有源誘餌的雙極化識(shí)別*

張 強(qiáng)

(中國(guó)西南電子技術(shù)研究所，成都610036)

1 引言

從近來(lái)全球范圍內(nèi)爆發(fā)的多次局部戰(zhàn)爭(zhēng)可以看出，交戰(zhàn)雙方的電子戰(zhàn)對(duì)抗愈演愈烈，是直接影響戰(zhàn)爭(zhēng)進(jìn)程的重要因素。有源誘餌干擾是主要的電子對(duì)抗手段之一，它能主動(dòng)發(fā)射電磁干擾誘餌信號(hào)，誘餌信號(hào)在幅度、速度和加速度等特征信息上與真實(shí)目標(biāo)相差無(wú)幾，有極強(qiáng)的迷惑性和欺騙性，常規(guī)的時(shí)域和頻域目標(biāo)識(shí)別方法難以取得良好的效果，極大地影響武器的突防成功率[1－2]。

眾所周知，雷達(dá)極化信息作為繼時(shí)域、頻域和空域信息以外又一極其重要的特征信息正越來(lái)越受到重視，雷達(dá)極化技術(shù)也日益成為國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界研究的熱點(diǎn)。目前，極化信息用于雷達(dá)抗干擾、反隱身、目標(biāo)檢測(cè)以及識(shí)別等方面的研究已取得了大量突出的成果。文獻(xiàn)[3]提出了全極化雷達(dá)的有源誘餌鑒別方法，但它主要分析的是有源誘餌和簡(jiǎn)單形體結(jié)構(gòu)雷達(dá)目標(biāo)的極化特征，并且全極化體制在工程中也是難以實(shí)現(xiàn)的。文獻(xiàn)[4]主要根據(jù)極化分解的思路來(lái)探討全極化雷達(dá)的目標(biāo)識(shí)別方法，但是極化分解特性是根據(jù)二面角、球等簡(jiǎn)單散射體提出的，難以表征現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中多散射中心組成的建筑物、艦船和飛機(jī)等典型雷達(dá)目標(biāo)。文獻(xiàn)[5]提出了一種融合多種極化特征的雷達(dá)目標(biāo)識(shí)別方法，但該文側(cè)重于融合識(shí)別算法的研究，并未對(duì)極化特征做過(guò)多的分析。現(xiàn)有的極化識(shí)別技術(shù)的研究工作主要是針對(duì)理論算法的研究居多，而對(duì)于適應(yīng)于工程應(yīng)用需求的極化識(shí)別方法研究較少。

本文基于極化技術(shù)工程應(yīng)用背景，針對(duì)雙極化體制毫米波雷達(dá)，在詳細(xì)分析建筑物等典型雷達(dá)目標(biāo)和有源誘餌雙極化特性的基礎(chǔ)上，提出基于雙極化特征的自適應(yīng)目標(biāo)識(shí)別方法，并組建了雙極化試驗(yàn)雷達(dá)系統(tǒng)，用建筑物和毫米波信號(hào)源分別代表典型雷達(dá)目標(biāo)和有源干擾誘餌，通過(guò)試驗(yàn)采集其回波數(shù)據(jù)，探討了典型目標(biāo)與有源誘餌的可區(qū)分識(shí)別性問(wèn)題。

2 雙極化技術(shù)

電磁波在傳播時(shí)，電場(chǎng)矢量在水平平面內(nèi)和垂直平面內(nèi)均有分量，被稱為電磁波的極化現(xiàn)象。雷達(dá)發(fā)射的電磁波照射到目標(biāo)上時(shí)，由于目標(biāo)的形狀、結(jié)構(gòu)和材料的不同，會(huì)對(duì)發(fā)射電磁波產(chǎn)生不同的極化扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，這種極化扭轉(zhuǎn)效應(yīng)在數(shù)學(xué)上可表示為

