陳小龍 張 海 袁豆豆 薛永華 關(guān) 鍵

（1.海軍航空大學(xué)，山東煙臺(tái) 264001；2.91856部隊(duì)，上海 201900）

1 引言

隨著低空空域的逐步開放，以無(wú)人機(jī)為代表的“低慢小”飛行器得到了快速發(fā)展。普通消費(fèi)類旋翼無(wú)人機(jī)成本低廉、操控簡(jiǎn)易、攜行方便、升空制約因素少、突然性強(qiáng)，非法放飛無(wú)人機(jī)作為新的焦點(diǎn)問(wèn)題，給飛行和公共安全以及要地防御等構(gòu)成巨大威脅，已經(jīng)成為全世界共同面臨的挑戰(zhàn)和威脅［1-2］。無(wú)人機(jī)類“低慢小”目標(biāo)的精確識(shí)別一直是國(guó)際性的難題［3］，除采用可見光和紅外等常見的探測(cè)和識(shí)別技術(shù)之外，雷達(dá)等無(wú)線電探測(cè)是實(shí)現(xiàn)“低慢小”目標(biāo)全天候全天時(shí)監(jiān)視必不可少的重要手段之一。關(guān)于無(wú)人機(jī)探測(cè)，研究人員從雷達(dá)新體制和新技術(shù)角度提出了很多富有理論和應(yīng)用價(jià)值的途徑和方法［4-8］，但對(duì)于無(wú)人機(jī)的雷達(dá)特性研究報(bào)道較少，有效的特性認(rèn)知和分析是對(duì)無(wú)人機(jī)目標(biāo)檢測(cè)和分類的前提，也是目標(biāo)精細(xì)化描述和識(shí)別的基礎(chǔ)。

對(duì)于無(wú)人機(jī)目標(biāo)特性的研究，目前多集中在分析無(wú)人機(jī)的RCS 特性、極化特性［9］以及距離-多普勒特征［10］等。近年來(lái)，旋翼微動(dòng)特性受到了廣泛關(guān)注，無(wú)人機(jī)旋翼的轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)在主體平動(dòng)產(chǎn)生的雷達(dá)回波多普勒頻移信號(hào)附近引入額外的調(diào)制邊帶，該信號(hào)成為微多普勒信號(hào)，進(jìn)而產(chǎn)生微多普勒效應(yīng)［11-14］。不同類型的無(wú)人機(jī)旋翼個(gè)數(shù)、尺寸大小以及轉(zhuǎn)動(dòng)速度不同，導(dǎo)致了微多普勒特性有所差異，為旋翼無(wú)人機(jī)的精細(xì)化特性描述提供了有效途徑［15-16］。然而，微動(dòng)特征也有局限性，主要是目標(biāo)的時(shí)頻特性，無(wú)法反映目標(biāo)的輪廓和形狀特征，并且有時(shí)微動(dòng)特征較為微弱，難以獲得有效清晰的微多普勒?qǐng)D像。因此，除微多普勒特征之外，還需要研究目標(biāo)在距離-方位的能量分布特性，即距離-方位二維像。由于對(duì)無(wú)人機(jī)目標(biāo)成像過(guò)程中，也需要用到距離-方位二維數(shù)據(jù)，能夠同時(shí)獲得一維距離像，并通過(guò)計(jì)算目標(biāo)單元的時(shí)頻分析，得到微多普勒譜圖。因此，研究無(wú)人機(jī)目標(biāo)的成像方法和特性分析對(duì)于提高雷達(dá)特征提取和分類能力具有重要的意義。

