毫米波輻射計的波形模擬與目標識別

毫米波輻射計的波形模擬與目標識別
摘要在毫米波輻射計工作原理的基礎(chǔ)上，建立了輻射計探測疊屬目標精出信號的模型．根據(jù) 波形特點提出一種目標識別方案，給出仿真結(jié)果，并討論了識別方案的計算量問題． 關(guān)鍵詞毫米波輻射計，袁觀溫度．目標識別 i1妻私摸擬

引言 隨著無源探測技術(shù)的發(fā)展，毫米波被動式探測技術(shù)有著廣闊的應(yīng)用前景．本文在分析被 動式毫米波探測器工作原理的基礎(chǔ)上，建立了毫米波輻射計天線溫度的數(shù)學(xué)模型，并進一步 把目標特性模型推廣到接收機輸出端口．根據(jù)輻射計波形的特點，提出一種被動式目標識別 方案，利用目標特性模型進行了目標識別的仿真；還討論了這一識別方案的實時性問題，為 進一步的工作提供了依據(jù)．

1 毫米波輻射計的建模
1．1 毫米波輻射計工作原理. 毫米波輻射計是一種高靈敏度無線電接收系統(tǒng)，它利用物體在毫米波段哪輻射特rl生 異來探測目標．物體的表觀溫度 ( ， 與實際溫度丁的關(guān)系為 T ( ， 一E( ， ， (1) 式(1)中， 為入射角， 為方位角，E( ， 為物質(zhì)在( ， 方向的發(fā)射率．由于e不同，同一環(huán) 境下物理溫度相同的不同物質(zhì)表觀溫度可能相差很大．金屬目標的毫米波發(fā)射率近似為零， 地面發(fā)射率則很高，為0．935左右．因此．放在地面上的金屬無論實際溫度多高，其表觀溫度 總近似為0(僅反射天頂溫度)，與地面有較高的溫度對比度．故被動式毫米波探測器能探測 及識別地面金屬目標． 不計電磁輻射穿過大氣時的衰減效應(yīng)，同時假設(shè)輻射特性變化緩慢，方位角的變化不影 響測量，接收機接收地面輻射時，天線附近的輻射溫度可表示為 Tae( ，△，)一 ( ) + E ( )丁 + ( )了 + ( )了 ( )t (2) 式(2)中．Af為接收機帶寬； 為地面反射系數(shù)； 、 分別為地面和大氣的發(fā)射率；丁 、丁 分 別為地面和大氣的物理溫度；丁 為天空的輻射溫度．當(dāng)天線波束掃描到金屬目標時，輻射計 紅外與毫米波學(xué)報 天線附近溫度為 丁一 + ( )， (3) 式(3)中，尸r為金屬日標的反射系數(shù)．由式(3)和(4)得到地面和金屬目標的對比度為 rT = T Bl �！� — T 口 = P|( ) + ￡，(口)��；+ ￡ ( )T + P|( )丁 ( )一PrT，一PrT ￡ ( )． (4) 一般金屬目標和地面之間有較高的溫度對比度，檢測△7 就能探測及識別地面金屬目 標．
1．2 輻射計輸出信號的數(shù)學(xué)模型 設(shè)接收機天線功率方向圖為G( ， ，物體 的輻射溫度為丁( ， ，則天線溫度可表示為 = J丁( m(口， 曲， (5) 抽 式(5)中，丁( ， 采用式(4)的模型．G( ， 則 可近似為 G( ， = G 一 · (6) 式(6)中 為天線波束中心的功率增益}b為 波形系數(shù)f 為掃描點與波束中心夾角．輻射計 與目標交會情況如圖1所示．圖1中天線距一 圖1 輻射計與目標交會情況 面的高度為H，波束對稱軸與z軸夾角為8 ，目標面積為(z。一z。)×( 。一 )，目標中心的 方位角為a，目標中心0’與原點0的距離為r．依據(jù)物體的電磁輻射機理，利用式(4)和(5)， 可推出(推導(dǎo)過程從略)計算輻射計天線溫度的數(shù)學(xué)模型[ z 為 一 ex {一 [arcc。s 瀚。) + +日z)} ， (7) 式(7)中，△7 一7 一丁—代表目標與背景之間的溫度對比度，aT．=T．