韓 勛 杜 蘭 劉宏偉

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基于窄帶雷達(dá)組網(wǎng)的空間錐體目標(biāo)特征提取方法

韓 勛 杜 蘭*劉宏偉

(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)

進(jìn)動(dòng)引發(fā)的微多普勒調(diào)制可作為空間錐體目標(biāo)識(shí)別的重要依據(jù)，針對(duì)此該文提出一種基于窄帶雷達(dá)組網(wǎng)的進(jìn)動(dòng)錐體目標(biāo)特征提取方法。該文首先根據(jù)目標(biāo)散射特性推導(dǎo)了進(jìn)動(dòng)引發(fā)的散射點(diǎn)理論瞬時(shí)頻率變化，并根據(jù)頻譜熵實(shí)現(xiàn)了多個(gè)雷達(dá)視角觀測(cè)下的散射點(diǎn)瞬時(shí)頻率變化的匹配；然后依據(jù)不同視角下錐頂與錐底散射點(diǎn)瞬時(shí)頻率變化關(guān)系，提出一種目標(biāo)進(jìn)動(dòng)與尺寸特征聯(lián)合提取的新方法，實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)高度、底面半徑、質(zhì)心位置、進(jìn)動(dòng)角等參數(shù)的高精度估計(jì)?；陔姶庞?jì)算數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該文所提方法的有效性和精確性。

目標(biāo)識(shí)別；微多普勒；特征提取；雷達(dá)組網(wǎng)；空間錐體目標(biāo)

1 引言

文獻(xiàn)[5]系統(tǒng)地對(duì)微多普勒調(diào)制的成因進(jìn)行了分析，并對(duì)進(jìn)動(dòng)引發(fā)的微多普勒調(diào)制進(jìn)行了理論推導(dǎo)；文獻(xiàn)[6]基于回波時(shí)頻分布對(duì)有翼進(jìn)動(dòng)目標(biāo)的自旋頻率，錐旋頻率，進(jìn)動(dòng)角等特征進(jìn)行了提?。晃墨I(xiàn)[7,8]利用進(jìn)動(dòng)引起的高分辨距離像序列變化，實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)的進(jìn)動(dòng)特征和結(jié)構(gòu)特征的提取；而基于雷達(dá)組網(wǎng)的特征提取也得到了越來(lái)越多的研究，相比單基雷達(dá)，雷達(dá)組網(wǎng)可以提供多個(gè)視角下的微動(dòng)信息，有利于目標(biāo)的特征提取和識(shí)別。文獻(xiàn)[9]以錐形彈頭為研究對(duì)象，提出了一種利用多視角下時(shí)間-距離像分布對(duì)目標(biāo)進(jìn)動(dòng)及結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行估計(jì)的算法；文獻(xiàn)[10]提出了一種基于分布式組網(wǎng)雷達(dá)的有翼彈頭的3維特征提取方法，并對(duì)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)特征與結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行重構(gòu)；文獻(xiàn)[11]利用三站1維距離像重構(gòu)了錐體彈頭上散射點(diǎn)的空間相對(duì)位置，并對(duì)錐體彈頭的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行了估計(jì)，這些工作體現(xiàn)了雷達(dá)組網(wǎng)在目標(biāo)特征提取中的特點(diǎn)所在。需要指出的是，現(xiàn)有工作多是在高分辨雷達(dá)的基礎(chǔ)上利用目標(biāo)距離像完成的，對(duì)于低分辨雷達(dá)，由于帶寬的限制，難以從目標(biāo)距離像中獲得微動(dòng)信息，而此時(shí)回波多普勒譜中包含的散射點(diǎn)微多普勒頻率變化同樣可以反應(yīng)目標(biāo)特性[12,13]，可供實(shí)現(xiàn)目標(biāo)特征提取，因此研究基于窄帶微多普勒調(diào)制的特征提取是有必要的。綜合上述考慮，本文提出一種基于窄帶雷達(dá)組網(wǎng)的無(wú)翼錐體目標(biāo)的特征提取方法，利用不同視角下目標(biāo)散射點(diǎn)瞬時(shí)頻率變化關(guān)系，提取出了目標(biāo)的進(jìn)動(dòng)與結(jié)構(gòu)特征。

本文的第2部節(jié)分對(duì)目標(biāo)散射點(diǎn)進(jìn)動(dòng)微多普勒特性進(jìn)行了分析，然后分析了不同視角下散射點(diǎn)的瞬時(shí)頻率變化關(guān)系；在此基礎(chǔ)上根據(jù)3個(gè)視角下目標(biāo)雷達(dá)回波，提出了基于瞬時(shí)頻率變化的目標(biāo)特征提取新方法，對(duì)目標(biāo)高度，底面半徑，質(zhì)心位置，進(jìn)動(dòng)角等特征進(jìn)行了提??；最后采用電磁計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了本方法的有效性與精確性。

2 進(jìn)動(dòng)目標(biāo)微多普勒特性分析

圖1 錐體目標(biāo)示意圖

3 組網(wǎng)條件下目標(biāo)尺寸與進(jìn)動(dòng)特征提取

3.1 散射點(diǎn)瞬時(shí)頻率變化匹配

每部雷達(dá)回波包含兩個(gè)散射點(diǎn)的瞬時(shí)頻率變化，因此首先要對(duì)估計(jì)得到的不同雷達(dá)回波中瞬時(shí)頻率變化進(jìn)行匹配。由于回波中只包含錐頂與錐底散射點(diǎn)頻率變化，只要判別估計(jì)得到的瞬時(shí)頻率變化為錐頂或錐底頻率分量即可。

