基于微動(dòng)特征的飛機(jī)目標(biāo)識(shí)別

唐京海 盧玉林 田金星 盧芳春

(駐湖北荊州市南湖機(jī)械總廠軍事代表室 湖北 荊州 434000)

0 引言

如何有效識(shí)別不同飛機(jī)目標(biāo)是雷達(dá)技術(shù)人員一直關(guān)注的熱點(diǎn)問題，在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，根據(jù)不同的戰(zhàn)場環(huán)境和目的，直升機(jī)、螺旋漿飛機(jī)和噴氣式飛機(jī)由于自身特點(diǎn)不同，擔(dān)負(fù)不一樣的作戰(zhàn)任務(wù)，三類飛機(jī)帶來的威脅也大不相同，因此對這三類目標(biāo)有效分類識(shí)別具有較大的實(shí)戰(zhàn)意義。

運(yùn)動(dòng)目標(biāo)除質(zhì)心平動(dòng)以外，目標(biāo)或者目標(biāo)部件必然存在振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)或加速運(yùn)動(dòng)等微小運(yùn)動(dòng)，這些表征目標(biāo)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的細(xì)節(jié)特征稱為微動(dòng)特征。對于點(diǎn)目標(biāo)，微動(dòng)特征主要表征了其非勻速運(yùn)動(dòng)；對擴(kuò)展剛體目標(biāo)，微動(dòng)特征主要表征目標(biāo)各部件之間運(yùn)動(dòng)的差異。根據(jù)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的多普勒效應(yīng)，微動(dòng)可以對雷達(dá)回波產(chǎn)生額外的頻率調(diào)制，通常稱此頻率為微多普勒頻率。微多普勒特征包含了關(guān)于目標(biāo)幾何結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)特性的細(xì)節(jié)信息，與目標(biāo)外形、尺寸以及材料無關(guān)，僅與目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)，可辨識(shí)性強(qiáng)[1]。因此，可以找到不同類型運(yùn)動(dòng)目標(biāo)微多普勒調(diào)制的差異，從中可以提取對應(yīng)的特征來實(shí)現(xiàn)對不同目標(biāo)的分類[2]。

本文深入分析了運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的微多普勒特征及其提取方法，通過模板匹配分類算法對提取的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)微多普勒特征進(jìn)行分類識(shí)別。文中仿真實(shí)驗(yàn)體現(xiàn)了提取微多勒特征進(jìn)行分類識(shí)別的有效性，實(shí)地檢飛試驗(yàn)也驗(yàn)證了微多普勒特征對直升機(jī)、螺旋漿飛機(jī)和噴氣式飛機(jī)目標(biāo)的較好識(shí)別效果。

1 飛機(jī)目標(biāo)微多普勒特征的提取及分類

1.1 飛機(jī)調(diào)制譜模型

1)飛機(jī)旋翼的理論模型

假設(shè)雷達(dá)遠(yuǎn)場有一個(gè)飛機(jī)目標(biāo)，飛機(jī)的徑向運(yùn)動(dòng)速度為VR，旋翼的方位角和俯仰角分別為α和β，旋翼旋轉(zhuǎn)中心高度為h。飛機(jī)旋轉(zhuǎn)部件包含N個(gè)槳葉，且每個(gè)槳葉是同類線性剛性天線。槳葉旋轉(zhuǎn)角速度為Wr，有效槳長為L=L2-L1，L1為槳葉根部離旋轉(zhuǎn)中心的距離(對于直升機(jī)的槳葉，槳葉根部與旋轉(zhuǎn)中心重合，即L1=0；對于螺旋槳飛機(jī)和渦扇噴氣飛機(jī)的槳葉，即L1≠0)，L2為槳葉尖部離旋轉(zhuǎn)中心的距離。設(shè)θ0為基準(zhǔn)槳葉的旋轉(zhuǎn)初相角，則t時(shí)刻的旋轉(zhuǎn)角為θt=θ0+Wrt，R0為旋轉(zhuǎn)中心到雷達(dá)的初始距離，則t時(shí)刻旋轉(zhuǎn)中心到雷達(dá)的距離為Rt=R0+vt。

設(shè)雷達(dá)發(fā)射窄帶相參信號(hào)為

x(t)=exp(j2πf0t)

(1)

式中：f0為雷達(dá)工作頻率。補(bǔ)償多普勒頻率和去載頻后，目標(biāo)回波信號(hào)為[3]

(2)

