基于分層極化特性的箔條云識別方法

李永禎, 劉業(yè)民, 龐 晨, 黃大通

(國防科技大學電子科學學院, 湖南 長沙 410073)

0 引 言

將合成孔徑雷達(synthetic aperture radar, SAR)技術應用于射頻制導(即SAR導引頭),一方面可有效提高其全天候、全天時的探測能力,另一方面可在復雜戰(zhàn)場環(huán)境下提升對目標的定位精度和識別概率。因此,SAR導引頭在精確制導領域得到了廣泛的關注和研究[1-3]。雖然SAR導引頭具有諸多優(yōu)點,但也有其自身難以克服的缺點,即易受戰(zhàn)場電磁環(huán)境的影響[1]。箔條作為電子戰(zhàn)中典型的無源干擾手段,在空中分布取向復雜且運動擴散形式多變,具有不確定性,其雷達特性相當復雜,在SAR導引頭圖像中表現(xiàn)為若干個強散射點組成的二維目標,與需打擊的雷達目標難以區(qū)分真假,加之箔條制造工藝簡單且廉價,故箔條在現(xiàn)代海戰(zhàn)場中仍然得到了廣泛的應用[1]。因此,新型SAR導引頭如何對抗箔條干擾是目前急需解決的前沿問題,具有非常重要的軍事意義。

目前公開報道的抗箔條干擾方法主要是針對傳統(tǒng)的雷達導引頭(如寬帶相參雷達導引頭[4-10]、脈沖多普勒雷達導引頭[11]、單脈沖雷達導引頭[12-13]等),對SAR導引頭抗箔條干擾方法鮮見報道,若將這些傳統(tǒng)的抗箔條干擾方法直接應用于SAR導引頭,其抗干擾效果也許會失效。因此,需要針對新型SAR導引頭研究出抗箔條干擾的新手段和新措施。

根據(jù)空氣動力學原理,釋放在空中的箔條由于自身重力、空氣阻力等原因會緩慢下降和擴散,箔條絲的不同取向會直接影響其下降速度。具體來講,垂直取向的箔條下降速度最快,水平取向的箔條下降速度最慢,其他取向的箔條下降速度介于兩者之間[14]。此外,根據(jù)箔條的極化散射特性,水平取向的箔條水平極化回波最強,垂直取向的箔條水平極化回波最弱。因此,隨著擴散時間的推移,箔條云內(nèi)部的箔條絲在高度維會按著箔條絲的取向不同呈現(xiàn)出分層現(xiàn)象,而艦船目標通常不具備這種極化分層特性。

基于以上問題和背景,本文從箔條云的極化特性和空氣動力學特性入手,提出了一種基于分層極化特性的箔條干擾識別方法。論文共分為4部分:首先闡述了單根箔條的極化散射特性;在此基礎上,分析了箔條云的分層極化特性;然后借鑒干涉SAR(interferometric SAR, InSAR)的干涉原理獲得箔條云和艦船目標的分層回波,根據(jù)兩者分層回波強度的變化規(guī)律,提出了一種箔條識別特征量;最后進行了仿真實驗,為了驗證本文所提方法的魯棒性,仿真實驗中考慮了3類典型箔條云的分布以及船只目標的不同姿態(tài)。仿真實驗結果表明本文所提方法能夠很好地識別出箔條干擾。

1 單根箔條的極化散射特性

圖1給出了單根箔條的極化散射特性示意圖,箔條的中心位于xyz坐標系的原點o,假設箔條的方向矢量為c,xoy平面與水平面平行,θc和φc分別是箔條的天頂角和方位角。為了描述箔條的后向散射電場特性,建立一個新的坐標系ehever,其中eh和ev是在(h,v)極化基下后向散射電場的正交單位矢量,下標h和v分別表示水平極化和垂直極化,er是后向散射電場方向的單位矢量,γs是單位矢量er和正z方向之間的夾角。

圖1 單根箔條的散射示意圖

根據(jù)文獻[15]所述,箔條的軸線方向即為箔條的極化方向。因此,若用全極化雷達從水平方向觀測箔條時,其水平取向箔條的水平極化波最強,而垂直取向箔條的水平極化波最弱。在實際應用中,由于作戰(zhàn)需要,其雷達導引頭的觀測方向通常不會是水平方向(即γs≠90°),而是存在著一個俯仰角。根據(jù)雷達極化基的定義,其水平極化基eh通常定義為平行于水平面,其與雷達的觀測方向無關[15]。因此,可以使用箔條云的水平極化回波來分析箔條云的極化分層特性。

