韋楠楠 張興敢
(南京大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇南京 210023)
彈道導(dǎo)彈的飛行過程可分為助推段、中段和再入段,中段是彈道導(dǎo)彈飛行時間最長的一段,被認(rèn)為是防御的關(guān)鍵階段。構(gòu)成彈道中段目標(biāo)的物體有彈頭、誘餌、彈體碎片、金屬箔條、干擾機(jī)等,這些目標(biāo)的形狀較為簡單,彈頭和誘餌一般是錐、柱、錐臺、球冠的組合體,碎片一般是不規(guī)則薄片;這些目標(biāo)的運(yùn)動形式也較為特定,是平動與微動(進(jìn)動、章動、翻滾等)的復(fù)合運(yùn)動。彈頭及誘餌等目標(biāo)由于受到質(zhì)量及質(zhì)量分布等因素影響,它們的進(jìn)動頻率、章動角等運(yùn)動特性存在明顯差異,因此常被用于彈道目標(biāo)識別的研究中。
隨著雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展,彈道目標(biāo)的運(yùn)動細(xì)節(jié)能夠更精細(xì)地刻畫出來,由于微動能夠?qū)﹄姶挪ㄟM(jìn)行額外的調(diào)制,導(dǎo)致多普勒頻移現(xiàn)象的產(chǎn)生,其表現(xiàn)在時頻圖上,則是頻率周期性的變化,許多學(xué)者[1-3]對此問題進(jìn)行了廣泛研究。國內(nèi)外對彈道目標(biāo)的微動特性研究主要有兩種思路:一是研究學(xué)者們[3-6]利用窄帶回波信號獲得的RCS 序列或時頻圖提取出目標(biāo)微動參數(shù),但是目標(biāo)多散射點(diǎn)的回波信號在一個波束中會相互交疊,從而產(chǎn)生微多普勒折疊的現(xiàn)象。另一種研究思路則是通過分析寬帶雷達(dá)的一維距離像(high range resolution profile,HRRP)序列的調(diào)制特征來提取微動參數(shù),文獻(xiàn)[7]利用相鄰HRRP之間的差分值形成一維差分序列,再估計出目標(biāo)進(jìn)動頻率,文獻(xiàn)[8]利用逆Radon變換和偽Zernike矩方法提取出HRRP序列的微動特征,文獻(xiàn)[9]通過正弦曲線擬合的方法提取出目標(biāo)散射中心的微動參數(shù)。寬帶雷達(dá)的分辨率較高,可以在距離維上分辨出目標(biāo)對應(yīng)的多個散射點(diǎn),同時還能解決多分量微多普勒信號混疊問題。無論是利用窄帶信號或是寬帶信號提取微動特征,由于誘餌與彈頭的相似度越來越高,并且反導(dǎo)作戰(zhàn)對系統(tǒng)實(shí)時性要求越來越高,而微動特征提取與目標(biāo)成像往往依賴于長時間觀測,因此如何在數(shù)據(jù)率、積累時長、帶寬等條件的限制下提取出穩(wěn)定的、可分性高的微動特征是需要考慮的問題。
本文的研究則是通過寬帶雷達(dá)獲得的HRRP序列提取目標(biāo)進(jìn)動頻率。本文以錐柱狀目標(biāo)作為分析對象,首先通過電磁仿真獲得錐柱狀目標(biāo)的轉(zhuǎn)臺特性,分析其多個散射點(diǎn)在半空間范圍內(nèi)的可見范圍;其次,通過構(gòu)建錐柱狀目標(biāo)的進(jìn)動模型分析HRRP 序列周期性變化的過程;建立錐柱體彈頭滑動型散射中心的位置模型,在此基礎(chǔ)上推導(dǎo)滑動型散射中心的微多普勒的數(shù)學(xué)表達(dá)式?;谝陨戏治?,本文提出了自適應(yīng)閾值法獲取目標(biāo)進(jìn)動頻率的算法,該算法提取HRRP的強(qiáng)散射中心單元,對該單元進(jìn)行時頻處理獲得時頻圖,通過自適應(yīng)閾值法提取出時頻圖多個散射點(diǎn)的時頻脊線,據(jù)此估計目標(biāo)微動頻率。本文實(shí)驗(yàn)采用了衛(wèi)星工具箱(STK)和電磁仿真工具(FEKO)聯(lián)合仿真,生成彈道導(dǎo)彈寬帶雷達(dá)回波數(shù)據(jù),通過蒙特卡洛實(shí)驗(yàn)和對比實(shí)驗(yàn)證明了算法具有較好的穩(wěn)定性和抗噪性。
