馮存前李靖卿賀思三張 豪
①(空軍工程大學(xué)防空反導(dǎo)學(xué)院 西安 710051)
②(信息感知技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心 西安 710077)
組網(wǎng)雷達(dá)中彈道目標(biāo)微動(dòng)特征提取與識(shí)別綜述
馮存前①②李靖卿*①賀思三①?gòu)?豪①
①(空軍工程大學(xué)防空反導(dǎo)學(xué)院 西安 710051)
②(信息感知技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心 西安 710077)
針對(duì)組網(wǎng)雷達(dá)中彈道中段目標(biāo)微動(dòng)特征難以識(shí)別與分辨的問題,文中分析了彈道中段目標(biāo)微動(dòng)特征的差異,總結(jié)了基于低分辨雷達(dá)網(wǎng)和高分辨成像雷達(dá)網(wǎng)的雷達(dá)目標(biāo)微動(dòng)特征提取技術(shù)在反導(dǎo)預(yù)警探測(cè)中的應(yīng)用與研究現(xiàn)狀,并分析了此類識(shí)別手段的優(yōu)缺點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上,探討了今后低分辨雷達(dá)和高分辨成像雷達(dá)相結(jié)合的混合體制雷達(dá)網(wǎng)在彈道中段目標(biāo)識(shí)別中的主要研究方向,為進(jìn)一步推動(dòng)組網(wǎng)雷達(dá)中彈道目標(biāo)識(shí)別研究提供參考和基礎(chǔ)。
微動(dòng)特征;微多普勒;成像特征;混合體制雷達(dá)網(wǎng)
Reference format: Feng Cun-qian,Li Jing-qing,He Si-san,et al.. Micro-Doppler feature extraction and recognition based on netted radar for ballistic targets[J]. Journal of Radars,2015,4(6): 609–620. DOI: 10.12000/JR15084.
隨著戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的日趨復(fù)雜和目標(biāo)特征控制技術(shù)的應(yīng)用,僅依靠單基地雷達(dá)來實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的探測(cè)及分類識(shí)別顯然是不夠的,組網(wǎng)雷達(dá)技術(shù)為彈道目標(biāo)微動(dòng)特征的研究和應(yīng)用提供了一個(gè)新的突破口。組網(wǎng)雷達(dá)系統(tǒng)不僅包括低分辨雷達(dá),而且還包括高分辨成像雷達(dá),組網(wǎng)雷達(dá)反導(dǎo)探測(cè)系統(tǒng)示意圖如圖1所示。目前在遠(yuǎn)程反導(dǎo)雷達(dá)的探測(cè)與識(shí)別能力的研究、雷達(dá)融合信息處理技術(shù)等領(lǐng)域已取得了一定的進(jìn)展。但現(xiàn)有的研究在某些方面還僅僅限于理論的探討,將組網(wǎng)雷達(dá)理論應(yīng)用于彈道目標(biāo)的探測(cè)與識(shí)別領(lǐng)域少見公開報(bào)道。本文分析了彈道目標(biāo)的微動(dòng)特性,梳理了國(guó)內(nèi)外在彈道目標(biāo)探測(cè)與識(shí)別領(lǐng)域內(nèi)基于組網(wǎng)雷達(dá)的微動(dòng)特征提取方法,并分析了現(xiàn)有方法的不足。最后結(jié)合實(shí)際情況,探討了今后的研究方向,以期推動(dòng)雷達(dá)網(wǎng)的構(gòu)建與發(fā)展,使其進(jìn)一步適應(yīng)現(xiàn)階段現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)對(duì)雷達(dá)功能需求的考驗(yàn)。
圖 1 組網(wǎng)雷達(dá)反導(dǎo)探測(cè)系統(tǒng)示意圖Fig. 1 Schematic diagram of anti-missile detecting system by netted radar
近年來,利用目標(biāo)微動(dòng)信息進(jìn)行彈道目標(biāo)識(shí)別的方法受到國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)和學(xué)者們的廣泛關(guān)注。彈道目標(biāo)的微動(dòng)特征不僅包括彈道目標(biāo)為實(shí)現(xiàn)自身穩(wěn)定、空間定向而產(chǎn)生的自旋運(yùn)動(dòng),還包括受氣流擾動(dòng)和彈體分離、多彈頭或誘餌釋放時(shí)來自其他載荷橫向力矩的干擾而引起的錐旋和擺動(dòng)等微小運(yùn)動(dòng)[6,7]。本節(jié)主要從彈道中段目標(biāo)微動(dòng)建模、彈道中段目標(biāo)微動(dòng)特征提取以及彈道中段目標(biāo)微動(dòng)特征提取面臨的困難及其工程應(yīng)用等方面出發(fā),論述現(xiàn)今國(guó)內(nèi)外研究人員在彈道中段目標(biāo)微動(dòng)特性分析方面已取得的研究成果以及工程方面的問題。
2.1 彈道中段目標(biāo)微動(dòng)建模
為了驗(yàn)證目標(biāo)運(yùn)動(dòng)特征作為中段彈道目標(biāo)識(shí)別的可行性,美國(guó)分別在1999年3月和10月進(jìn)行了兩次Firefly實(shí)驗(yàn),成功地觀測(cè)到了誘餌釋放、伸展及微動(dòng)等細(xì)節(jié)運(yùn)動(dòng)過程[8]。在此基礎(chǔ)上,美國(guó)在2000年又資助了一項(xiàng)旨在深入研究引發(fā)彈道目標(biāo)微動(dòng)現(xiàn)象的運(yùn)動(dòng)學(xué)原理方面的研究[9]。
通過空間目標(biāo)的力學(xué)分析可知[10],微動(dòng)特征與空間目標(biāo)的質(zhì)量大小、分布有關(guān)。由于彈道目標(biāo)的有效載荷有限,誘餌與真彈頭的質(zhì)量大小及其質(zhì)量分布不可能完全相同,這必然會(huì)導(dǎo)致誘餌與真彈頭的自旋頻率、錐旋矢量存在較大差異。因此,微動(dòng)特征與目標(biāo)的結(jié)構(gòu)特征、電磁散射特性及常規(guī)運(yùn)動(dòng)特性等目標(biāo)固有屬性一樣,可以作為彈道目標(biāo)識(shí)別的重要特征。V.C. Chen首次統(tǒng)一了各種微動(dòng)形態(tài)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型,諸如振動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、翻滾、進(jìn)動(dòng)4類基本微動(dòng)形態(tài)[11]。為了驗(yàn)證微動(dòng)模型的可行性與正確性,加拿大的Montenegro大學(xué)進(jìn)行了角反射器外場(chǎng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)[12],得到了與理論推導(dǎo)相一致的微多普勒結(jié)構(gòu),如圖2所示。
國(guó)內(nèi)的國(guó)防科大也做了類似的實(shí)驗(yàn)[13],有效地驗(yàn)證了微動(dòng)模型的正確性。為了簡(jiǎn)化計(jì)算,國(guó)防科大的陳行勇簡(jiǎn)化了目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)模型,預(yù)先設(shè)定該型錐體目標(biāo)錐頂不動(dòng)、進(jìn)動(dòng)角是固定的[14]。為了有效識(shí)別真假目標(biāo),航天二院的高紅衛(wèi)分別分析了真彈頭、誘餌的運(yùn)動(dòng)特性,指出了它們之間存在的差異性,并分別對(duì)真彈頭、誘餌進(jìn)行了模型構(gòu)建[15]。但以上分析都存在“萬向節(jié)死鎖”等問題,為了克服此類缺陷,航天二院23所的孫永健根據(jù)真彈頭與誘餌之間的微動(dòng)差異,通過引入四元數(shù)的概念,分別對(duì)進(jìn)動(dòng)和擺動(dòng)進(jìn)行建模分析,實(shí)現(xiàn)了彈道目標(biāo)微動(dòng)特征的分類與提取[16]。而對(duì)于一般彈道目標(biāo)而言,其彈頭部位一般沒有尾翼,整體結(jié)構(gòu)呈旋轉(zhuǎn)對(duì)稱,此時(shí)需要考慮彈頭部位結(jié)合部或底面圓環(huán)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的滑動(dòng)現(xiàn)象。中電科14所的伍光新分析了彈道目標(biāo)散射中心的變化特性及其存在的遮擋問題,分析了旋轉(zhuǎn)對(duì)稱進(jìn)動(dòng)彈頭的微多普勒效應(yīng)[17]。國(guó)防科大的劉進(jìn)和馬梁對(duì)進(jìn)動(dòng)彈頭進(jìn)行暗室測(cè)量實(shí)驗(yàn),觀察和分析了進(jìn)動(dòng)目標(biāo)的動(dòng)態(tài)散射特性,最后利用Taylor公式近似構(gòu)建出進(jìn)動(dòng)目標(biāo)的非理想滑動(dòng)散射模型[18,19],其微動(dòng)形式并不服從正弦規(guī)律,這為彈道目標(biāo)微多普勒特性的研究提供了新思路。
