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国防科学技术大学硕士学位论文弹道中段目标进动特征提取方法研究

归档日期:07-03       文本归类:弹道学      文章编辑:爱尚语录

  国防科学技术大学硕士学位论文弹道中段目标进动特征提取方法研究姓名胡万秋申请学位级别 硕士专业 信息与通信工程指导教师 肖顺平 杨坚2010 10国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 弹道中段目标微动特征的提取与识别是雷达目标识别领域研究的热点问题。进动是中段目标微动的重要形式之一对进动目标的电磁散射

  国防科学技术大学硕士学位论文弹道中段目标进动特征提取方法研究姓名胡万秋申请学位级别 硕士专业 信息与通信工程指导教师 肖顺平 杨坚2010 10国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 弹道中段目标微动特征的提取与识别是雷达目标识别领域研究的热点问题。进动是中段目标微动的重要形式之一对进动目标的电磁散射特征研究正越来越受到学术界的重视。本文基于中段进动目标的雷达特性 研究了基于宽、窄带雷达回波的目标进动特征提取算法及其性能、进动现象的可探测距离及最佳探测的部署位置等相关问题。论文的研究成果对导弹攻防对抗中微多普勒分析与特征提取、识别等方面具有借鉴意义。 首先 建立了弹道中段目标的宽窄带雷达回波模型 分别对弹头质心的宏观运动特性和弹头进动特性进行建模 得到了典型战情下目标在中段飞行过程中的姿态角变化序列。在此基础上 利用目标的宽窄带电磁特性和预先设定的雷达参数生成进动目标的宽、窄带雷达回波数据。 其次 对比分析了基于窄带回波序列提取进动周期典型算法的性能 对进动现象的可观测性和观测进动现象的雷达最佳部署位置进行了讨论。着重对各典型提取算法抑制分频及倍频分量的效果进行分析 得到通常情况下自相关函数法对倍频的抑制比较明显 平均幅度差函数法、倒谱法对分频的抑制效果比较明显的结论。对不同距离的进动特征可探测性进行研究 并进一步对观测进动现象的雷达最佳部署位置进行仿真分析 给出了观测进动现象的最佳位置。 最后 研究了基于宽带雷达回波提取进动角的算法 针对多参数搜索法的运算量大且效率低的问题提出了改进的降维搜索算法 达到加快收敛速度和提高估计结果精度的效果。 主题词 雷达目标识别 电磁特征提取 弹道导弹中段 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 ABSTRACTElectromagnetic character extraction micromotion radartarget recognition domain importantmember micromotion Researchers have been paying more moreattention paperbased electromagneticcharacter midcourse target mainly studies precessionfeature ballisticmid course alsostudies farthestdistance bestradar location characterextraction midcourse microdoppler Firstly partmodels midcoursetarget modelincludes macroscopicmovement warheadcentroid cansimulate wholemidcourse movement characteristics givingsituation narrowbandecho based movingcharacteristics Secondly study precessionperiod based narrowbandecho paymore attention frequencydivision frequencymultiplication We make conclusionsAuto Correlation AUTOC has evidence effect frequencymultiplication AverageMagnitude Difference Function AMDF Cepstrum Method have evidence effect restrainingfrequency division twokinds methodswe can solve frequencymultiplication frequencydivision problems precessionphenomenon we model attenuationmodel canstudy differentdistance weanalyse bestposition precessionphenomenon bestposition curve precessionFinally we study precessionangle based HRRPserials highworkload lowefficiency problem searching–parameters steparithmetic we advance reducedimension arithmetic methodcan speed convergencerate estimationresult Key Words Radar Target Recognition