輻射計獲得的天線溫度曲線。

從圖2中可得出以下結論。

(1)8 mm波段，干沙的輻射率約為0.86，鋼板和坦克表面輻射率為0。因此，干沙和鋼板、坦克的天線溫度差異明顯。

(2)雖然鋼板和坦克表面都是金屬材質，但鋼板是平面金屬目標，它只反射大氣向下輻射溫度，所以當輻射計探測鋼板時，輻射計輸出的天線溫度曲線是平坦的。與鋼板不同的是，坦克是外形結構復雜的立體金屬目標，其表面存在反射大氣向下輻射溫度和反射地面背景輻射溫度兩種可能，而且會隨著輻射計和坦克的相對空間位置而變化，因此，輻射計掃描坦克的過程中，輻射計獲得的天線溫度曲線是不規則波動的。因此，可以利用天線溫度曲線的平坦程度來區分坦克與地面背景及“干擾物”。

如圖2所示，裝甲目標天線溫度呈現不規則的起伏波動，對于這種波動性可以借助于熱力學中表征分子運動的不確定性的量——熵［11］來衡量。

設毫米波輻射計測得的天線溫度曲線為N個采樣點的 集 合 ，即 TA=｛TA1，TA2，TA3，…，TAN｝，則 毫 米 波 被 動 探 測 信 號的熵為:

其中，E表示被測地物目標天線溫度的熵;TAi表示被測地物目標的第i個天線溫度采樣值;為了對比分析，稱相鄰采樣值的差值構成的序列為差值序列，本文后續的分析工作就是圍繞差值序列和熵展開的。從式(4)可以看出，差值序列的平穩程度代表了天線溫度曲線的波動程度。天線溫度曲線波動性越大，所得差值序列起伏越大，熵越大。在彈載毫米波輻射計探測地面裝甲目標的過程中，毫米波被動探測信號的熵與目標、背景、輻射計探測角、環境溫度、輻射計運動速度及運動軌跡等因素相關，當探測條件一定時，熵主要隨著輻射計與目標的相對空間關系而變化。

圖2 鋼板和坦克的天線溫度曲線及差值序列

為了驗證毫米波被動探測信號的熵特征對于裝甲目標識別的有效性，對圖2中的實測天線溫度曲線進行數據處理，獲得其差值序列，將結果對比顯示在圖2天線溫度曲線的下方(對應右邊縱坐標軸)。從圖2可以看出，當輻射計探測到干沙時，得到的天線溫度曲線較平坦，相應的差值序列也平坦;當輻射計探測到坦克時，天線溫度曲線呈現大的波動，所得差值序列起伏明顯。計算得到鋼板和坦克天線溫度曲線的熵分別為1.208 2 K和3.059 3 K，坦克的熵大于鋼板的熵。

5 仿真與分析

仿真條件:系統采樣率2 000 Hz，背景為干沙，環境溫度為18℃，天線是口面半徑為0.1 m的卡塞格倫天線，彈載輻射計探測俯角30°，彈丸以200 m/s的速度從裝甲目標的正前方上空6 m處勻速直線掠飛，數據樣本量為200個，仿真得到鋼板、積水、坦克的熵的直方圖如圖3所示。

觀察圖3(a)～圖3(c)可知，坦克的熵分布與地面背景(干沙)及典型“干擾物”(鋼板、積水)的熵分布幾乎不存在交集，依據概率論可知:以天線溫度的熵作為特征量可以準確地將坦克與地面背景及“干擾物”區分開，從而實現對裝甲目標的有效識別。但是分析圖3(d)可知，鋼板和積水的熵分布存在明顯交集，所以它們彼此誤識別的概率較高，究其原因是鋼板和積水的毫米波輻射特性相近，而且兩者都是平面目標，所以，對于鋼板和積水的區分要進行進一步研究。

表1列出了圖3的坦克、干沙、鋼板、積水的熵的平均值。

表1 不同地物目標天線溫度熵的平均值

從表1可知，由于坦克的熵遠大于干沙、鋼板及積水，因此以熵為特征可以將地面背景及“干擾物”中的坦克識別出來。與此同時，由于鋼板和積水的熵均值較相近，因此兩者之間存在一定的誤識別率，這一點和圖3所得結論是一致的。

結合圖2、圖3和表1可知，以毫米波被動探測信號的熵為特征，可以有效地區分裝甲目標與地面背景及 “干擾物”，從而實現毫米波輻射計對地面裝甲目標的準確識別。

圖3 坦克及典型“干擾物”的熵直方圖

6 結束語

依據毫米波被動探測的基本原理，分析了裝甲目標視在溫度的組成，建立了裝甲目標的毫米波輻射模型。根據裝甲目標天線溫度的波動性，提出了以熵為特征的裝甲目標的識別方法，在以實測數據驗證了熵的有效性的基礎上，仿真分析了裝甲目標和典型地面背景及 “干擾物”的熵，分別以熵的直方圖和平均值統計表論證了該方法對裝甲目標識別的有效性和可靠性，具有簡潔、易實現、計算量小、實時性好等優點。

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馮建利(1981-)，女，西安石油大學講師，西北工業大學博士生，主要研究方向為毫米波被動探測信號處理及目標識別技術。

Signal entropy feature extraction and simulation analysis of the armored target with passive millimeter wave

FENG Jianli12，LUO Mingshi1，ZHANG Xiaomin2
1.School of Computer Science，Xi'an Shiyou University，Xi'an 710065，China
2.College of Marine Engineering，Northwestern Polytechnical University，Xi'an 710072，China

According to the irregular fluctuation of the armored target's detection signal with passive millimeter wave，an armored target's recognition method which the feature is entropy was proposed.Based on the measured data，the validity of this method was demonstrated.Through simulation，the antenna temperature curve of armored target，dry sand，steel and water was obtained respectively.Then，the entropy feature of each one was extracted.The histogram and the average value of the entropy were analyzed.The results show that when the entropy was used as the feature，the armored target from the background and typical “interferences” can be effectively recognized and practical engineering significance was obtained.

armored target，passive millimeter wave detection，entropy feature，target recognition

TN928

A

10.11959/j.issn.1000-0801.2016014

2015-07-28;

2015-12-03

雒明世(1966-)，男，西安石油大學副教授，主要研究方向為信息與通信系統、無線通信網絡等相關技術。

張效民(1963-)，男，博士，西北工業大學教授、博士生導師，主要研究方向為信號檢測與辨識、目標識別等相關技術。