圖 2 角反射器外場(chǎng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)[12]Fig. 2 The outfield test of corner reflector[12]
2.2 彈道中段目標(biāo)微動(dòng)特征提取
彈道中段目標(biāo)的微動(dòng)特征提取是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)問題。歸納可知,基于微多普勒信息的特征提取方面的研究可分為微動(dòng)模式識(shí)別、微動(dòng)特征提取及基于微多普勒信息的結(jié)構(gòu)特征提取3個(gè)方向。
在微動(dòng)模式識(shí)別方面,Ben-Gurion大學(xué)的Bilik將基于微多普勒特征的分類方法運(yùn)用于地基預(yù)警雷達(dá)[20];西安電子科技大學(xué)的關(guān)永勝通過對(duì)回波信號(hào)譜的分析,對(duì)進(jìn)動(dòng)、擺動(dòng)、自旋微動(dòng)模式的分類進(jìn)行了研究[21];在此基礎(chǔ)上,韓勛通過對(duì)回波信號(hào)時(shí)頻圖的分析,對(duì)彈頭的進(jìn)動(dòng)、章動(dòng)、自旋微動(dòng)模式進(jìn)行了研究[22]。
在中段目標(biāo)微多普勒特征獲取方面,國(guó)防科大的劉永祥提出可利用目標(biāo)的縱橫慣量比作為特征進(jìn)行真假?gòu)楊^識(shí)別[23]。為了計(jì)算慣量比,必須估計(jì)出目標(biāo)的進(jìn)動(dòng)參數(shù):進(jìn)動(dòng)周期與進(jìn)動(dòng)角?;谶@一結(jié)論,國(guó)內(nèi)各單位對(duì)不同雷達(dá)觀測(cè)條件下的進(jìn)動(dòng)周期及進(jìn)動(dòng)角估計(jì)進(jìn)行了廣泛研究。針對(duì)高性能低分辨雷達(dá),Liu和Ghogho利用RCS序列的周期性來估計(jì)彈頭進(jìn)動(dòng)周期[24]。劉永祥和黎湘利用尖錐彈頭RCS關(guān)于姿態(tài)角的近似解析關(guān)系式,對(duì)RCS隨姿態(tài)角變化的單調(diào)區(qū)域進(jìn)行分類討論,估計(jì)尖錐目標(biāo)的進(jìn)動(dòng)角[25]。而雷鵬則分別利用Hough變換對(duì)進(jìn)動(dòng)彈頭暗室測(cè)量數(shù)據(jù)的參數(shù)估計(jì)展開了研究[26]。針對(duì)寬帶回波數(shù)據(jù),姚漢英和羅迎提出了基于距離像序列散射中心投影位置變化的進(jìn)動(dòng)參數(shù)估計(jì)方法[27,28]。金光虎基于寬帶回波數(shù)據(jù),提出了基于距離像序列及ISAR (Inverse Synthetic Aperture Radar) 像序列的進(jìn)動(dòng)參數(shù)估計(jì)算法[29]??偟膩碚f,由于進(jìn)動(dòng)周期對(duì)應(yīng)了觀測(cè)量的變化周期,其估計(jì)基本原理相對(duì)簡(jiǎn)單、對(duì)應(yīng)物理意義明確,發(fā)表的文獻(xiàn)主要注重于如何在短觀測(cè)時(shí)間內(nèi)提高進(jìn)動(dòng)周期的估計(jì)精度[30]。進(jìn)動(dòng)角的估計(jì)則相對(duì)復(fù)雜,其基本原理是利用從回波信號(hào)中提取出的某個(gè)參數(shù)的變化幅度與進(jìn)動(dòng)角之間存在的對(duì)應(yīng)關(guān)系,估計(jì)出進(jìn)動(dòng)角。
由于所提取參數(shù)的變化幅度通常不僅與進(jìn)動(dòng)角有關(guān),還與目標(biāo)的結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)。因此,在進(jìn)動(dòng)角提取時(shí),通常需要已知某些參數(shù),如目標(biāo)結(jié)構(gòu)參數(shù)、雷達(dá)視線方向等。一般而言,剛體目標(biāo)的微運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致目標(biāo)相對(duì)于雷達(dá)視線的姿態(tài)角發(fā)生改變。根據(jù)目標(biāo)姿態(tài)角隨時(shí)間的周期性變化規(guī)律,可以基于微動(dòng)信息實(shí)現(xiàn)剛體目標(biāo)的2維高分辨成像,從而進(jìn)一步獲得目標(biāo)的結(jié)構(gòu)參數(shù)。鄒飛分析了彈頭進(jìn)動(dòng)對(duì)ISAR成像的影響,指出利用傳統(tǒng)成像算法難以獲得聚焦的ISAR像[31]。根據(jù)所利用微多普勒信息的時(shí)間長(zhǎng)度,現(xiàn)有的基于微動(dòng)信息的ISAR成像算法主要分為兩類:(1)利用多個(gè)周期的回波信號(hào),通過對(duì)信號(hào)的匹配分解獲得目標(biāo)的2維高分辨像[32,33];(2)利用1個(gè)周期內(nèi)的回波信號(hào),將觀測(cè)時(shí)間內(nèi)的微動(dòng)等效為高階復(fù)雜運(yùn)動(dòng),利用復(fù)雜運(yùn)動(dòng)目標(biāo)成像算法獲得微動(dòng)目標(biāo)聚焦的ISAR像,如雷騰利用瞬時(shí)成像方法獲得彈道目標(biāo)聚焦的ISAR像[34]。
2.3 工程問題研究
V.C. Chen在文獻(xiàn)[35]中指出:目標(biāo)的微多普勒特征并不受限于距離分辨。升級(jí)改造的高性能窄帶低分辨雷達(dá)也足以在多普勒域中產(chǎn)生目標(biāo)的微多普勒特征[35,36],而寬帶高分辨雷達(dá)甚至可以得到目標(biāo)的距離像及結(jié)構(gòu)特征。表1給出了現(xiàn)有和計(jì)劃部署雷達(dá)可觀測(cè)到的微動(dòng)特征。
表 1 雷達(dá)可觀測(cè)到的微動(dòng)特征Tab. 1 Micro-motion feature observed by radar
國(guó)外很早就開始了關(guān)于彈道目標(biāo)微動(dòng)特征的研究,并展開了一系列討論與論證。美國(guó)起步較早,目前已經(jīng)在彈道目標(biāo)微動(dòng)特征識(shí)別技術(shù)方面取得了大量的研究成果,其開發(fā)的利用微動(dòng)特征識(shí)別威脅目標(biāo)的識(shí)別算法和相關(guān)技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用于已裝備的S波段相控陣?yán)走_(dá)AN/SPY-1[37]和THAAD GBR X-波段雷達(dá)[38]。國(guó)內(nèi)在彈道目標(biāo)微動(dòng)特征識(shí)別技術(shù)方面起步較晚,現(xiàn)在僅停留在理論驗(yàn)證階段。目前,組網(wǎng)雷達(dá)中基于微動(dòng)特征的目標(biāo)識(shí)別技術(shù)主要分為兩類:一類是利用高性能低分辨雷達(dá)獲取目標(biāo)的微多普勒特征或散射中心分布規(guī)律等目標(biāo)固有特性,從而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的粗分類及特征提??;另一類是通過高分辨成像雷達(dá)獲取目標(biāo)的成像特征,如1維距離像(High Resolution Range Profile,HRRP)、2維逆合成孔徑雷達(dá)(ISAR)像以及多維(包含俯仰角等)像等。由于可以直接通過距離像、方位像進(jìn)行匹配識(shí)別,這類方法可以獲取目標(biāo)的尺寸、結(jié)構(gòu)等更為精細(xì)的特征,從而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的精確識(shí)別。
但是,結(jié)合國(guó)內(nèi)外公開的研究成果,這兩類方法存在如下幾個(gè)問題[39–41]:
(1) 彈道目標(biāo)中段運(yùn)動(dòng)是平動(dòng)(包括目標(biāo)的速度、加速度等參數(shù))和微動(dòng)的復(fù)合,平動(dòng)會(huì)使微多普勒產(chǎn)生平移和傾斜,使得精度較高、信噪比性能較好的參數(shù)化瞬時(shí)多普勒提取方法模型參數(shù)增加,計(jì)算量增大,不利于微多普勒的快速高精度提取。此外,高速平動(dòng)也可能使多普勒產(chǎn)生折疊,使基于模型的參數(shù)化瞬時(shí)多普勒提取方法和基于連續(xù)性的非參數(shù)化瞬時(shí)多普勒提取方法均失效。因此,在提取微多普勒前必須對(duì)復(fù)合運(yùn)動(dòng)回波進(jìn)行平動(dòng)補(bǔ)償處理?,F(xiàn)有的平動(dòng)補(bǔ)償方法大多假設(shè)中段目標(biāo)在短時(shí)間內(nèi)作勻速直線或變速直線運(yùn)動(dòng),并不適用于作機(jī)動(dòng)變向的目標(biāo),且實(shí)時(shí)性不強(qiáng)。如何有效補(bǔ)償作機(jī)動(dòng)變向目標(biāo)的主體平動(dòng)分量,還有待進(jìn)一步研究。