式中，S11和S22是共極化或同極化散射系數(shù)，而S12和S21是交叉極化散射系數(shù)。

所謂的雙極化測(cè)量雷達(dá)是一般指僅發(fā)射垂直極化電磁波，同時(shí)接收垂直和水平兩種極化電磁波的雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)。對(duì)雙極化雷達(dá)而言，當(dāng)發(fā)射垂直極化波，接收到垂直極化波稱為同極化現(xiàn)象;但是由于目標(biāo)的形狀結(jié)構(gòu)等因素會(huì)使得部分垂直極化波經(jīng)反射轉(zhuǎn)變?yōu)樗綐O化波，稱為交叉極化現(xiàn)象。同時(shí)由于目標(biāo)的形狀、結(jié)構(gòu)和材料的不同，也會(huì)帶來(lái)極化波幅度的起伏，對(duì)于復(fù)雜的艦船、飛機(jī)、建筑物等典型雷達(dá)目標(biāo)起伏較大，而有源干擾起伏較小。

對(duì)于垂直極化發(fā)射且雙極化同時(shí)接收的測(cè)量雷達(dá)，目標(biāo)回波的極化散射矩陣為

式中，S22表示目標(biāo)反射雷達(dá)回波的共極化能力，與普通單極化雷達(dá)相同;而S12表示目標(biāo)的交叉極化能力，與目標(biāo)的形狀、結(jié)構(gòu)、材料、形態(tài)等參數(shù)相關(guān)，是目標(biāo)重要的極化特性。

3 典型目標(biāo)和有源誘餌的雙極化特性

典型的雷達(dá)目標(biāo)主要包括建筑物、艦船和飛機(jī)等，它們?cè)诮Y(jié)構(gòu)上以二面角和平板為主，當(dāng)此類目標(biāo)被垂直極化電磁波照射時(shí)，對(duì)電磁波的極化扭轉(zhuǎn)效應(yīng)比較弱，所以表現(xiàn)為同極化分量強(qiáng)、交叉極化分量弱的特點(diǎn)，如圖1(a)所示。

對(duì)于有源干擾誘餌，它是通過(guò)干擾機(jī)主動(dòng)發(fā)射電磁波的干擾手段，它發(fā)射的電磁波極化形式主要有垂直極化、水平極化、斜線45o極化和圓極化。各種極化電磁波在水平和垂直標(biāo)準(zhǔn)極化基下可描述為[6]:

(1)垂直極化:EV=1，EH=0;

(2)水平極化:EV=0，EH=1;

(3)斜線 45o極化:EV=1，EH=1;

(4)左旋圓極化:EV=coswt，EH=sinwt;

(5)右旋圓極化:EV=coswt，EH= － sinwt。

其中，EV和EH分別表示垂直分量和水平分量。那么通過(guò)垂直極化發(fā)射和雙極化同時(shí)接收體制的雷達(dá)接收到的上述極化形式的有源誘餌信號(hào)存在以下特性:

(1)左旋圓極化誘餌:由于圓極化電磁波用兩種正交單極化天線接收時(shí)只是能量下降3 dB，所以同極化分量與交叉極化分量幅度水平也非常接近;

(2)右旋圓極化誘餌:同上;

(3)斜線45°極化誘餌:同極化分量與交叉極化分量幅度水平較接近;

(4)垂直極化誘餌:同極化分量遠(yuǎn)大于交叉極化分量;

(5)水平極化誘餌:交叉極化分量遠(yuǎn)大于同極化分量。

通過(guò)上述分析可知，左旋圓極化、右旋圓極化和斜線45°極化誘餌有類似的極化特性，如圖1(b)所示;垂直極化誘餌和水平極化誘餌的極化特性如圖1(c)和(d)所示。

圖1 典型雷達(dá)目標(biāo)和有源誘餌極化特性示意圖Fig.1 Polarization characteristics of typical radar targets and active decoys

