馮建利，趙裔昌，張效民

(1.西安石油大學(xué) 計算機學(xué)院，西安　710065; 2.西北工業(yè)大學(xué) 航海學(xué)院，西安　710072;3.機電動態(tài)控制重點實驗室，西安　710065)

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毫米波被動探測信號的熵特征研究

馮建利1，2，趙裔昌3，張效民2

(1.西安石油大學(xué) 計算機學(xué)院，西安710065; 2.西北工業(yè)大學(xué) 航海學(xué)院，西安710072;3.機電動態(tài)控制重點實驗室，西安710065)

針對毫米波被動探測系統(tǒng)中以幅度值作為判決特征時，容易將無源干擾(如平面金屬、地面積水等)誤識別為裝甲目標(biāo)的問題，提出了毫米波被動探測信號的新特征量——熵;從毫米波被動探測典型地物目標(biāo)的天線溫度基本組成出發(fā)，提出了熵的提取方法;對一定樣本量的地物探測信號進行熵特征分析，結(jié)果表明裝甲目標(biāo)的熵與平面金屬及地面積水有明顯差異，對裝甲目標(biāo)識別的研究提供了新的分析思路和理論指導(dǎo)。

毫米波被動探測; 熵特征; 天線溫度; 裝甲目標(biāo); 目標(biāo)識別

0　引言

在毫米波段，地面背景和金屬的亮度溫度存在很大差異，因此利用毫米波被動探測可以有效檢測地面裝甲目標(biāo)[1]。但由于地面其它低亮溫目標(biāo)(如平面金屬、地面積水等)的毫米波被動探測信號與裝甲目標(biāo)信號在幅度域上有一定相似度，因此容易被誤識別為裝甲目標(biāo)[2-5]。為了探尋被動毫米波探測地面裝甲目標(biāo)抗無源干擾的有效方法，從毫米波被動探測的基本原理出發(fā)，分析了典型地物的輻射探測機理，提出了基于熵特征的毫米波被動探測信號提取方法，計算了裝甲目標(biāo)信號和其他無源干擾信號熵特征，為毫米波被動探測地面裝甲目標(biāo)的識別技術(shù)提供必要支撐。

1　毫米波被動探測機理

天線溫度是毫米波被動探測地物目標(biāo)所得探測結(jié)果的表現(xiàn)形式，其表達(dá)式為[6]：

(1)

式(1)中，TA為天線溫度；G(θ,φ)為歸一化天線增益；ΩM為天線主波束立體角，TAP(θ,φ)為(θ,φ)方向的視在溫度。由輻射測量學(xué)理論知，當(dāng)忽略大氣向上輻射亮溫及大氣衰減時，視在溫度表示為：

(2)

式(2)中TB(θ,φ)為被測目標(biāo)自身向外輻射的亮度溫度，簡稱亮溫；TSC(θ,φ)為被測目標(biāo)反射的來自于其它輻射源輻射的亮溫；ε(θ,φ)為被測目標(biāo)的輻射率；Ts為被測目標(biāo)的物理溫度；Γ(θ,φ)為被測目標(biāo)的反射率，滿足Γ(θ,φ)+ε(θ,φ)=1；TBother(θ,φ)表示其它輻射源輻射到被測目標(biāo)上的亮溫。

通常，對于同一個毫米波被動探測系統(tǒng)，(θ,φ)方向其天線方向圖F(θ,φ)函數(shù)值不變，該方向的視在溫度TAP(θ,φ)決定了天線溫度。因此，典型地物毫米波被動探測機理的研究重在對地物目標(biāo)和背景的視在溫度組成的討論。

2　典型目標(biāo)視在溫度

2.1平面金屬視在溫度

為了便于分析，假設(shè)平面金屬填充在整個天線波束內(nèi)，即探測器天線沒有照射到背景，如圖1所示。

圖1平面目標(biāo)視在溫度示意圖

圖1中T

DN

(θ,H)為大氣向下輻射亮溫。當(dāng)圖1中的被測平面目標(biāo)為平面金屬時，由于金屬在8 mm波段輻射率ε(θ,φ)≈0，反射率Γ(θ,φ)≈1，根據(jù)式(2)得輻射計探測平面金屬時視在溫度如式(3)。

(3)

2.2積水目標(biāo)視在溫度

在圖1中取被測平面目標(biāo)為積水，8 mm波段，水的輻射率ε(θ,φ)≈0.63，反射率Γ(θ,φ)≈0.37[7]。因此，積水目標(biāo)與平面金屬目標(biāo)的不同之處在于，積水除了主要反射大氣向下輻射亮溫之外，本身還向外輻射能量。根據(jù)式(2)得積水的視在溫度可表示為：

(4)

2.3裝甲目標(biāo)視在溫度

相比于平面目標(biāo)，裝甲目標(biāo)是幾何形狀復(fù)雜的立體金屬目標(biāo)，其視在溫度組成如圖2所示。

圖2裝甲目標(biāo)視在溫度示意圖

從圖2中可以看出，裝甲目標(biāo)不同于平面金屬目標(biāo)和積水之處在于裝甲目標(biāo)的散射溫度由兩部分構(gòu)成：(1)，部分面元反射的大氣向下輻射亮溫T

