基于微動特征的飛機目標識別

唐京海 盧玉林 田金星 盧芳春

(駐湖北荊州市南湖機械總廠軍事代表室 湖北 荊州 434000)

0 引言

如何有效識別不同飛機目標是雷達技術人員一直關注的熱點問題，在現代戰爭中，根據不同的戰場環境和目的，直升機、螺旋漿飛機和噴氣式飛機由于自身特點不同，擔負不一樣的作戰任務，三類飛機帶來的威脅也大不相同，因此對這三類目標有效分類識別具有較大的實戰意義。

運動目標除質心平動以外，目標或者目標部件必然存在振動、轉動或加速運動等微小運動，這些表征目標運動狀態的細節特征稱為微動特征。對于點目標，微動特征主要表征了其非勻速運動；對擴展剛體目標，微動特征主要表征目標各部件之間運動的差異。根據運動目標的多普勒效應，微動可以對雷達回波產生額外的頻率調制，通常稱此頻率為微多普勒頻率。微多普勒特征包含了關于目標幾何結構和運動特性的細節信息，與目標外形、尺寸以及材料無關，僅與目標的運動狀態有關，可辨識性強[1]。因此，可以找到不同類型運動目標微多普勒調制的差異，從中可以提取對應的特征來實現對不同目標的分類[2]。

本文深入分析了運動目標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動目標微多普勒特征進行分類識別。文中仿真實驗體現了提取微多勒特征進行分類識別的有效性，實地檢飛試驗也驗證了微多普勒特征對直升機、螺旋漿飛機和噴氣式飛機目標的較好識別效果。

1 飛機目標微多普勒特征的提取及分類

1.1 飛機調制譜模型

1)飛機旋翼的理論模型

假設雷達遠場有一個飛機目標，飛機的徑向運動速度為VR，旋翼的方位角和俯仰角分別為α和β，旋翼旋轉中心高度為h。飛機旋轉部件包含N個槳葉，且每個槳葉是同類線性剛性天線。槳葉旋轉角速度為Wr，有效槳長為L=L2-L1，L1為槳葉根部離旋轉中心的距離(對于直升機的槳葉，槳葉根部與旋轉中心重合，即L1=0；對于螺旋槳飛機和渦扇噴氣飛機的槳葉，即L1≠0)，L2為槳葉尖部離旋轉中心的距離。設θ0為基準槳葉的旋轉初相角，則t時刻的旋轉角為θt=θ0+Wrt，R0為旋轉中心到雷達的初始距離，則t時刻旋轉中心到雷達的距離為Rt=R0+vt。

設雷達發射窄帶相參信號為

x(t)=exp(j2πf0t)

(1)

式中：f0為雷達工作頻率。補償多普勒頻率和去載頻后，目標回波信號為[3]

(2)

旋轉部件回波的頻域表示

(3)

(4)

由此可得調制譜的單邊譜寬為：

(5)

2)周期性調制譜特性

旋轉部件調制特征產生的時域和頻域參數模型，表明旋轉部件回波復包絡的調制特性主要由螺旋槳結構參數N、L1、L2，轉速參數Wr和雷達參數λ共同決定，與飛機的速度、距離、高度和時間無關[4-5]。而現代飛機的槳數和槳速已經按空氣動力學設計為最佳，正常巡航時通常是恒速轉動。因此，噴氣式飛機、螺旋槳飛機和直升機旋轉部件周期性調制譜具有自身的特點，只由飛機的槳數和槳速決定，可作為飛機目標微動分類特征。

1.2 調制譜特征提取流程

設通過目標識別波形獲得目標的信號幅度譜為

s=[s0,s1,…,sM-1]

(6)

式中M為脈沖數。目標回波信號的調制譜特征提取步驟如下：

1)首先通過CLEAN算法[6]對回波進行預處理，抑制地雜波；

2)計算預處理后的目標調制譜；

3)將飛機平動多普勒分量移動至零頻處；

4)對調制譜求模，得到向量x；

5)對目標調制譜進行變換，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，可擴展；y即為獲得的調制譜特征矢量。