調(diào)頻連續(xù)波（Frequency Modulated Continuous Wave，F(xiàn)MCW）雷達(dá)具有高距離分辨率、無(wú)距離盲區(qū)、精度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小巧等特點(diǎn)［17］，利用其長(zhǎng)時(shí)間觀測(cè)可實(shí)現(xiàn)高速度分辨力，有助于獲得目標(biāo)的精細(xì)化運(yùn)動(dòng)特征，因此，在低慢小探測(cè)等安防領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。將FMCW 雷達(dá)放置在滑軌上，可實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的成像，已應(yīng)用于滑坡預(yù)警、形變檢測(cè)等領(lǐng)域［18］，但對(duì)于無(wú)人機(jī)目標(biāo)成像原理和特性分析報(bào)道尚不多見，尤其是當(dāng)無(wú)人機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí)旋翼產(chǎn)生的微動(dòng)對(duì)成像的影響值得深入研究。本文利用K 波段和太赫茲兩個(gè)頻段的FMCW 雷達(dá)對(duì)典型消費(fèi)級(jí)旋翼無(wú)人機(jī)進(jìn)行滑軌成像，建立了雷達(dá)滑軌二維成像信號(hào)處理模型，分析比較成像性能的影響因素，如雷達(dá)頻段、調(diào)制帶寬、掃頻周期、滑軌長(zhǎng)度以及成像時(shí)間等，并開展地面靜止和懸停狀態(tài)無(wú)人機(jī)的成像實(shí)驗(yàn)，通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析比較一維距離像、距離-方位二維像、微多普勒等特性的異同，從而為后續(xù)的旋翼無(wú)人機(jī)特征提取和分類奠定基礎(chǔ)。

2 FMCW 雷達(dá)滑軌二維成像處理模型

雷達(dá)滑軌成像是指雷達(dá)安放在滑軌上，目標(biāo)位于雷達(dá)前方，通過(guò)控制滑軌運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)在方位向的虛擬孔徑，進(jìn)而得到距離-方位二維像，主要的信號(hào)處理流程包括如下幾個(gè)步驟。

1）雷達(dá)回波距離向聚焦。

雷達(dá)沿軌道邊滑動(dòng)邊發(fā)射信號(hào)，得到距離-方位向的回波數(shù)據(jù)，

式中，t為快時(shí)間，代表距離維，tm為慢時(shí)間，代表方位維，sr(t，tm)為基帶回波信號(hào)，Ar是回波幅度，K為發(fā)射的線性調(diào)頻信號(hào)調(diào)頻斜率，T為掃頻周期，R0為雷達(dá)與目標(biāo)的初始距離，R（tm，R0）為tm時(shí)刻雷達(dá)與目標(biāo)的徑向距離，c代表光速，2R(tm，R0)/c為回波延遲，f0為發(fā)射信號(hào)的載波頻率。

對(duì)式（1）進(jìn)行解調(diào)或脈沖壓縮，得到距離向積累后的雷達(dá)回波數(shù)據(jù)

式中，A1為信號(hào)幅度，式（2）實(shí)現(xiàn)了雷達(dá)距離維信號(hào)的聚焦。

2）目標(biāo)方位向有效數(shù)據(jù)選取。

選取方位向數(shù)據(jù)，若為聚焦式成像，指雷達(dá)在滑動(dòng)過(guò)程中波束一直指向待成像目標(biāo)或區(qū)域，則距離-方位向的回波數(shù)據(jù)均含有待觀測(cè)目標(biāo)回波；若為條帶式成像，指雷達(dá)波束平行掃描，則需選擇含有待觀測(cè)目標(biāo)回波的距離-方位向回波數(shù)據(jù)s2(t，tm')作為后續(xù)處理，tm'∈[tm1，tm2]為含有目標(biāo)的方位數(shù)據(jù)段時(shí)間范圍。設(shè)滑軌滑動(dòng)時(shí)間為tn、滑動(dòng)軌道長(zhǎng)度Ls，則雷達(dá)運(yùn)動(dòng)速度為va=Ls/tn。以明顯抖動(dòng)為起始點(diǎn)，成像有效數(shù)據(jù)時(shí)間段為

3）雷達(dá)回波方位向聚焦。

s2[t，tm']的相位為

對(duì)其進(jìn)行菲涅爾近似可得到

式中，λ代表波長(zhǎng)，將經(jīng)過(guò)菲涅爾近似后的相位代入式（2）中，得到一個(gè)新的線性調(diào)頻信號(hào)s3(t，tm')

設(shè)tm'∈[tm1，tm2]時(shí)間段的采樣點(diǎn)數(shù)為N=（tm2-tm1）*fs，fs為采樣頻率，采用去斜方法對(duì)s3(t，tm')進(jìn)行方位聚焦處理，輸出信號(hào)s4(t，tm')近似為sinc函數(shù)