(2) 高性能低分辨雷達(dá)可以完成對(duì)目標(biāo)極化信息、微多普勒信息的獲取,窄帶識(shí)別的實(shí)時(shí)性較好,但探測(cè)精度較低、所獲數(shù)據(jù)的維度較低,難以進(jìn)一步提取目標(biāo)的精細(xì)特征。雖然高性能低分辨雷達(dá)的載頻越高,其微多普勒效應(yīng)越顯著。但載頻過高會(huì)導(dǎo)致微多普勒產(chǎn)生模糊或混疊,現(xiàn)有很難有效解決這類問題。而且,窄帶信號(hào)獲取的微多普勒容易受到多散射點(diǎn)相互交疊的影響。頻域或時(shí)頻域中,彈道目標(biāo)回波的微動(dòng)特征通常表征為時(shí)變非平穩(wěn)的多分量信號(hào),它與主體平動(dòng)分量或其自身包含的微動(dòng)分量相互疊加在一起。瞬時(shí)頻率常用于解析給定時(shí)刻目標(biāo)微動(dòng)分量的變化趨勢(shì),但它對(duì)應(yīng)于時(shí)變信號(hào)相位信息的導(dǎo)函數(shù),不適用于同一時(shí)刻具有多個(gè)微動(dòng)頻率分量的信號(hào)。因此,為了有效利用彈道目標(biāo)的微動(dòng)特征,分離和提取單分量微多普勒信號(hào)顯得尤為重要。然而,現(xiàn)有方法難以適用這一情況。
(3) 高分辨成像雷達(dá)精度較高,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)結(jié)構(gòu)和微動(dòng)信息更精確地測(cè)量,利于目標(biāo)群分辨及3維成像。由于分辨率較高,目標(biāo)對(duì)應(yīng)的多個(gè)散射點(diǎn)在距離維上能夠被有效分辨,這有效地解決了多分量微多普勒信號(hào)的混疊問題。但高分辨成像雷達(dá)價(jià)格昂貴,且占用信息處理資源較大,實(shí)時(shí)性不強(qiáng)。需要指出的是,現(xiàn)有的高分辨成像雷達(dá)多停留在試驗(yàn)驗(yàn)證階段,具體性能有待進(jìn)一步改進(jìn)和提升。
通過以上的分析,不難看出高性能低分辨雷達(dá)與高分辨成像雷達(dá)優(yōu)勢(shì)各異、資源互補(bǔ),將組網(wǎng)雷達(dá)技術(shù)引入彈道目標(biāo)微動(dòng)特征識(shí)別中可以彌補(bǔ)單基地雷達(dá)視角的局限性以及性能的不足,并獲得更全面的參數(shù)估計(jì)和成像性能,符合當(dāng)前的實(shí)際應(yīng)用需求。同時(shí),在工程實(shí)踐中還需要考慮雷達(dá)系統(tǒng)的時(shí)間同步(相參性)、信號(hào)采樣率、實(shí)時(shí)性等方面的問題。
國(guó)外很早就開始了雷達(dá)組網(wǎng)方面的研究,并形成了一個(gè)集雷達(dá)信號(hào)與信息融合處理、雷達(dá)系統(tǒng)建模與構(gòu)建于一體的基本框架結(jié)構(gòu)。當(dāng)前,包括美國(guó)在內(nèi)的一些軍事強(qiáng)國(guó)已經(jīng)或部分構(gòu)建了全方位、多層次的反導(dǎo)預(yù)警雷達(dá)網(wǎng)。需要指出的是,美國(guó)已在其本土和海外構(gòu)建了一個(gè)由PAVE PAWS預(yù)警雷達(dá)、BMEWS雷達(dá)和X波段高精密跟蹤監(jiān)視雷達(dá)構(gòu)成的陸基中段預(yù)警雷達(dá)網(wǎng)[42],如圖3所示。與此同時(shí),美國(guó)也開展了一系列利用目標(biāo)微動(dòng)特征進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別的試驗(yàn)和研究,雷達(dá)的特性及具體探測(cè)能力如表2所示。國(guó)內(nèi)在這一領(lǐng)域的研究才剛剛起步,已基于單一體制雷達(dá)網(wǎng)開展了彈道目標(biāo)微多普勒機(jī)理分析、微動(dòng)特征提取等方面的研究工作,取得了豐富的研究成果。
圖 3 陸基中段預(yù)警雷達(dá)系統(tǒng)[42]Fig. 3 The ground-based midcourse early warning radar system[42]
表 2 美國(guó)已部署或在研雷達(dá)的特性與探測(cè)能力[42,43]Tab. 2 The characteristics and the detection ability of deployed and understudied radars in America[42,43]
3.1 基于低分辨雷達(dá)網(wǎng)的彈道目標(biāo)微動(dòng)特征提取與識(shí)別
由于微多普勒特征并不受限于距離分辨,因此升級(jí)改造的高性能低分辨雷達(dá)網(wǎng)足以得到目標(biāo)的微動(dòng)信息。但是考慮到帶寬的限制,高性能低分辨雷達(dá)獲取的微動(dòng)特征有限,主要為目標(biāo)回波信號(hào)的微多普勒特征。圖4為國(guó)防科技大學(xué)利用彈頭模型進(jìn)行的暗室實(shí)驗(yàn)[18],該實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步測(cè)試了彈頭類目標(biāo)的微運(yùn)動(dòng)規(guī)律及特點(diǎn),有效地驗(yàn)證了微動(dòng)模型的正確性。
在低分辨雷達(dá)網(wǎng)中,通過雷達(dá)網(wǎng)多視角觀測(cè)目標(biāo),可以獲得全方位的目標(biāo)微動(dòng)信息,相當(dāng)于目標(biāo)在同一散射點(diǎn)處包含有多種姿態(tài)的微動(dòng)信息。這不僅可以降低單部雷達(dá)識(shí)別準(zhǔn)確性的要求,而且極大豐富了各散射點(diǎn)處的信息。目前,在低分辨雷達(dá)網(wǎng)中,彈道目標(biāo)微動(dòng)特征識(shí)別方法主要為基于目標(biāo)微多普勒特征的識(shí)別方法。
通過實(shí)驗(yàn)及觀測(cè)數(shù)據(jù)可知,微多普勒效應(yīng)與目標(biāo)的姿態(tài)角(目標(biāo)與雷達(dá)視線的角度)有著密切的關(guān)系[11]。當(dāng)姿態(tài)角發(fā)生變化時(shí),雷達(dá)獲取的微多普勒頻率的頻移也會(huì)發(fā)生極化。針對(duì)這一特點(diǎn),V.C. Chen指出:相較于單基地雷達(dá),多基地雷達(dá)可以獲得更為完整的微多普勒特征或微多普勒頻移[35]。Smith[44]討論了利用多站雷達(dá)網(wǎng)獲取的微多普勒信息進(jìn)行目標(biāo)分類的可行性。Yessad[45]利用語音識(shí)別工具進(jìn)一步論證了微多普勒特征在地基預(yù)警雷達(dá)目標(biāo)識(shí)別中的可行性。在此基礎(chǔ)上,韓勛[46]利用目標(biāo)不同散射點(diǎn)對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)頻率變化的差異性,根據(jù)頻譜熵將低分辨雷達(dá)網(wǎng)獲取的多視角瞬時(shí)頻率變化進(jìn)行匹配處理,從而實(shí)現(xiàn)了空間目標(biāo)的微動(dòng)特征提取,但提取精度不高,抗噪性不強(qiáng)。向道樸[47]利用低分辨雷達(dá)網(wǎng)多通道觀測(cè)中段目標(biāo)群,結(jié)合準(zhǔn)靜態(tài)技術(shù)和多層快速多極子算法,計(jì)算出群目標(biāo)的微多普勒回波,然后運(yùn)用獨(dú)立成分分析(Independent Component Analysis,ICA)算法將低分辨雷達(dá)網(wǎng)獲取的群目標(biāo)回波信號(hào)進(jìn)行分離處理,最后應(yīng)用時(shí)頻分析方法得到回波信號(hào)的微多普勒,從而實(shí)現(xiàn)群目標(biāo)分辨。
然而,由于高性能低分辨雷達(dá)獲取的目標(biāo)特征信息相對(duì)不足,當(dāng)誘餌與真彈頭的尺寸相近或質(zhì)量分布基本一致時(shí),利用微多普勒特征進(jìn)行目標(biāo)分辨就容易產(chǎn)生混淆。而且低分辨雷達(dá)獲取的微多普勒信息維度較低,當(dāng)采樣率較低時(shí),其探測(cè)數(shù)據(jù)誤差較大,所含目標(biāo)有用信號(hào)連續(xù)性不足,易受噪聲干擾,難以有效實(shí)現(xiàn)中段群目標(biāo)信號(hào)的分離和提取。
圖 4 彈頭暗室實(shí)驗(yàn)[18]Fig. 4 The dark room experiment of warhead[18]
3.2 基于高分辨雷達(dá)網(wǎng)的彈道目標(biāo)微動(dòng)特征提取與識(shí)別
