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        彈道目標動態(tài)雷達散射特征仿真系統(tǒng)設(shè)計

        2023-07-29 12:05:10曾昭鋒于新華莫錦軍
        電子制作 2023年13期
        關(guān)鍵詞:特征提取特征

        曾昭鋒,于新華,莫錦軍

        (桂林電子科技大學,廣西桂林,541004)

        0 引言

        隨著科學技術(shù)的飛速發(fā)展,雷達系統(tǒng)對目標和環(huán)境信息的獲取能力不斷提高,其功能已經(jīng)從簡單的目標發(fā)現(xiàn)與定位時期進入到了目標識別時期[1]。在此時期,各國爭相發(fā)展了彈道導彈突防技術(shù),尤其是彈道中段,其占彈道總時長的80%以上[2],是預警系統(tǒng)進行目標探測、識別、威脅評估的主要階段[3]。在此階段,需要對彈道導彈及其釋放的多種誘餌進行軌跡預測[4],并且伴隨各種微動特性,使場景變得復雜[5],這給目標識別帶來了麻煩。

        而目標識別一般都包含特征提取、分類算法設(shè)計等步驟,其中特征提取是指對傳感器獲取的原始測量信號經(jīng)過一定的信號處理或變換得出分類特征的全過程。它強烈地影響了目標識別的整體性能,可以說,特征提取是目標識別中最重要的環(huán)節(jié)之一。

        如今,對不同的特征,如雷達散射截面(Radar Cross section,RCS)序列特征[6~7]、一維距離像(High Resolution Range Profile,HRRP)序列特征[8~10]和微多普勒特征[11~13]等,提取的方法多種多樣。其中,文獻[7]總結(jié)了通過RCS序列獲取目標尺寸、姿態(tài)和運動周期等特征的各種方法;文獻[8]和[9]分別利用了HRRP 的周期特征和峰值效應(yīng)來進行目標識別;相比單特征識別,文獻[10]則是結(jié)合HRRP和微多普勒特征兩種特征,并通過支持向量機(Support Vector Machine,SVM)進行目標分類識別。

        雖然各種方法層出不窮,但仍然缺少一個能從獲取仿真數(shù)據(jù)開始,至目標特征提取結(jié)束的智能化、簡單化的完整系統(tǒng)。

        針對以上問題,本文以MATLAB 和CST 的聯(lián)合仿真作為基礎(chǔ),結(jié)合目標微動和彈道參數(shù)結(jié)算等現(xiàn)實情況,采用MATLAB 的GUI 功能設(shè)計了一個對彈道目標進行動態(tài)散射特征提取的系統(tǒng),界面簡潔,操作簡單,易于上手。

        1 系統(tǒng)整體設(shè)計

        彈道目標動態(tài)散射特征提取系統(tǒng)由靜態(tài)RCS計算模塊、彈道參數(shù)解算模塊、動態(tài)RCS 計算模塊和RCS 統(tǒng)計特征計算模塊等多個功能模塊組成,如圖1 所示,各模塊功能具體如下:

        圖1 系統(tǒng)組成

        (1)靜態(tài)RCS計算模塊:選擇目標模型和設(shè)置如入射波頻率、入射波角度等仿真參數(shù),通過MATLAB 與CST 聯(lián)合仿真生成目標靜態(tài)RCS 序列并輸出文件;

        (2)彈道參數(shù)解算模塊:對雷達的位置參數(shù)和目標的彈道與微動參數(shù)進行設(shè)置后,解算彈道參數(shù),輸出目標彈道時序姿態(tài)角文件;

        (3)動態(tài)RCS 計算模塊:根據(jù)前兩個模塊的靜態(tài)RCS序列文件和彈道時序姿態(tài)角文件,生成目標動態(tài)RCS 序列并顯示結(jié)果;

        (4)RCS 統(tǒng)計特征計算模塊:根據(jù)目標動態(tài)RCS 序列,計算相應(yīng)時間段的動態(tài)散射特征。

        綜上,本系統(tǒng)流程圖如圖3 所示,利用MATLAB 的GUI 功能設(shè)計的軟件初始界面如圖2 所示。

        圖2 系統(tǒng)初始界面

        圖3 系統(tǒng)流程圖

        ■1.1 靜態(tài)RCS 序列仿真

        本系統(tǒng)通過MATLAB 調(diào)用CST 來仿真獲取目標靜態(tài)RCS 序列,方法有兩種:其一是通過CST 中集成的一種名為VBA 的宏語言;其二則是通過MATLAB 的COM 組件。

        本系統(tǒng)采用第二種方法,雖然CST 的建模仿真的命令都是VB 命令,但是也可以將COM 組件作為一個橋梁架接在MATLAB 與CST 之間,簡單高效,門檻較低。而且,在利用COM 的同時,也能通過MATLAB 的廣泛的數(shù)據(jù)處理、信號處理和圖形處理能力,高效地處理數(shù)據(jù),并實現(xiàn)結(jié)果和編程的可視化,提高整體的仿真效率。

