毫米波辐射计的波形模拟与目标识别

毫米波辐射计的波形模拟与目标识别
摘要在毫米波辐射计工作原理的基础上，建立了辐射计探测叠属目标精出信号的模型．根据 波形特点提出一种目标识别方案，给出仿真结果，并讨论了识别方案的计算量问题． 关键词毫米波辐射计，袁观温度．目标识别 i1妻私摸拟

引言 随着无源探测技术的发展，毫米波被动式探测技术有着广阔的应用前景．本文在分析被 动式毫米波探测器工作原理的基础上，建立了毫米波辐射计天线温度的数学模型，并进一步 把目标特性模型推广到接收机输出端口．根据辐射计波形的特点，提出一种被动式目标识别 方案，利用目标特性模型进行了目标识别的仿真；还讨论了这一识别方案的实时性问题，为 进一步的工作提供了依据．

1 毫米波辐射计的建模
1．1 毫米波辐射计工作原理. 毫米波辐射计是一种高灵敏度无线电接收系统，它利用物体在毫米波段哪辐射特rl生 异来探测目标．物体的表观温度 ( ， 与实际温度丁的关系为 T ( ， 一E( ， ， (1) 式(1)中， 为入射角， 为方位角，E( ， 为物质在( ， 方向的发射率．由于e不同，同一环 境下物理温度相同的不同物质表观温度可能相差很大．金属目标的毫米波发射率近似为零， 地面发射率则很高，为0．935左右．因此．放在地面上的金属无论实际温度多高，其表观温度 总近似为0(仅反射天顶温度)，与地面有较高的温度对比度．故被动式毫米波探测器能探测 及识别地面金属目标． 不计电磁辐射穿过大气时的衰减效应，同时假设辐射特性变化缓慢，方位角的变化不影 响测量，接收机接收地面辐射时，天线附近的辐射温度可表示为 Tae( ，△，)一 ( ) + E ( )丁 + ( )了 + ( )了 ( )t (2) 式(2)中．Af为接收机带宽； 为地面反射系数； 、 分别为地面和大气的发射率；丁 、丁 分 别为地面和大气的物理温度；丁 为天空的辐射温度．当天线波束扫描到金属目标时，辐射计 红外与毫米波学报 天线附近温度为 丁一 + ( )， (3) 式(3)中，尸r为金属日标的反射系数．由式(3)和(4)得到地面和金属目标的对比度为 rT = T Bl 。△ — T 口 = P|( ) + ￡，(口)丁；+ ￡ ( )T + P|( )丁 ( )一PrT，一PrT ￡ ( )． (4) 一般金属目标和地面之间有较高的温度对比度，检测△7 就能探测及识别地面金属目 标．
1．2 辐射计输出信号的数学模型 设接收机天线功率方向图为G( ， ，物体 的辐射温度为丁( ， ，则天线温度可表示为 = J丁( m(口， 曲， (5) 抽 式(5)中，丁( ， 采用式(4)的模型．G( ， 则 可近似为 G( ， = G 一 · (6) 式(6)中 为天线波束中心的功率增益}b为 波形系数f 为扫描点与波束中心夹角．辐射计 与目标交会情况如图1所示．图1中天线距一 图1 辐射计与目标交会情况 面的高度为H，波束对称轴与z轴夹角为8 ，目标面积为(z。一z。)×( 。一 )，目标中心的 方位角为a，目标中心0’与原点0的距离为r．依据物体的电磁辐射机理，利用式(4)和(5)， 可推出(推导过程从略)计算辐射计天线温度的数学模型[ z 为 一 ex {一 [arcc。s 瀚。) + +日z)} ， (7) 式(7)中，△7 一7 一丁—代表目标与背景之间的温度对比度，aT．=T．-T．代表天线温度变 化量． 在交漉式全功率辐射计中，天线波束在温度对比度为△7 的“热”背景(如地面)和冷目 标之间扫描，得到天线温度变化量△ 的信息}经天线接收进来之后，经过混频、中放，再经 过平方律检波、视放，将功率转化为电压的形式．根据式(7)，辐射计的输出信号(电压)可表 示为 re(t)=f’(△7 ， )= f(ATr，而一 I， 一 1，H ，a，r，f， )， (8) 式(8)中， 为与接收机处理电路有关的参数(其中包括平方律检波器功率灵敏度常数、放大 器增益、系统带宽以及机内噪声影响等)． 从式(8)可见：辐射计输出信号中包含着目标的所有信息，即辐射特性(△7 )和几何尺 寸以及交会的距离 方位、扫描情况等信息．目标识别的任务就是通过对输出信息进行分析 来分辨真假目标及确定目标中心部位．
