弹头目标高精度微动特征提取实验研究.pdf

第37卷 第3期2023年6月空 天 预 警 研 究 学 报Journal of Air&Space Early Warning ResearchVol.37 No.3Jun.2023收稿日期：2023-06-30作者简介：夏鹏(1986-)，男，高级工程师，博士，主要从事雷达信号处理、目标识别及机器学习研究弹头目标高精度微动特征提取实验研究夏鹏1,2，杨雪亚1,2，李全利1,2，朱子平1,2（1.中国电子科技集团公司 第三十八研究所，合肥 230088；2.孔径阵列与空间探测安徽省重点实验室，合肥 230088）摘要：弹道目标实际作战场景回波数据获取困难，对弹头目标微动特性的研究多停留在理论层面，且多基于理想散射点回波模型为此，依据宽/窄带交替的弹头目标高精度微动特征提取原理，构建了弹头目标微动效应微波暗室模拟平台，用以产生逼近真实条件下的弹头目标回波数据；设计了光滑弹头模型和粘贴锡箔纸团弹头模型两种实验场景，对实验数据进行了分析实验结果验证了弹头目标中存在的微动成分情况以及相关微动特征提取算法的有效性，为相关算法投入工程应用奠定了基础关键词：弹头目标；微动特征；宽带雷达；高精度测距中图分类号：TN957文献标识码：A文章编号：2097-180X(2023)03-0170-05击中飞行中的弹头是对反导拦截系统的终极考验，这个过程中最重要的一环就是对弹头目标的精准识别在弹道导弹飞行过程中，除弹头目标外，还有母舱、残骸、碎片等大量伴飞物，现代洲际导弹还会搭载假目标和诱饵来迷惑对方反导拦截系统，这进一步增加了反导拦截系统探测和识别难度然而，受物理构造、弹道设定、大气扰动等因素影响，弹头与诱饵在自旋、摆动、进动等细微运动上存在一定差异，这就为弹头与诱饵的识别提供了一个关键突破口时频分析作为非平稳信号的有力分析工具，能够很好地刻画信号频率随时间变化的特性，因此成为目标微动特征提取的主要方法1-4时频分析包括线性变换和非线性变换两类，线性变换时频分析如短时傅里叶变换(short time Fourier trans-form,STFT)，优点是运算效率高，不会产生原始信号外的信号成分，不足是时频分辨率较低；非线性变换典型代表为二次Cohen类时频分析，如魏格纳-威利分布(Wigner-Ville distribution,WVD)，时频分辨率较高，但 WVD 对于多分量信号存在交叉干扰项的问题；改进的WVD系列方法如平滑伪魏格纳-威利分布(smooth pseudo Wigner-Ville distri-bution,SPWVD)可抑制干扰项，但计算量较大，不利于应用同时，弹头目标微动幅度小，微动特征信号不明显，且在雷达工作频率不高、平动补偿不够准确等因素影响下，微动特征的提取将更加困难解决该问题最有效的技术途径是提高雷达对精细运动的刻画能力5-7，即提高雷达测距测速精度本文利用宽带雷达的高距离分辨率，将弹头目标上多个散射中心区分开来，利用各个散射中心的相位信息精确测距测距精度理论上可以达到半波长量级8-9，能够实现对目标精细运动的分辨，从而实现对弹头微动特征的提取由于弹道导弹被各国视为现代高科技战争中的撒手锏武器，军事保密性强，试验代价高昂，因此实际作战场景下的弹道目标回波数据获取困难当前，对弹头目标微动特性的研究多停留在理论层面，很多算法的提出和验证均基于理想散射点回波模型，可靠性还有待确认弹头目标微动效应微波暗室模拟平台旨在对弹头目标产生的各种微动效应进行精确模拟和测试，并产生逼近真实场景下的雷达回波数据，用以检验理论分析的结果，验证弹头中存在的微动成分，为相关算法有效投入工程应用奠定基础 本文首先给出了弹头目标高精度微动特征提取原理和弹头目标微动效应微波暗室模拟平台主要组成；然后设计了验证场景，模拟逼近真实场景下的弹头目标回波数据；最后详细分析了实验数据实验结果验证了弹头中存在的微动成分情况1弹头目标高精度微动特征提取原理窄带信号受距离分辨率的限制，只能够获得弹头目标质心的平动轨迹，不能获得目标上不同散射中心的微动轨迹宽带信号具有较高的距离分辨率，能够将弹头目标上多个散射中心区分开来利用宽带信号这个特点，可以实现对每个散射中心的高精度测距结合宽/窄带信号特DOI:10.3969/j.issn.2097-180X.2023.03.003第3期夏鹏，等：弹头目标高精度微动特征提取实验研究171点，提出基于宽/窄带交替的弹头目标高精度微动特征提取方法，其原理框图如图 1 所示接收机雷达宽窄带回波宽带回波脉冲压缩一维距离像模糊多普勒相位获取窄带回波质心速度测量积分器窄带回波窄带相推测距质心平动轨迹散射中心径向距离散射中心微动轨迹解多普勒相位模糊从散射中心径向距离轨迹中减去质心平动轨迹模糊多普勒相位fdv图 1基于宽/窄带交替的弹头目标高精度微动特征提取方法原理框图雷达以宽/窄带交替模式进行工作，在窄带模式下首先通过窄带相推测距技术，获得目标质心平动轨迹；再通过窄带测速技术，获得弹头目标质心的平动速度v，为补偿距离像峰值处相位及解多普勒相位模糊提供足够精度的速度及多普勒频率在宽带模式下，对宽带回波进行脉冲压缩得到距离像序列，通过窄带跟踪速度补偿距离像峰值处相位，获得模糊多普勒相位序列；利用质心多普勒频率积分求解脉冲间相位增量模糊，求和得到相位增量和，继而转化为距离增量和，再加上初始距离，获得各个散射中心在相继脉冲回波时刻的径向距离；最后，从散射中心径向距离轨迹中减去质心平动轨迹，得到散射中心的微动轨迹2弹头目标微动效应微波暗室模拟平台组成弹头目标微动效应微波暗室模拟平台简单组成如图 2 所示，主要由 6 