旋轉(zhuǎn)體目標(biāo)的散射場,主要包括尖頂散射、錐面行波、曲面不連續(xù)處散射、柱面行波和角頂散射,這五類散射中,行波是較弱的一類散射場。雷達(dá)獲得的回波信號可以描述為各散射中心的回波合成,當(dāng)雷達(dá)發(fā)射電磁波照射在目標(biāo)上,目標(biāo)旋轉(zhuǎn)一定角度后,如果電磁波照亮部分的形狀、介質(zhì)等影響回波因素未發(fā)生變化,那么目標(biāo)的散射場也基本不變。
建立錐柱狀彈頭模型如圖1 所示,雷達(dá)發(fā)射帶寬為8.5 GHz~9.5 GHz 的步進(jìn)頻信號,通過FEKO計算得到的目標(biāo)一維距離像在0°~180°范圍內(nèi)的變化情況如圖2 所示。五個散射中心的可見范圍如下:散射中心A為0~(π -γ),散射中心B、C在(0~π)范圍內(nèi)均可見,散射中心D 在范圍內(nèi)可見,在散射中心E的可見范圍為(0~γ)。通常防御雷達(dá)位于彈頭的前下方,雷達(dá)視線和目標(biāo)主軸的夾角為50°~80°。
建立錐柱體彈頭目標(biāo)的進(jìn)動模型如圖3 所示,假設(shè)以目標(biāo)質(zhì)心O 點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)建立參考坐標(biāo)系OXYZ。目標(biāo)圍繞自身對稱軸OA 旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動稱為自旋,自旋角速度設(shè)為ωZ;目標(biāo)繞著某一旋轉(zhuǎn)軸(非幾何對稱軸)旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動稱為錐旋,錐旋軸設(shè)為OZ,目標(biāo)錐旋角速度設(shè)為ωp;OZ 與OA 的夾角θ,稱為進(jìn)動角。假設(shè)雷達(dá)視線(radar light of sight,RLOS)方向位于YOZ 平面內(nèi),與OZ 的夾角α稱為雷達(dá)視線角;RLOS 與OA 軸的夾角ρ稱為姿態(tài)角。假設(shè)在t=0時刻,自旋軸在YOZ平面的初始方位角為φ0,則姿態(tài)角ρ隨時間的變化公式為
式(1)中雷達(dá)視線角α?xí)S著彈道目標(biāo)飛行時間的推移而改變,彈道導(dǎo)彈中段的飛行時間一般為十幾分鐘,而進(jìn)動周期為秒級,α在一個進(jìn)動周期內(nèi)的變化幾乎可以忽略,所以在求進(jìn)動參數(shù)時α可看作固定值。進(jìn)動角θ對ρ(t)的影響與α等效。式(1)表明了目標(biāo)進(jìn)動的周期性會導(dǎo)致姿態(tài)角ρ周期性變化。對于旋轉(zhuǎn)對稱體而言,自旋不會導(dǎo)致散射場變化,但錐旋和雷達(dá)視線的變化會影響散射場,所以目標(biāo)周期性進(jìn)動會導(dǎo)致一維距離像上的散射中心位置和幅度發(fā)生周期性變化。