1.3 模板匹配分類算法

在獲得目標的調制譜特征后，采用模板匹配分類算法對獲得的特征進行分類識別。

假設{Tik,i=1,2,…,c;k=1,2,…,Ki}表示第i類目標的第k個特征模板，其中c為目標類別數，Ki表示第i類目標的模板個數。

假設Yt為測試目標的特征矢量，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類目標的距離定義為Yt與第i類目標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。則測試特征Yt對第i類目標的基本概率賦值為

(10)

在式(10)求出的c個概率賦值中尋求最大概率，即測試目標的最終識別結果：

(11)

2 仿真實驗

2.1 仿真試驗

選取噴氣式飛機、螺旋槳飛機和直升機三種類型飛機進行調制譜特征仿真分析實驗。仿真參數如下：雷達頻段為UHF，雷達采用線性調頻波形，脈沖重復頻率為4kHz，帶寬2.5MHz，脈沖寬度40μs，脈沖數64，波束駐留時長16 ms，目標仰角5°。直升機旋翼半徑為5.965m，葉片數目為4，旋轉速率為320r/min，噴氣式飛機和螺旋槳飛機縱軸相對雷達視線夾角為45°。飛機旋轉結構參數如表1所示。

表1 飛機旋轉結構參數

通過仿真得到三類飛機微動特征調制譜：

圖1～圖3分別為噴氣式飛機、直升機、螺旋槳飛機三類目標微動特征調制譜，三幅圖中(b)為便于觀察將頻域展寬的結果。從圖1～圖3可看出，噴氣式飛機、螺旋槳飛機和直升機的調制譜具有明顯的差異性。在UHF波段，噴氣式飛機的調制譜為單獨的一根譜線；直升機的調制譜帶寬接近4kHz，譜線間隔20Hz左右；螺旋槳飛機的調制譜介于噴氣式飛機和直升機之間，譜線間隔80Hz左右。

利用上述調制譜特征，通過模板匹配算法對三類飛機進行仿真識別實驗，每類飛機分別選取200個訓練樣本和測試樣本，進行500次蒙特卡羅，得到識別結果如表2所示。

表2 三類飛機的分類仿真識別結果

可以看出噴氣式飛機能很好地被識別，達到100%的識別率，螺旋漿飛機識別性能最差，有相當一部分分別被識別為直升機和噴氣式飛機。

2.2 校飛試驗

為進一步驗證利用調制譜特征對飛機目標分類的有效性，利用某型UHF頻段雷達原理樣機開展分類專項校飛試驗。通過校飛試驗提取空軍現役的兩型螺旋槳運輸機、兩型直升機和噴氣式民航飛機的回波調制譜，并驗證利用調制譜特征對飛機目標的分類效果，試驗地點在北京東郊。整個試驗分兩個階段進行，第一階段試驗對象為運輸機和直升機，飛行航線如圖4所示；第二階段試驗對象選取固定航線上20個航班的噴氣式民航飛機(相向、背向航班各10個)。試驗過程中，運輸機和直升機每架飛機飛行一個架次、兩個進入，雷達工作在全空域警戒模式、每分鐘6轉，每錄取三幀目標給出一次目標分類識別結果，對比實際目標得到三類飛機的校飛試驗分類識別結果如表3所示。

表3 三類飛機的校飛識別結果

可以看出，利用調制譜特征可以較好地對各類目標進行分類識別，平均分類正確率為89.6%。

3 結束語

微多普勒頻率能較好反映運動目標的微動特征，這些特征與目標尺寸、材料無關，具有較好的穩定性，仿真試驗和檢飛試驗表明，飛機目標的調制譜特征可有效區分噴氣式飛機、螺旋槳飛機和直升機。

當然還存在一些影響微多普勒調制譜的因素，比如俯仰角、方位角等。由于飛機目標相對于雷達的俯仰角一般較小，因此俯仰角對飛機目標的調制譜特征影響不大；方位角對直升機、噴氣式飛機調制譜影響較小，但對螺旋漿飛機調制譜影響比較明顯。理論上，螺旋槳飛機的螺旋槳旋轉面相對雷達的角度會隨飛機姿態變化，進而影響雷達回波調制譜以及目標識別的效果。