个部分组成：低噪声背景测试暗室为目标电磁测量提供一个纯净的电磁环境，房间的墙壁、地面和天花板都粘满了由吸波材料做成的棱锥发射机用来产生一定频率和带宽的信号接收机用作回波信号接收处理器收发天线用于接收和发射电磁波隔板采用吸波材料，减少收发天线之间的电磁耦合弹头目标模型采用发射机发射机发射机发射机待测目标吸波材料电机控制柜隔板发射天线接收天线数据处理平台驱动电机接收机接收机接收机接收机低噪声背景测试暗室图 2弹头目标微动效应微波暗室模拟平台组成示意图如图 3 所示的“大浦洞”弹头缩比模型，“大浦洞”弹头近似为锥体，弹头锥底半径R=0.225 m，锥体高度h=0.800 m，锥体顶部为球冠状，曲率半径r=0.075 m，锥体质心位置处于锥体旋转对称轴上，距底部距离约为 0.300m，=13.4O132hRr图 3“大浦洞”弹头缩比模型3实验场景及几何配置弹头目标微动效应实验场景如图 4 所示首先通过上位机配置雷达工作频率和带宽等参数，发射机产生一定频率、带宽的信号，采用喇叭天线对信号进行发射；启动弹头目标微动效应微波暗室模拟平台，设置弹头目标微动类型(自旋、锥旋、进动等)，对弹头产生的各种微动效应进行模拟；接收机通过另一喇叭天线接收目标回波，再通过网线传回数据处理平台图 4实验测试场景弹头目标微动几何配置如图 5 所示为了方便描述，建立如图所示的坐标系设参考坐标系为OXYZ，其坐标原点O位于目标质心，目标坐标系为Oxyz，原点与参考坐标系相同设目标绕其对称轴Oz以角速度fs做自旋运动，同时Oz绕轴OZ以角速度fc锥旋，锥旋角为c；目标对雷达为远场目标，雷达视线(LOS)在参考坐标系中的方位角为，与目标锥旋轴OZ夹角为(称为平均视界角)L O SJXYOZyxz(t)cfcfs图 5弹头目标微动几何配置设目标上第i个散射中心在本体坐标系中空 天 预 警 研 究 学 报2023年172的坐标为(xiyizi)，根据微多普勒的定义，弹头目标上第i个散射中心的回波微多普勒10为fimd=20A0i-1cos(0t+i)式中，0为目标锥旋角速度，为雷达发射信号波长，A0i=sin(x2i+(yicosc-zisinc)2)1/2为微动幅度，i=arctan(xicos+yisin cosc-zisinsinc)/(xisin-yicoscosc+zicossinc)为初相可见，弹头目标微多普勒特征为呈正弦调制的时变函数，各微多普勒分量的幅度与锥旋角、锥旋角速度、雷达视线角以及散射中心的位置等因素有关4实验结果分析实验参数为：信号载频15GHz，脉冲宽度2ms，宽带信号带宽 2GHz，脉冲重复频率200Hz；目标自旋频率1.0Hz，锥旋频率0.5Hz，锥旋角 51)实验场景 1：光滑弹头模型光滑弹头目标模型如图 6 所示图 7 是光滑弹头实验结果其中图 7(a)为弹头目标距离像序列，图 7(b)为其中第 10 个脉冲一维距离像，图 7(c)为锥顶散射中心时频分析结果，图 7(d)为锥顶散射中心高精度测距微动特征提取结果，图 7(e)为底部边缘散射中心时频分析结果，图 7(f)为底部边缘散射中心高精度测距微动特征提取结果图 6光滑弹头目标模型由图 7 可知：目标距离像包络未发生越距离单元徙动，这是由于弹头目标微动效应微波暗室模拟平台底座固定，目标质心没有平动；在脉冲序号1 0 02 0 03 0 04 0 05 0 06 0 07 0 08 0 06 07 08 09 01 0 01 1 01 2 01 3 01 4 0距离单元04 08 01 2 01 6 02 0 0-3 5时间/s0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5频率/H z-6 0-4 0-2 002 04 06 0锥顶散射中心底座静止底部边缘散射中心距离单元0-4 0-3 0-2 5-2 0-1 5-1 0-5幅度/d B(a)弹头目标距离像序列(b)第 10 个脉冲一维距离像(c)锥顶散射中心时频分析结果0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.02.9 8 02.9 8 52.9 9 02.9 9 53.0 0 03.0 0 53.0 1 02.9 72.9 82.9 93.0 03.0 13.0 23.0 3时间/s距离/m频率/H z-6 0-4 0-2 002 04 06 0时间/s0 0.5 1.01.52.0 2.5 3.0 3.50 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0时间/s距离/m(d)锥顶散射中心高精度测距(e)底部边缘散射中心(f)底部边缘散射中心高精度测距微动特征提取结果时频分析结果微动特征提取结果图 7光滑弹头实验数据分析结果宽带条件下，目标上锥顶散射中心、底部边缘散射中心(相对较弱)及底座散射中心(静止)等强散射中心可以很好地区分开来；锥顶散射中心微多普勒频率变化曲线为标准正弦曲线，这是因为锥顶为光滑的球冠，自旋多普勒频率分量为零，只存在锥旋多普勒频率分量，进一步从图 7 中可知正弦曲线周期为 2s，对应锥旋频率为 0.5Hz，与实验参数一致；底部边缘散射中心微多普勒频率变化曲线幅度较小，这是由于底部边缘散射中心微动幅度较小且信号较弱；基于高精度测距的微动特征提取结果相较于时频分析结果分辨率得到了极大提升，能更清晰地反映出目标的微动现象2)实验场景 2：粘贴锡箔纸团弹头模型某些弹头目标并非光滑锥体，而是由多个光滑曲面衔接而成，在曲面衔接处形成等效散射中心为验证弹头目标存在多个散射中心时的微动特征提取效果，在光滑弹头中部粘贴一锡箔纸团，用以模拟弹头目标中部存在一强散射中心粘贴锡箔纸团的弹头目标如图 8 所示图 9 是粘贴锡箔纸团弹头实验结果其中图9(a)为弹头目标距离像序列，图9(b)为其中第10个脉冲一维距离像，图 