張東陽,楊虎成,黨正正

(沈陽理工大學(xué) 裝備工程學(xué)院,沈陽 110159)

一種基于模糊理論的地面目標(biāo)毫米波識(shí)別方法

張東陽,楊虎成,黨正正

(沈陽理工大學(xué) 裝備工程學(xué)院,沈陽 110159)

提出了一種基于模糊理論的地面目標(biāo)毫米波識(shí)別方法，通過毫米波輻射計(jì)對(duì)地面目標(biāo)的掃描，提取標(biāo)準(zhǔn)目標(biāo)的特征模板，運(yùn)用建立的模糊識(shí)別模型對(duì)地面運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別，實(shí)現(xiàn)對(duì)于目標(biāo)的特征提?。煌ㄟ^對(duì)模糊識(shí)別算法的仿真，得到識(shí)別率與偏移率的函數(shù)曲線。仿真結(jié)果表明,該方法能有效的判別出背景信號(hào)中有無目標(biāo)并識(shí)別目標(biāo)真?zhèn)?，為其它相關(guān)探測系統(tǒng)的目標(biāo)識(shí)別提供了可借鑒的途徑。

特征提?。荒繕?biāo)識(shí)別；模糊識(shí)別

隨著毫米波技術(shù)的不斷發(fā)展，逐漸將毫米波探測制導(dǎo)技術(shù)用于精確制導(dǎo)武器的研發(fā)中，可以顯著地提升精確制導(dǎo)武器的性能[1]。其中毫米波輻射計(jì)被動(dòng)探測識(shí)別技術(shù)是毫米波技術(shù)的一個(gè)重要研究方向，毫米波輻射計(jì)通過對(duì)地面目標(biāo)進(jìn)行掃描，檢測到“鐘形”脈沖就可判定在探測范圍內(nèi)存在金屬目標(biāo)[2]。由于戰(zhàn)場環(huán)境非常復(fù)雜，利用合適的目標(biāo)識(shí)別方法對(duì)所探測到的目標(biāo)進(jìn)行分類、評(píng)估、決策非常重要[3]。模式分類方法典型的有統(tǒng)計(jì)模式識(shí)別、句法模式識(shí)別、模糊模式識(shí)別、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別、人工智能識(shí)別[4]。不同的目標(biāo)識(shí)別方法建立在不同的理論模型之下，在不同應(yīng)用場合，其分類識(shí)別效果會(huì)產(chǎn)生很大差異。模糊識(shí)別方法基于模糊數(shù)學(xué)中的模糊集，是對(duì)統(tǒng)計(jì)模式識(shí)別方法的有效補(bǔ)充，使探測識(shí)別系統(tǒng)在復(fù)雜背景下具有一定的自適應(yīng)能力[5]。本文基于模糊理論的目標(biāo)識(shí)別方法建立目標(biāo)特征模板，依據(jù)最大隸屬度原則對(duì)幾種不同尺寸的目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別仿真。

1 建立探測模型和目標(biāo)特征信息模板

毫米波探測識(shí)別系統(tǒng)搭載于靈巧彈藥之上，彈體在飛行過程中伴隨著平移旋轉(zhuǎn)，建立彈體與目標(biāo)交匯的探測模型就能得到目標(biāo)的輻射計(jì)輸出波形，通過對(duì)探測系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的仿真，可以判定在探測范圍內(nèi)是否存在金屬物體[6]，圖1為彈體與目標(biāo)交匯模型。