由于低分辨雷達(dá)的距離分辨率有限,因此不能獲取目標(biāo)的尺寸、結(jié)構(gòu)等細(xì)節(jié)特征,一般只能用于彈頭、碎片以及一些常規(guī)誘餌的粗分辨,目標(biāo)識(shí)別能力有限。為了實(shí)現(xiàn)彈道目標(biāo)的精分辨,高分辨成像雷達(dá)應(yīng)運(yùn)而生。由于高分辨成像雷達(dá)的距離或角度分辨率遠(yuǎn)小于目標(biāo)尺寸,因此它可以將各個(gè)目標(biāo)的強(qiáng)散射中心單獨(dú)孤立出來,形成能夠反映目標(biāo)精細(xì)特征的高分辨像。高分辨雷達(dá)成像一般包括1維距離像、2維ISAR像以及3維(包括俯仰角)高分辨像[48]。在組網(wǎng)雷達(dá)中,基于HRRP或ISAR像的雷達(dá)目標(biāo)識(shí)別方法研究得較多,而基于3維高分辨像的雷達(dá)目標(biāo)識(shí)別方法則鮮有報(bào)道。
3.2.1 1維距離像 隨著高分辨成像雷達(dá)的興起,高分辨成像識(shí)別已成為雷達(dá)目標(biāo)識(shí)別領(lǐng)域的主要趨勢(shì)。研究結(jié)果表明[49,50],HRRP不僅能夠表征彈道目標(biāo)相對(duì)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)特征,而且易于獲取和處理,具有極高的潛在研究?jī)r(jià)值。20多年來,美國(guó)高度重視HRRP在雷達(dá)目標(biāo)識(shí)別領(lǐng)域的應(yīng)用與研究,成果頗豐。國(guó)內(nèi)也進(jìn)行了卓有成效的研究,在基礎(chǔ)理論分析和識(shí)別算法設(shè)計(jì)方面取得了較好的成果。圖5為賀思三利用雙角反射器模型進(jìn)行的外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)[51],得到了與理論相一致的1維距離像。
由于組網(wǎng)雷達(dá)的多視角特性可以彌補(bǔ)單基地雷達(dá)視角的局限性以及遮擋效應(yīng)的影響,促使多視角微多普勒[52]資源互補(bǔ),因此組網(wǎng)雷達(dá)有利于目標(biāo)的識(shí)別與精分辨。利用HRRP的識(shí)別方法主要包括兩類:一類是直接利用HRRP序列或HRRP徑向長(zhǎng)度的多視角識(shí)別方法;一類是基于特征點(diǎn)重構(gòu)的聯(lián)合識(shí)別方法。
圖 5 角反射器外場(chǎng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)[51]Fig. 5 The outfield test of corner reflector[51]
直接利用HRRP進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別的方法較多,Vespe[53]和Runkle[54]等人分析了HRRP的敏感性問題,指出利用多基地雷達(dá)的多視角特性可以有效彌補(bǔ)單部雷達(dá)獲得的HRRP信息的缺失和不足,有利于進(jìn)行空間目標(biāo)識(shí)別,并進(jìn)行了相關(guān)的驗(yàn)證分析。雷騰[55]分析了HRRP的周期調(diào)制特性,利用廣義Randon 變換分別提取出3部雷達(dá)站在同一觀測(cè)時(shí)間獲取的HRRP中正弦曲線對(duì)應(yīng)的幅度、均值和初相信息,并進(jìn)行匹配關(guān)聯(lián)處理,實(shí)現(xiàn)了空間目標(biāo)的3維重構(gòu),精確估計(jì)出相關(guān)進(jìn)動(dòng)參數(shù)。寧超[56]推導(dǎo)出進(jìn)動(dòng)目標(biāo)HRRP徑向長(zhǎng)度的精確函數(shù)表達(dá)式,在變視角觀測(cè)的條件下提取出目標(biāo)的結(jié)構(gòu)參數(shù)??紤]到遮蔽的問題,賀思三[57]分析了影響進(jìn)動(dòng)目標(biāo)距離像投影長(zhǎng)度的進(jìn)動(dòng)參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù),然后利用最小二乘估計(jì)對(duì)雷達(dá)網(wǎng)中所有的觀測(cè)信息直接進(jìn)行參數(shù)估計(jì),獲得了較好的估計(jì)精度。張棟[58]解算出進(jìn)動(dòng)目標(biāo)HRRP對(duì)應(yīng)的線性和信號(hào),利用高分辨雷達(dá)網(wǎng)提取出目標(biāo)的微動(dòng)參數(shù)。
基于特征點(diǎn)重構(gòu)的聯(lián)合識(shí)別方法研究得較少,羅迎[59]利用分布式組網(wǎng)雷達(dá)的多視角特性,在實(shí)現(xiàn)有翼彈道目標(biāo)空間3維錐旋矢量重構(gòu)的基礎(chǔ)上,通過底面圓環(huán)滑動(dòng)散射點(diǎn)的進(jìn)動(dòng)特征與微多普勒曲線之間存在的相互關(guān)系,提取出目標(biāo)的3維微動(dòng)特征。這類方法可以得到目標(biāo)真實(shí)的3維微動(dòng)參數(shù),但對(duì)時(shí)間同步性的要求更高。
考慮到彈道目標(biāo)的HRRP具有很強(qiáng)的姿態(tài)敏感性[60],文獻(xiàn)[61]進(jìn)一步指出當(dāng)目標(biāo)與雷達(dá)視線之間的方位角改變0.2°時(shí),就需要用一個(gè)新的距離像來重新表征目標(biāo)。這表明,雷達(dá)網(wǎng)的計(jì)算量將會(huì)非常龐大,嚴(yán)重降低了此類方法的實(shí)用性。同時(shí),彈道目標(biāo)作為非合作目標(biāo),每次錄取的距離像具有很強(qiáng)的平移敏感性,即它在距離波門中會(huì)存在一個(gè)不可預(yù)測(cè)的平移量,這就需要進(jìn)行距離平齊處理,但此種處理的運(yùn)算量依然很大。因此,高分辨雷達(dá)網(wǎng)很難單獨(dú)依靠1維距離像信息來實(shí)現(xiàn)彈道目標(biāo)的可靠識(shí)別。
3.2.2 2維ISAR像 相較于HRRP,ISAR像的姿態(tài)敏感性不強(qiáng),且能獲得更加豐富的目標(biāo)信息,特別是目標(biāo)的方位向信息,這使得基于ISAR像的識(shí)別技術(shù)已成為彈道目標(biāo)識(shí)別技術(shù)發(fā)展的重要方向。為了適應(yīng)日益復(fù)雜的戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境以及嚴(yán)峻的反導(dǎo)形勢(shì),多雷達(dá)組網(wǎng)ISAR技術(shù)以其優(yōu)越的戰(zhàn)場(chǎng)適應(yīng)能力和可靠的空時(shí)頻率互補(bǔ)特性越來越受到各國(guó)研究人員的青睞。
早在上世紀(jì)70年代,美國(guó)林肯實(shí)驗(yàn)室就利用先后研制的多部高分辨ISAR雷達(dá)構(gòu)建了空間監(jiān)視組合網(wǎng)[62],用于空間目標(biāo)的成像和識(shí)別研究。特別是,他們利用兩部不同波段的高分辨ISAR雷達(dá)組建雷達(dá)網(wǎng),通過相干融合處理,率先實(shí)現(xiàn)了跨波段高分辨雷達(dá)網(wǎng)的2維高分辨成像[63]。圖6(a)為林肯實(shí)驗(yàn)室利用Haystack雷達(dá)和Haystack AuXiliary (HAX)雷達(dá)構(gòu)建的ISAR雷達(dá)網(wǎng),圖6(b)為HAX雷達(dá)升級(jí)前后觀測(cè)到的ISAR像。
圖 6 高分辨ISAR雷達(dá)網(wǎng)Fig. 6 High-resolution radar network based on ISAR
意大利羅馬大學(xué)的Pastina[65]根據(jù)分布式組網(wǎng)雷達(dá)的多視角特性,提出了一種基于分布式組網(wǎng)雷達(dá)的ISAR像識(shí)別方法。日本三菱公司的Suwa[66]還提出了一種基于多基站ISAR像序列的識(shí)別方法。我國(guó)起步較晚,經(jīng)過近30年的發(fā)展,已在艦船、飛機(jī)、衛(wèi)星等常規(guī)目標(biāo)的ISAR成像識(shí)別方面取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步,但在可變軌空間目標(biāo)識(shí)別方面僅停留在理論研究方面。針對(duì)空間錐體目標(biāo),艾小峰[67]構(gòu)建了T/R-R雙基地ISAR成像模型,在預(yù)判最佳成像時(shí)間的基礎(chǔ)上,通過擴(kuò)展Hough變換和FFT算法分別獲得了距離像分辨率和橫向分辨率,從而實(shí)現(xiàn)了2維高分辨ISAR成像??紤]到ISAR像對(duì)姿態(tài)角變化的相對(duì)不敏感性,云日升[68]構(gòu)造了多基站IASR轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)模型,通過距離像投影矩陣和方位向多普勒信息,同時(shí)估計(jì)出各散射點(diǎn)的位置信息和運(yùn)動(dòng)參數(shù)。針對(duì)多視角ISAR回波信號(hào)的稀疏性問題,王琦[69]利用不同的包絡(luò)對(duì)齊方法分別對(duì)跨波段多視角的高分辨ISAR回波數(shù)據(jù)按子孔徑的內(nèi)部、外部?jī)刹糠诌M(jìn)行對(duì)齊,結(jié)合多特顯點(diǎn)綜合法,對(duì)稀疏回波進(jìn)行自聚焦和融合處理,最后利用外推法和FFT變換實(shí)現(xiàn)了2維高分辨ISAR成像。以上研究方法及結(jié)論都給基于高分辨ISAR雷達(dá)網(wǎng)的彈道目標(biāo)識(shí)別技術(shù)提供了借鑒和指導(dǎo)意義。