9(c)为锥顶散射中心时频分析结果，图 9(d)为锥顶散射中心高精度测距微第3期夏鹏，等：弹头目标高精度微动特征提取实验研究173锡箔纸团图 8粘贴锡箔纸团的弹头目标动特征提取结果，图 9(e)为中部散射中心时频分析结果，图 9(f)为中部散射中心高精度测距微动特征提取结果由图 9 可知：由于散射中心数目增多，距离像分布变得复杂，且在宽带条件下，目标上锥顶散射中心、中部散射中心(锡箔纸团)、底座散射中心(静止)等强散射中心可以很好地区分开来；锥顶散射中心微多普勒频率变化曲线与图 7(c)类似，为标准正弦曲线，且周期为 2s；中部散射中心微多普勒频率变化曲线为非标准正弦曲线，这是因为中部散射点同时进行自旋与锥弦运动，其微多普勒频率为自旋频率分量与锥弦频率分量叠加的结果，由于自旋频率为 1.0Hz，锥旋频率为 0.5Hz，合成运动的周期为两者的最小公倍数，即合成运动周期为 2s，与图中微动曲线周期一致；基于高精度测距的微动特征提取结果相较于时频分析结果分辨率得到脉冲序列1 0 02 0 03 0 04 0 05 0 06 0 07 0 08 0 06 07 08 09 01 0 01 1 01 2 01 3 01 4 0中部散射中心锡箔纸团距离单元距离单元04 08 01 2 01 6 02 0 0-3 50-4 0-3 0-2 5-2 0-1 5-1 0-5幅度/d B锥顶散射中心底座静止底部边缘散射中心时间/s0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5频率/H z-6 0-4 0-2 002 04 06 0(a)弹头目标距离像序列(b)第 10 个脉冲一维距离像(c)锥顶散射中心时频分析结果0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0时间/s2.9 9 02.9 9 53.0 0 03.0 0 53.0 1 03.0 1 5距离/m时间/s0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5频率/H z-6 0-4 0-2 002 04 06 00 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0时间/s2.9 83.0 03.0 2距离/m2.9 62.9 4(d)锥顶散射中心高精度测距(e)中部散射中心(f)中部散射中心高精度测距微动特征提取结果时频分析结果微动特征提取结果图 9粘贴锡箔纸团弹头实验数据分析结果极大提升，能更清晰地反映出目标的微动现象5结束语本文围绕弹头目标微动特征提取问题，首先给出了基于宽/窄带交替的弹头目标高精度微动特征提取原理；然后针对弹头目标实际作战场景回波数据获取困难的问题，构建了弹头目标微动效应微波暗室模拟平台；最后设计了光滑弹头模型和粘贴锡箔纸团弹头模型两种实验场景，对实验产生的逼近真实条件下的弹头目标回波数据进行了详细分析实验结果表明本文方法是有效的后续将结合实际作战场景下的回波数据进一步强化验证参考文献：1CHEN V C.The Micro-Doppler effect in radarM.London,UK:Artech House,2011:22-26.2CHENVC,LIF,HOSS,etal.Micro-Dopplereffectinradar:phenomenon,model,andsimulationstudyJ.IEEETransac-tions on Aerospace and Electronic Systems,2006,42(1):2-21.3GAO Hongwe,XIE Lianggui,WEN Shuliang,et al.Micro-Doppler signature extraction from ballistic target with mi-cro-motionsJ.IEEE Transactions on Aerospace and Elec-tronic Systems,2010,46(4):1969-1982.4SURESH P,THAYAPARAN T,OBULESU T,et al.Extract-ing micro-Doppler radar signatures from rotating targetsusing Fourier-Bessel transform and time-frequency analy-sisJ.IEEE Transactionson Geoscienceand Remote Sens-ing,2014,52(6):3204-3210.5LIU Yongxiang,ZHU Dekang,LI Xiang,et al.Micromotioncharacteristic acquisition based on wideband radar phaseJ.IEEE Transactionson Geoscienceand Remote Sensing,2014,52(6):3650-3657.6华煜明,郭军海,齐魏.一种导弹目标宽带雷达相位测距的新方法J.飞行器测控学报,2016,35(5):344-350.空 天 预 警 研 究 学 报2023年1747魏嘉琪,张磊,刘宏伟,等.基于相位测距的宽带雷达弹道目标微动几何参数估计J.