水面艦艇RCS方向特性平滑分析

劉攀龍

(解放軍91404部隊，秦皇島 066001)

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水面艦艇RCS方向特性平滑分析

劉攀龍

(解放軍91404部隊，秦皇島 066001)

針對水面艦艇雷達(dá)截面(RCS)在實際測量中變化大的特點，分別利用數(shù)據(jù)平滑、小波分析等方法對RCS方向特性進(jìn)行降噪分析處理，量化分析其去噪性能，得到了水面艦艇較為精確的RCS分布特性。

雷達(dá)截面；方向特性；數(shù)據(jù)平滑

0 引 言

雷達(dá)截面測量技術(shù)在目標(biāo)特性和雷達(dá)截面研究中是十分重要的，通過對各種目標(biāo)的測量，不僅可以取得對目標(biāo)基本散射現(xiàn)象的了解，而且可以獲得大量的目標(biāo)特征數(shù)據(jù)，并建立目標(biāo)特性數(shù)據(jù)庫。雷達(dá)截面(RCS)作為水面艦艇隱身性的重要戰(zhàn)技指標(biāo),對其進(jìn)行合理化分析處理就顯得尤為重要。在實際測量中，由于水面艦艇的運動以及海浪對其造成的抖動與搖擺,導(dǎo)致目標(biāo)的幅度和相位隨機變化，使得回波信號起伏性較大，因此測量得到的數(shù)據(jù)也具有很大的隨機性。為了獲取水面艦艇精確的RCS，本文采用小波降噪以及窗口平滑的方法對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪處理，并分析評價平滑去噪效果，以提高RCS測量精度。

1 小波分析對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪處理

運用小波分析進(jìn)行一維信號消噪處理是小波分析的一個重要應(yīng)用之一[1]。對信號消噪的目的就是要抑制信號中的噪聲部分,從而恢復(fù)出真實信號。通常，一個含噪聲的一維信號的模型可以表示為：

s(i)=f(i)+σe(i),i=1,…,n-1

(1)

式中：s(i)為含噪聲的信號；f(i)為真實信號；e(i)為噪聲。

在實際的工程應(yīng)用中,有用信號通常表現(xiàn)為低頻信號或是一些比較平穩(wěn)的信號,而噪聲信號則通常表現(xiàn)為高頻信號。所以信號消噪的過程可按如下方法進(jìn)行處理：首先對信號進(jìn)行小波分解(如進(jìn)行3層分解,分解過程如圖1所示,則噪聲部分通常包含在c1,c2,c3中)；接著以門限閾值等形式對小波系數(shù)進(jìn)行處理；然后對信號進(jìn)行重構(gòu),即可以達(dá)到消噪的目的。

圖1 三層小波分解示意圖

一般說來,一維信號的消噪過程可以分為3個步驟進(jìn)行：

(1) 一維信號的小波分解。選擇一個小波并確定一個小波分解的層次N,然后對信號s進(jìn)行N層小波分解。

(2) 小波分解高頻系數(shù)的閾值量化。對第1層到第N層的每一層高頻系數(shù),選擇一個閾值進(jìn)行量化處理。

(3) 一維小波的重構(gòu)。根據(jù)小波分解的第N層的低頻系數(shù)和經(jīng)過量化處理后的第1層到第N層的高頻系數(shù),進(jìn)行一維信號的小波重構(gòu)。

2 對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理

目標(biāo)RCS的數(shù)據(jù)平滑包括中值平滑和均值平滑2種。中值平滑通常是按90、50和10這3個百分點位的電平來給出平滑數(shù)據(jù)曲線,它體現(xiàn)了平滑數(shù)據(jù)的統(tǒng)計特性。均值平滑是對平滑窗口寬度內(nèi)所有數(shù)據(jù)采樣點取平均[2]。平滑窗口寬度限定了用來進(jìn)行RCS平滑的角度范圍和數(shù)據(jù)點的多少。平滑窗口寬度確定以后就需要選擇平滑步長(又稱滑動閥),它表示平滑窗口中心每次移動的方位角的大小。平滑步長決不應(yīng)大于平滑窗口寬度,否則將產(chǎn)生間歇。本文對預(yù)處理的數(shù)據(jù)采用算術(shù)平滑，并分別采用3°的平滑窗口、0.25°的滑動閥進(jìn)行處理。