假設(shè)錐柱體目標(biāo)平動經(jīng)過補(bǔ)償,只考慮進(jìn)動帶來的頻率調(diào)制。進(jìn)動目標(biāo)的散射場變化的影響因素主要是錐旋,因此僅考慮目標(biāo)錐旋運(yùn)動產(chǎn)生的微多普勒特性。目標(biāo)模型如圖3 所示,假設(shè)目標(biāo)質(zhì)心點(diǎn)O 到錐柱結(jié)合的平面的距離為d1,與柱體底面的距離為d2,柱體底面半徑為r。目標(biāo)對稱軸OA 在XOY 平面內(nèi)的投影為OV,OV 與OX 的夾角為φ,在彈體上取一個固連其上的坐標(biāo)系OVWZ,OV、OW、OZ 構(gòu)成右手系。記參考坐標(biāo)系OXYZ 的單位向量基為[eX,eY,eZ],連體坐標(biāo)系OVWZ 的單位向量基為[eV,eW,eZ],則目標(biāo)體錐旋角速度向量可定義為:ω=φ?eZ=ωp?eZ,其中φ=φ0+ωpt,φ0為OA 的初始位置在XOY 平面內(nèi)的投影與OX 軸的夾角,由于φ0僅改變微多普勒的初相,不影響微多普勒的周期及幅度,所以令φ0=0,則φ=ωpt。
錐柱體目標(biāo)的散射中心可分為錐頂局部散射中心(圖1中的點(diǎn)A)、邊緣(棱線)型散射中心(圖1中的B、C、D、E)。根據(jù)電磁散射理論,彈頭頂部A通常會形成一個較強(qiáng)的散射中心,由于該散射中心位于彈體對稱軸上,其運(yùn)動規(guī)律和彈頭運(yùn)動規(guī)律相同,即以角速度ωp繞OZ做圓周運(yùn)動。根據(jù)文獻(xiàn)[10]的分析,錐頂散射點(diǎn)A 在OVWZ 坐標(biāo)系的矢量rA=(sinθ?eV+cosθ?eW)?LA,LA為OA長度,則點(diǎn)A的速度可表示為
雷達(dá)視線方向?yàn)镽LOS=[0,sinα,cosα]T,雷達(dá)發(fā)射電磁波的波長為λ,那么錐頂散射中心A 在雷達(dá)視線方向上引起的微多普勒可表示為:
由式(3)可以看出,錐頂散射中心A 的微多普勒表達(dá)式是正弦形式。
邊緣(棱線)型散射中心的微多普勒,除了受彈體微運(yùn)動的影響外,還和雷達(dá)視線與錐軸所構(gòu)成的平面有關(guān),當(dāng)旋轉(zhuǎn)對稱彈頭在自由空間進(jìn)動時,散射中心B、C、D、E 的微運(yùn)動規(guī)律和彈頭本身的進(jìn)動規(guī)律并不完全一致,因此,該處散射中心的微多普勒將不再是簡單的正弦形式。以散射中心B、E 為例,根據(jù)文獻(xiàn)[11-12]的分析,散射中心B、E 在雷達(dá)視線方向上引起的微多普勒可表示為:
其中:F(t) ?sinθsinαsinωpt+cosθcosα,i=B,E。從式(4)可以看出,滑動型散射中心的微動引起的微多普勒在余弦形式之外,增加了的調(diào)制項。對式(4)進(jìn)行泰勒展開,并忽略較小的高階項,可以得到散射中心B、E的微多普勒近似表達(dá)式為
將式(5)化簡為式(6)形式
底部邊緣形成的散射中心C、D 的微多普勒形式也如上式(4)所給出,只是d1替換為坐標(biāo)原點(diǎn)O 到底部所在平面的距離d2,同時只取加號即可。從式(5)、(6)來看,滑動型散射模型的微多普勒呈現(xiàn)顯著的非單頻性,但其微多普勒曲線表現(xiàn)出周期性,這種周期性與目標(biāo)的錐旋頻率相對應(yīng)。滑動型散射中心的微多普勒在錐旋頻率的基礎(chǔ)上增加了倍頻分量,但并未改變微多普勒的周期性。
以圖1目標(biāo)模型進(jìn)行仿真分析,利用式(1)生成不同雷達(dá)視線角下的目標(biāo)姿態(tài)角數(shù)據(jù),并結(jié)合目標(biāo)電磁仿真數(shù)據(jù),產(chǎn)生不同視線角下的目標(biāo)HRRP 序列。設(shè)目標(biāo)進(jìn)動頻率為1.5 Hz,進(jìn)動角度為10°,雷達(dá)工作參數(shù)同2.1,脈沖重復(fù)頻率為500 Hz,觀察時間設(shè)為2 s。時頻分析方法采用100 點(diǎn)的漢明窗和128點(diǎn)的短時傅里葉變化處理。
