窄带雷达飞机目标识别方法综述
2020-05-08
来源:易榕旅网
总第188期 舰船电子工程 Vo1.30 No.2 2010年第2期 Ship Electronic Engineering 45 窄带雷达飞机目标识别方法综述 史颖超¨ 李侠 程东升” 毛华春。 (空军雷达学院研究生管理大队” 武汉430019) (空军雷达学院陆基预警监视装备系 武汉430019)(95092部队” 开封475003) 摘要针对窄带雷达特点,总结了当前窄带雷达典型的目标识别方法,分析了各方法的有效性,讨论了基于P显图 像特征的方法和超角分辨技术在目标识别中的联合运用,最后提出一种多方法联合运用目标识别对策,为实际工程运用提 供技术参考。 关键词窄带雷达;目标识别;联合运用 中图分类号TN95 A Survey of Aircraft Target Recognition Method in Narrow Band Radar Shi Yingchao Li Xia Cheng Dongsheng Mao Huachun。 (Department of Graduate Management,AFRA”,Wuhan 430019) (Department of Land-based Early Warning and Surveillance Equipment,AFRA2 ,Wuhan 4300 1 9) (No.95092 Troops of PLA。’,Kaifeng 475003) Abstract Based on the narrow band radar character,narrow band radar current target recognition methods are sunlIna— rized,and the validity of each method is analyzed,in addition,the way of combine the method based on PPI image description with super angle resolving power technique is discussed,a countermeasure of united application of multi methods for target recognition is given in the end of this paper,which offers technical reference for practical engineering application. Key Words narrow-band radar,target recognition,united application Class Number TN95 1 引言 工作频率与目标尺寸是一对相对量。同一目标对于 不同的雷达工作频率呈现不同的RCS特性。因此 雷达目标识别需要从目标的雷达回波中提取 可将目标的散射分为三个区【l】],即:瑞利区(低频 目标的相关信息标志和稳定特征以判明其属性。 区)、谐振区(梅氏区)和光学区(高频区),对于大部 对于飞机目标其属性信息主要指敌我属性、类型属 分常规防空雷达的工作频率而言,飞机、导弹等复杂 性和架次属性。由于敌我识别系统能够可靠地对 军用目标的散射都在光学区。因此在瑞利区建立的 目标敌我属性识别,并且当判断目标为“我”时,可 “多频法”目标识别方法,在谐振区建立的基于极化 以同时给出目标的类型、架次等详细信息;但当判 特征的目标识别、基于极点分布的目标识别以及“波 断目标为“敌”或“不明”时,只能通过利用目标在雷 形综合法”[2 等目标识别方法在此均不做论述。 达远区所产生的散射场特性对目标的类型、架次等 我国常规有源情报雷达大多是窄带低分辨雷 属性进行识别。 