-T．代表天線溫度變 化量． 在交漉式全功率輻射計中，天線波束在溫度對比度為△7 的“熱”背景(如地面)和冷目 標之間掃描，得到天線溫度變化量△ 的信息}經(jīng)天線接收進來之后，經(jīng)過混頻、中放，再經(jīng) 過平方律檢波、視放，將功率轉(zhuǎn)化為電壓的形式．根據(jù)式(7)，輻射計的輸出信號(電壓)可表 示為 re(t)=f’(△7 ， )= f(ATr，而一 I， 一 1，H ，a，r，f， )， (8) 式(8)中， 為與接收機處理電路有關(guān)的參數(shù)(其中包括平方律檢波器功率靈敏度常數(shù)、放大 器增益、系統(tǒng)帶寬以及機內(nèi)噪聲影響等)． 從式(8)可見：輻射計輸出信號中包含著目標的所有信息，即輻射特性(△7 )和幾何尺 寸以及交會的距離 方位、掃描情況等信息．目標識別的任務(wù)就是通過對輸出信息進行分析 來分辨真假目標及確定目標中心部位．
1．3 輻射計輸出信號的仿真 仿真實驗中設(shè)定輻射計參數(shù)為：天線增益G。一26dB；天線3dB波束寬度‰ =4。；輻射 計下落方向與地面法線夾角 一30。；恒定轉(zhuǎn)速為 一4rps{恒定降落速度為lOm／s．同時假 設(shè)目標與背景有確定的溫度對比度△71T．采樣聞齲為0．1875ms．利用式(8)可求出任意交會 情況下的仿真輸出渡形．圖2給出方位角a=0。，偏移量 =m時，對3×6m 長方形目標進 行掃描獲得的30～130m、每隔10m的輻射計輸出波形．圖3所示為H=40m， 一0。、45。、 90。，d一0，0．5m時掃描3×4m 、3×6m 、4x6m 目標得到的每組6個波形． 圖2 3×6m 目標不同高度下的波形 圖3 相同高度下不同尺寸的目標波形 由圖(2)和(3)中波形可見：(1)當(dāng)天線波束在地面投影面積與目標面積相近的情況 下，輻射計的輸出信號為鐘形脈沖，峰值點對應(yīng)著與掃描方向垂直的目標中線，且具有近似 對稱性(因目標面積的對稱性而異)，(2)隨著高度的降低．峰值變高(輸出信號變強)，脈沖 變寬，斜率變大}(3)輸出波形的峰值及脈寬同時受到掃描方向角及偏移量的影響，(4)輻 射計輸出信號的強弱受到日標尺寸的影響}尺寸越大，信號越強． 為比較仿真信號與實際信號，本實驗室利用具有上述工作參數(shù)的8ram輻射計對不同 面積的仿真目標進行高塔實驗，并利用HY一60g0系列數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采出信號．圖4給出了 口=0。時測量高度分剮為60m、90m及120m下對3×4m 和3×6m 目標實際測得的波形． 從最小相對誤差能量的角度出發(fā)，引入相關(guān)參數(shù) ． ． = 『x(t)y(t)dt／[J ， (t)dtJ『 (f)dt]} (9) 來表示信號z(t)和 (￡)的相似度．利用式(9)，求各自目標30m~lOOm每一高度下l5組， 共8X15組仿真波形與相應(yīng)實測波形的平均相似度，計算結(jié)果為92．63 ． 在實際測試中，輻射計輸出信號受諸多因素的影響，如大氣干擾、地面雜波、輻射計本身 振動和抖動、電路噪聲及目標輻射特性的不均勻性、形狀不規(guī)則性等，因此輸出信號包含許 多雜波．在波形仿真中．我們根據(jù)環(huán)境采用不同的雜波模型進行雜波仿真，疊加在理想信號 上．對輸出信號分析之前，首先采用平滑濾波器進行預(yù)處理；同時，雜波中的目標檢測可采用 恒虛警處理，常見的方法有滑窗式檢測和雜波圖CFAR．滑窗式檢測利用臨近單元的雜波樣 本對雜波強度進行估計以形成檢測門限，實現(xiàn)簡單，并能滿足實時性要求． 圖4 仿真目標的實測波形 Fig-4 The test waveform of simulated targets (a)3×6m target (b)3×4m target