式中，N'為所有方位向時(shí)間段的采樣點(diǎn)數(shù)，完成了距離和方位的聚焦，對(duì)s4(t，tm')取幅值即可以得到雷達(dá)滑軌距離-方位二維像。

3 雷達(dá)滑軌成像影響因素分析

3.1 成像方案與雷達(dá)配置

分別采用K波段和太赫茲波段FMCW雷達(dá)開展旋翼無(wú)人機(jī)滑軌成像數(shù)據(jù)采集，雷達(dá)由軟件、采集、射頻、控制四個(gè)模塊組成［19］。采用三角波調(diào)頻信號(hào)，成像模型同式（7）。兩種波段雷達(dá)的主要性能指標(biāo)如下：（1）K波段雷達(dá)參數(shù)：中心頻率23.7 GHz，帶寬在10 MHz～2000 MHz 范圍內(nèi)可調(diào)，三角波掃頻周期在0.2 ms～20 ms范圍內(nèi)可調(diào)。重復(fù)頻率為掃頻周期的倒數(shù)，對(duì)應(yīng)在50 Hz～5000 Hz內(nèi)可調(diào)。（2）太赫茲雷達(dá)參數(shù)：中心頻率122.5 GHz，帶寬在500 MHz～5000 MHz 范圍內(nèi)可調(diào)，三角波掃頻周期在0.4 ms～20 ms范圍內(nèi)可調(diào)。重復(fù)頻率在50 Hz～2500 Hz內(nèi)可調(diào)。通過(guò)雷達(dá)在滑軌上的運(yùn)動(dòng)來(lái)模擬機(jī)載雷達(dá)在進(jìn)行合成孔徑成像時(shí)的運(yùn)動(dòng)情況。圖1 給出了基于FMCW的滑軌成像的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，雷達(dá)位于滑軌上，滑動(dòng)速度可調(diào)，目標(biāo)位于雷達(dá)前下方4～6 m左右。

3.2 不同雷達(dá)參數(shù)對(duì)雷達(dá)成像性能的影響

為了分析雷達(dá)滑軌成像性能的主要影響因素，對(duì)角反目標(biāo)進(jìn)行成像，包括雷達(dá)自身的參數(shù)，如發(fā)射頻率、調(diào)制帶寬、掃頻周期；雷達(dá)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)情況，如成像時(shí)間、滑軌長(zhǎng)度等。

3.2.1 波段對(duì)成像距離分辨率的影響

調(diào)整掃頻周期為10 ms、8 ms、6 ms、4 ms、2 ms，對(duì)角反目標(biāo)進(jìn)行成像，得到測(cè)量數(shù)據(jù)如表1 所示?？梢钥闯?，距離分辨率與掃頻周期關(guān)系不大，提高掃頻周期信號(hào)能量提升，有利于增大雷達(dá)作用距離，太赫茲雷達(dá)距離分辨率明顯優(yōu)于K波段雷達(dá)的距離分辨率。分別使用兩種波段雷達(dá)在掃頻周期為2 ms時(shí)對(duì)角反進(jìn)行成像，其成像結(jié)果如圖2 所示。根據(jù)第2 節(jié)所述的成像步驟，首先得到圖2（a）的雷達(dá)滑動(dòng)采集的距離-周期（方位）原始回波；然后對(duì)其進(jìn)行距離向匹配濾波，實(shí)現(xiàn)距離高分辨（圖2（b））；再根據(jù)目標(biāo)方位向有效數(shù)據(jù)選取準(zhǔn)則，選取合適的周期范圍作為目標(biāo)成像區(qū)；進(jìn)而對(duì)方位向信號(hào)進(jìn)行聚焦處理，得到距離-方位二維圖像，如圖2（c）所示。

表1 不同波段雷達(dá)距離分辨率與掃頻周期的關(guān)系Tab.1 The relationship between the range resolution of different band radars and the modulation period