电子信息学报,2018,40(9):2227-2234.8STEUDEL F.Process for phase-derived range measure-ments:US WO2005 030 222A1P.2005-02-24.9STEUDELF.An improved process for phase-derived rangemeasurements:World Intellectual Property OrganizationWO 2005 017 553A1P.2005-02-24.10 李康乐.雷达目标微动特征提取与估计技术研究D.长沙:国防科技大学,2010:19-24.Experimental study on high-precision micro-motion signatureextraction of warhead targetXIAPeng1,2,YANG Xueya1,2,LI Quanli1,2,ZHU Ziping1,2(1.No.38 Research Institute,China Electronic Technology Group Corporation,Hefei 230088,China；2.Key Laboratory ofApertureArray and SpaceApplication,Hefei 230088,China)Abstract：It is difficult to obtain the echo data of ballistic target in actual combat scenarios,but the researchon the micro-motion characteristics of warhead target mostly stays at the theoretical level,and is mostly based onthe echo model of ideal scattering point.To this end,a microwave anechoic chamber simulation platform for war-head target micro-motion effect is constructed to generate echo data of warhead target approximating real condi-tions.Two model experiment scenarios are designed:smooth bullet and pasted tinfoil ball bullet,with the experi-mental data analyzed.The experimental results verify the presence of micro-motion components in the warheadtargets and the effectiveness of the relevant micro-motion signature extraction algorithm,laying a foundation forthe application of the relevant algorithm in engineering.Key words：warhead target；micro-motion signature；wideband radar；high-precision ranging(上接第169页)GA-based sparse-array method for convex rotary curved surfaceconformal phased array antennaDONG Yuhui,DING Liming,ZHU Tianshun,SHENG Panpeng(Air Force Early WarningAcademy,Wuhan 430019,China)Abstract：In order to solve the problem of difficulty in designing complex curved surface conformal phasedarray antenna,the sparse-array model of convex rotatory curved surface antenna is established.According to theshape characteristics of aircraft,a genetic algorithm(GA)-based sparse-array method of convex rotating curvedsurface conformal array antenna is proposed.Finally,the ellipsoid and conical surface are taken as examples to op-timize and simulate sparse-array with this method.The simulation results show that the proposed method can ef-fectively plan the conformal array antenna according to the cross-section curve equation of rotator,and that the ef-fect is good after optimization by genetic algorithm.Key words：conformal phased array antenna；convex rotary curved surface；genetic algorithm(GA)；sparse-array