不失一般性,例如當γs=45°時,若用全極化雷達觀測單根箔條,可得到不同極化下箔條雷達散射截面積(radar cross section, RCS)隨天頂角θc和水平面方位角φc的變化關系,如圖2所示。通過研究表明,水平極化通道箔條的RCS強度不隨γs變化,即與雷達的觀測方向無關,而γs的變化會直接影響垂直和交叉極化通道中箔條的RCS強度。因此,箔條的水平極化回波強度可應用于箔條云的極化分層特性。

圖2 不同極化下單根箔條RCS隨天頂角θc和水平面方位角φc的變化關系(γs=45°)

2 箔條云的分層極化特性

在單根箔條的極化散射特性基礎上,考慮箔條云的分層極化特性。箔條云的擴散模型采用文獻[14]所提模型,該擴散模型是基于美國空軍航空電子實驗室研究成果[16]基礎上提出來的,考慮了空氣阻力、箔條彎曲變形等因素對箔條云擴散的影響。文獻[14]研究表明,箔條擴散的運動學特性表現(xiàn)為垂直取向的箔條下降速度最快,水平取向的箔條下降速度最慢,其他取向的箔條下降速度介于兩者之間。根據(jù)箔條這種動力學特性,隨著擴散時間的推移,箔條云充分擴散后其垂直取向的箔條在箔條云的底層,水平取向的箔條在箔條云的頂層,箔條云的中間部分主要由水平取向和垂直取向之間的箔條絲組成,且擴散時間越長,這種分層效果越明顯。根據(jù)前面分析可知,與之相對應的分層效果是箔條云在高度維的極化分層特性,即隨著箔條云高度的遞增,箔條云的水平極化波強度越強。下面用仿真實驗驗證箔條云這一極化特性。

假設箔條云擴散前(t=0時刻)有20 000箔條分布在一個邊長為10 m的正方體內(nèi),其初始中心位置的坐標為(0 m, 0 m, 55 m),擴散仿真實驗的具體設計過程請參考文獻[16]。當t=60 s時,假如在箔條云擴散后高度維的中點處有一部全極化雷達觀測箔條云的擴散,然后將觀測到的箔條云在高度上平分成若干層,并計算出每一層箔條云極化回波的RCS強度。按著這種做法,圖3給出了文獻[17]中3類典型分布箔條云的分層極化特性。其中,圖3(b)中θ0為情況2的分布參數(shù),該參數(shù)為天頂角的分布上限;θg和σ為圖3(c)情況3的分布參數(shù),分別表示該分布情況下(即正態(tài)分布)的均值與方差。在圖3中,設定觀測方向角γs=45°,每種情況下箔條云的分層數(shù)量為10層,圖3中水平、垂直和交叉極化通道中箔條云的RCS強度各自進行了歸一化處理。從圖3中容易看出,交叉和垂直極化通道中箔條云的RCS強度沒有明顯規(guī)律可循,而水平極化通道中箔條云的RSC強度隨著高度的遞增而遞增,仿真結果驗證了前面理論分析的正確性。下面接著分析利用箔條云這種特有的分層極化特性來實現(xiàn)箔條干擾的識別。

圖3 3類典型分布箔條云的分層極化特性(γs=45°)

3 基于干涉原理的箔條分層處理及箔條干擾識別算法

3.1 基于干涉原理的箔條分層處理

根據(jù)箔條云分層處理的要求,需要獲取到艦船目標和箔條云的高程信息。因此,本文利用InSAR的干涉原理獲得兩者的高程信息,然后在高度維對其進行分層處理。由于艦船目標通常無法滿足箔條云這種特有的極化分層特性。因此,基于此特性差異,可望實現(xiàn)對箔條干擾的識別。

InSAR系統(tǒng)通常在垂直航跡面上放置兩部天線,利用兩天線間的干涉相位信息獲取目標的高程信息[18]。在反艦應用中,隨著天線技術和電子技術的發(fā)展與進步,相控陣天線已廣泛應用于雷達導引頭中,為獲取目標的高程信息,本文將相控陣天線在垂直航跡面上劃分兩個子天線,其工作原理如圖4所示。不失一般性,若子天線A1為主天線,負責發(fā)射雷達信號,其與地面的高度為H;子天線A2為輔天線,其與主天線的間距為B;設天線A1和A2到目標P的瞬時斜距分別為Rm(ta)和Rs(ta),且目標P的高程為h,其中ta為慢時間;在圖4中可以看出,面A1A2P與水平面的交線為A1D,設α為基線A1A2與A1D的夾角,斜距差ΔR=Rm(ta)-Rs(ta),則ΔR與主輔圖像真實干涉相位Δφ的關系可表示為[18]

