中段目標高分辨距離像姿態敏感性分析

肇 格，胡杰民，張 軍

(國防科技大學ATR重點實驗室，湖南長沙410073)

0 引言

彈道導彈的識別技術是導彈防御系統中的關鍵問題之一[1，2]。HRRP能夠提供目標部分幾何結構信息，且獲取條件簡單，在導彈目標分類與識別中有著重要的應用。HRRP應用中的關鍵問題在于其姿態敏感性[3－7]，目前關于導彈目標 HRRP姿態敏感性的針對性研究較少[8]。下面基于某暗室實測的步進頻回波數據，從任2幅HRRP的相似度、未發生散射點遷出和移入(MTRC)下HRRP的穩定性以及平均相似度隨姿態間隔的變化3個方面定量分析導彈目標高分辨距離像(HRRP)的姿態敏感性。針對未發生散射點MTRC下部分HRRP波形突變的原因展開深入分析，首先基于ISAR像提取導彈目標的二維散射中心分布，然后具體分析各姿態下散射中心在距離分辨單元內的分布情況，計算HRRP突變時各散射中心之間的相位關系，并結合HRRP的數學模型，解析突變現象的產生原因。

1 導彈目標HRRP的姿態敏感性

導彈包括彈頭和彈體2部分，結構比較簡單，由錐體、柱體和球體等常見散射部件構成。通常來說，在目標的頭部、尾部及部件接連部位分別存在幾個強散射中心。隨著雷達視線的變化，各散射中心在雷達視線上的投影會發生變化，導致其合成的HRRP隨姿態變化，這就是HRRP的姿態敏感性。

HRRP的姿態敏感性與各姿態下散射中心等效模型有關[9]，本文只分析散射中心等效模型未發生變化的姿態內HRRP的姿態敏感性。在這一姿態范圍內，HRRP的姿態敏感性有以下2個原因:①散射中心在各距離分辨單元間的MTRC會改變各距離分辨單元的回波強度;②即使散射中心沒有發生MTRC，由于寬帶回波是距離分辨單元上各散射中心子回波的相干合成，因此姿態的微小變化也會改變散射中心之間的相位關系，導致相干合成回波的幅度迅速變化。

目標的相似度是分析HRRP姿態敏感性的有效工具[10]，定義如下:

式中，代表姿態為 φ1，φ2的2幅HRRP;C()定義了2幅HRRP之間的相似程度。下面將從任意2幅HRRP的相似度未發生散射點MTRC下HRRP的穩定性以及平均相似度隨姿態間隔的變化3個方面全面分析導彈目標HRRP的姿態敏感性。

2 任意2幅HRRP的相似度分析

HRRP是由各距離分辨單元回波構成的高維矢量，而各距離分辨單元回波是其上散射中心的相干合成，隨姿態的變化規律是復雜的[10]，因此，HRRP隨姿態的變化更加復雜。下面通過0～10°姿態下任意2幅HRRP的相似度來宏觀觀察HRRP隨姿態的變化。0～10°姿態下任意2幅HRRP的相似度如圖1所示。從圖中可見:

①總體上來看，姿態變化越大，HRRP相似度越低;

②一般情況下，在不發生散射點MTRC的最小姿態 Δ φmin-MTRC內(Δ φmin-MTRC==1.8°，ΔR，Lmax分別代表雷達的距離分辨率及目標的最大橫向尺寸[11])，HRRP 的相似度很高;