彈道目標(biāo)速度快、距離遠(yuǎn)、干擾源多,而現(xiàn)代雷達(dá)一般工作在寬窄帶交替模式,這使得雷達(dá)的寬帶觀測(cè)時(shí)間有限且不連續(xù),雷達(dá)需要不斷地進(jìn)行波束角域切換和重復(fù)頻率調(diào)整,這必然會(huì)造成方位孔徑稀疏??紤]到組網(wǎng)雷達(dá)的多視角觀測(cè)特性,不同雷達(dá)進(jìn)行相干成像必然會(huì)受方位孔徑稀疏的影響,這會(huì)使傳統(tǒng)的FFT分析失效。同時(shí),孔徑稀疏會(huì)引起IASR回波信號(hào)相位的不連續(xù),給平動(dòng)補(bǔ)償帶來極大困難。
微動(dòng)特征識(shí)別是彈道目標(biāo)識(shí)別的關(guān)鍵技術(shù)之一,組網(wǎng)雷達(dá)作為彈道目標(biāo)微動(dòng)識(shí)別的倍增器,是解決彈道群目標(biāo)突防、有源無源干擾以及單部雷達(dá)搜索區(qū)域限制的有效途徑。實(shí)際應(yīng)用中,高性能低分辨雷達(dá)已大量應(yīng)用于反導(dǎo)預(yù)警雷達(dá),其實(shí)時(shí)性較好,但分辨率略有不足,探測(cè)能力有限;而寬帶高分辨雷達(dá)主要用于艦船、空天目標(biāo)的精細(xì)監(jiān)視與成像識(shí)別,其價(jià)格昂貴,短時(shí)間內(nèi)難以大量裝備,且占用信息處理資源較大,實(shí)時(shí)性不強(qiáng)。因此,有效發(fā)揮現(xiàn)有低分辨雷達(dá)的優(yōu)勢(shì),可以更好地解決當(dāng)前彈道目標(biāo)的識(shí)別問題。這就需要綜合窄帶低分辨雷達(dá)和寬帶高分辨雷達(dá),聯(lián)合構(gòu)造混合體制雷達(dá)網(wǎng),以獲取彈道目標(biāo)的多種微動(dòng)特征,增強(qiáng)彈道目標(biāo)識(shí)別的準(zhǔn)確性與可靠性??紤]到現(xiàn)有的高分辨雷達(dá)大多可以工作在窄帶/寬帶交替工作模式,因此,混合體制雷達(dá)網(wǎng)的構(gòu)造方式有兩種:
一種是升級(jí)改造技術(shù)性能較好的低分辨雷達(dá),加裝寬帶收/發(fā)設(shè)備及配套信號(hào)處理設(shè)備,依靠改造后的低分辨雷達(dá)組網(wǎng)。美國(guó)海軍研究室的Linde將窄/寬帶與相結(jié)合的方法應(yīng)用于Senrad 雷達(dá)上,對(duì)5類典型飛機(jī)的平均識(shí)別率達(dá)到82%[70]。
另一種是在升級(jí)改造低分辨雷達(dá)的基礎(chǔ)上,聯(lián)合寬帶高分辨雷達(dá),采用歸一化處理和相干處理相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)混合組網(wǎng)。林肯實(shí)驗(yàn)室就利用Millstone雷達(dá)獲取的窄帶RCS特征去評(píng)估寬帶高分辨Haystack雷達(dá)和HAX雷達(dá)得到的ISAR像(包括有效負(fù)載、旋轉(zhuǎn)頻率等參數(shù)),實(shí)現(xiàn)了高/低分辨雷達(dá)的融合識(shí)別[71]。
通過以上的分析,未來組網(wǎng)雷達(dá)中的彈道目標(biāo)微動(dòng)特征提取研究呈現(xiàn)以下幾種發(fā)展趨勢(shì):
(1) 雙特征融合提取
僅利用低分辨雷達(dá)或高分辨雷達(dá)中的一種微動(dòng)特征進(jìn)行融合識(shí)別,如低分辨雷達(dá)獲得的微多普勒特征與高分辨雷達(dá)獲取的HRRP進(jìn)行聯(lián)合識(shí)別。研究表明[72],對(duì)同一散射點(diǎn)而言,低分辨雷達(dá)獲取的時(shí)頻信息與高分辨成像雷達(dá)獲取的HRRP之間存在著一定的關(guān)系,即前者對(duì)應(yīng)的微多普勒曲線可以等效為后者對(duì)應(yīng)的微多普勒曲線的導(dǎo)函數(shù),這就給混合體制雷達(dá)網(wǎng)中的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)提供了理論依據(jù)。從中段前期開始,通過低分辨雷達(dá)對(duì)目標(biāo)群進(jìn)行粗分辨,為后續(xù)高分辨雷達(dá)精分辨提供支撐。由于僅使用了個(gè)別特征進(jìn)行融合識(shí)別,這種融合方法相對(duì)簡(jiǎn)單,易于論證與研究。
(2) 多特征融合提取
結(jié)合目標(biāo)的結(jié)構(gòu)特征及方向特征,根據(jù)混合體制雷達(dá)網(wǎng)提取的各種特征之間的內(nèi)在聯(lián)系,真正發(fā)揮出信息融合技術(shù)[73]的優(yōu)勢(shì)。如圖7所示,以混合體制雷達(dá)網(wǎng)獲取的目標(biāo)極化特征為中介特征,利用低分辨雷達(dá)網(wǎng)獲取的目標(biāo)RCS特征或微多普勒特征估計(jì)出彈道目標(biāo)的進(jìn)動(dòng)特征,為高分辨雷達(dá)網(wǎng)提供部分先驗(yàn)知識(shí)。通過數(shù)據(jù)融合相關(guān)處理,實(shí)現(xiàn)彈道目標(biāo)精確識(shí)別。考慮到觀測(cè)時(shí)間的限制以及數(shù)據(jù)的稀疏性,可以利用壓縮感知或稀疏分解等新方法降低數(shù)據(jù)維度,提高算法在低采樣率條件下的精確度。
圖 7 多特征融合識(shí)別示意圖Fig. 7 Schematic diagram of multi-feature fusion recognition
(3) 3維像重構(gòu)提取
混合體制雷達(dá)網(wǎng)觀測(cè)彈道目標(biāo)時(shí),不論是低分辨雷達(dá),還是高分辨成像雷達(dá),在多個(gè)回波積累期間都可以獲得目標(biāo)在不同姿態(tài)角下呈現(xiàn)出的1維或2維像切面序列,通過擴(kuò)展關(guān)聯(lián)技術(shù)[71]反推出目標(biāo)的2維或3維結(jié)構(gòu)。但是,由于視角的限制,雷達(dá)網(wǎng)中的任意一部雷達(dá)都不能單獨(dú)獲得真實(shí)可靠地反映目標(biāo)結(jié)構(gòu)的2維像或3維像??紤]到混合體制雷達(dá)網(wǎng)數(shù)據(jù)的多精度問題,需合理設(shè)置數(shù)據(jù)融合的權(quán)限及對(duì)象,根據(jù)多視角觀測(cè)條件下雷達(dá)網(wǎng)的空間分布特性,利用同一散射中心包含的多種姿態(tài)的微動(dòng)信息,重構(gòu)出目標(biāo)的高精度3維像,從而實(shí)現(xiàn)彈道目標(biāo)的空間定標(biāo)。因此,混合體制雷達(dá)網(wǎng)的3維重構(gòu)技術(shù)意義重大。
本文重點(diǎn)分析了彈道中段目標(biāo)的微動(dòng)特性,詳盡地總結(jié)了國(guó)內(nèi)外低分辨雷達(dá)網(wǎng)、高分辨成像雷達(dá)網(wǎng)在微動(dòng)特征提取方面的實(shí)現(xiàn)方法及現(xiàn)有不足,提出了基于低分辨雷達(dá)和高分辨成像雷達(dá)的混合體制雷達(dá)網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)方法和未來發(fā)展趨勢(shì),旨在進(jìn)一步完善組網(wǎng)雷達(dá)中彈道目標(biāo)微動(dòng)特征識(shí)別技術(shù),為彈道目標(biāo)識(shí)別提供新的研究方向和更為廣闊的發(fā)展前景。
[1]Steve F,Andrew M S,John M C,et al.. Countermeasures: a technical evaluation of the operational effectiveness of the planned US national missile defense system[C]. Union of Concerned Scienstists,Cambridge MA,2000.
[2]Cohort 311–121O/Team LCS,Missile Defense in the 21st Century Acquisition Environment: Exploring a BMDCapable LCS Mission Package[A]. Naval Postgraduate School,Monterey,CA,2013: 1–8.
[3]Johnson S B. Technical and institutional factors in the emergence of project management[J]. International Journal of Project Management,2013,31(5): 670–681.