3.2.2 調(diào)制帶寬對(duì)成像距離分辨率的影響

控制太赫茲雷達(dá)的掃頻周期為10 ms，采樣頻率為500 kHz，合成孔徑時(shí)間為14 s，滑軌長(zhǎng)度為0.9 m，分別在調(diào)制帶寬為5 GHz、4 GHz、3 GHz、2 GHz、1 GHz時(shí)對(duì)角反進(jìn)行成像，根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)得到距離分辨率隨調(diào)制帶寬的關(guān)系如圖3所示。分別在調(diào)制帶寬為5 GHz和3 GHz對(duì)角反進(jìn)行成像，如圖4所示。其他條件相同時(shí)，調(diào)制帶寬為5 GHz時(shí)的距離分辨率明顯優(yōu)于調(diào)制帶寬為3 GHz的距離分辨率。

3.2.3 掃頻周期對(duì)成像幅值的影響

控制太赫茲雷達(dá)的調(diào)制帶寬為2 GHz，采樣頻率為500 kHz，合成孔徑時(shí)間為14 s，滑軌長(zhǎng)度為0.9 m，分別在掃頻周期為2 ms和8 ms時(shí)，對(duì)角反進(jìn)行成像如圖5所示?？芍?，掃頻周期為8 ms時(shí)的幅值明顯高于掃頻周期為2 ms 時(shí)的幅值。分別在掃頻周期為10 ms、8 ms、6 ms、4 ms、2 ms時(shí)對(duì)角反進(jìn)行成像，得到數(shù)據(jù)如表2所示，可知，隨著掃頻周期的增加幅值逐漸增大，一方面這是由于在掃頻周期增大時(shí)雷達(dá)發(fā)射信號(hào)的能量增大；另一方面，在掃頻周期增大時(shí)式（7）中的sinc函數(shù)的峰值增大，表現(xiàn)為幅值的增大。

表2 成像幅值與掃頻周期的關(guān)系Tab.2 The relationship between range resolution and modulation period

3.2.4 滑軌長(zhǎng)度對(duì)成像方位分辨率的影響

控制太赫茲雷達(dá)的掃頻周期為10 ms，采樣頻率為500 kHz，合成孔徑時(shí)間為14 s，在滑軌長(zhǎng)度為0.9 m 和0.45 m 兩種情況下，分別在調(diào)制帶寬為5 GHz、4 GHz、3 GHz、2 GHz、1 GHz時(shí)對(duì)角反進(jìn)行成像，得到方位分辨率的測(cè)量結(jié)果，如表3所示。通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)分析可知，在滑軌長(zhǎng)度保持不變時(shí)，方位分辨率隨調(diào)制帶寬的改變變化并不明顯，而將滑軌長(zhǎng)度由0.45 m 改變至0.9 m 時(shí)，方位分辨率有所提升，在0.185 m 至0.16 m 范圍變化。在有效的長(zhǎng)度范圍內(nèi)，滑軌長(zhǎng)度增加時(shí)虛擬的主波瓣寬度會(huì)變窄，提高方位分辨率。

表3 不同孔徑長(zhǎng)度下成像方位分辨率Tab.3 Imaging azimuth resolution under different aperture lengths

在調(diào)制帶寬為3 GHz、滑軌長(zhǎng)度分別為0.9 m和0.45 m時(shí)，對(duì)角反進(jìn)行成像如圖6所示?？芍夐L(zhǎng)度為0.9 m時(shí)的方位分辨率明顯優(yōu)于0.45 m時(shí)的方位分辨率。由于在雷達(dá)采集數(shù)據(jù)過(guò)程中，不能保證波束始終對(duì)目標(biāo)覆蓋，所以有效合成孔徑長(zhǎng)度與實(shí)際滑軌長(zhǎng)度并不一定相等，兩者關(guān)系如式（9）所示，在實(shí)際成像過(guò)程中需進(jìn)行有效數(shù)據(jù)的選取。