圖1 彈體—目標(biāo)交匯模型圖

金屬物體與周圍地物的對(duì)比度為ΔTT，當(dāng)輻射計(jì)掃描到地面金屬物體時(shí)，輻射計(jì)探測出的天線溫度會(huì)發(fā)生明顯變化，可以有效的探測出金屬物體。圖1中:α為輻射計(jì)與彈體軸線的夾角;β為當(dāng)輻射計(jì)掃描到金屬目標(biāo)時(shí)所轉(zhuǎn)過的角度；θ為輻射計(jì)與微元和目標(biāo)連線的夾角；B(x1，y1)為位于xoy平面內(nèi)的金屬目標(biāo)；A(x，y)為xoy平面內(nèi)任意的微元；C、D分別為目標(biāo)在x軸、y軸的投影；S1為彈體與目標(biāo)的距離，m；S2為S1在xoz平面的投影；S3為彈體與微元的距離，m；H為彈體高度，m。由圖1可得到以下幾個(gè)關(guān)系式：

天線溫度變化：

(1)

式中：l為金屬物體的長，m；w金屬物體的寬，m；G0為天線增益，dB；b為天線波形系數(shù)。對(duì)其中的參數(shù)進(jìn)行賦值：金屬物體與周圍環(huán)境的對(duì)比度ΔTT=50；彈體高度為H=40m；輻射計(jì)與彈軸夾角α=30°；天線最大增益G0=32.4dB；天線3分貝波束寬度θ=7.5°；天線波形系數(shù)b=400。圖2為目標(biāo)輻射計(jì)輸出波形。

圖2 目標(biāo)輻射計(jì)輸出波形

地面上的金屬物體尺寸各異，目標(biāo)尺寸不同，反映到毫米波輻射計(jì)輸出波形上，就是脈沖的寬度、峰值、能量(面積)存在差異。通過這些特征量，再結(jié)合相關(guān)的模式識(shí)別算法，即可對(duì)目標(biāo)進(jìn)行有效的識(shí)別[7]。

圖3是輻射計(jì)分別處于30m、40m、50m高度時(shí)，金屬目標(biāo)的探測波形。

圖3 目標(biāo)波形

從圖3可以看出，鐘形脈沖的峰值隨毫米波輻射計(jì)高度的增加而減小，當(dāng)輻射計(jì)高度超過一定值時(shí)，鐘形脈沖衰減嚴(yán)重，不能實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的探測。

當(dāng)輻射計(jì)探測到目標(biāo)存在，即會(huì)輸出鐘型脈沖，然后開始目標(biāo)提取,脈沖特征信息提取的詳細(xì)過程如下：

Step1 遍歷所有數(shù)據(jù)，找到脈沖的最大值點(diǎn)。設(shè)鐘型脈沖的函數(shù)形式為k(t)。

①初始化t=0。

②如果k(t)

③如果k(t)>k(t+1)，則執(zhí)行第④步。

④記錄峰值點(diǎn)的位置tmax=t，以及峰值大小deep=k(tmax)。

Step2 重新搜尋數(shù)據(jù)，計(jì)算脈沖寬度。

①初始化t=0。

②如果k(t)<0.2k(tmax)，則令t=t+1，然后繼續(xù)執(zhí)行第②步。

③如果k(t)>0.2k(tmax)，則記錄該點(diǎn)的位置tb=t。

④計(jì)算脈沖寬度width=2(tmax-tb)。

Step3 從tb到tmax對(duì)鐘型脈沖進(jìn)行積分，求其面積，再乘以2得到能量信息。

①初始化t=tb，面積S=0。

②S=S+k(t)。

③如果t

④保存能量信息。

對(duì)鐘形脈沖所包含的峰值、脈寬、能量等信息提取的結(jié)果如表1所示。通過這些特征信息，可用模式識(shí)別的方法對(duì)地面金屬物體進(jìn)行分類識(shí)別。

表1 目標(biāo)特征提取結(jié)果

利用表1建立目標(biāo)特征模板，圖4為目標(biāo)特征模板流程圖。

通過上述過程，可建立目標(biāo)的特征信息模板，如表2所示。

圖4 目標(biāo)特征模板建立流程圖

高度/m統(tǒng)計(jì)參數(shù)輻射峰值/k脈寬/(°)能量/J30～35均值123061679084298標(biāo)準(zhǔn)差04857089980441535～40均值030761791018479標(biāo)準(zhǔn)差04997086490938940～45均值005041718004467標(biāo)準(zhǔn)差05073136490902145～50均值001411600000737標(biāo)準(zhǔn)差051321054908022