[4]周萬幸. 彈道導(dǎo)彈雷達(dá)目標(biāo)識(shí)別技術(shù)[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社,2011: 10–27. Zhou W X. BMD Radar Target Recognition Technology[M]. Beijing: Publishing House of Electronics Industry,2011: 10–27.
[5]Chen V C. Analysis of radar micro-Doppler signature with time-frequency transform[C]. Proceedings of the IEEE Workshop on Statistical Signal and Array Processing,Pocono Manor,PA,2000: 463–466.
[6]Chen V C. Advances in applications of radar micro-Doppler signatures[C]. 2014 IEEE Conference on Antenna Measurements & Application,Antibes,Juan-les-pins,France,2014: 1–4.
[7]Liu L H,McLernon D,Ghogho M,et al.. Ballistic missile detection via micro-Doppler frequency estimation from radar return[J]. Digital Signal Processing,2012,22(1): 87–95.
[8]Schultz K,Davidson S,Stein A,et al.. Range Doppler laser radar for midcourse discrimination: the Firefly experiments[C]. AIAA and SDIO 2nd Annual Interceptor Technology Conference,Albuquerque,NM,1993: 1–12. doi: 10.251416.1993–2653.
[9]Jaenisch H. Discrimination via Phased Derived Range[R]. MDA-02–003,Missile Defense Agency Small Business Innovation Research Program,2002.
[10]Guo K Y,Sheng X Q,Shen R H,et al.. Influence of migratory scattering phenomenon on micro-motion characteristics contained in radar signals[J]. IET Radar,Sonar & Navigation,2012,7(5): 579–589.
[11]Chen V C,Li F Y,Ho S S,et al.. Micro-Doppler effect in radar: phenomenon,model and simulation study[J]. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems,2006,42(1): 2–21.
[12]Thayaparan T,Stankovic L,and Djurovic I. Micro-Dopplerbased target detection and feature extraction in indoor and outdoor environments[J]. Journal of the Franklin Institute,2008,345(6): 700–722.
[13]李金梁,王雪松,劉陽,等. 雷達(dá)目標(biāo)旋轉(zhuǎn)部件的微Doppler效應(yīng)[J]. 電子與信息學(xué)報(bào),2009,31(3): 583–587. Li J L,Wang X S,Liu Y,et al.. Micro-Doppler effect of rotation structure on radar targets[J]. Journal of Electronics & Information Technology,2009,31(3): 583–587.
[14]陳行勇,陳海堅(jiān),王祎,等. 彈道導(dǎo)彈目標(biāo)回波信號(hào)建模與雷達(dá)特征分析[J]. 現(xiàn)代雷達(dá),2010,32(3): 27–31. Chen X Y,Chen H J,Wang Y,et al.. Analysis of echo model and radar signature for a ballistic missile target[J]. Modern Radar,2010,32(3): 27–31.
[15]高紅衛(wèi),謝良貴,文樹梁,等. 彈道導(dǎo)彈目標(biāo)微動(dòng)特性的微多普勒分析與仿真研究[J]. 系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2009,21(4): 954–958. Gao H W,Xie L G,Wen S L,et al.. Micro-Doppler analysis and simulation study of micro-motion performance of ballistic missile targets[J]. Journal of System Simulation,2009,21(4): 954–958.
[16]孫永健,穆賀強(qiáng),程臻,等. 基于四元數(shù)矩陣奇異值的目標(biāo)特征提取與識(shí)別[J]. 電波科學(xué)學(xué)報(bào),2015,30(1): 160–166. Sun Y J,Mu H Q,Cheng Z,et al.. Ballistic targets feature extraction and recognition based on QMSVD[J]. Chinese Journal of Radio Science,2015,30(1): 160–166.
[17]伍光新,王建明,周偉光. 進(jìn)動(dòng)彈頭目標(biāo)微多普勒分析與仿真[J].現(xiàn)代雷達(dá),2010,32(12): 30–34. Wu G X,Wang J M,and Zhou W G. Micro-Doppler analysis and simulation on precession warhead target[J]. Modern Radar,2010,32(12): 30–34.
[18]劉進(jìn),王雪松,馬梁,等. 空間進(jìn)動(dòng)目標(biāo)動(dòng)態(tài)散射特性的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 航空學(xué)報(bào),2010,31(5): 1014–1023. Liu J,Wang X S,Ma L,et al.. Experimental study on dynamic scattering properties of space precession target[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica,2010,31(5): 1014–1023.
[19]馬梁,劉進(jìn),王濤,等. 旋轉(zhuǎn)對(duì)稱目標(biāo)滑動(dòng)型散射中心的微Dopller特性[J]. 中國(guó)科學(xué):信息科學(xué),2011,41(5): 605–616. Ma L,Liu J,Wang T,et al.. Micro-Doppler characteristics of sliding-type scattering center on rotationally symmetric target[J]. Scientia Sinica Informationis,2011,41(5): 605–616.
[20]Bilik I,Tabrikian J,and Cohen A. GMM-based targetclassification for ground surveillance Doppler radar[J]. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems,2006,42(1): 267–278.
[21]關(guān)永勝,左群聲,劉宏偉. 基于微多普勒特征的空間錐體目標(biāo)識(shí)別[J]. 電波科學(xué)學(xué)報(bào),2011,26(4): 209–215. Guan Y S,Zuo Q S,and Liu H W. Micro-Doppler signature based cone-shaped target recognition[J]. Chinese Journal of Radio Science,2011,26(4): 209–215.