达,有源窄带低分辨的体制决定了其在目标识别过 关于目标散射特性分析和雷达目标识别,雷达 程中提取不到足够的信息对目标的架次和类型等 收稿日期:2009年9月30日,修回日期:2009年1O月28日 作者简介:史颖超,男,硕士研究生,研究方向:雷达装备作战运用。李侠,男,教授,研究方向:雷达装备技术、雷达作 战运用及效能评估。 46 史颖超等:窄带雷达飞机目标识别方法综述 第188期 属性做出精细的判断。但窄带低分辨雷达作为我 主战装备,必须尽可能充分地挖掘其在目标识别上 的能力,发挥最大的作战效能,为决策打击提供信 息支撑。 ’抖动。下面分别对一批一架大飞机目标(图1(a)、 (b)所示)和一批两架小飞机目标(图2(a)、(b)所示) 的回波进行仿真[8]。图中数据未归一化处理,所以 最值并不统一,这里只考虑波形形状。通过比较发 现,虽然图l(a)、图1(b)和图2(a)特征较为明显,但 2窄带雷达特点及其目标识别难点 1)体制落后:窄带雷达多为非相参体制,由于 回波之间缺少相位信息,因此基于ISAR思想的横 图2(b)两架次特征不够明显,这就给目标识别带来 了困难,把两架小目标误判为一架大目标。下面分 别给出一批一架大飞机目标(图3所示)和一批两架 向超分辨和时频分析的方法均无法应用。另外,发 射机大部分采用微波发射管和超高频三极管,这类 发射管组成的自激振荡型发射机频率稳定度不高, 发射波形单一。因此,雷达获取回波信息的手段很 少,回波利用率低。 2)分辨率低:低分辨雷达距离分辨率一般在 300"--1500m之间,方位分辨率一般在1。~10。之 间。对于距离在几十米到数百米之间的编队飞行 飞机,无论在距离上和方位上都难以分辨。因此, 无论是A显波形特征,还是P显图像特征,所提取 的特征量多具有模糊性,特征与目标间的关系难以 通过良好定义的数学关系来表达。 3)“点目标”模型:所谓“点”目标是指目标所 占据的空间能置于雷达分辨单元体积内。如果仅 涉及目标的位置和运动信息,应用“点”目标模型是 足够的_7],但是如果还要涉及目标的形状、大小、材 料、组成、架次以及其它一些信息,“点”目标模型就 远远不够了,必须对“点”目标模型进行修正。 3典型窄带雷达目标识别方法 尽管低分辨雷达目标识别难度很大,但雷达操 纵员在工作中积累了丰富的经验,能够对目标粗分 类和架次识别。因此,把操纵员的积累的知识转化 成计算机语言进行自动目标识别(ATR)是当前窄 带雷达目标识别的一种重要方法,比较典型的是基 于A显波形特征的目标识别方法和基于P显图像 特征的目标识别方法。另外,由于飞机有不同的旋 转部件,飞机就有不同的结构参数(桨数、桨长)和 运动参数(速度),其可为飞机分类和辨识提供不同 的调制特征,基于目标回波调制谱特性的识别方法 是窄带雷达目标识别的另一种重要方法。 3.1基于A显波形特征的目标识别方法 长期的人工测报经验证明,基于雷达目标的A 显视频回波图像特征,可以对空中目标进行判别:飞 机目标的A显回波特征是幅度较大、宽度较宽、波色 较亮,单机波峰稳定,而双机以上编队则波峰跳动或 小飞机目标(图4所示)的回波组仿真图。试验表 明,单架次目标与典型两架次目标的波形组的波内 组织(起伏、扭曲、跳动等)是有区别的,这种显著特 征和变迁特征在波形参数上也可以较好地描述,尤 其是对于单架次小目标和两架次大目标区别十分明 显,但单架次大目标与两架次小目标的差异性较小。 两小加噪(含起伏慎拟回波 图2回波示意图 图3回波组示意图 图4回波组示意图 基于对A显目标视频回波波形分析,针对雷 达飞机目标单个回波的具体波形,可定义以下回波 波形特征参数_g]:回波波形中心与波形展度系数、 回波波形左右截点、峰顶平度、主峰数、透折投影 图、疏齿纹理等;针对雷达飞机目标波形组的具体 情况,可定义以下回波波形组特征参数:回波波形 组的总体宽度、波形组能量的均值与方差、浅度抖 动变化趋势等。