基于寬帶雷達(dá)距離-慢時(shí)間像的自旋微動(dòng)群目標(biāo)分辨*

楊 陳, 池 龍, 張 群,2, 羅 迎,3

(1 空軍工程大學(xué)信息與導(dǎo)航學(xué)院, 西安 710077; 2 復(fù)旦大學(xué)電磁波信息科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 上海 200433; 3 西安電子科技大學(xué)雷達(dá)信號(hào)處理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 西安 710071)

基于寬帶雷達(dá)距離-慢時(shí)間像的自旋微動(dòng)群目標(biāo)分辨*

楊 陳1, 池 龍1, 張 群1,2, 羅 迎1,3

(1 空軍工程大學(xué)信息與導(dǎo)航學(xué)院, 西安 710077; 2 復(fù)旦大學(xué)電磁波信息科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 上海 200433; 3 西安電子科技大學(xué)雷達(dá)信號(hào)處理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 西安 710071)

空間群目標(biāo)的探測(cè)與識(shí)別問(wèn)題異常復(fù)雜。文中針對(duì)寬帶雷達(dá)信號(hào)條件下的自旋微動(dòng)群目標(biāo)分辨問(wèn)題,提出了一種基于距離-慢時(shí)間像的群目標(biāo)分辨方法。不同于其它文獻(xiàn)中m-D曲線分離的思路,文中根據(jù)寬帶雷達(dá)距離-慢時(shí)間像中m-D曲線,求解所有散射點(diǎn)到雷達(dá)的距離變化函數(shù)的“和函數(shù)”,再對(duì)“和函數(shù)”作傅里葉變換,根據(jù)“和函數(shù)”在頻域的分量實(shí)現(xiàn)群目標(biāo)分辨。仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提方法的可行性和魯棒性。

自旋微動(dòng);群目標(biāo);微多普勒;距離-慢時(shí)間像;傅里葉變換

0 引言

近年來(lái),世界各國(guó)對(duì)空間利用的日漸重視,空間活動(dòng)規(guī)模不斷擴(kuò)大,各類航天器、衛(wèi)星、彈道導(dǎo)彈、太空碎片的數(shù)量急劇增加。與一般分布較為分散的空中或地面目標(biāo)不同,空間目標(biāo)經(jīng)常成“群”在軌道上密集高速飛行,如空間碎片群和中段彈道目標(biāo)群。空間群目標(biāo)探測(cè)與識(shí)別的重要性日益顯著,開(kāi)展相關(guān)理論與關(guān)鍵技術(shù)研究,對(duì)保障我國(guó)空間安全、促進(jìn)國(guó)家空間技術(shù)發(fā)展以及空間和平利用均具有十分重要的意義[1]。

當(dāng)前,隨著高分辨雷達(dá)技術(shù)和現(xiàn)代信號(hào)處理技術(shù)的快速發(fā)展,空間目標(biāo)探測(cè)和識(shí)別技術(shù)已由RCS測(cè)量及其統(tǒng)計(jì)特征提取與識(shí)別、調(diào)制譜特征提取與識(shí)別等發(fā)展為一維距離像識(shí)別、二維ISAR像識(shí)別等多種手段,特別是基于微多普勒效應(yīng)的空間目標(biāo)微動(dòng)特征提取與識(shí)別技術(shù),近年來(lái)獲得了較為廣泛的關(guān)注[2]。目前,對(duì)于單個(gè)目標(biāo)的微動(dòng)信息的提取與應(yīng)用已經(jīng)近于成熟[3-8]。然而,在探測(cè)群目標(biāo)時(shí),由于多個(gè)目標(biāo)位于雷達(dá)天線同一波束范圍內(nèi),各目標(biāo)的回波信號(hào)在時(shí)域或頻域相互疊加,群目標(biāo)微動(dòng)特征提取和目標(biāo)分辨十分困難。從公開(kāi)文獻(xiàn)來(lái)看,僅有少量關(guān)于群目標(biāo)微多普勒效應(yīng)研究。例如文獻(xiàn)[9]提出了一種滑動(dòng)窗軌跡跟蹤來(lái)實(shí)現(xiàn)分離m-D曲線的方法,實(shí)現(xiàn)了群目標(biāo)分辨;文獻(xiàn)[10]提出了基于正弦調(diào)頻傅里葉變換的群目標(biāo)分辨方法,但僅適用于窄帶雷達(dá)信號(hào);文獻(xiàn)[11]提出了基于時(shí)頻最大幅值的瞬時(shí)頻率估計(jì)方法提取目標(biāo)微動(dòng)周期,根據(jù)各目標(biāo)周期差異實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)分辨,然而該方法只適用于單成分信號(hào)或在時(shí)頻面無(wú)交疊的多成分信號(hào)。