從表2可以看出，隨著高度的增加，鐘型脈沖的峰值逐漸變小，脈寬逐漸變窄，能量逐漸降低。因?yàn)殡S著高度的增加，輻射計(jì)越來越遠(yuǎn)離目標(biāo)，故接收到的目標(biāo)輻射強(qiáng)度下降，因而相關(guān)的特征參數(shù)也會(huì)降低。

2 模糊集的表示方法及隸屬函數(shù)的確定

(2)

顯然，傳統(tǒng)數(shù)學(xué)中的集合理論也是模糊集合理論的一種特殊情況。隸屬函數(shù)為

(3)

本文采用的是三角形隸屬函數(shù)，該函數(shù)有四個(gè)特征參數(shù)a、b、c和d，其函數(shù)形式為

(4)

(5)

則判斷xj∈Ak(模糊集)，即判斷xj屬于類ω(模糊模式類)。

3 建立模糊識(shí)別模型

假設(shè)探測到的目標(biāo)的特征變量為

Fx=[fx1,fx2,fx3]

(6)

式中：fx1為脈沖峰值；fx2為脈沖脈寬；fx3為脈沖能量。

假設(shè)目標(biāo)模板中Mi、Vi分別為輻射計(jì)在一定高度下所探測的特征量的均值和標(biāo)準(zhǔn)差。理論上，F(xiàn)x的特征量應(yīng)處于Mi中相應(yīng)的特征分量的周圍，但由于現(xiàn)實(shí)中的各種干擾，很可能打破這種分布。這是這種特征分布的模糊性，使目標(biāo)識(shí)別的結(jié)果變得更加不確定。假設(shè)特征分量fx1相對(duì)于第i類目標(biāo)的隸屬度為

(7)

由式(7)可知：μij∈[0,1]。

設(shè)Ci為待識(shí)別目標(biāo)對(duì)第i類的綜合隸屬度，則

(8)

式中N為特征量個(gè)數(shù)，本文取為3。

如果待識(shí)別目標(biāo)的綜合隸屬度位于區(qū)間[0.5,1]時(shí)，則判定為目標(biāo)；如果待識(shí)別目標(biāo)的綜合隸屬度位于區(qū)間[0,0.5]時(shí)，判定為偽目標(biāo)。

模糊識(shí)別的過程分以下幾步進(jìn)行：

Step1 獲取待識(shí)別目標(biāo)的特征信息。

Step2 讀取目標(biāo)的特征模板，并依此計(jì)算待識(shí)別目標(biāo)各個(gè)特征量的隸屬度。

①判斷輻射計(jì)處于哪一組高度區(qū)間，據(jù)此，從表2中抽取特征數(shù)據(jù)。

②根據(jù)式(7)求每一個(gè)特征量的隸屬度。

Step3 初始化每一個(gè)特征量的權(quán)值因子。

Step4 根據(jù)式(8)，計(jì)算綜合隸屬度。

Step5 如果綜合隸屬度大于0.5，則判定為目標(biāo)；否則，判定為偽目標(biāo)。

4 模糊識(shí)別仿真分析

為便于分析，定義金屬物體的識(shí)別率為

(9)

式中：ρ為金屬物體的識(shí)別率；nr為正確判斷的次數(shù)；na為總的判斷次數(shù)。

對(duì)于同一待識(shí)別的物體，在不同高度進(jìn)行20次識(shí)別工作，根據(jù)正確判斷次數(shù)即可算出識(shí)別系統(tǒng)對(duì)該目標(biāo)的識(shí)別率。