提取这些特征,建立相应的识别模 式,进而实现目标的粗分类和识别。 2010年第2期 舰船电子工程 47 基于A显波形特征法目标识别,优点在于几 乎所有雷达都能提取其波形,因为它只表征目标与 基于目标回波灰度图,可定义如下回波特 征_1 :峰值轨迹图的拐点与环路数、峰值轨迹图的 灰度等高线、回波灰度图拉伸系数与面积、回波灰 度图拟合偏度、回波灰度图几何矩不变量与灰度图 雷达问的距离信息。可以说,用最低的成本解决一 个最实际的问题一目标识别。但波形特征不是仅 仅与目标的雷达截面积大小和目标数量相关的,目 标所处的环境、噪声与杂波的强度、目标相对雷达 的视角、雷达频率与极化等参数的改变等多种因素 都会影响目标回波的形态。因此该方法需要较高 的信噪比,并且在运用模式识别时需要建立大量的 数据库模板,因为RCS随观察角变化会急剧起伏, 其起伏特征又随雷达频率的不同而异。对于实际 高频目标,往往在不到1。的视角变化内会引起a变 化l~2个数量级l1 。 3.2基于P显图像特征的目标识别方法 通常,基于低分辨率雷达PPI或RHI上目标 回波图像的形状、波宽、亮度等图像特征,凭经验人 工便可对目标的大小、架次进行判别。雷达目标 PPI画面,如图5所示。雷达显示器上目标回波的 信号辉度随时间衰减很 慢,则通过方位与距离或 方位与仰角开窗方式对 目标回波波形数据进行 连续采集,便可得到相应 的目标回波灰度图(无线 图5雷达目标PPI画面 电波纹图),如图6所示。 由于受天线方向图调制,雷达目标回波灰度图的轮 廓类似于一个或多个椭圆叠加而成的。目标回波 灰度图直观地反映了目标回波波形的整体结构信 息。对于一批一架和一批多架的大小不同的飞机 目标而言,其回波灰度图有着不同的表现形式:小 飞机目标的回波灰度图细长;一批两架小飞机目标 的回波灰度图虽可合成一架大飞机的回波灰度图, 但其轮廓可能出现“凹口”;大飞机目标的回波灰度 图较饱满;三架以上飞机编队合成的回波灰度图在 方位上拉伸得很开。因此,对于不同架次、不同类型 的飞机目标,其回波灰度图有着不同的表现形式,这 是基于P显回波图像特征目标识别的理论基础。 fa)小飞机一批一架 (b)小飞机一批两架(c)大飞机一批一架 图6雷达目标回波灰度图 形状特征等。通过提取图像特征,建立数据库模 板,进而对目标识别。 显然,基于P显回波图像特征目标识别与基 于A显波形特征目标识别其本质是一致的,都是 利用回波能量在雷达显示器上的表现形态。通过 分析形态,提取特征,建立数据库模板,进而目标 识别。但P显图像特征中不但蕴含距离信息还包 括方位信息,理论上这对目标识别会产生一定的 得益。 根据模糊函数的定义[1 ,进一步定义广义模 糊函数为 A( ,Fd, ,e)===A( ,Fd)×P_‘ r4一 一J——。。 Iu(t)u ( + )ej。 dt× × (1) 式中, —l 一 l,£一l e 一£ I, 一 , n I I…一 一 。式(1)包含三个因式,即I ( ) ( + ) dt、e-#和e~,分别定义为广义模 糊函数的径向因式、水平切向因式和垂直切向因 式。径向因式表征了在雷达与目标的连线上所产 生的时延和多普勒频移对目标的分辨能力,水平切 向因式表征了雷达方位上对目标的分辨能力,垂直 切向因式表征了雷达仰角上对目标的分辨能力。 其物理意义在于,当发射波形 (£)时,对于两个时 差相差 ,多普勒频移相差 ,方位角相差 ,仰 角相差e的目标,采用最佳匹配滤波处理,雷达系 统所可能具有的最大分辨能力。显然,A( , , ,s)的值随参数 、 、 和e的增大下降越慢,目 标越难区分;A( , , ,e)的值随 、 、 和e 的增大下降越迅速,或者说峰值越尖锐,目标越容 易区分。