3 RCS平滑分析的評價標(biāo)準(zhǔn)

信噪比(SNR)和最小均方根誤差(MSE)是判斷平滑去噪效果的依據(jù)[3]。本文采用信噪比和均方根誤差對目標(biāo)RCS的數(shù)據(jù)平滑去噪效果進(jìn)行評價。

3.1 信噪比

信噪比是測量信號中噪聲量的傳統(tǒng)方法，常被用來作為去噪效果，信噪比的單位是dB，其定義為：

(2)

信噪比越大說明平滑去噪效果越好。

3.2 均方根誤差

均方根誤差定義為：

(3)

4 RCS數(shù)據(jù)處理結(jié)果及分析

圖2為水面艦艇的仿真RCS數(shù)據(jù)的方向特性測量曲線。從圖中可以看出，目標(biāo)的RCS起伏很大，不能精確反映目標(biāo)在各個方位RCS的大小，且很多地方呈現(xiàn)“墨跡帶”，因此必須對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪處理。

圖2 實測目標(biāo)RCS分布曲線

圖3為對水面艦艇的仿真RCS數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)平滑后的效果圖，平滑窗口3°，滑動閥0.25°。

圖3 窗口平滑后RCS分布曲線

圖4、圖5為利用小波軟、硬閥值降噪處理后的效果圖。本文采用dB3的小波進(jìn)行處理，分解層數(shù)為5層，用極大極小原理選擇閥值，對小波分解系數(shù)做量化處理。

圖4 軟閥值去噪后RCS分布曲線

圖5 硬閥值去噪后RCS分布曲線

均較窗口平滑、軟閥值降噪有所改善，但硬閥值函數(shù)的不連續(xù)性導(dǎo)致重構(gòu)信號容易出現(xiàn)偽吉布斯現(xiàn)象，出現(xiàn)許多不期望的震蕩，失去原始信號的平滑性；其次軟閥值降噪后RCS方向圖接近窗口平滑后的處理效果，且原RCS數(shù)據(jù)經(jīng)小波降噪處理后信噪比得到了很好的改善，能夠較為真實地反映出信號的起伏特性。

表1 3種方法信號去噪SNR和MSE比較

窗口平滑法軟閥值法硬閥值法SNR22.8824.4125.83MSE8.405.914.26

5 結(jié)束語

由于水面艦艇運動的不規(guī)律性以及海浪對其造成的搖擺及抖動使得測量得到的目標(biāo)RCS方向曲線具有很大的起伏性。利用本文中提到2種處理方法可以比較真實地反映出實體目標(biāo)的RCS方向特性規(guī)律，獲得比較精確的RCS值。

[1] 胡昌華，李國華，周濤.基于MATLAB的系統(tǒng)分析與設(shè)計——小波分析[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，1999.

[2] 克拉特 E F.雷達(dá)散射截面——預(yù)估、測量和減縮[M].阮穎錚，陳海譯.北京：電子工業(yè)出版社，1998.

[3] 孔玲軍.Matlab小波分析超級學(xué)習(xí)手冊[M].北京：人民郵電出版社，2015.

Smoothing Analysis of RCS Direction Feature of Surface Ship

LIU Pan-long

(Unit 91404 of PLA,Qinhuangdao 066001,China)

Aiming at the feature that the radar cross sector (RCS) of surface ship changes greatly in the practical measurement,this article performs noise-reduction analysis and processing to RCS direction feature by using data smoothing,wavelet analysis and other methods respectively,analyzes the noise-reduction performance quantitatively,obtains relatively precise RCS distribution feature of surface ship.

radar cross sector;direction feature;data smoothing

2016-02-23

TN957.51

A

CN32-1413(2016)03-0037-02

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.03.010