3.2.5 合成孔徑時(shí)間對(duì)成像方位分辨率的影響

控制太赫茲雷達(dá)的掃頻周期為10 ms，采樣頻率為500 kHz，合成孔徑時(shí)間為14 s，調(diào)制帶寬為5 GHz，合成孔徑時(shí)間分別為6 s、8 s、10 s、12 s、14 s、18 s、20 s、22 s，對(duì)角反進(jìn)行成像，得到數(shù)據(jù)如表4所示。在滑軌長(zhǎng)度為0.9 m，合成孔徑時(shí)間分別為22 s和14 s 時(shí)對(duì)角反進(jìn)行成像，如圖7 所示。合成孔徑時(shí)間為22 s時(shí)的方位分辨率明顯優(yōu)于合成孔徑時(shí)間為14 s 時(shí)的方位分辨率。若保持滑軌長(zhǎng)度不變，隨著合成孔徑時(shí)間的增加，距離分辨率基本不變，而方位向的分辨率大小有逐漸下降的趨勢(shì)。在理論上，在完成距離向的脈沖壓縮后輸出的sinc 函數(shù)中，其波束寬度與合成孔徑雷達(dá)的運(yùn)動(dòng)速度va無(wú)關(guān)，而在完成方位向的聚焦后輸出的sinc 函數(shù)中，降低合成孔徑雷達(dá)運(yùn)動(dòng)速度，延長(zhǎng)接收目標(biāo)回波時(shí)間，進(jìn)而使sinc函數(shù)的峰值寬度變窄，提高了方位分辨能力。

表4 距離和方位分辨率與合成孔徑時(shí)間的關(guān)系Tab.4 The relationship between range and azimuth resolution and synthetic aperture time

4 旋翼無(wú)人機(jī)目標(biāo)二維成像及特性分析

4.1 地面靜止無(wú)人機(jī)目標(biāo)成像

選取三種典型不同尺寸的消費(fèi)級(jí)旋翼無(wú)人機(jī)進(jìn)行成像實(shí)驗(yàn)，分別為大疆Mavic Air 2、Phantom 4、Inspire 2，實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景如圖8所示。

4.1.1 御Mavic Air 2微小型無(wú)人機(jī)靜止成像

分別采用太赫茲雷達(dá)和K波段雷達(dá)對(duì)Mavic Air 2無(wú)人機(jī)進(jìn)行滑軌成像，如圖9所示?？梢钥闯觯瑑蓚€(gè)頻段的雷達(dá)二維像均存在強(qiáng)散射點(diǎn)，可反映無(wú)人機(jī)的四個(gè)旋翼和主體部分。對(duì)于太赫茲雷達(dá)，其距離分辨率高，距離維測(cè)量精度高，測(cè)量出兩個(gè)相鄰旋翼之間的間距為0.201 m，實(shí)際測(cè)量值為0.221 m；對(duì)于K 波段雷達(dá)，盡管距離分辨率不如太赫茲雷達(dá)，但其回波散射點(diǎn)較為飽滿，反而更容易對(duì)應(yīng)實(shí)際目標(biāo)的結(jié)構(gòu)，根據(jù)圖像測(cè)量出兩個(gè)相鄰旋翼之間的間距為0.251 m，距離向測(cè)量誤差大于太赫茲雷達(dá)。

4.1.2 精靈Phantom 4小型無(wú)人機(jī)靜止成像

對(duì)Phantom 4 無(wú)人機(jī)進(jìn)行成像，其體型略大于Mavic Air 2無(wú)人機(jī)，如圖10所示。對(duì)比圖9，可以看出，目標(biāo)散射點(diǎn)更加明顯，兩部雷達(dá)的距離-方位二維像均能夠反映出四個(gè)旋翼和主體特征，估計(jì)出兩個(gè)相鄰旋翼之間的間距分別為0.226 m和0.206 m，與實(shí)際測(cè)量值0.231 m基本相符。

4.1.3 悟Inspire 2中型無(wú)人機(jī)靜止成像

對(duì)悟Inspire 2無(wú)人機(jī)進(jìn)行成像，三者中體型最大，如圖11所示。由于其旋翼間距較大，對(duì)應(yīng)于圖像中的四個(gè)強(qiáng)散射點(diǎn)也很容易分辨，由于目標(biāo)距離雷達(dá)很近，也引入了很多強(qiáng)散射點(diǎn)的副瓣，對(duì)成像產(chǎn)生了不利影響，可以通過(guò)控制幅值顯示范圍或加窗處理來(lái)克服。對(duì)于K波段圖像（圖11（b）），其左側(cè)出現(xiàn)了兩個(gè)亮斑，這是在成像處理中引入了與目標(biāo)無(wú)關(guān)的成像周期范圍所致，因此，目標(biāo)成像區(qū)的選取也至關(guān)重要。估計(jì)出兩個(gè)相鄰旋翼之間的間距分別為0.403 m和0.410 m，與實(shí)際測(cè)量值0.380 m基本相符。