DN

(θ,H)形成的向天線口面方向散射的能量T

SC大氣

；(2)，部分面元反射的地面背景輻射亮溫T

B地

向天線口面方向散射的能量T

SC地

。因此，根據(jù)式(2)得裝甲目標(biāo)視在溫度表示為

(5)

式(5)中TDNi表示裝甲目標(biāo)的第i個面元反射大氣向下輻射亮溫；TB地j表示裝甲目標(biāo)的第j個面元反射地面背景的輻射亮溫。

3　毫米波被動探測信號的熵特征

由平面金屬、地面積水和裝甲目標(biāo)視在溫度組成的分析可知，毫米波探測器運動過程中掃描所得平面金屬目標(biāo)和地面積水目標(biāo)天線溫度曲線呈現(xiàn)較均勻變化，而裝甲目標(biāo)視在溫度大小由照射條件決定。在探測器波束掃描裝甲目標(biāo)過程中，天線與裝甲目標(biāo)的空間關(guān)系不斷發(fā)生變化，導(dǎo)致同一面元在不同的掃描時刻既有可能反射大氣向下輻射亮溫，又有可能反射地面背景輻射亮溫，而且還有可能存在面元之間能量的多次反射[8]。因此，裝甲目標(biāo)的天線溫度曲線存在一定的不均勻性。

針對裝甲目標(biāo)探測信號的不均勻性，借鑒物理學(xué)中混亂程度的表征量——熵[9]，提出毫米波被動探測信號的熵。假設(shè)毫米波被動探測所得地物目標(biāo)天線溫度曲線數(shù)據(jù)為N個采樣點的集合TA={TA1,TA2,TA3……TAN}，則毫米波被動探測信號的熵定義為：

(6)

式(6)中，E表示天線溫度曲線的熵；TAi表示探測目標(biāo)的第i個天線溫度值，為敘述方便，定義{|TA(i+1)-TAi|,i=1,…,N-1}為差值序列。E的大小體現(xiàn)了天線溫度曲線的起伏即混亂程度，E值越大天線溫度曲線的波動程度越大、混亂程度越高。

4　典型地物目標(biāo)毫米波被動探測信號的熵

為了對毫米波被動探測地物目標(biāo)天線溫度進行熵分析，采用目標(biāo)面元法分別建立地面積水目標(biāo)模型、平面金屬目標(biāo)模型和裝甲目標(biāo)模型，編寫仿真程序得到各種目標(biāo)在草地背景下的天線溫度曲線，并計算了不同目標(biāo)的熵。為了更加明確的分析天線溫度曲線的波動程度，進一步計算了差值序列。仿真參數(shù)設(shè)置：系統(tǒng)采樣率2 000 Hz，背景為草地，環(huán)境溫度為30 ℃，天線為卡塞格倫天線，彈載輻射計探測俯角30°，彈丸以200 m/s的速度從裝甲目標(biāo)的正前方上空20米處勻速直線掠飛。如圖3為草地的天線溫度曲線及其差值序列。

圖3草地的天線溫度曲線及差值序列

如圖3所示，無論是草地背景的仿真信號還是實測信號，差值序列趨于平緩，根據(jù)式(6)計算得到仿真信號和實測信號的熵分別為0.026 6和0.781 9。圖4所示為地面積水的天線溫度曲線及差值序列。

圖4積水目標(biāo)的天線溫度曲線及差值序列

如圖4所示，地面積水的天線溫度差值序列與草地不同，有一定的起伏特性，根據(jù)式(6)計算得到仿真信號和實測信號的熵分別為0.412 1和0.984 0。圖5所示為平面金屬目標(biāo)的天線溫度曲線及差值序列。

圖5平面金屬的天線溫度曲線及差值序列

如圖5所示，平面金屬的天線溫度差值序列與地面積水相似，有一定的起伏特性，同時由于平面金屬與地面背景的天線溫度差大于地面積水與地面背景的天線溫度差，所以平面金屬的天線溫度差值序列的起伏程度略高于地面積水。根據(jù)式(6)得到仿真信號和實測信號的熵分別為1.037 8和1.192 0。如圖6所示為某裝甲目標(biāo)的天線溫度曲線及差值序列。

圖6裝甲目標(biāo)的天線溫度曲線及差值序列

如圖6所示，裝甲目標(biāo)信號的差值序列起伏特性尤為明顯，根據(jù)式(6)計算得到裝甲目標(biāo)天線溫度的仿真曲線和實測曲線的熵分別為2.924 2和3.756 1。

5　仿真分析

仿真條件同上，為了統(tǒng)計得到各目標(biāo)的熵，對各目標(biāo)進行了200次的仿真，對仿真得到的天線溫度曲線計算熵，然后計算熵均值，得到各地物目標(biāo)熵的統(tǒng)計平均值如表1所示。