        綜上所述,將CST 中的VB 命令轉(zhuǎn)化為在MATLAB 中能夠運行的代碼是MATLAB 自動控制CST 進行建模仿真的關(guān)鍵,典型的VB 命令轉(zhuǎn)化為MATLAB 代碼如圖4 所示。該代碼主要實現(xiàn)的功能是創(chuàng)建一個名字為Cone、材料為PEC、底徑為Cone_BotR 毫米(默認單位)、高為Cone_H 毫米和以坐標軸原點為底部圓心的錐體。

        圖4 典型的VB 命令轉(zhuǎn)化

        ■1.2 彈道參數(shù)解算

        在彈道中段,由于彈體已經(jīng)打出大氣層,空氣阻力幾乎可以忽略,動力推進裝置也已經(jīng)關(guān)閉,目標的運動是在僅受地球重力的作用下做的慣性運動[14],因此,可以用二體運動理論來描述導彈在中段的運動,其運動基本方程為:

        其中,r 表示地心距矢量,地球引力常數(shù)μ=3.986005 ×1014m3/s2。

        假設(shè)地球模型為圓球,且在東北天(East North Up,ENU) 坐標系[4]中,如圖5 示,目標位置為r=[x y z]T,則速度為v=r'=[x'y'z']T,加速度為a=r''=[x''y''z'']T,地心距為,由此可建立微分運動方程:

        圖5 東北天坐標系

        其中,地球半徑ρ≈6371km。

        由此,設(shè)置目標初始位置參數(shù)以及速度參數(shù),即可迭代解算出目標在ENU 坐標系下各個時間點的彈道參數(shù)。

        系統(tǒng)中的彈道參數(shù)解算模塊界面如圖6 所示。

        圖6 彈道參數(shù)解算模塊界面

        ■1.3 動態(tài)RCS 序列計算

        彈道導彈作為運動目標,其 RCS 時間序列與姿態(tài)角的變化規(guī)律有關(guān),姿態(tài)角如圖7 所示。由于導彈在外太空被釋放出來時不可避免產(chǎn)生的微動,姿態(tài)角會發(fā)生周期性變化,且這種周期性將直接反映到 RCS 時間序列中。因此想要獲取目標動態(tài)RCS 序列,首先需要獲取姿態(tài)角的動態(tài)序列,具體過程如下:

        圖7 姿態(tài)角示意圖

        (1)通過坐標轉(zhuǎn)換,同時依據(jù)目標與雷達的相對位置關(guān)系可以確定目標的姿態(tài)角;

        (2)通過計算不同時間點的姿態(tài)角,形成一段姿態(tài)角序列;

        (3)基于這段姿態(tài)角序列在靜態(tài) RCS 庫查詢對應(yīng)角度的RCS 值,構(gòu)成該目標這段時間的動態(tài)RCS 序列。

        在構(gòu)成動態(tài)RCS 序列之前,先根據(jù)實際需要,結(jié)合2.2節(jié)的彈道參數(shù),在圖6 同時對目標的微動參數(shù)和雷達位置參數(shù)進行設(shè)置,以創(chuàng)建彈道時序姿態(tài)角文件,并和2.1 節(jié)中計算得到的靜態(tài)RCS 序列文件在如圖8 所示的動態(tài)RCS 計算模塊引用,即可生成對應(yīng)的動態(tài)RCS 序列。

        圖8 動態(tài)RCS 計算模塊界面

        ■1.4 RCS 統(tǒng)計特征計算

        如果只依據(jù)目標RCS 周期特性來對目標進行分類或識別,顯然會較為片面。因此,本文采用彈道目標的動態(tài)RCS 序列統(tǒng)計特性來作為目標識別所需的特征。典型的統(tǒng)計特性包括均值、方差、中位數(shù)、眾數(shù)、偏度系數(shù)、峰度系數(shù)、極差和變異系數(shù)共八種[5]。設(shè)目標RCS 序列為{xi|1

        (1)均值

        均值描述了目標RCS 的平均位置信息。對于存在差異的目標,所以其RCS 序列均值也不同。均值可由式表示:

        (2)方差

        方差表征了RCS 值偏離數(shù)學期望的程度。若RCS 序列的波動較小,則方差也較小;相反,若RCS 序列的波動較大,方差也較大。方差可由式表示:

        (3)中位數(shù)

        對RCS 序列按大小進行排序,位于中間位置的數(shù)值即為中位數(shù)。中位數(shù)可以一定程度地表征不同目標的RCS 時間序列中樣本的不同取值。

        (4)眾數(shù)