旋轉(zhuǎn)部件回波的頻域表示

(3)

(4)

由此可得調(diào)制譜的單邊譜寬為：

(5)

2)周期性調(diào)制譜特性

旋轉(zhuǎn)部件調(diào)制特征產(chǎn)生的時(shí)域和頻域參數(shù)模型，表明旋轉(zhuǎn)部件回波復(fù)包絡(luò)的調(diào)制特性主要由螺旋槳結(jié)構(gòu)參數(shù)N、L1、L2，轉(zhuǎn)速參數(shù)Wr和雷達(dá)參數(shù)λ共同決定，與飛機(jī)的速度、距離、高度和時(shí)間無關(guān)[4-5]。而現(xiàn)代飛機(jī)的槳數(shù)和槳速已經(jīng)按空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)為最佳，正常巡航時(shí)通常是恒速轉(zhuǎn)動(dòng)。因此，噴氣式飛機(jī)、螺旋槳飛機(jī)和直升機(jī)旋轉(zhuǎn)部件周期性調(diào)制譜具有自身的特點(diǎn)，只由飛機(jī)的槳數(shù)和槳速?zèng)Q定，可作為飛機(jī)目標(biāo)微動(dòng)分類特征。

1.2 調(diào)制譜特征提取流程

設(shè)通過目標(biāo)識(shí)別波形獲得目標(biāo)的信號(hào)幅度譜為

s=[s0,s1,…,sM-1]

(6)

式中M為脈沖數(shù)。目標(biāo)回波信號(hào)的調(diào)制譜特征提取步驟如下：

1)首先通過CLEAN算法[6]對回波進(jìn)行預(yù)處理，抑制地雜波；

2)計(jì)算預(yù)處理后的目標(biāo)調(diào)制譜；

3)將飛機(jī)平動(dòng)多普勒分量移動(dòng)至零頻處；

4)對調(diào)制譜求模，得到向量x；

5)對目標(biāo)調(diào)制譜進(jìn)行變換，得其變換域特征y=xW，其中WM×3為事先獲得的特征變換矩陣，暫定為三階，可擴(kuò)展；y即為獲得的調(diào)制譜特征矢量。

1.3 模板匹配分類算法

在獲得目標(biāo)的調(diào)制譜特征后，采用模板匹配分類算法對獲得的特征進(jìn)行分類識(shí)別。

假設(shè){Tik,i=1,2,…,c;k=1,2,…,Ki}表示第i類目標(biāo)的第k個(gè)特征模板，其中c為目標(biāo)類別數(shù)，Ki表示第i類目標(biāo)的模板個(gè)數(shù)。

假設(shè)Yt為測試目標(biāo)的特征矢量，則Yt與模板Tik的歐氏距離為：

dik=‖Yt-Tik‖2,i=1,2,…,ck=1,2,…,Ki

(7)

Yt與第i類目標(biāo)的距離定義為Yt與第i類目標(biāo)各模板的歐氏距離的最小值，即

(8)

定義測試特征Yt對第i類目標(biāo)的相對隸屬度

si=f(-di)，i=1,2,…,c

(9)

式(9)中f(x)為特征散布函數(shù)。則測試特征Yt對第i類目標(biāo)的基本概率賦值為

(10)

在式(10)求出的c個(gè)概率賦值中尋求最大概率，即測試目標(biāo)的最終識(shí)別結(jié)果：

(11)

2 仿真實(shí)驗(yàn)

2.1 仿真試驗(yàn)

選取噴氣式飛機(jī)、螺旋槳飛機(jī)和直升機(jī)三種類型飛機(jī)進(jìn)行調(diào)制譜特征仿真分析實(shí)驗(yàn)。仿真參數(shù)如下：雷達(dá)頻段為UHF，雷達(dá)采用線性調(diào)頻波形，脈沖重復(fù)頻率為4kHz，帶寬2.5MHz，脈沖寬度40μs，脈沖數(shù)64，波束駐留時(shí)長16 ms，目標(biāo)仰角5°。直升機(jī)旋翼半徑為5.965m，葉片數(shù)目為4，旋轉(zhuǎn)速率為320r/min，噴氣式飛機(jī)和螺旋槳飛機(jī)縱軸相對雷達(dá)視線夾角為45°。飛機(jī)旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 飛機(jī)旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)參數(shù)