当e一 一0时,A( , , ,e)一A( , ),即广义模糊函数会退化成经典模糊函数A ( , )。由于常规两坐标雷达不能兼顾测量方 位和仰角,通常只考虑方位影响;而对于测高雷达, 只考虑仰角影响。现只考虑方位因素,对式(1)进 行简化,省略垂直切向因式,保留水平切向因式,则 模糊函数可写成 A(T , Fd,卢,。) A( , , )一fA-oo ( )甜*( + )eJ dt× (2) 48 史颖超等:窄带雷达飞机目标识别方法综述 总第188期 从物理意义上讲,增加方位角 ( 0)参量,相 当于模糊函数值降低 (ea 1)倍,这就给目标识 别带来指数倍的得益。 理论上,根据雷达天线方向图,可以获取完整 的体现天线调制效应的雷达目标回波数据去卷积 来改善雷达方位分辨力。某米波雷达方位分辨力 为8。,如果采用这种方位超角分辨技术,在理想条 件下可以达到0.18。分辨力,较原系统方位分辨力 提高几十倍,这种方法的缺点是对系统噪声较为敏 感,当信噪比SNR>10dB,分辨效果较好,当SNR <10dB,分辨效果有所下降。 3.3 基于调制谱特征的目标识别方法 动态飞行器回波的起伏频谱可由四部分组成: 1)飞行器运动产生的多普勒频移,与飞行器的飞 行速度有关;2)雷达天线扫描及发射信号频率波 动引起的多普勒频谱展宽;3)目标整体的波动、其 各部件本身的固有振动及各散射中心之间的相对 运动形成的机身谱,谱宽正比于发射频率;4)目标 内部的旋转部件,如压缩器、风扇、螺旋桨、旋翼等 的具有周期性气动特征的相对运动,将导致目标回 波出现周期性的调制,这种调制被称为喷气发动机 调制,使回波频谱展宽并呈现基本调制频率和谐波 尖峰,调制谱宽的最大值决定于旋转桨尖端的线速 度和雷达的工作频率,但尖峰出现的位置由目标的 周期性运动决定,与雷达频率无关。一般认为,编 队目标由于其速度的差异性引起的多普勒频谱,可 用于目标架次识别;由于不同目标的周期性调制谱 差异很大,可用于目标类型识别。 研究表明,只要不同飞机有不同的旋转部件, 飞机就有不同的结构参数(桨数、桨长)和运动参数 (速度),可为飞机分类和辨识提供不同的调制特 征。依据文献[13]给出的理想旋转部件调制谱模 型,线谱周期为 fr=PNfr (3) 式中,N指桨数, 指转动频率(表征浆速),P一1 或2,其意义是双桨或单桨同时垂直通过雷达视 线,对偶数桨P一1,对基数桨P一2。谱线幅度C埘 由参数 ,L, ,N,0o和Bessel函数决定;单边谱线 个数N1;谱宽B1为 N1=8 cO M (4) lBl::=N1fr=8apf,Lcosb'/a 对固定的飞机和稳定雷达工作状态而言,其N,L, 为定值,线谱周期.疗主要由飞机旋转部件的转 速决定,而现代飞机桨数和浆速已按空气动力学设 计为最佳,正常巡航时是恒速转动,由自动改变桨 距(桨叶角)来保证飞机目标的分类和辨识。 尽管理论上对于周期调制特征 只与桨数和 桨速有关,但实际上/_下特征是波动的,产生这种差 别的原因是调制谱分辨率有限和回波受到各种扰 动。尤其在飞机相对雷达近距离、远距离或切向姿 态,调制回波分量受到较大程度的限幅或衰减,导 致 特征估计不准。因此用于分类和识别的飞机 回波应是雷达最佳探测距离内的,并具有一定信噪 比,这会有利于分类和识别率的提高。对于同类飞 机,单独应用一维.厂丁特征进行目标识别是十分困 难的,这主要是由于同类飞机. 特征接近、谱分辨 有限的缘故。这也是应用一维厂丁特征在窄带雷达 来识别飞机的局限性。 4多方法联合运用目标识别 由于单一的目标识别方法对目标雷达特性表 现形式及其规律难以准确而全面的描述,且特征在 空间和时问上不具备良好的稳定性,因此在充分发 挥现有方法的有效性的基础上,采用多方法联合运 用实现对目标的有效识别是目标识别系统的一个 重要内容。 