1．3 辐射计输出信号的仿真 仿真实验中设定辐射计参数为：天线增益G。一26dB；天线3dB波束宽度‰ =4。；辐射 计下落方向与地面法线夹角 一30。；恒定转速为 一4rps{恒定降落速度为lOm／s．同时假 设目标与背景有确定的温度对比度△71T．采样闻龋为0．1875ms．利用式(8)可求出任意交会 情况下的仿真输出渡形．图2给出方位角a=0。，偏移量 =m时，对3×6m 长方形目标进 行扫描获得的30～130m、每隔10m的辐射计输出波形．图3所示为H=40m， 一0。、45。、 90。，d一0，0．5m时扫描3×4m 、3×6m 、4x6m 目标得到的每组6个波形． 图2 3×6m 目标不同高度下的波形 图3 相同高度下不同尺寸的目标波形 由图(2)和(3)中波形可见：(1)当天线波束在地面投影面积与目标面积相近的情况 下，辐射计的输出信号为钟形脉冲，峰值点对应着与扫描方向垂直的目标中线，且具有近似 对称性(因目标面积的对称性而异)，(2)随着高度的降低．峰值变高(输出信号变强)，脉冲 变宽，斜率变大}(3)输出波形的峰值及脉宽同时受到扫描方向角及偏移量的影响，(4)辐 射计输出信号的强弱受到日标尺寸的影响}尺寸越大，信号越强． 为比较仿真信号与实际信号，本实验室利用具有上述工作参数的8ram辐射计对不同 面积的仿真目标进行高塔实验，并利用HY一60g0系列数据采集系统采出信号．图4给出了 口=0。时测量高度分剐为60m、90m及120m下对3×4m 和3×6m 目标实际测得的波形． 从最小相对误差能量的角度出发，引入相关参数 ． ． = 『x(t)y(t)dt／[J ， (t)dtJ『 (f)dt]} (9) 来表示信号z(t)和 (￡)的相似度．利用式(9)，求各自目标30m~lOOm每一高度下l5组， 共8X15组仿真波形与相应实测波形的平均相似度，计算结果为92．63 ． 在实际测试中，辐射计输出信号受诸多因素的影响，如大气干扰、地面杂波、辐射计本身 振动和抖动、电路噪声及目标辐射特性的不均匀性、形状不规则性等，因此输出信号包含许 多杂波．在波形仿真中．我们根据环境采用不同的杂波模型进行杂波仿真，叠加在理想信号 上．对输出信号分析之前，首先采用平滑滤波器进行预处理；同时，杂波中的目标检测可采用 恒虚警处理，常见的方法有滑窗式检测和杂波图CFAR．滑窗式检测利用临近单元的杂波样 本对杂波强度进行估计以形成检测门限，实现简单，并能满足实时性要求． 图4 仿真目标的实测波形 Fig-4 The test waveform of simulated targets (a)3×6m target (b)3×4m target

2 被动式探测系统目标的识别 主动体制探测系统可以发射各种调制信号，从而能够获得大量关于目标距离、方位、速 度甚至形状的信息，而被动式的目标识别只能立足于辐射计的一维输出信号．
2．1 特征提取 基于一维波形的常用特征有FOBW 特征、波形特征及频谱特征等．从目标仿真实验得 出结论：目标的尺寸、探测系统与目标的交会情况等信息，反映在回波信号的能量、峰值、脉 冲宽度、最大最小升降斜率以及波形的对称性等各个方面．因此可根据具体情况选择时域回 波参量中合适的特征作为模板，经过对不同目标和各种交会条件下的大量计算、分析，本文 选取输出信号波形的宽度、峰值和反映目标辐射能量的波型面积、作为特征，建立不同高度 下真目标及两类与真目标相近的假目标的模板库，利用模式识别方法将真假目标分开． 为建立某一高度下的目标模板，对交会参数设置如下：方位角取O。，30 ．45 ，60。，90。等 5个角度，基本代表0~360。范围内的不同方位角情况：偏移量取0，0．25，0．5m，保证了接 收信号是扫描过物体中心时得到的．这样，在一个高度下产生3×5共15个波形，基本上能 覆盖该高度下的所有数据空间，求出15组波形特征，并统计均值和方差，分别作为模板及用 于求模板各特征量的隶属函数．表1给出真假3种目标在四个高度下的模板． 从表1中可以看出，同一高度下特征矢量的值随目标尺寸的增大而增大，不同大小的目 标特征有明显而稳定的差异．同一目标在不同高度下的特征量随高度的降低而增大．因此利 用对应高度下的模板可识别大小不同的目标．