2 被動式探測系統(tǒng)目標的識別 主動體制探測系統(tǒng)可以發(fā)射各種調(diào)制信號，從而能夠獲得大量關(guān)于目標距離、方位、速 度甚至形狀的信息，而被動式的目標識別只能立足于輻射計的一維輸出信號．
2．1 特征提取 基于一維波形的常用特征有FOBW 特征、波形特征及頻譜特征等．從目標仿真實驗得 出結(jié)論：目標的尺寸、探測系統(tǒng)與目標的交會情況等信息，反映在回波信號的能量、峰值、脈 沖寬度、最大最小升降斜率以及波形的對稱性等各個方面．因此可根據(jù)具體情況選擇時域回 波參量中合適的特征作為模板，經(jīng)過對不同目標和各種交會條件下的大量計算、分析，本文 選取輸出信號波形的寬度、峰值和反映目標輻射能量的波型面積、作為特征，建立不同高度 下真目標及兩類與真目標相近的假目標的模板庫，利用模式識別方法將真假目標分開． 為建立某一高度下的目標模板，對交會參數(shù)設(shè)置如下：方位角取O。，30 ．45 ，60。，90。等 5個角度，基本代表0~360。范圍內(nèi)的不同方位角情況：偏移量取0，0．25，0．5m，保證了接 收信號是掃描過物體中心時得到的．這樣，在一個高度下產(chǎn)生3×5共15個波形，基本上能 覆蓋該高度下的所有數(shù)據(jù)空間，求出15組波形特征，并統(tǒng)計均值和方差，分別作為模板及用 于求模板各特征量的隸屬函數(shù)．表1給出真假3種目標在四個高度下的模板． 從表1中可以看出，同一高度下特征矢量的值隨目標尺寸的增大而增大，不同大小的目 標特征有明顯而穩(wěn)定的差異．同一目標在不同高度下的特征量隨高度的降低而增大．因此利 用對應(yīng)高度下的模板可識別大小不同的目標．
2．2 且標識別 在毫米波輻射計目標識別中，既要考慮識別方法的抗噪性、有效性．又要盡量減少計算 量，滿足實時性要求．本文提出一種基于模糊識別與統(tǒng)計模式識別的方法． 本文引入模糊方法的依據(jù)是；在一定高度下目標特征受方位角、偏移量等影響具有一定 的模糊度，利用模糊函數(shù)能表示出目標模式的軟邊界，較幾何邊界更可靠．這里基于統(tǒng)計意 義，假定所用特征均為單一參數(shù)特征量，關(guān)于目標類別的隸屬度函數(shù)符合正態(tài)分布。 表1 三種目I辱i在不同高度下的橫板 Table 1M odels oftllreetat*gets at different~ lght 目標／ 高度／m 能量／mY．啪 峰值／mY 脈竟／ms a0 1．1078士0．2056 0．0996士0．0026 11．025士2 5276 60 0．3824士n 0258 0．0518士0．0022 6．7312士0 5926 90 0．1864士0．0200 n 0284士0．0012 5．7562士0．4716 l20 0．1068士0．0150 0．0177士0．0017 5．0875士0．7982 30 0．8684士0．0575 0．0蜘2士0．0023 9．0625士0．7944 60 0 2717士0．0218 0．040l士0．0018 6．1031士0．3520 90 0．1248士0．0135 0．02U 士0．0014 5．1375士0．5522 12O 0．0742士0．0187 0．0131士0．0014 4．1750士n 9176 30 1．3900士0．1617 0．1110士0．0016 l2．6250士1．8174 60 0．