4.1.4 三種旋翼無(wú)人機(jī)同時(shí)成像

對(duì)三種無(wú)人機(jī)同時(shí)成像，分別采用縱向排列和橫向排列的方式，實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景如圖12所示。

圖13 給出了太赫茲雷達(dá)對(duì)三個(gè)縱向排列無(wú)人機(jī)成像結(jié)果，對(duì)于2 號(hào)和3 號(hào)無(wú)人機(jī)成像較為明顯，其方位和距離向切面圖，能夠?qū)?yīng)顯示3 個(gè)無(wú)人機(jī)目標(biāo)的幅值起伏。對(duì)比圖14 的K 波段雷達(dá)成像結(jié)果，1 號(hào)和3 號(hào)無(wú)人機(jī)的四個(gè)旋翼和主體特征更為明顯，但距離向分辨率較差。對(duì)橫向排列無(wú)人機(jī)進(jìn)行成像，如圖15 所示，能夠較好地反映三個(gè)目標(biāo)的位置和結(jié)構(gòu)，對(duì)應(yīng)于方位向切面圖中的三個(gè)目標(biāo)峰值起伏。由于滑軌長(zhǎng)度有限，位于兩側(cè)的無(wú)人機(jī)部分回波無(wú)法被雷達(dá)接收，導(dǎo)致靠近中間的目標(biāo)回波最多，因此影響了雷達(dá)對(duì)兩側(cè)邊緣目標(biāo)的成像質(zhì)量。

4.2 空中懸停無(wú)人機(jī)目標(biāo)成像

對(duì)無(wú)人機(jī)空中懸停狀態(tài)進(jìn)行成像，進(jìn)一步研究飛行狀態(tài)與靜止?fàn)顟B(tài)的特性差異，分析旋翼轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)二維成像的影響，選取Mavic Air 2 和Inspire 2 開展實(shí)驗(yàn)，數(shù)據(jù)采集場(chǎng)景如圖16所示。

4.2.1 御Mavic Air 2無(wú)人機(jī)懸停成像

圖17 給出了K 波段雷達(dá)對(duì)Mavic Air 2 無(wú)人機(jī)靜止與懸停狀態(tài)下成像的對(duì)比結(jié)果，可以看出，當(dāng)無(wú)人機(jī)處于懸停狀態(tài)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致回波序列隨時(shí)間的調(diào)制性，在距離和方位維能量擴(kuò)散，造成圖像的散焦現(xiàn)象，旋翼個(gè)體特征不明顯。具體來(lái)看，圖17（a1）為滑軌數(shù)據(jù)采集后距離維匹配濾波后的結(jié)果，即完成了距離向的聚焦，其中白色框表示含有目標(biāo)回波，為目標(biāo)成像區(qū)，也即第2節(jié)所述的成像有效數(shù)據(jù)段。對(duì)該區(qū)域周期數(shù)據(jù)進(jìn)行方位向匹配濾波，得到圖17（a2）距離-方位二維聚焦像，能夠較為明顯看出無(wú)人機(jī)的四個(gè)旋翼以及主體的能量分布，與前面分析的結(jié)論相一致。圖17（b1）反映無(wú)人機(jī)懸停時(shí)的距離-周期圖，通過(guò)對(duì)比圖17（a1）可以看出，回波占據(jù)的距離單元擴(kuò)展，產(chǎn)生了條形分布的能量擴(kuò)散，對(duì)應(yīng)于旋翼轉(zhuǎn)動(dòng)帶來(lái)的周期距離變化。同時(shí)由于旋翼的轉(zhuǎn)動(dòng)，也引起了臨近方位回波的發(fā)散。對(duì)比靜止和懸停的二維像，懸停時(shí)旋翼轉(zhuǎn)動(dòng)反而使得目標(biāo)能量更強(qiáng)，距離和方位向均有擴(kuò)展，有利于目標(biāo)的檢測(cè)，但此時(shí)已很難區(qū)分主體和旋翼，表現(xiàn)為條狀距離擴(kuò)展，僅能大致估計(jì)出主體的位置和方位。此時(shí)，需要進(jìn)一步分析懸停無(wú)人機(jī)的距離、方位向回波以及時(shí)頻特性，如圖18所示。距離像有多個(gè)尖峰凸起，表示為目標(biāo)的旋翼，圖18（b）為目標(biāo)單元的短時(shí)傅里葉變換，除零頻附近的主體外，有細(xì)小的周期調(diào)制尖峰，這是由旋翼旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的微多普勒，其頻率大小與旋翼轉(zhuǎn)速和葉片長(zhǎng)度有關(guān)。因此，無(wú)人機(jī)二維成像中距離向和方位向的發(fā)散是由旋翼轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的距離走動(dòng)和微動(dòng)引起的。