為便于討論目標(biāo)尺寸與識(shí)別率的關(guān)系，需將待識(shí)別目標(biāo)的尺寸與標(biāo)準(zhǔn)的目標(biāo)尺寸進(jìn)行比較，即定義一個(gè)可以反映待識(shí)別目標(biāo)的尺寸偏離標(biāo)準(zhǔn)目標(biāo)的物理量。定義待識(shí)別目標(biāo)的偏移率為

(10)

式中：η為待識(shí)別目標(biāo)的偏移率；Sn為待識(shí)別目標(biāo)的面積；Sd為標(biāo)準(zhǔn)目標(biāo)的面積。

運(yùn)用Matlab對(duì)模糊識(shí)別方法進(jìn)行仿真，可以得到不同尺寸的待識(shí)別目標(biāo)在不同高度下對(duì)于目標(biāo)模板的綜合隸屬度及識(shí)別率，見表3、表4。

表3 待識(shí)別目標(biāo)不同高度下的綜合隸屬度

表4 不同尺寸目標(biāo)的識(shí)別率

5 結(jié)論

采用最大隸屬度原則，建立金屬目標(biāo)的特征模板，將各種尺寸的金屬物體提取特征信息與模板進(jìn)行匹配，如果其綜合隸屬度超過0.5，即認(rèn)為是目標(biāo)，如果小于0.5，則認(rèn)為是偽目標(biāo)。從仿真結(jié)果可以看出識(shí)別率最高可到達(dá)85%，如果待識(shí)別物體與標(biāo)準(zhǔn)目標(biāo)差別較大，如偏移率絕對(duì)值超過0.4，也具有較高的識(shí)別率。該方法能夠有效的

判別出背景信號(hào)中有無目標(biāo)并識(shí)別目標(biāo)真?zhèn)?，提高識(shí)別精度，為其它相關(guān)探測系統(tǒng)的目標(biāo)識(shí)別提供了可借鑒的途徑。

[1]李業(yè)惠,楊衛(wèi)麗,薛非.從伊拉克戰(zhàn)爭看精確制導(dǎo)武器的發(fā)展[J].導(dǎo)彈與航天運(yùn)載技術(shù),2004(5):28-36.

[2]阮成禮.毫米波理論與技術(shù)[M].電子科技大學(xué)出版社,2013.

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

[4]王光磊.汽車車牌模糊模式識(shí)別系統(tǒng)[D].南京:東南大學(xué),2006.

[5]張怡.基于模糊識(shí)別和負(fù)荷特性的電力負(fù)荷超短期預(yù)測方法研究[D].杭州:浙江大學(xué),2009.

[6]劉明.毫米波主被動(dòng)探測器目標(biāo)識(shí)別算法研巧[D].南京:南京理工大學(xué),2010.

[7]龐龍飛.基于被動(dòng)毫米波的目標(biāo)參數(shù)采集技術(shù)[D].太原:中北大學(xué)，2016.

(責(zé)任編輯：趙麗琴)

Algorithm of the Target Recognition Based on Fuzzy Theory

ZHANG Dongyang,YANG Hucheng,DANG Zhengzheng

(Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China)

A kind of ground targets millimeter wave recognition method was put forward based on fuzzy theory.Through the millimeter wave radiometer scanning for ground targets,the characteristics of the standard target template were extracted.The fuzzy recognition model is used to identify moving target on the ground,realizing the target feature extraction.Based on the fuzzy recognition algorithm simulation,the recognition rate as a function of migration rate curve can be obtained.The simulation results show that this method can effectively distinguish the background signal in the presence of target and identify its authenticity and provide a way of deep processing of target recognition for other related detection system. Key words： feature extraction;target identification;fuzzy recognition

2016-10-08

張東陽(1967—)，男，教授，研究方向：導(dǎo)航制導(dǎo)、目標(biāo)識(shí)別等。

1003-1251(2017)03-0093-05

O159; TJ765.1

A