圖4 干涉原理示意圖

ΔR=-λΔφ/2π

(1)

設β為基線A1A2與A1P之間的夾角,則在三角形A1A2P中,由余弦定理可求得角度β為

(2)

設θ為A1o與A1P之間的夾角,由于點A1、A2、P和o共面,則有

θ=π/2+α-β

(3)

因此,目標點P的高程為

h=H-Rm(ta)cosθ=

(4)

根據(jù)InSAR的工作原理,雷達導引頭獲取目標高程的流程如圖5所示,其具體實現(xiàn)步驟可參考文獻[18-19]。

圖5 雷達導引頭獲取目標高程流程圖

3.2 箔條干擾識別特征量

在應用中,若箔條云和艦船目標的高程信息已經(jīng)獲得,則根據(jù)第2節(jié)所述,分別對箔條云和艦船目標進行分層處理,然后分別計算兩者每層中水平極化回波RCS的強度,從而可得到艦船目標(或箔條云)RCS強度序列矢量P=[P(1),P(2),…,P(N)],其中,P(i)(i=1,2,…,N)為第i層艦船目標(或箔條云)的RCS強度,N為艦船目標(或箔條云)的分層數(shù)。根據(jù)前面的分析,箔條云的RCS強度,理論上可滿足以下關系:P(1)

通過分析,本文可設計如下箔條干擾識別量。

步驟1將RCS強度序列矢量P值分為兩部分:

(5)

步驟2求矢量P的平均RSC強度,記為E(P),其中符號E(·)為取平均操作符。令矢量序列(E(P)-Pf)中大于0的元素個數(shù)為Num1,序列(Pb-E(P))中大于0的元素個數(shù)為Num2,根據(jù)箔條云特有的極化分層特性,可設計識別特征量ρ如下:

(6)

該識別特征量可以很好地反映出箔條云特有的極化分層特性。具體來說,箔條云充分擴散后且高程信息反演無誤差的理想情況下,其ρ的理論值為1,在非理想情況下,其ρ小于1且接近1;另一方面,艦船目標通常不具備這種極化分層特性,因此其ρ值的隨機性較大,若將艦船目標分為無限多層,其ρ值在理論上約為0.5。為此,可設定如下判決門限Th:

(7)

最后,討論一下本文所提方法的適用范圍。如前所述,本文所提方法主要是利用具備SAR功能的雷達導引頭對抗箔條沖淡干擾。因此,本文所提方法需要滿足以下幾個條件:①需要具備SAR導引頭功能,且具有提取目標高程的能力;②僅限于抗箔條沖淡干擾情形,對于艦船目標“包裹”在箔條云情形,或者單脈沖跟蹤階段形成箔條質心干擾時的情形,本文所提方法將會失效;③需要箔條云充分擴散,擴散越充分其干擾識別性能越好;④當箔條云落在水面上,由于缺乏了高程信息,本文所提方法將會失效。因此,在實際應用中,根據(jù)雷達導引頭的實時性要求、箔條云的擴散程度、極化方式以及對抗場景等情況,可將本文所提方法與其他方法結合使用,以提高箔條干擾的識別率。

4 仿真實驗與結果分析

在仿真實驗中,雷達導引頭的主要仿真參數(shù)設定如表1所示,SAR導引頭發(fā)射線性調(diào)頻信號,極化方式為水平極化,工作模式為前斜視成像模式。

表1 SAR導引頭系統(tǒng)仿真參數(shù)

圖6給出了雷達導引頭與箔條云的幾何關系,其中z為箔條云高度,Rm(ta)為SAR導引頭主天線與箔條云的瞬間斜距。仿真中,假設在t=0時刻,20 000根箔條分布在一個邊長為10 m的正方體內(nèi),其中心位置坐標為(8 000 m, 8 000 m, 55 m),主、輔通道箔條云的SAR成像處理流程可參考文獻[16]。