4.2.2 悟Inspire 2無(wú)人機(jī)懸停成像

進(jìn)一步分析Inspire 2 懸停狀態(tài)的成像結(jié)果和特性，如圖19 和圖20 所示。可以看出，Inspire 2 體型較大，其距離-周期圖中距離單元跨越數(shù)較多，在懸停時(shí)，距離擴(kuò)散范圍要明顯大于Mavic Air 2；在靜止時(shí)，其距離-方位二維像能夠非常明顯地描述出無(wú)人機(jī)的四個(gè)旋翼和主體部分，成像質(zhì)量較好，但在懸停時(shí)，也出現(xiàn)了距離和方位能量發(fā)散現(xiàn)象，但由于旋翼葉片尺寸大，也能夠反映出個(gè)別的散射強(qiáng)點(diǎn)，這一點(diǎn)有利于對(duì)Inspire 2 目標(biāo)的識(shí)別。根據(jù)最大多普勒計(jì)算公式，fmax=(4lπn/λ)cosβ，其中l(wèi)為葉片長(zhǎng)度，n為轉(zhuǎn)速，在相同的觀測(cè)角度β條件下，Inspire 2無(wú)人機(jī)微多普勒最大頻率以及尖峰要大于Mavic Air 2。因此，可以結(jié)合目標(biāo)的距離-方位二維像以及微多普勒特征，提高對(duì)旋翼無(wú)人機(jī)的特征提取和分類性能。

5 結(jié)論

本文對(duì)旋翼無(wú)人機(jī)雷達(dá)二維像的成像方法以及特性進(jìn)行了研究，建立了基于滑軌成像的雷達(dá)距離-方位二維能量聚焦信號(hào)模型，利用K波段和太赫茲FMCW 雷達(dá)分別從雷達(dá)波段、調(diào)制帶寬、掃頻周期、滑軌長(zhǎng)度、成像時(shí)間等五個(gè)方面進(jìn)行成像影響因素分析。選取三種典型消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)，即Mavic Air 2、Phantom 4、Inspire 2，開展地面靜止和空中懸停兩種狀態(tài)下旋翼無(wú)人機(jī)的滑軌成像實(shí)驗(yàn)，對(duì)其一維距離像、距離-方位二維圖像、微多普勒等特性進(jìn)行對(duì)比和分析。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析表明：太赫茲雷達(dá)帶寬寬，其距離分辨率優(yōu)于K 波段雷達(dá)，但其成像能量聚集性較差；增大掃頻周期能夠提高發(fā)射信號(hào)能量，增加回波幅值；延長(zhǎng)有效合成孔徑長(zhǎng)度、增大成像時(shí)間均能夠提高方位分辨率；無(wú)人機(jī)靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，散射點(diǎn)能夠清晰對(duì)應(yīng)目標(biāo)的物理結(jié)構(gòu)，懸停狀態(tài)，受旋翼葉片轉(zhuǎn)動(dòng)作用，出現(xiàn)距離和方位能量發(fā)散，并具有明顯的微動(dòng)特征。由于無(wú)人機(jī)旋翼回波弱，轉(zhuǎn)速高，微動(dòng)特征提取困難，在實(shí)際中，可利用其整體特性，以及旋翼對(duì)無(wú)人機(jī)主體運(yùn)動(dòng)的調(diào)制和擾動(dòng)特性，用于區(qū)分不同類型的無(wú)人機(jī)。此外，融合利用目標(biāo)的一維距離像、二維圖像以及微動(dòng)特征，并采用深度學(xué)習(xí)的智能處理方法［20］，有利于進(jìn)一步提高雷達(dá)的目標(biāo)分類能力。