同時(shí)，由于雙極化天線接收到的有源誘餌回波是由發(fā)射機(jī)直接發(fā)射電磁波，而典型雷達(dá)目標(biāo)回波則是目標(biāo)被雷達(dá)垂直極化波照射并漫反射返回到天線被接收到的電磁波，由于典型雷達(dá)目標(biāo)的復(fù)雜性會(huì)使漫反射帶來(lái)大量的隨機(jī)起伏，所以雙極化天線接收到的有源誘餌的電磁波比典型雷達(dá)目標(biāo)更穩(wěn)定，起伏更小。

4 雙極化識(shí)別方法

4.1 極化特征提取

結(jié)合上述分析，同極化分量與交叉極化分量之間的關(guān)系以及目標(biāo)的極化起伏關(guān)系是典型雷達(dá)目標(biāo)和有源誘餌的主要差異，因此可提取以下極化特征用于典型雷達(dá)目標(biāo)和有源誘餌的識(shí)別。雙極化回波的同極化比特征表示雷達(dá)所發(fā)射的垂直極化波經(jīng)過(guò)目標(biāo)反射后的垂直極化波與水平極化波的幅度比值，此處用多次極化比均值來(lái)表示極化比特征，如式(4)和(5)所示:

極化起伏特征可用同極化比方差、同極化通道幅度方差、交叉極化通道幅度方差、同極化通道幅度方差與交叉極化通道幅度方差之比來(lái)表示，如式(6)～(9)所示:

4.2 識(shí)別方法

對(duì)于典型雷達(dá)目標(biāo)而言，它的極化特征值是服從以均值為中心的高斯分布的，那么其概率密度函數(shù)為

式中，μ和σ分別表示極化特征值的均值和方差。那么令X1=(X－μ)/σ，則極化特征值的概率密度函數(shù)可描述為

本文采用恒虛警(Constant False Alarm Rate，CFAR)的自適應(yīng)閾值方法來(lái)進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別的判決。根據(jù)Neyman－Pearson準(zhǔn)則可得虛警率Pf:

對(duì)于給定的Pf，可由式(12)查表求得L1，進(jìn)而可求得門限閾值為

那么，典型雷達(dá)目標(biāo)和有源誘餌的識(shí)別如公式(14)所示:

5 試驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證上述有源誘餌的極化識(shí)別方法，組建了雙極化試驗(yàn)雷達(dá)系統(tǒng)。前面已分析對(duì)于艦船、飛機(jī)和建筑物等典型雷達(dá)目標(biāo)而言，它們有相似的極化特性，所以此處為采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)的方便，選擇用建筑物為例代表典型雷達(dá)目標(biāo)。試驗(yàn)中有源誘餌通過(guò)毫米波信號(hào)源波形發(fā)生器和喇叭天線(包括垂直極化、水平極化和左旋圓極化喇叭天線)模擬，可以模擬垂直極化、水平極化和左旋圓極化誘餌。雖然信號(hào)源波形發(fā)生器產(chǎn)生的連續(xù)波信號(hào)和真實(shí)的有源誘餌存在一定差異，但是由于本文研究的是目標(biāo)經(jīng)檢測(cè)后的識(shí)別問(wèn)題，那么選擇一定距離單元內(nèi)的連續(xù)波信號(hào)是能夠代表檢測(cè)到的有源誘餌波形的極化特性的，所以本文以此為例采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

5.1 雙極化試驗(yàn)雷達(dá)原理

雙極化試驗(yàn)雷達(dá)系統(tǒng)如圖2所示，包括毫米波雙極化天線、雷達(dá)、功分器、數(shù)據(jù)采集設(shè)備和顯控設(shè)備等。該雷達(dá)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)垂直極化發(fā)射，并同時(shí)接收垂直和水平兩種極化電磁波。

圖2 雙極化試驗(yàn)雷達(dá)原理框圖Fig.2 Principle diagram of dual polarization test radar

5.2 各類目標(biāo)的一維距離像

圖3 分別列出了接收到的以上4種目標(biāo)雙極化回波數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)脈沖壓縮后所得到的一維距離像，其中橫坐標(biāo)表示距離單元序號(hào)，縱坐標(biāo)表示雷達(dá)回波的幅度值，可明顯觀察到不同目標(biāo)兩個(gè)通道目標(biāo)位置處幅度值的差異。