[22]韓勛,杜蘭,劉宏偉,等. 基于時(shí)頻分布的空間錐體目標(biāo)微動(dòng)形式分類[J]. 系統(tǒng)工程與電子技術(shù),2013,35(4): 684–691. Han X,Du L,Liu H W,et al.. Classification of micromotion form of space cone-shaped objects based on timefrequency distribution[J]. Systems Engineering and Electronics,2013,35(4): 684–691.
[23]劉永祥,黎湘,莊釗文. 導(dǎo)彈防御系統(tǒng)中的雷達(dá)目標(biāo)識(shí)別技術(shù)進(jìn)展[J]. 系統(tǒng)工程與電子技術(shù),2006,28(8): 1188–1192. Liu Y X,Li X,and Zhuang Z W. Review of radar target discrimination in ballistic missile defense system[J]. Systems Engineering and Electronics,2006,28(8): 1188–1192.
[24]Liu L H,Ghogho M,McLernon D,et al.. Pseudo maximum likelihood estimation of ballistic missile precession frequency[J]. Signal Processing,2012,92(9): 2018–2028.
[25]Liu Y X,Li X,and Zhuang Z W. Estimation of micromotion parameters based on micro-Doppler[J]. IET Signal Processing,2010,4(3): 213–217.
[26]Lei P,Sun J P,Wang J,et al.. Micro-motion parameter estimation of free rigid targets based on radar micro-Doppler[J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing,2012,50(10): 3776–3786.
[27]姚漢英,孫文峰,馬曉巖. 基于高分辨距離像序列的錐體目標(biāo)進(jìn)動(dòng)和結(jié)構(gòu)參數(shù)估計(jì)[J].電子與信息學(xué)報(bào),2013,35(3): 537–543. Yao H Y,Sun W F,and Ma X Y. Precession and structure parameters estimation of cone-cylinder target based on the HRRPs[J]. Journal of Electronics & Information Technology,2013,35(3): 537–543.
[28]Luo Y,Zhang Q,Qiu C W,et al.. Three-dimensional micromotion signature extraction of rotating targets in OFDM-LFM MIMO radar[J]. Progress In Electromagnetics Research,2013,140: 733–759.
[29]金光虎,高勛章,黎湘,等. 基于ISAR像序列的彈道目標(biāo)進(jìn)動(dòng)特征提取[J]. 電子學(xué)報(bào),2010,38(6): 1233–1238. Jin G H,Gao X Z,Li X,et al.. Precession feature extraction of ballistic targets based on dynamic ISAR image sequence[J]. Acta Electronica Sinica,2010,38(6): 1233–1238.
[30]肖立,周劍雄,何峻,等. 彈道中段目標(biāo)進(jìn)動(dòng)周期估計(jì)的改進(jìn)自相關(guān)法[J]. 航空學(xué)報(bào),2010,31(4): 812–818. Xiao L,Zhou J X,He J,et al.. Improved autocorrelation method for precession period estimation of ballistic target in midcourse[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica,2010,31(4): 812–818.
[31]Zou F,Fu Y W,and Jiang W D. Micro-motion effect in inverse synthetic aperture radar imaging of ballistic midcourse targets[J]. Journal of Central South University,2012,19(6): 1548–1557.
[32]Bai X R,Zhou F,Xing M D,et al.. High-resolution ISAR imaging of targets with rotating parts[J]. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems,2011,47(4): 2530–2543.
[33]Zhang L,Li Y C,Liu Y,et al.. Time-frequency characteristics based on motion estimation and imaging for high speed spinning targets via narrowband waveforms[J]. SCIENCE CHINA Information Sciences,2010,53(8): 1628–1640.
[34]雷騰,劉進(jìn)忙,李松,等. 基于MP稀疏分解的彈道中段目標(biāo)微動(dòng)ISAR成像新方法[J]. 系統(tǒng)工程與電子技術(shù),2011,33(12): 2649–2654. Lei T,Liu J M,Li S,et al.. A novel ISAR imaging method of ballistic midcourse targets based on MP sparse decomposition[J]. Systems Engineering and Electronics,2011,33(12): 2649–2654.
[35]Chen V C. Micro-Doppler Effect in Radar[M]. [S. l.]: Artech House,2011.
[36]Gao H W,Xie L G,Wen S L,et al.. Micro-Doppler signature extraction from ballistic target with micromotions[J]. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems,2010,46(4): 1969–1981.
[37]Holzrichter J F. S-band radar micro-Doppler signatures for BMD discrimination[R]. MDA-04-137,Missile Defense Agency Small Business Innovation Research Program,2004.
[38]Ballistic Missile Defense Organization. 1994 Report to the congress on ballistic missile defense[R]. Washington,D.C.,July,1994.
[39]蘭竹,鄭坤,常晉聃. 彈道中段雷達(dá)目標(biāo)特征仿真[J]. 電子信息對(duì)抗技術(shù),2014,29(3): 51–57. Lan Z,Zheng K,and Chang J D. Simulation on radar target feature in ballistic midcourse[J]. Electronic Information Warfare Technology,2014,29(3): 51–57.
[40]Imam N,Barhen J,and Glover C W. Optimum sensors integration for multi-sensor multi-target environment for ballistic missile defense applications[C]. 2012 IEEE International Systems Conference,Vancouver,Canada,2012: 319–322.
[41]Pan X Y,Wang W,Liu J,et al.. Modulation effect and inverse synthetic aperture radar imaging of rotationally symmetric ballistic targets with precession[J]. IET Radar,Sonar & Navigation,2013,7(9): 950–958.
[42]Victoria S. American Missile Defense [M]. California: UnitedStates of America,2010: 44–78.
[43]Massachusetts Institute of Technology,Lincoln Laboratory. MIT Lincoln Laboratory Annual Report 2011[R]. Lexington,MA,2011: 22–23.
[44]Smith G E. Radar target micro-Doppler signature classification[D]. [Ph.D. dissertation],Department of Electronic and Electrical Engineering,University College London,2008.
[45]Yessad D,Amrouche A,Debyeche M,et al.. Micro-Doppler Classification for Ground Surveillance Radar Using Speech Recognition Tools[J]. Lecture Notes in Computer Science,2011,7042: 288–295.
[46]韓勛,杜蘭,劉宏偉. 基于窄帶雷達(dá)組網(wǎng)的空間錐體目標(biāo)特征提取方法[J]. 電子與信息學(xué)報(bào),2014,36(12): 2956–2962. Han X,Du L,and Liu H W. Feature extraction of space cone-shaped target based on narrow-band radar network[J]. Journal of Electronics & Information Technology,2014,36(12): 2956–2962.
[47]向道樸. 微多普勒回波模擬與微動(dòng)特征提取技術(shù)研究[D]. [博士論文],國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué),2010: 95–111. Xiang D P. Research on micro-Doppler echo simulation and micro-motion signature extraction technology[D]. [Ph.D. dissertation],National University of Defense Technology,2010: 95–111.
[48]Wang Q,Xing M D,Lu G Y,et al.. High-resolution threedimensional radar imaging for rapidly spinning targets[J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing,2008,46(1): 22–30.
[49]Ai X F,Zou X H,Li Y Z,et al.. Bistatic scattering centres of cone-shaped targets and target length estimation[J]. SCIENCE CHINA Information Sciences,2012,55(12): 2888–2898.
[50]Pan M,Du L,Wang P H,et al.. Noise-robust modification method for Gaussian-based models with application to radar HRRP recognition[J]. IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters,2013,10(3): 558–562.
[51]He S S,Zhou J X,Zhao H Z,et al.. Analysis and extraction of stepped frequency radar signature for micro-motion structure[J]. IET Radar,Sonar & Navigation,2009,3(5): 484–492.
[52]Smith G E,Woodbridge K,Baker C J,et al.. Multistatic micro-Doppler radar signatures of personnel targets[J]. IET Signal Processing,2010,4(3): 224–233.
[53]Vespe M,Baker C,and Griffiths H. Radar target classification using multiple perspectives[J]. IET Radar,Sonar & Navigation,2007,1(4): 300–307.
[54]Liao X,Runkle P,Jiao Y,et al.. Identification of ground targets from sequential HRR radar signatures[C]. Proceedings 2001 IEEE International Conference on Acoustics,Speech,and Signal Processing,Salt Lake City,UT,2001,5: 2897–2900.
[55]雷騰,劉進(jìn)忙,楊少春,等. 基于三站一維距離像融合的彈道目標(biāo)特征提取方法研究[J]. 宇航學(xué)報(bào),2012,33(2): 228–234. Lei T,Liu J M,Yang S C,et al.. Study on feature extraction method of ballistic target based on three-station range profiles[J]. Journal of Astronautics,2012,33(2): 228–234.