圖4、圖5給出了目標(biāo)分別在雷達(dá)視線角為50°、80°下的微多普勒時頻分析結(jié)果。圖4(a)的HRRP序列顯示50°視線角下目標(biāo)散射點(diǎn)出現(xiàn)越距離單元走動,而圖5(a)顯示的80°視線角下的目標(biāo)散射點(diǎn)出現(xiàn)重合,這一現(xiàn)象與圖2所顯示的半空間HRRP散射點(diǎn)變化一致,由于目標(biāo)進(jìn)動的周期性,一維距離像的幅度與能量強(qiáng)弱產(chǎn)生周期性變化。各自取不同距離單元的回波進(jìn)行時頻分析,當(dāng)雷達(dá)視線角為50°時,圖4 顯示目標(biāo)回波在第32、33 個距離單元的時頻圖可以觀察到區(qū)分明顯的時頻脊線,而在第34、35、36個距離單元的時頻圖出現(xiàn)了不同程度的交疊與重合;圖5 顯示目標(biāo)在80°的雷達(dá)視線角下,其回波第32個距離單元的時頻圖出現(xiàn)嚴(yán)重交疊現(xiàn)象。
旋轉(zhuǎn)體目標(biāo)的進(jìn)動導(dǎo)致各散射點(diǎn)的微動變化曲線為正弦函數(shù)或正弦函數(shù)的疊加形式,而在某些視角下,可能會出現(xiàn)散射點(diǎn)無法分離、時頻脊線交疊重合的現(xiàn)象,但我們發(fā)現(xiàn)時頻脊線的振幅與能量強(qiáng)弱均具有周期性,該周期性與進(jìn)動頻率相對應(yīng)。在本文的研究中,試圖從圖像處理技術(shù)的角度從時頻圖中提取出不同散射點(diǎn)的時頻脊線,從而估計出目標(biāo)的進(jìn)動頻率。
假設(shè)雷達(dá)回波信號經(jīng)過平動補(bǔ)償,收到Np幀HRRP 序列,其中每幅距離像的距離單元數(shù)Ns。為進(jìn)行進(jìn)動頻率的提取,將其構(gòu)建為一維距離像數(shù)據(jù)矩陣:
進(jìn)動頻率提取和分離的前提,首先通過對H0r的Nst個強(qiáng)散射中心單元依次進(jìn)行STFT處理,得到散射點(diǎn)的時頻分布圖,由于HRRP在經(jīng)過平動補(bǔ)償后,時頻曲線會聚焦在零頻附近,在時頻曲線交點(diǎn)處,容易產(chǎn)生錯誤關(guān)聯(lián)而無法分離各個曲線。在這里提出利用自適應(yīng)閾值的方法從時頻圖中提取時頻脊線。
STFT的定義為:
x(t)為待處理信號,g(t)為窗函數(shù)。假設(shè)時頻圖中存在p條時頻脊線,通過遍歷每一時刻的頻譜提取時頻脊線,設(shè)t時刻的頻譜為:
Ei為第i個頻點(diǎn)的幅值,ωi為第i個頻點(diǎn)的頻率值。首先對ft(i)進(jìn)行歸一化:操作步驟如下:
步驟1首先,設(shè)立能量幅度閾值e為0.15,判斷滿足ft(ωi)>e條件的頻點(diǎn)值個數(shù),假設(shè)滿足該條件的頻點(diǎn)值有k個,即ωi1,ωi2,...,ωik;若k>p,則令e=e+0.01,通過提高閾值,去掉旁瓣;若k=0,則令e=e-0.005;若k<p,則令ωi[(k+1):p]=ωik,直至k=p,則退出循環(huán)。此時,在t時刻可提取出p個頻點(diǎn)值。
步驟2提取完所有時刻點(diǎn)的頻譜值后,此時獲得一個p×m維矩陣表示第k個散射點(diǎn),在第tm時刻提取的頻率值大小。由于目標(biāo)短時間運(yùn)動過程中,可認(rèn)為回波信號是平穩(wěn)的,其時頻變化曲線的幅度大小相對平穩(wěn)。利用此特點(diǎn),對Wp×m矩陣進(jìn)行重排,每一列按照頻率幅值由小到大排序,,重排后的矩陣為。