4989士0．0301 0．0645士0．∞ 19 7．1625士O．5726 90 0．2467士0 0197 0．0368士0．oo16 6．13l2士0．3994 l20 0．1520士n 0159 0 0235士O．0017 5．5500士0．6640 =exp[一(墨一ao) ／4b,j]， (1O) 式(1 o)中alj，bq分別為第 類目標若干樣本的第i個特征的均值及方差， 為待識別特征向 量的第i個分量．先利用式(9)求出Xj~相對于 類模式的隸屬度凡，然后對厶加權(quán)平均： c = 耋 凡， (11) . 將 作為x對于J類模式的隸屬度． 為權(quán)值．分類的判別規(guī)則根據(jù)統(tǒng)計意義確定： Cx=maxCf，且有c ≥ l，c ^< 如} (12) . 則X判為 類，否則拒識． ，以為兩個決策門限．可根據(jù)系統(tǒng)的靈敏度、設(shè)計工作情況和精 度要求確定． 在目標識別方案中，將3×6m。的金屬物體枧為真目標，為作對比，設(shè)置3×4m 、4×6m2 兩種假目標I利用前面所述方法對三種目標在30≤h≤130m之間預(yù)先建立每隔10m的特 征模板．對未知目標回波識別時，先求波形特征．然后求出該特征對應(yīng)于相應(yīng)高度下三類模 板的隸屬度．利用式(11)的判別規(guī)則進行分類，給出三類模板的隸屬度與分類結(jié)果．表2為 30m~130m高度下，對2O組3×6m 目標波形的識別結(jié)果． 由表2識別結(jié)果可看出．輻射計對3×6m。目標的最佳識別距離為50~90m．輻射計距 離目標較近時，方位角和偏移量的變化使目標特征量不穩(wěn)定，影響了真實目標特征與目標模 板的匹配}在較高的高度下，輻射計接收到的信號較弱，使輻射計目標識別率隨高度增大面 降低．表2中30m以下和120m以上識別率下降很快，除特征不穩(wěn)定原因外，還跟門限選取 有關(guān)．實際應(yīng)用中，可適當(dāng)調(diào)整門限8 和8 ，以獲得最佳識別效果． 寰2 不同■ 度下的識剮率 T-hie 2R~ tion rate-t ddl’Cermt hd|ht 高度／m 30 40 50 60 70 80 9O 100 11o 120 130 識別率／( ) 25 60 75 B5 8O 80 8O 65 55 25 0
2．3 計算量的分析 在工程實現(xiàn)中，特征的提取采用模擬及高速數(shù)字電路，可近似及時地得到三個特征量． 在隸屬度計算中，待識別特征矢量對三個模板的隸屬度計算共需l2次加法、21次乘法、9次 指數(shù)運算．若利用工作頻率為12MHz的單片機8098／96系列實現(xiàn)3字節(jié)浮點運算，精度< 1／65536(：4]，整個隸屬計算及判別共用時間不超過4ms．如果指數(shù)運算根據(jù)計算范圍和精度 預(yù)先建表，然后通過查表方式獲得．則時間不超過2ms．因此，整個特征提取和目標識別系統(tǒng) 工作時間<5ms． 本文討論了毫米波輻射計探測金屬日標時的波形建模及目標識別等問題．基于毫米渡 輻射計的工作原理，給出了彈載模式下關(guān)于目標輻射特性(LtTr)、尺寸以及交會情況的輸出 波形模型．在背景溫度確知的條件下對不同尺寸的目標進行仿真，通過仿真波形和時涮波形 的對比論證了模型的準確性與實用性．根據(jù)仿真波形的變化規(guī)律設(shè)計了滿足實時性要求的 目標識別方案，識別結(jié)果說明輻射計的最佳作用距離為50~90m．這些結(jié)論為進一步研究彈 載輻射計在復(fù)雜環(huán)境下形狀對不規(guī)則目標的識別提供了依據(jù)．