③某些情況下，即使沒有發生散射點MTRC，HRRP也會突變，相似度突然下降，但是持續一兩次回波后，又恢復正常(圖1標注處)。

圖1 0～10°姿態下任意2幅HRRP相似度

以0°姿態為例:由目標模型可知，0°時導彈尾部頂端的2個散射中心在雷達視線上投影的距離差為0，處于同一距離分辨單元;姿態變化4.2°后，這樣的一對散射中心在雷達視線上投影的距離差，也就是說發生了散射點MTRC，因此姿態角大于4.2°的HRRP與0°時HRRP相似度很低(由圖1可見，相似度低于0.85)。然而，姿態角0°～4.2°內，相似度也會出現較低的情況(如 θ=1.4°，1.8°，3.2°，4°)。圖2 繪出了 θ=1.8°，4°時的 HRRP，由圖 2 可見:與 0°時HRRP相比，此時HRRP中的部分尖峰發生了突變。

圖2 θ =1.8°，4°時的突變 HRRP

另外，從圖1中也可看出:一般情況下，鄰近數個姿態的HRRP是很相似的，且相似度隨姿態的下降很緩慢;但是在發生突變的姿態處，鄰近姿態的HRRP相似度迅速下降。

3 未發生散射點MTRC下HRRP的穩定性

平均HRRP是對沒有發生散射點MTRC的一組不同姿態的HRRP平均處理產生的，是常見的克服HRRP姿態敏感性的方法，廣泛應用于HRRP模板庫的建立中。因此下面針對導彈目標的暗室測量數據，分析未發生散射點MTRC下各HRRP與平均HRRP的相似度，平均范圍的選擇依據Δ φmin-MTRC。對0～10°姿態的HRRP依據Δ φmin-MTRC劃分而形成的平均HRRP如圖3所示。各HRRP與相應平均HRRP的相似度如圖4所示。

圖3 依據Δ φmin-MTRC劃分形成的平均HRRP

圖4 各HRRP與平均HRRP的相似度

由圖3可見，不同的姿態范圍內(也稱為方位幀)，平均HRRP會有輕微的變化。從圖4可以看出:在不發生散射點MTRC的姿態范圍內，大多數姿態下的HRRP與平均HRRP的相似度很高，在96%左右，這表明平均HRRP能夠很好地逼近或代表這些姿態下的HRRP，是有效的目標HRRP模板;但是對于有些姿態下(θ=1.8°，4°)的 HRRP，其與平均HRRP的相似性并不是很高，因此平均HRRP不能很好的代表這些姿態的HRRP。

4 平均相似度隨姿態間隔的變化

上述分析了任意2幅HRRP的相似度，從整體上觀察了HRRP隨姿態的變化。2幅HRRP的相似度不僅僅依賴于它們的姿態間隔，也與它們的具體姿態有關。然而，目標識別時關注的是全姿態下的平均識別性能，也就是平均相似度，定義如下[3]:

因此下面將分析平均相似度隨姿態間隔的變化。具體到暗室數據，式(2)可近似由所有姿態差為Δφ的2幅HRRP相似度的平均計算得到，結果如圖5所示。

圖5 0～90°內的HRRP平均相似度

由圖5可知，隨著姿態間隔的增大，平均相似度迅速下降。當姿態間隔增大到Δ φmin-MTRC時，平均相似度已下降到85%左右。這表明即使沒有發生散射點MTRC，HRRP波形也會隨姿態發生明顯變化。顯然，這是由于距離分辨單元內散射中心之間的相干疊加造成的。

由上述分析可以看出，距離分辨單元內散射中心之間的相干疊加會造成某些姿態下的HRRP突變，這種突變影響了傳統依據MTRC劃分的各方位角域內HRRP的穩定性及平均HRRP作為模板的性能。

5 結束語

距離分辨單元內散射點之間的干涉導致HRRP嚴重的姿態敏感。上述基于某暗室實測的步進頻回波數據，從任意2幅HRRP的相似度、平均相似度隨姿態間隔的變化以及未發生散射點MTRC下HRRP的穩定性3個方面定量分析HRRP的姿態敏感性，結論表明:距離分辨單元內散射中心之間的相干疊加會造成某些姿態下的HRRP突變，這種突變影響了傳統依據MTRC劃分的各方位角域內HRRP的穩定性及平均HRRP作為模板的性能。

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