步驟3利用卡爾曼濾波方法對的每一條時頻脊線進(jìn)行平滑處理。
需要說明的是,步驟1 中的閾值e的設(shè)定沒有嚴(yán)格的要求,由于能量幅度已經(jīng)過歸一化處理,因此需要滿足e∈(0,1),該步驟的最終目的是提取出p個頻點(diǎn)值,e的值越大,能提取到的頻點(diǎn)值越少,e的值越小,則提取到的頻點(diǎn)值越精確。
在2.3 節(jié)的分析中,進(jìn)動時目標(biāo)的微多普勒頻率曲線為周期函數(shù),其頻率分量一定是進(jìn)動頻率的倍數(shù),因此這為進(jìn)動頻率的提取提供了途徑。該曲線的振動頻率等于進(jìn)動頻率。通過3.2 的三個步驟,提取了散射中心的時頻線Xk(tm)
其中Xk(tm)為第k個散射點(diǎn)的微多普勒曲線。時頻脊線去除直流分量的影響,利用快速傅里葉變換分別對p條時頻脊線曲線進(jìn)行頻譜分析,
獲得相應(yīng)的頻譜曲線Fk(fn),fn=f1,...,fN,fN為采樣頻率,取能量較大的頻率分量作為進(jìn)動頻率估計值
為第k個散射點(diǎn)進(jìn)動頻率估計值。最后取p條時頻曲線的進(jìn)動頻率的平均值作為最后估計的進(jìn)動頻率為:
在3.1 的預(yù)處理中,提取出了Nst個強(qiáng)散射中心單元,對每個強(qiáng)散射中心單元重復(fù)以上步驟,獲得Nst個進(jìn)動頻率估計值,對其求均值,得到最終的頻率估計值。
實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)由仿真獲得,仿真流程如圖6所示,首先采用衛(wèi)星工具箱(STK)生成彈道數(shù)據(jù),再利用電磁散射仿真工具(FEKO)生成電磁仿真數(shù)據(jù)。
STK軟件負(fù)責(zé)對戰(zhàn)場環(huán)境、彈頭平動微動、地球自轉(zhuǎn)、引力等因素進(jìn)行綜合仿真,并生成任意時刻下雷達(dá)視線角、飛行距離、速度等數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)所用彈道發(fā)射地經(jīng)緯度為(43.32,63.11),落點(diǎn)經(jīng)緯度為(116.40,39.89),關(guān)機(jī)點(diǎn)位置(82.76,60.52),取彈道中段的飛行時間進(jìn)行實(shí)驗(yàn),觀測時間總長為297 s。在觀測段中雷達(dá)視線與導(dǎo)彈運(yùn)動軌跡切線方向夾角(即雷達(dá)視線角)變化如圖7所示。
目標(biāo)散射模型由FEKO 軟件進(jìn)行仿真。電磁仿真參數(shù)設(shè)置如下:雷達(dá)信號為X波段的步進(jìn)頻信號,信號載頻起始頻率為8.5 GHz,終止頻率為9.5 GHz,工作頻率步長為15.675 MHz,電磁計算的求解方式為PO算法。目標(biāo)尺寸如圖1所示,目標(biāo)運(yùn)動參數(shù)見表1,三個目標(biāo)的目標(biāo)尺寸相同,微動參數(shù)不同。
表1 目標(biāo)微動參數(shù)Tab.1 Simulation parameters
通過FEKO 軟件計算生成電磁數(shù)據(jù)包含在.ffe文件中,其包括了各入射點(diǎn)和反射點(diǎn)的散射電場E(n)。目標(biāo)頻域響應(yīng)序列Sr(t,n)與E(n)的對應(yīng)關(guān)系如式(17)所示為:
對序列Sr(t,n)進(jìn)行逆傅里葉變換即獲得HRRP。