圖3 建筑物和有源誘餌雙極化回波Fig.3 Dual polarization echo of buildings and active decoys

5.3 極化特征分析

對(duì)以上4種目標(biāo)分別選取同極化比、同極化比起伏、同極化通道起伏、交叉極化通道起伏、起伏比等5個(gè)特征進(jìn)行了分析，每類目標(biāo)的每個(gè)特征值均選取多次回波各得到10個(gè)特征值，如表1所示。從表1可以看出4類目標(biāo)的極化特征差異明顯。

表1 建筑物和有源誘餌的極化特征分析Table1 Analysis of polarization characteristics of buildings and active decoys

表2對(duì)上述4類極化特征值進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)特性分析，可以看到5個(gè)極化特征均有相對(duì)好的穩(wěn)定性，建筑物目標(biāo)和其他有源誘餌的可區(qū)分性良好。

表2 建筑物和有源誘餌的極化特征統(tǒng)計(jì)分析Table2 Statistic analysis of polarization characteristics of buildings and active decoys

5.4 識(shí)別效果分析

如圖4所示，對(duì)表1中特征數(shù)據(jù)的可識(shí)別性進(jìn)行了作圖分析，圖的橫坐標(biāo)是特征值抽樣序號(hào)，縱坐標(biāo)是特征的值，可以看到前4種特征用于識(shí)別時(shí)，建筑物和3種有源誘餌的差異明顯，可識(shí)別性良好;對(duì)于第5種特征即起伏特征而言，它和垂直極化誘餌的特征值之間有重疊區(qū)域，區(qū)分效果不夠好，與其他有源誘餌區(qū)分效果仍然非常好。

圖4 5個(gè)極化特征用于識(shí)別的可區(qū)分性分析Fig.4 Distinguishable ability of the five polarization characteristics

為區(qū)分有源誘餌和建筑物，首先錄取1000次建筑物雙極化回波數(shù)據(jù)，并依據(jù)本文方法計(jì)算出建筑物極化特征的均值和方差作為識(shí)別判決的標(biāo)準(zhǔn)值。表3是錄取4種目標(biāo)各100次回波數(shù)據(jù)，對(duì)5種極化特征根據(jù)自適應(yīng)恒虛警閾值的方法進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別的成功率，其中設(shè)虛警率Pf=0.05?？梢钥吹角懊?種單一極化特征用于識(shí)別的識(shí)別率可達(dá)到95%以上，最后一種特征受到垂直極化誘餌的干擾稍多一些，識(shí)別率為88%。

表3 識(shí)別率表Table3 The table of recognition rate

5.5 試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析可以看出，建筑物與有源誘餌的雙極化回波在極化域和起伏域差異明顯，提取的極化特征有相對(duì)穩(wěn)定的辨識(shí)效果，可對(duì)建筑物和有源誘餌進(jìn)行有效區(qū)分，識(shí)別效果良好。建筑物和飛機(jī)、艦船等典型雷達(dá)目標(biāo)有類似的極化特性，所以本文所用極化特征、識(shí)別方法和試驗(yàn)結(jié)果也能推廣到其他典型雷達(dá)目標(biāo)。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)典型雷達(dá)目標(biāo)和有源誘餌極化特性的分析，提取極化特征信息，并組建雙極化體制測(cè)量雷達(dá)系統(tǒng)采集建筑物和有源誘餌的回波數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了雙極化技術(shù)對(duì)有源誘餌識(shí)別的有效性。本文所用的識(shí)別方法只是單一極化特征的識(shí)別方法，在實(shí)戰(zhàn)場(chǎng)景中雷達(dá)回波會(huì)受到各種雜波干擾的影響，因此識(shí)別率會(huì)有所下降，但雙極化識(shí)別方法仍有很高的工程應(yīng)用價(jià)值，在后續(xù)工作中有必要研究多種極化特征的融合識(shí)別算法，進(jìn)一步提高極化識(shí)別率。

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