文中針對(duì)寬帶雷達(dá)信號(hào)條件下的自旋微動(dòng)群目標(biāo)分辨問(wèn)題展開(kāi)研究,提出了一種基于距離-慢時(shí)間像的自旋微動(dòng)群目標(biāo)分辨方法。該方法運(yùn)算簡(jiǎn)單,能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)群目標(biāo)中具有不同自旋頻率目標(biāo)的分辨,并獲得各目標(biāo)的自旋頻率特征。仿真實(shí)驗(yàn)證明了該方法的有效性。

1 距離-慢時(shí)間像中的微多普勒效應(yīng)

假設(shè)雷達(dá)發(fā)射的線性調(diào)頻信號(hào)可寫為:

(1)

式中:

(2)

fc是載頻;Tp是脈沖寬度;μ是調(diào)頻率。

基于“stop-go”近似模型,目標(biāo)某散射點(diǎn)回波信號(hào)可表示為:

(3)

式中r(tm)為該散射點(diǎn)tm時(shí)刻到雷達(dá)的距離。

當(dāng)選擇目標(biāo)本地坐標(biāo)系原點(diǎn)的回波信號(hào)作為參考信號(hào)時(shí),參考信號(hào)可表示為:

(4)

將回波信號(hào)與參考信號(hào)共軛相乘,得到:

(5)

式中RΔ(tm)=r(tm)-Rref(tm)。

令t′=tk-2Rref(tm)/c,對(duì)式(5)關(guān)于t′作傅里葉變換,并去除RVP項(xiàng)和包絡(luò)“斜置”項(xiàng)后得到回波信號(hào)在快時(shí)間頻率域(fk域)的表達(dá)式:

(6)

對(duì)應(yīng)的一維距離像峰值位置位于fk=-2μRΔ(tm)/c處。通過(guò)乘以因子-c/(2μ),fk可被轉(zhuǎn)化為點(diǎn)目標(biāo)到參考點(diǎn)的徑向距離RΔ(tm)。快時(shí)間頻率-慢時(shí)間平面,即fk-tm平面,由于fk通過(guò)距離定標(biāo)可以轉(zhuǎn)化為徑向距離,因此該平面也可稱為距離-慢時(shí)間像。根據(jù)式(6)可知,Sd(fk,tm)的相位受到RΔ(tm)的調(diào)制,導(dǎo)致回波信號(hào)在慢時(shí)間tm域產(chǎn)生微多普勒效應(yīng)。從距離-慢時(shí)間像上看,微多普勒效應(yīng)表現(xiàn)為距離像峰值呈現(xiàn)為隨RΔ(tm)變化的曲線,該曲線為微多普勒特征曲線,簡(jiǎn)稱m-D曲線。對(duì)于旋轉(zhuǎn)類微動(dòng):

RΔ(tm)=d+lcos(Ωtm+θ)cosε

(7)

式中:l為散射點(diǎn)旋轉(zhuǎn)半徑;ε為雷達(dá)視線方向與旋轉(zhuǎn)平面的夾角;Ω為旋轉(zhuǎn)角速度;d為旋轉(zhuǎn)中心到雷達(dá)的距離與參考點(diǎn)到雷達(dá)距離之差;θ表示相位。所以自旋微動(dòng)群目標(biāo)的距離-慢時(shí)間像中,自旋散射點(diǎn)對(duì)應(yīng)的m-D曲線表現(xiàn)為余弦形式,且相互交織在一起。

2 基于距離-慢時(shí)間像的群目標(biāo)分辨方法

在距離-慢時(shí)間像中,可以通過(guò)峰值檢測(cè)得到某一慢時(shí)間tm時(shí)刻所有散射點(diǎn)的RΔ(tm)值。假設(shè)用M(tm)表示tm時(shí)刻所有散射點(diǎn)RΔ(tm)值之和,則:

(8)

式中N為散射點(diǎn)數(shù)目。

由式(7)和式(8)可得:

(9)

同一個(gè)目標(biāo)上的所有散射點(diǎn)具有相同的旋轉(zhuǎn)頻率,對(duì)M(tm)作傅里葉變換:

(10)

以上分析的基礎(chǔ)是:必須從每一個(gè)tm時(shí)刻所得的一維距離像中獲得所有散射點(diǎn)的準(zhǔn)確的RΔ(tm)值。因此必須首先進(jìn)行噪聲和一維距離像旁瓣處理。這里借鑒文獻(xiàn)[10]中的一維距離像旁瓣和噪聲抑制的方法——形態(tài)學(xué)圖像處理。

綜合上述分析,基于距離-慢時(shí)間像的自旋微動(dòng)群目標(biāo)分辨方法包括以下步驟:

Step1:通過(guò)形態(tài)學(xué)圖像處理抑制距離-慢時(shí)間像中一維像旁瓣。

Step2:在距離-慢時(shí)間像中,檢測(cè)每一個(gè)慢時(shí)間采樣時(shí)刻一維距離像中的峰值數(shù)peaks_num[tm],然后找出peaks_num[tm]中頻率最大的值N,并判斷N為散射點(diǎn)數(shù)目。

Step3:找出peaks_num[tm]值為N的慢時(shí)間采樣時(shí)刻,并在這些時(shí)刻按照式(8)計(jì)算M(tm)的函數(shù)值。

Step4:在Step3的基礎(chǔ)上,采用插值法計(jì)算出M(tm)其它慢時(shí)間時(shí)刻的函數(shù)值。

3 仿真

假設(shè)在雷達(dá)坐標(biāo)系中坐標(biāo)為(300 km,100 km,500 km)附近有3個(gè)自旋微動(dòng)目標(biāo),其信息見(jiàn)表1。雷達(dá)載頻為fc=10 GHz,帶寬B=1 GHz,PRF=500 Hz,信號(hào)時(shí)長(zhǎng)T=1 s,脈沖寬度Tp=10-7s,快時(shí)間采樣率fs=2B=2 GHz。在回波中加入不同信噪比的高斯白噪聲,仿真結(jié)果如圖1～圖3所示。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)在m-D曲線分離思想基礎(chǔ)上逆向思考,文中提出一種新的自旋微動(dòng)群目標(biāo)分辨方法。仿真實(shí)驗(yàn)證明了其有效性。該方法目前僅適用于自旋微動(dòng)群目標(biāo),對(duì)于其它的群目標(biāo)微動(dòng)形式(例如具有進(jìn)動(dòng)的導(dǎo)彈彈頭群目標(biāo)),其分辨識(shí)別方法還需尋求其它技術(shù)手段。本方法為解決空間群目標(biāo)的探測(cè)與識(shí)別問(wèn)題提供了新的技術(shù)途徑。

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ResolutionofGroupTargetswithSpinningMicro-motionBasedontheRangeSlow-timeImageofBroadbandRadar

YANG Chen1, CHI Long1, ZHANG Qun1,2, LUO Ying1,3

(1 Information and Navigation College, Air Force Engineering University, Xi’an 710077, China; 2 Key Laboratory of EMW Information (Fudan University), Ministry of Education, Shanghai 200433, China; 3 National Laboratory of Radar Signal Processing, Xidian University, Xi’an 710071, China)

It is extremely complex to detect and recognize space group targets. Aiming to the resolution of group targets with spinning micro-motion, an approach based on range slow-time image is proposed in this paper. Different from the thought of m-D (micro-Doppler) curves separation in other literatures, the “sum function” which is an additive combination of each scatter’s range varying function is gained basing on the m-D curves in range slow-time image of broadband radar. Taking Fourier transform to the “sum function”, and then the group targets resolution is realized according to the frequency components of “sum function”. The simulation illuminates the feasibility and robustness of this approach.

spinning micro-motion; group targets; micro-doppler; range slow-time image; Fourier transform

TN957

A

2016-06-15

國(guó)家自然科學(xué)基金(61471386;61571457)資助

楊陳(1991-),男,重慶忠縣人,碩士研究生,研究方向:雷達(dá)信號(hào)處理。