综合应用防空雷达能得到的各种特征,粗分类 是比较有效的方法。美国AN/MPQ-53爱国者雷 达综合利用目标调制谱、目标幅度起伏以及目标运 动特性作为目标识别主要判据,能够对高、中、低空 目标进行粗分类目标识别,并通过轨迹参数从假目 标中识别出真实弹头并确定导弹的攻击点。据报 道,前苏联的多型防空雷达利用目标调制谱、目标 幅度起伏以及目标运动特性作为目标识别主要判 据。加拿大雷达目标智能识别系统,通过跟踪器提 取有效的四种特征,即:来自敌我识别系统的属性 特征、来自雷达的高度参数、来自跟踪器估计的目 标速度参数以及加速度参数,能够把飞机目标分成 五类进行识别,即:商用友机类、军用友机类、商用 敌机类(或未知类)、军用敌机类、假目标类(或杂波 类)。国防科大ATR国家重点实验室对于低分辨 雷达目标分类和识别的思想是利用两方面的信息: 一方面对雷达回波组进行特征描述和提取,以获得 目标回波的动态波形特征和拟稳态特征,并进行目 标分类和识别;另一方面是利用雷达的时间谱信息 (飞机的航迹、速度)和目标的运动特征进行雷达目 标分类 M]。 立足我装备目标识别现状,在分析窄带雷达各 2010年第2期 舰船电子工程 49 目标识别方法有效性基础上,综合利用敌我识别系 统、基于P显波形特征的目标识别方法以及基于调 制谱特征的目标识别方法,争取获得尽可能多的关 于“敌”目标或“不明”目标的属性信息。其流程如 Stepl:通过敌我识别系统对目标敌我属性进 回波信息量少,目标识别困难。在此基础上,总结 了当前窄带雷达典型的目标识别方法,主要有基于 A显波形特征的目标识别、基于P显图像特征的目 标识别和基于调制谱特征的目标识别方法,并对各 方法的优劣性做了简要的探讨,在定义并分析广义 模糊函数基础上,认为将基于P显图像特征的目标 识别方法与超角分辨技术结合会对目标识别产生 行识别。并且提取“敌”目标; Step2:在超角分辨技术可以利用的前提下,应 较大的得益。最后给出多方法联合运用目标识别 用其对目标架次进行判别; Step3:架次判别后,利用调制谱信息进行目标 Step4:若无法应用超角分辨技术,利用P显图 像特征目标识别,得到类型架次信息。 理论上,在信噪比较高的情况下,由超角分辨 技术和调制谱特征给出的目标识别结论时优于基 于P显图像特征目标识别,因为超角分辨技术能够 满足架次识别的需求,基于调制谱特征的目标识别 能够给出相对具体的目标类型,即涡扇类、直升机 类和螺旋桨类,得到的信息更加具体。联合运用目 标识别方法使系统能够在不同的信噪比条件下运 用不同处理手段,进而提高目标正确识别率。 : 一 章 超角分辨技术l———厂一 l基于Pl特征的目标识别 显图像 丽 ,I —: 堂型 :耋型 f调制谱I /输出类型/ I笙壅I 图7多方法联合运用目标识别流程图 5 结语 本文分析了窄带雷达的特点,由于其体制落 后、分辨率低、观测模型简单,导致其在目标识别时 的一种对策,该处理流程为实际工程的运用提供指 导,但其有效性需要进一步在装备上验证。 参考文献 r1]Skolnik M I.Radar handbook[M].New York:MeG-raw- Hil1.1999 [2]Lin Y T,Richmond J H.EM modeling of aircraft at low frequencies[J].IEEE on AP,1975,25(1):53 ̄55 [3]Chuang c W,Moffatt D L.Natural resonances of radar targets via prony’S method and target discrimination 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