3.2目標(biāo)進(jìn)動(dòng)與尺寸特征提取

綜上所述，基于窄帶雷達(dá)組網(wǎng)的空間錐體目標(biāo)特征提取流程如圖2所示。

圖2空間錐體目標(biāo)特征提取流程

4 仿真實(shí)驗(yàn)

經(jīng)過(guò)兩次循環(huán)迭代后得到的各組合最終雷達(dá)視線角估計(jì)值如表1所示。

圖3不同視角下回波瞬時(shí)頻率分量

圖4未被補(bǔ)償時(shí)不同組合雷達(dá)視線角估計(jì)值隨進(jìn)動(dòng)角變化

表1各組合雷達(dá)視線角最終估計(jì)值

估計(jì)值

圖6與圖4對(duì)比顯示，利用補(bǔ)償后的瞬時(shí)頻率變化估計(jì)得到的雷達(dá)視線角隨進(jìn)動(dòng)角變化較小且均在真值附近，對(duì)圖6中雷達(dá)視線估計(jì)結(jié)果取均值，得到每種組合下雷達(dá)視線角粗估計(jì)值如表2，可以看出其與真值差距并不大。

圖6補(bǔ)償后雷達(dá)視線角估計(jì)值隨進(jìn)動(dòng)角變化

表2各組合雷達(dá)視線角粗估計(jì)值

粗估計(jì)值

表3兩次循環(huán)迭代后的估計(jì)結(jié)果

估計(jì)值

表4各組合特征提取結(jié)果(m)

組合1組合2組合3平均結(jié)果 H0.97970.98780.99070.9848 r0.25870.26880.25950.2588 h0.14620.14750.14730.1470

圖7顯示了本文算法在估計(jì)精度在10 dB到15 dB時(shí)增加較快，而在15 dB后基本保持不變，這主要是由于15 dB以上時(shí)頻圖受噪聲影響較小，信噪比上升帶來(lái)的微多普勒提取精度變化不大，因此算法的估計(jì)精度增加也不明顯。而當(dāng)信噪比低于10 dB時(shí)，由于錐底對(duì)應(yīng)極值點(diǎn)的估計(jì)誤差增大，因此參數(shù)估計(jì)誤差也相應(yīng)增大。同時(shí)也可以看出，在10 dB時(shí)算法平均估計(jì)精度已經(jīng)超過(guò)85%，這說(shuō)明本文算法具有一定的抗噪性能。

5 結(jié)束語(yǔ)

為了進(jìn)一步挖掘窄帶雷達(dá)在空間錐體目標(biāo)識(shí)別中的潛力，本文提出一種基于窄帶雷達(dá)組網(wǎng)的錐體目標(biāo)進(jìn)動(dòng)與尺寸特征提取方法。首先利用頻譜熵的概念完成了多視角下錐頂與錐底瞬時(shí)頻率分量的匹配，隨后根據(jù)錐頂與錐底瞬時(shí)頻率變化性質(zhì)對(duì)提出了目標(biāo)進(jìn)動(dòng)與尺寸特征聯(lián)合提取的新方法。仿真實(shí)驗(yàn)顯示本算法在一定信噪比條件下具有較高的特征提取精度。

圖7 目標(biāo)參數(shù)估計(jì)精度

圖8 平均提取精度隨視線角間隔變化

圖9 特征提取精度圖

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韓 勛： 男，1990年生，博士生，研究方向?yàn)槔走_(dá)目標(biāo)識(shí)別、空間目標(biāo)參數(shù)估計(jì).

杜 蘭： 女，1980年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)榻y(tǒng)計(jì)信號(hào)處理、雷達(dá)信號(hào)處理、機(jī)器學(xué)習(xí)及其在雷達(dá)目標(biāo)檢測(cè)與識(shí)別方面的應(yīng)用.

劉宏偉： 男，1971年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)槔走_(dá)信號(hào)處理、MIMO雷達(dá)、雷達(dá)目標(biāo)識(shí)別.

Feature Extraction of Space Cone-shaped TargetBased on Narrow-band Radar Networks

Han Xun Du Lan Liu Hong-wei

(,,’710071,)

The micro-Doppler modulation caused by precession is considered as an important signature for the discrimination of space cone-shaped target. A novel feature extraction method for precessing cone-shaped target with narrow-band radar networks is proposed in this paper. Based on analysis of the scattering properties of the cone-shaped target, this paper first derives the scattering centers’ theoretical Instantaneous Frequency (IF) variations induced by precession, and the IF variations obtained from multiple radar aspects are matched according to their spectrum entropy. Then according to the properties of IF variations of the top and bottom scattering centers under different radar aspects, the precession and geometry feature extraction method is proposed for estimating the target’s parameters, such as height, bottom radius, location of barycentric, precession angle. Experiments based on the electromagnetic computation data verify the validness and accuracy of the proposed method.

Target recognition; Micro-Doppler; Feature extraction; Radar networks; Space cone-shaped target

TN95

A

1009-5896(2014)12-2956-07

10.3724/SP.J.1146.2013.02037

杜蘭 dulan@mail.xidian.edu.cn

2013-12-26收到，2014-05-09改回

國(guó)家自然科學(xué)基金(61271024, 61201296, 61322103)和全國(guó)優(yōu)秀博士學(xué)位論文作者專(zhuān)項(xiàng)資金(FANEDD-201156)資助課題