通過仿真得到三類飛機(jī)微動(dòng)特征調(diào)制譜：

圖1～圖3分別為噴氣式飛機(jī)、直升機(jī)、螺旋槳飛機(jī)三類目標(biāo)微動(dòng)特征調(diào)制譜，三幅圖中(b)為便于觀察將頻域展寬的結(jié)果。從圖1～圖3可看出，噴氣式飛機(jī)、螺旋槳飛機(jī)和直升機(jī)的調(diào)制譜具有明顯的差異性。在UHF波段，噴氣式飛機(jī)的調(diào)制譜為單獨(dú)的一根譜線；直升機(jī)的調(diào)制譜帶寬接近4kHz，譜線間隔20Hz左右；螺旋槳飛機(jī)的調(diào)制譜介于噴氣式飛機(jī)和直升機(jī)之間，譜線間隔80Hz左右。

利用上述調(diào)制譜特征，通過模板匹配算法對三類飛機(jī)進(jìn)行仿真識(shí)別實(shí)驗(yàn)，每類飛機(jī)分別選取200個(gè)訓(xùn)練樣本和測試樣本，進(jìn)行500次蒙特卡羅，得到識(shí)別結(jié)果如表2所示。

表2 三類飛機(jī)的分類仿真識(shí)別結(jié)果

可以看出噴氣式飛機(jī)能很好地被識(shí)別，達(dá)到100%的識(shí)別率，螺旋漿飛機(jī)識(shí)別性能最差，有相當(dāng)一部分分別被識(shí)別為直升機(jī)和噴氣式飛機(jī)。

2.2 校飛試驗(yàn)

為進(jìn)一步驗(yàn)證利用調(diào)制譜特征對飛機(jī)目標(biāo)分類的有效性，利用某型UHF頻段雷達(dá)原理樣機(jī)開展分類專項(xiàng)校飛試驗(yàn)。通過校飛試驗(yàn)提取空軍現(xiàn)役的兩型螺旋槳運(yùn)輸機(jī)、兩型直升機(jī)和噴氣式民航飛機(jī)的回波調(diào)制譜，并驗(yàn)證利用調(diào)制譜特征對飛機(jī)目標(biāo)的分類效果，試驗(yàn)地點(diǎn)在北京東郊。整個(gè)試驗(yàn)分兩個(gè)階段進(jìn)行，第一階段試驗(yàn)對象為運(yùn)輸機(jī)和直升機(jī)，飛行航線如圖4所示；第二階段試驗(yàn)對象選取固定航線上20個(gè)航班的噴氣式民航飛機(jī)(相向、背向航班各10個(gè))。試驗(yàn)過程中，運(yùn)輸機(jī)和直升機(jī)每架飛機(jī)飛行一個(gè)架次、兩個(gè)進(jìn)入，雷達(dá)工作在全空域警戒模式、每分鐘6轉(zhuǎn)，每錄取三幀目標(biāo)給出一次目標(biāo)分類識(shí)別結(jié)果，對比實(shí)際目標(biāo)得到三類飛機(jī)的校飛試驗(yàn)分類識(shí)別結(jié)果如表3所示。

表3 三類飛機(jī)的校飛識(shí)別結(jié)果

可以看出，利用調(diào)制譜特征可以較好地對各類目標(biāo)進(jìn)行分類識(shí)別，平均分類正確率為89.6%。

3 結(jié)束語

微多普勒頻率能較好反映運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的微動(dòng)特征，這些特征與目標(biāo)尺寸、材料無關(guān)，具有較好的穩(wěn)定性，仿真試驗(yàn)和檢飛試驗(yàn)表明，飛機(jī)目標(biāo)的調(diào)制譜特征可有效區(qū)分噴氣式飛機(jī)、螺旋槳飛機(jī)和直升機(jī)。

當(dāng)然還存在一些影響微多普勒調(diào)制譜的因素，比如俯仰角、方位角等。由于飛機(jī)目標(biāo)相對于雷達(dá)的俯仰角一般較小，因此俯仰角對飛機(jī)目標(biāo)的調(diào)制譜特征影響不大；方位角對直升機(jī)、噴氣式飛機(jī)調(diào)制譜影響較小，但對螺旋漿飛機(jī)調(diào)制譜影響比較明顯。理論上，螺旋槳飛機(jī)的螺旋槳旋轉(zhuǎn)面相對雷達(dá)的角度會(huì)隨飛機(jī)姿態(tài)變化，進(jìn)而影響雷達(dá)回波調(diào)制譜以及目標(biāo)識(shí)別的效果。