圖8 是雷達(dá)前1000 次回波得到的彈頭及誘餌的一維距離像序列。提取彈頭和誘餌的一維距離像序列的強(qiáng)散射中心單元,并應(yīng)用STFT 獲得時頻分布圖如圖9 所示,從圖中可觀察到時頻脊線的幅度強(qiáng)弱存在周期性變化,并且也不是嚴(yán)格意義上的正弦曲線。
接下來對時頻圖提取時頻脊線,效果如圖10所示,從提取效果來看,本文所提的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)的方法,能夠準(zhǔn)確分離出時頻脊線。
對獲得的時頻脊線去直流分量后分別進(jìn)行FFT,如圖11 所示,T1 目標(biāo)的P1、P2散射點(diǎn)時頻脊線的頻譜最大值分別為1.4648 Hz、1.4648 Hz,T2 目標(biāo)的P1、P2散射點(diǎn)時頻脊線的FFT 頻率最大值分別為1.9531 Hz、1.9531 Hz。
最后獲得T1 的估計值為1.4726 Hz,T2 的估計值為2.0215 Hz,與真實(shí)值誤差較小。
為了驗(yàn)證本文算法在不同噪聲影響下的穩(wěn)定性,本文對仿真的信號加入高斯白噪聲,信噪比從SNR=-5 以1 dB 的步進(jìn)遞增到20 dB,不同信噪比下進(jìn)行100次蒙特卡洛實(shí)驗(yàn)獲得進(jìn)動參數(shù)的估計誤差。取T2目標(biāo)進(jìn)行進(jìn)動頻率估計實(shí)驗(yàn),雷達(dá)脈沖重復(fù)頻率設(shè)為500 Hz,回波積累時長為2 s。結(jié)果如圖12所示(圖12(b)的均方誤差結(jié)果利用20 log()處理成dB 單位),從結(jié)果來看,當(dāng)信噪比大于1 dB 時,進(jìn)動頻率的估計均方根誤差趨于平穩(wěn),與文獻(xiàn)[7]提出的序列差分方法進(jìn)行比較,本文算法在信噪比較低的情況下,依然具有良好的提取效果。
為了驗(yàn)證本文算法在彈道目標(biāo)整個觀測段的提取效果,對彈道回波疊加信噪比為12 dB 的高斯白噪聲,回波積累窗長為2 s,窗口步進(jìn)1 s,共有297 個統(tǒng)計窗口。雷達(dá)工作方式不變,PRF 設(shè)為500 Hz,目標(biāo)參數(shù)不變,對每個統(tǒng)計窗中的HRRP 序列提取目標(biāo)進(jìn)動頻率,最后對297個估計值求平均,結(jié)果如表2 所示,三個目標(biāo)的估計結(jié)果均靠近真實(shí)值。
表2 彈道中段目標(biāo)進(jìn)動頻率估計結(jié)果Tab.2 Precession frequency estimation of ballistic missiles in midcourse phase
本文通過分析彈道導(dǎo)彈的錐柱體目標(biāo)的進(jìn)動模型與散射點(diǎn)模型,利用散射點(diǎn)在HRRP 序列上的周期特性,運(yùn)用時頻分析方法獲得時頻圖,提取目標(biāo)的微多普勒頻率,并估計目標(biāo)進(jìn)動參數(shù)。仿真結(jié)果表明,該方法利用圖像處理方式能夠在一定程度上消除噪聲的影響,并且能解決不同視角下時頻脊線重合的問題,有效地估計出進(jìn)動參數(shù),具有較好的穩(wěn)定性和抗噪性。
中段彈頭目標(biāo)結(jié)構(gòu)一般較為簡單,散射中心位置要滿足在觀測期間有一個強(qiáng)散射中心的條件。文中實(shí)驗(yàn)只分析了兩個散射中心的情況,實(shí)際中,目標(biāo)可能存在兩個或兩個以上的散射中心,本文所提的方法依然適用,并且散射點(diǎn)對應(yīng)位置關(guān)聯(lián)的方法也相對簡單。