        眾數(shù)即一個RCS 序列中出現(xiàn)次數(shù)最多的值,其可以反映目標RCS 序列的分布。眾數(shù)可由式表示:

        (5)偏度系數(shù)

        偏度系數(shù)表征了RCS 序列的對稱性,對于正態(tài)分布,偏度系數(shù)為0。偏度系數(shù)可由式表示:

        其中s 為標準差,其他公式同理。

        (6)峰度系數(shù)

        峰度系數(shù)表征RCS 序列偏離某種分布的程度,對于正態(tài)分布,峰度系數(shù)為3。峰度系數(shù)可由式表示:

        (7)極差

        極差即RCS 序列的最大值和最小值的差值,其反映了目標在RCS 序列的統(tǒng)計時間內(nèi)樣本取值范圍的極值。極差可由式表示:

        (8)變異系數(shù)

        變異系數(shù)是標準差與均值之比,表征不同組數(shù)據(jù)的離散程度。變異系數(shù)可由式表示:

        系統(tǒng)中的RCS 統(tǒng)計特征計算模塊界面如圖9 所示。

        圖9 RCS 統(tǒng)計特征計算模塊界面

        2 系統(tǒng)測試結(jié)果分析

        本次系統(tǒng)測試驗證中,目標為模擬彈道導彈的單錐模型,錐體高度Hc=1750mm,底徑Rb=300mm,頭部半徑Rt=50mm,模型如圖10 所示。

        圖10 錐體模型

        雷達工作頻率fR=10GHz,脈沖重復頻率PRFR=600Hz,所在經(jīng)度LR=167.3°E,緯度BS=9.08°N;

        彈道參數(shù)中,關(guān)機點經(jīng)度LS=-120.5 ° W,緯度BS=34.7° N,高度HS=100km,速度大小VS=6900m/s,速度方位角?S=182.63°,速度傾角θS=40°。

        一般的,彈道導彈的微動形式為進動,自旋頻率fs=3Hz,進動頻率fc=1Hz,進動角θc=10°。

        輸入所有參數(shù)后,所得結(jié)果如圖2、圖6 和圖8 所示。圖2 結(jié)果表明,RCS 在俯仰角theta 為81°和180°左右時因為鏡面反射達到峰值,而其余角度RCS 值均較小,該結(jié)果符合單錐模型的散射特性。由于單錐是完全軸對稱模型,方位角phi=0°的情況可以推廣到其他方位角上,因此只需仿真這一種情形即可拓展得到全角度靜態(tài)RCS 序列。

        圖6 結(jié)果顯示了彈道軌跡、目標與雷達距離、彈道時序俯仰角和方位角。

        圖8 結(jié)果顯示,目標彈道總時長約為2242s,在彈道初始的前約100s 和最后的一小段時間內(nèi),動態(tài)RCS 起伏較大,數(shù)值較大是因為雷達的入射波與錐體模型的某一結(jié)構(gòu)約成90°,而數(shù)值較小則是由于錐體除了平動之外,還存在微動,使姿態(tài)角不斷發(fā)生變化。在其他時間,即使存在微動,姿態(tài)角也不會在90°之間波動,因此RCS 值起伏不大且整體數(shù)值偏小。

        在動態(tài)RCS 序列計算完成后,通過RCS 統(tǒng)計特征計算模塊提取目標不同時間段內(nèi)的散射特征,以0s~10s 時間段為例。在該時間段內(nèi),動態(tài)RCS 如圖11 所示,明顯具有周期性,符合目標的進動微動形式。圖9 的特征參數(shù)中的方差和極差表明,RCS 值波動較大,偏度系數(shù)和峰度系數(shù)則說明與正態(tài)分布相差不大,而均值、眾數(shù)和中位數(shù)均顯示目標的RCS值整體較小,只根據(jù)RCS 值識別出目標較為困難。

        圖11 目標動態(tài)RCS 序列(0s~10s)

        3 結(jié)束語

        本文設(shè)計了一個針對彈道目標動態(tài)散射特征提取的完整系統(tǒng),此系統(tǒng)能從仿真獲取目標靜態(tài)RCS 數(shù)據(jù)開始,經(jīng)由彈道參數(shù)解算和添加微動參數(shù),進而生成符合現(xiàn)實情況的彈道目標動態(tài)RCS 數(shù)據(jù),從中提取出相應(yīng)的統(tǒng)計特征。經(jīng)測試驗證,該系統(tǒng)可以很好地將目標散射特征提取出來。系統(tǒng)界面簡潔,操作方便,在一定程度上降低彈道目標識別工作的復雜性和繁瑣性,降低時間成本,對目標識別工作具有積極的意義。

        不過,本文涉及到的特征提取方法具有一定的片面性,對于一個完整的系統(tǒng)來說,之后仍需補充其他的方法互為驗證。

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