表1　不同目標(biāo)天線溫度熵的統(tǒng)計平均值

從表1可知在樣本量為200時得到的各目標(biāo)天線溫度熵統(tǒng)計平均值與上節(jié)單次實測和仿真得到的結(jié)果相符，即熵值由低到高的排序依次為：草地、地面積水、平面金屬、裝甲目標(biāo)。原因在于：(1)實測和仿真均以草地為背景，所以當(dāng)目標(biāo)也為草地時，目標(biāo)和背景相同，所以熵最??；(2)地面積水的天線溫度低于草地，即地面積水和草地之間存在一定的天線溫度差，所以地面積水的差值序列存在一定程度的起伏，熵大于草地；(3)平面金屬的天線溫度低于地面積水，即平面金屬與草地之間存在更大的天線溫度差，所以其差值序列的波動大于地面積水，從而熵大于地面積水；(4)裝甲目標(biāo)實際為金屬目標(biāo)，所以裝甲目標(biāo)與草地之間也存在較大的天線溫度差；同時，裝甲目標(biāo)又是幾何外形復(fù)雜的立體金屬目標(biāo)，面元的反射能量可能來源于大氣向下輻射亮溫、地面背景輻射亮溫以及其它面元反射的輻射亮溫等多種情況，所以裝甲目標(biāo)的天線溫度曲線波動程度最高，其熵最大。因此，根據(jù)熵的大小可以明確將裝甲目標(biāo)從其它目標(biāo)中識別出來。為了進一步說明該方法的可行性，圖7繪制了不同目標(biāo)熵的直方圖。

圖7典型地物信號熵特征分布直方圖對比

分析圖7(a)可知，地面積水與平面金屬的熵分布存在明顯交集，所以從概率論理論知，它們彼此誤識別的概率較高。因此，以熵作為特征量難以將地面積水與平面金屬進行區(qū)分。但是，分析圖(b)、(c)和(d)可以看出，坦克和草地、地面積水及平面金屬的熵分布幾乎不存在交集，所以依據(jù)概率論知：以目標(biāo)的天線溫度的熵作為特征量可以準(zhǔn)確地將坦克與草地、地面積水及平面金屬區(qū)分，從而實現(xiàn)了在典型地物中對裝甲目標(biāo)的有效識別。

6　結(jié)論

從被動毫米波探測的基本原理出發(fā)，詳細(xì)分析了地面裝甲目標(biāo)與易誤判為裝甲目標(biāo)的典型無源干擾——平面金屬和地面積水的視在溫度組成，分析了他們的差異。根據(jù)存在差異的特點提出了毫米波被動探測信號熵特征的概念及計算方法，并對大量典型地物目標(biāo)及背景的實測信號和仿真信號分別進行了熵分布的統(tǒng)計。結(jié)果表明，利用目標(biāo)天線溫度的特征量——熵可以有效地將裝甲目標(biāo)從典型地物背景中識別出來，進一步提高了毫米波被動探測系統(tǒng)抗無源干擾的能力。

[1]Ulaby F T，Moore R K，F(xiàn)ung A K．Microwave Remote Sensing，Active and Passive. Vol. 1[M]. Addison-Wesley Publishing Company，1981．

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[3] 張彥梅，崔占忠. 利用毫米波輻射計探測坦克頂甲的研究[J]. 探測與控制學(xué)報，2004，26(3)：17-20，24.

[4] 張彥梅. 基于被動毫米波探測技術(shù)的近場目標(biāo)識別方法[J]. 北京理工大學(xué)學(xué)報， 2006，26(7)：622-625.

[5] 時翔，婁國偉，李興國，等. 裝甲目標(biāo)毫米波輻射溫度的建模與計算[J]. 紅外與毫米波學(xué)報，2007，26(1)：43-46.

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[8] 馮建利，張效民. 基于多次反射的毫米波被動探測裝甲目標(biāo)輻射特性研究[J]. 西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報, 2015,33(1):135-140.

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Research on the Entropy Feature of Analysis of Passive Millimeter Wave Detection Signal

Feng Jianli1，2, Zhao Yichang3, Zhang Xiaomin2

(1.School of computer science, Xi’an Shiyou University, Xi’an710065, China;2.College of Marine Engineering, Northwestern polytechnical University, Xi’an710072, China;3.Key Laboratory of Electromechanical Dynamic Control, Xi’an710065, China)

In passive millimeter wave detection system, it is easy to be passive jamming (such as planar metal, ground water, etc.) mistakenly identified as an armored target, when the signal amplitude value was deemed as a decisive characteristic. In order to solve this problem, this paper proposes a new feature named as entropy. According to the antenna temperature’s composition of typical targets, proposed the extraction method of signal entropy feature. Analyzed a large number of detection signal entropy features, the results showed that the entropy feature of armored target significantly different with planer metal and ground water. The results of this paper provide a new analytical thinking and theoretical guidance for the armored target identification.

passive millimeter wave detection; entropy feature; antenna temperature; armored target; target recognition

2015-07-10；

2015-08-25。

馮建利(1981-)，女，陜西人，講師，博士研究生，主要從事毫米波被動探測輻射原理及信號處理方向的研究。

1671-4598(2016)01-0223-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.01.061

TN015; TP391.9

A