圖6 SAR導引頭對箔條云成像的幾何關系

箔條云擴散60 s后,圖7給出了情況1下箔條云的分層處理結果,其中圖7(a)～圖7(f)分別給出了獲取箔條云高程具體步驟的仿真結果;本文所提方法的箔條云分層結果和理論分層結果如圖7(g)所示,其中箔條云等高度共分成10層,理論分層結果是通過直接計算觀測到的擴散后箔條云的RCS強度獲得。從圖7(h)容易看出,理論分層結果隨著箔條云高度的遞增而遞增,其遞增情況比較理想。雖然本文所提方法的分層結果是波動上升的,但分層曲線較好地反映了箔條云特有的分層極化特性。

圖7 基于干涉原理的箔條云分層處理結果(情況1)

類似于圖7的處理流程,箔條云在情況2和情況3下的分層處理結果如圖8所示。圖8中給出了箔條云在情況2和情況3下配準主圖像的成像圖以及分層極化處理結果圖。從圖8中可以明顯看出,在不同的分布條件下,本文所提方法的箔條分層結果總體上亦是單調(diào)遞增的,均能很好地反映箔條云特有的分層極化特性。這說明了箔條云的分層極化特性受箔條分布類型影響很小,分層極化特性穩(wěn)定。

圖8 箔條云分層處理結果(情況2和情況3)

另一方面,為了計算出船只目標的極化散射數(shù)據(jù),圖9給出了船只目標的空間坐標系示意圖,其空間坐標系與箔條云的坐標系相同,圖中的角度γs和φs分別為船只目標的俯仰角和方位角。在該坐標系下,本文采用CST STUDIO SUITE軟件獲取船只目標的極化散射數(shù)據(jù)。

圖9 船只目標的空間坐標系示意圖

在CST STUDIO SUITE軟件中,為了獲取船只目標的高程信息,需要獲得主、輔圖像的極化散射數(shù)據(jù)。為此,仿真中設定兩組不同的觀測視角,其中主圖像的觀測視角設定為γs=45°,輔圖像的觀測視角設定為γs=45.02°。另外,為獲取多組散射主、輔圖像的極化散射數(shù)據(jù),固定角度γs,方位角變動,即φs分別取30°、45°和60°。船只目標的成像結果如圖10(a)、圖10(c)、圖10(e)和圖10(g)所示。與圖7相同的處理流程,圖10(b)、圖10(d)、圖10(f)和圖10(h)給出了船只目標的分層極化處理結果。從圖10中可以得出如下結論:船只目標的分層極化特性沒有明顯的規(guī)律可循,其隨機性比較大,這與船只目標的材質、結構、雷達觀測視角等因素有關。

圖10 船只目標分層處理結果

根據(jù)第3.2節(jié)給出的箔條干擾識別算法以及圖7和圖8,表2給出了箔條云的識別特征量ρ的計算結果。類似于前面的箔條云分層處理情況,表3和表4給出了箔條云擴散時間分別為45 s和30 s情況下識別特征量ρ的計算結果。同理,根據(jù)圖10,表5給出了船只目標的識別特征量ρ的計算結果。從表2～表5中可以看出,箔條云擴散后的分層極化特性,其識別特征量ρ一般遠大于0.5,即使在擴散時間30 s的情形下,箔條云的識別特征量ρ也大于等于0.7,遠比艦船目標的大。此外,考慮到由于箔條云的擴散不充分,箔條云的高度反演不完全準確等因素,文中可設定門限Th=0.6,若ρ≥0.6,則判定為箔條干擾,反之則為艦船目標。值得指出的是,門限Th可在實際應用中去檢驗和修正。

表2 箔條云的識別特征量ρ計算結果(60 s)

表3 箔條云的識別特征量ρ計算結果(45 s)

表4 箔條云的識別特征量ρ計算結果(30 s)

表5 船只目標的識別特征量ρ計算結果

5 結 論

從箔條云的極化特性和空氣動力學特性入手,本文提出了一種基于分層極化特性的箔條干擾識別方法,主要用于解決SAR導引頭抗箔條沖淡干擾的問題。利用InSAR的干涉原理對箔條云和艦船目標進行分層處理,根據(jù)兩者的分層極化特征差異,提出了一種箔條識別特征量。為了驗證該特征量識別箔條干擾的可行性,本文考慮了3類典型分布的箔條云以及不同方位角下觀測的船只目標,做了大量的仿真實驗。理論分析和仿真實驗均表明,本文所提方法可以有效地識別箔條干擾。

值得指出的是,為了進一步提高箔條干擾的識別率,在實際應用中,可將本文所提方法與其他箔條識別方法結合起來,如支持向量機、神經(jīng)網(wǎng)絡等分類方法,這將是下一步需要深入研究的內(nèi)容。