2．2 且标识别 在毫米波辐射计目标识别中，既要考虑识别方法的抗噪性、有效性．又要尽量减少计算 量，满足实时性要求．本文提出一种基于模糊识别与统计模式识别的方法． 本文引入模糊方法的依据是；在一定高度下目标特征受方位角、偏移量等影响具有一定 的模糊度，利用模糊函数能表示出目标模式的软边界，较几何边界更可靠．这里基于统计意 义，假定所用特征均为单一参数特征量，关于目标类别的隶属度函数符合正态分布。 表1 三种目I辱i在不同高度下的横板 Table 1M odels oftllreetat*gets at different~ lght 目标／ 高度／m 能量／mY．啪 峰值／mY 脉竟／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分别为第 类目标若干样本的第i个特征的均值及方差， 为待识别特征向 量的第i个分量．先利用式(9)求出Xj~相对于 类模式的隶属度凡，然后对厶加权平均： c = 耋 凡， (11) . 将 作为x对于J类模式的隶属度． 为权值．分类的判别规则根据统计意义确定： Cx=maxCf，且有c ≥ l，c ^< 如} (12) . 则X判为 类，否则拒识． ，以为两个决策门限．可根据系统的灵敏度、设计工作情况和精 度要求确定． 在目标识别方案中，将3×6m。的金属物体枧为真目标，为作对比，设置3×4m 、4×6m2 两种假目标I利用前面所述方法对三种目标在30≤h≤130m之间预先建立每隔10m的特 征模板．对未知目标回波识别时，先求波形特征．然后求出该特征对应于相应高度下三类模 板的隶属度．利用式(11)的判别规则进行分类，给出三类模板的隶属度与分类结果．表2为 30m~130m高度下，对2O组3×6m 目标波形的识别结果． 由表2识别结果可看出．辐射计对3×6m。目标的最佳识别距离为50~90m．辐射计距 离目标较近时，方位角和偏移量的变化使目标特征量不稳定，影响了真实目标特征与目标模 板的匹配}在较高的高度下，辐射计接收到的信号较弱，使辐射计目标识别率随高度增大面 降低．表2中30m以下和120m以上识别率下降很快，除特征不稳定原因外，还跟门限选取 有关．实际应用中，可适当调整门限8 和8 ，以获得最佳识别效果． 寰2 不同■ 度下的识剐率 T-hie 2R~ tion rate-t ddl’Cermt hd|ht 高度／m 30 40 50 60 70 80 9O 100 11o 120 130 识别率／( ) 25 60 75 B5 8O 80 8O 65 55 25 0
2．3 计算量的分析 在工程实现中，特征的提取采用模拟及高速数字电路，可近似及时地得到三个特征量． 在隶属度计算中，待识别特征矢量对三个模板的隶属度计算共需l2次加法、21次乘法、9次 指数运算．若利用工作频率为12MHz的单片机8098／96系列实现3字节浮点运算，精度< 1／65536(：4]，整个隶属计算及判别共用时间不超过4ms．如果指数运算根据计算范围和精度 预先建表，然后通过查表方式获得．则时间不超过2ms．因此，整个特征提取和目标识别系统 工作时间<5ms． 本文讨论了毫米波辐射计探测金属日标时的波形建模及目标识别等问题．基于毫米渡 辐射计的工作原理，给出了弹载模式下关于目标辐射特性(LtTr)、尺寸以及交会情况的输出 波形模型．在背景温度确知的条件下对不同尺寸的目标进行仿真，通过仿真波形和时涮波形 的对比论证了模型的准确性与实用性．根据仿真波形的变化规律设计了满足实时性要求的 目标识别方案，识别结果说明辐射计的最佳作用距离为50~90m．这些结论为进一步研究弹 载辐射计在复杂环境下形状对不规则目标的识别提供了依据．