[56]寧超,黃璟,黃培康. 基于HRRP的進(jìn)動(dòng)錐體目標(biāo)特征參數(shù)求解方法[J]. 系統(tǒng)工程與電子技術(shù),2014,36(4): 650–655. Ning C,Huang J,and Huang P K. Solution for characteristic of precession cone-shaped target using HRRP[J]. Systems Engineering and Electronics,2014,36(4): 650–655.
[57]He S S,Zhao H N,and Zhang Y S. Precession feature extraction for ballistic target based on networked high resolution radar[J]. Journal of Computational Information Systems,2014,10(17): 7349–7358.
[58]張棟,馮存前,賀思三,等. 組網(wǎng)雷達(dá)彈道目標(biāo)三維進(jìn)動(dòng)特征提取[J]. 西安電子科技大學(xué)學(xué)報(bào),2015,42(2): 146–151. Zhang D,Feng C Q,He S S,et al.. Extraction of three-Dimensional precession features of ballistic targets in netted radar[J]. Journal of Xidian University,2015,42(2): 146–151.
[59]Luo Y,Zhang Q,Yuan N,et al.. Three-Dimensional precession feature extraction of space targets[J]. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems,2014,50(2): 1313–1329.
[60]Li H J,Farhat N H,Shen Y,et al.. Image understanding and prediction in microwave diversity imaging[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation,1989,37(8): 1048–1057.
[61]August W Rihaczek and Stephen J,et al.. Theory and Practice of Radar Target Identification[M]. Hershkowitz [S.l.]: Artech House,2000.
[62]Ausherman D A,Kozma A,Walker J L,et al.. Developments in radar imaging[J]. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems,1984,20(4): 363–399.
[63]Cuomo K M,Piou J E,and Mayhan J T. Ultrawide-band coherent processing[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation,1999,47(6): 1097–1107.
[64]Massachusetts Institute of Technology,Lincoln Laboratory. MIT Lincoln Laboratory Annual Report 2009[R]. Lexington,MA,2009: 13–14.
[65]Pastina D,Bucciarelli M,and Lombardo P. Multistatic and MIMO distributed ISAR for enhanced cross-range resolution of rotating targets[J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing,2010,48(8): 3300–3317.
[66]Suwa K,Wakayama T,and Iwamoto M. Three-dimensional target geometry and target motion estimation method using multistatic ISAR movies and its performance[J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing,2011,49(6): 2361–2373.
[67]Ai X F,Huang Y,Zhao F,et al.. Imaging of spinning targets via narrow-band T/R-R bistatic radars[J]. IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters,2013,10(2): 362–366.
[68]云日升. 多基站ISAR三維轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)目標(biāo)成像研究[J]. 電子與信息學(xué)報(bào),2010,32(7): 1692–1696. Yun R S. Multi-static ISAR three-dimension turntable imaging and simulation[J]. Journal of Electronics & Information Technology,2010,32(7): 1692–1696.
[69]王琦,李亞超,邢孟道,等. 多視角ISAR成像研究[J]. 西安電子科技大學(xué)學(xué)報(bào),2007,34(2): 165–169. Wang Q,Li Y C,Xing M D,et al.. A study of ISAR imaging of spatial diversity angles[J]. Journal of Xidian University,2007,34(2): 165–169.
[70]Linde G. Use of wide-band waveforms for target recognition with surveillance radar[C]. The Record of the IEEE 2000 International Radar Conference,Washington D. C.,USA,2000: 128–133.
[71]Camp W W,Mayhan J T,and O'Donnell R M. Wideband radar for ballistic missile defense and range-Doppler imaging of satellites[J]. Lincoln Laboratory Journal,2000,12(2): 267–268.
[72]張群,羅迎. 雷達(dá)目標(biāo)微多普勒效應(yīng)[M]. 北京: 國(guó)防工業(yè)出版社,2013: 22–81. Zhang Q and Luo Y. Micro-Doppler Effect of Radar Targets[M]. Beijing: National Defense Industry Press,2013: 22–81.
[73]Maurer D E,Schirmer R W,Kalandros M K,et al.. Sensor fusion architectures for ballistic missile defense[J]. Johns Hopkins APL Technical Digest,2006,27(1): 19–31.
馮存前(1975–),男,空軍工程大學(xué)教授,博士生導(dǎo)師,研究方向?yàn)槔走_(dá)信號(hào)處理、雷達(dá)電子戰(zhàn)新技術(shù)。
E-mail: fengcunqian@sina.com
李靖卿(1989–),男,2013年于空軍工程大學(xué)獲軍事學(xué)學(xué)士學(xué)位,現(xiàn)為空軍工程大學(xué)雷達(dá)電子防御研究室研究生,研究方向?yàn)槔走_(dá)信號(hào)處理。
E-mail: lijingqing_1025@126.com
賀思三(1981–),男,空軍工程大學(xué)講師,研究方向?yàn)槔走_(dá)信號(hào)處理、復(fù)雜運(yùn)動(dòng)目標(biāo)成像。
E-mail: hesisan@163.com
張 豪(1989–),男,2013年于空軍工程大學(xué)獲軍事學(xué)學(xué)士學(xué)位,現(xiàn)為空軍工程大學(xué)雷達(dá)信號(hào)與信息處理實(shí)驗(yàn)室研究生,研究方向?yàn)槔走_(dá)信號(hào)處理。
E-mail: 875971393@qq.com
Micro-Doppler Feature Extraction and Recognition Based on Netted Radar for Ballistic Targets
Feng Cun-qian①②Li Jing-qing①He Si-san①Zhang Hao①
①(Air and Missile Defense College,Air Force Engineering University,Xi'an 710051,China)
②(Collaborative Innovation Center of Information Sensing and Understanding,Xi'an 710077,China)
This study examines the complexities of using netted radar to recognize and resolve ballistic midcourse targets. The application of micro-motion feature extraction to ballistic mid-course targets is analyzed,and the current status of application and research on micro-motion feature recognition is concluded for singlefunction radar networks such as low- and high-resolution imaging radar networks. Advantages and disadvantages of these networks are discussed with respect to target recognition. Hybrid-mode radar networks combine low- and high-resolution imaging radar and provide a specific reference frequency that is the basis for ballistic target recognition. Main research trends are discussed for hybrid-mode networks that apply micromotion feature extraction to ballistic mid-course targets.
Micro-motion feature; Micro-Doppler; Imaging feature; Hybrid-scheme radar network
彈道目標(biāo)識(shí)別技術(shù)是戰(zhàn)略預(yù)警能力和反導(dǎo)作戰(zhàn)能力的集中體現(xiàn),對(duì)遏制戰(zhàn)爭(zhēng)中攻擊方“先發(fā)制人”軍事打擊的作戰(zhàn)企圖起著重要的作用。目前,中段防御被認(rèn)為是反導(dǎo)作戰(zhàn)的關(guān)鍵階段[1]。在多彈頭分導(dǎo)技術(shù)和誘餌技術(shù)不斷完善和發(fā)展的背景下[2,3],攻擊方彈道導(dǎo)彈參數(shù)通常很難獲取,這使得基于涂覆層特征、結(jié)構(gòu)特征及常規(guī)運(yùn)動(dòng)特性的特征識(shí)別技術(shù)已經(jīng)很難從目標(biāo)群中識(shí)別出真彈頭[4]。因而,必須利用不依賴于目標(biāo)結(jié)構(gòu)、電磁等參數(shù)的細(xì)節(jié)特征來進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別。自V.C.Chen首次將微動(dòng)概念引入到雷達(dá)目標(biāo)識(shí)別以來[5],利用目標(biāo)微動(dòng)特征進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別的方法已成為雷達(dá)目標(biāo)識(shí)別領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。
s: The National Natural Science Foundation of China (61372166,61501495),The Natural Science Foundation Research Project of Shaanxi Province (2014JM8308)
TN95
A
2095-283X(2015)-06-0609-12
10.12000/JR15084
10.12000/JR15084.
2015-07-03;改回日期:2015-11-17;網(wǎng)絡(luò)出版:2015-12-21
李靖卿 lijingqing_1025@126.com
國(guó)家自然科學(xué)基金(61372166,61501495),陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計(jì)劃(2014JM8308)
引用格式:馮存前,李靖卿,賀思三,等. 組網(wǎng)雷達(dá)中彈道目標(biāo)微動(dòng)特征提取與識(shí)別綜述[J]. 雷達(dá)學(xué)報(bào),2015,4(6): 609–620.