Electromagnetic Feature Extraction Precession Ballistic Missile Midcourse 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 不同速度倾角对应的关机点速度11 仿线 不同观测位置提取结果比较37 不同信噪比下参数估计结果50 本文提出的算法参数估计结果53 参数估计结果53 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 弹道参数示意图10 关机点速度倾角与关机速度的关系10 不同参数的弹道比较12 关机点参数与飞行速度的关系12 进动示意图13 某姿态的雷达视线 雷达部署位置与雷达视线RCS随姿态角变化曲线锥体和柱体目标的全姿态RCS 19 13进动目标RCS序列 20 14零视线不同视线 RCS序列及其分频情况分析27 自相关函数法的处理结果27 提取进动周期方法比较28 进动周期提取结果29 自相关与平均幅度差函数结合法30 传输距离与电磁波损耗的关系31 不同位置的特征提取结果32 弹道正下方的可观测进动现象的时间33 弹道平面夹角与总的可观测时间的关系34 10锥体目标的电磁散射特性 34 11不同位置的雷达视线低弹道下不同位置的雷达提取进动周期的情况 37 13东经60 时不同纬度的观测时间统计 38 14最佳观测纬度及时间的关系 38 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 15雷达与导弹之间的距离关系及视线最佳部署位置及最佳观测时间曲线θ平均视线θ平均视线 进动参数变化对准则函数的影响49 进动目标的长度变化51 雷达直视时的目标长度变化52 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第一章绪论 研究背景随着对弹道导弹战略意义认识的逐渐加深 各国对导弹突防技术的研究也逐步升级 这就迫使导弹防御技术也随之升级。我国周边国家包括日本、印度等军事强国在导弹突防技术的研发方面投入的逐年增加 使我国面临的安全形式日益严峻对导弹防御技术的研究愈发迫切。 雷达目标识别是反导防御体系的重要课题之一。能否在数百甚至上千公里外的众多干扰中识别出真正的弹头是决定拦截的成败 也是整个防御系统最终能否发挥作用需要解决的核心问题之一。 弹道导弹的飞行过程包括助推段、中段和再入段。不论对于何种射程的导弹 弹道中段均是识别的重要阶段。然而 由于缺乏大气的过滤作用 初速度接近的飞行物会以大致相同的速度随弹头一起飞行 加之来袭导弹通常采用隐身、电磁干扰、诱饵干扰 等突防措施使传统的识别算法面临着极大的挑战。目标识别领域需要新的识别特征和技术 MIT林肯实验室宽带雷达数据分析技术和识别算法的演化进程MIT林肯实验室在雷达目标识别技术研究领域处于国际领先水平。图1 1给出了该实验室的宽带雷达数据分析技术和弹道导弹识别算法的演化进程。自20世纪80年代至今该实验室一直致力于基于运动特征的分辨算法的研究 近几年 随着传感器的测量能力和现代信号处理水平的提高 使得通过对目标运动细节的描述国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 和刻画进行目标识别的技术得到了长足发展。目前 目标微动特性在目标识别领域的重要价值正越来越受到国内外学术界的关注 12。美国海军导弹防御委员会曾对海基防御雷达用于弹道导弹防御进行过论证 论证结果称 微动特征能使雷达能够将弹头从诱饵中识别出来 13 15 。对微动特性的研究不仅可用于空中和地面目标的探测和识别 还可以在生命探测、生命体精确身份识别等领域中发挥作用。 本文以弹道导弹攻防对抗为背景 研究了弹道中段目标的运动特性与电磁散射特性模型、进动现象的可探测距离、利于进动特征提取的雷达部署位置以及基于宽带一维距离像进行进动参数提取等问题 论文的研究成果有助于弹道中段目标的特征提取与识别 对防御方雷达部署位置的确定有参考意义。 国内外研究现状在弹道中段 弹头会产生振动、进动等微动现象 其中进动是弹头类目标特有的运动现象。经过主动段的助推之后 弹头以自旋稳定的姿态控制方式进入弹道中段。由于与母舱分离的过程中 弹头不可避免的受到横向力矩的扰动 使得弹头整体围绕空间某个对称轴旋转 从而产生进动。进动特征是中段目标运动特性反演的重要方面 可望为弹道导弹目标识别难题提供新的手段。 进动特征提取研究现状国外对微动的研究起步较早。研究者大多通过微多普勒特征对进动现象进行研究。马克资源公司的Rihaczek和B Baker等人是较早研究利用微动现象区别弹头和诱饵的科研人员它们于20世纪70年代进行了一项称之为雷达目标运动分辨 Target Motion Resolution TMR 16 18 的研究 它是多普勒处理最早在微动目标动力学测量中的应用。 英国Thales Sensors Limited公司和Thales Research Limited公司的研究人员研究了基于微多普勒特征的单兵便携式监测跟踪雷达对行人、履带车和轮式车进行分类的情况。该雷达是一个多功能 低功率的地面监测雷达 其全天时、全天候监测区域可覆盖的最大距离达42km 其作战能力已在海湾战争和阿富汗军事行动中得到验证。 陶森大学 Towson University 的Lu Chao等人使用时频分析方法研究了基于微多普勒模式识别和基于微多普勒主成分分析的目标分类方法。Lei Jiajin等人使用Gabor滤波方法抽取时频域的微多普勒特征 使用主成分分析方法降低Gabor特征的维数。其研究结果表明Gabor特征能稳健地分辨不同微动产生的微多普勒效果。 国内对进动特性的研究主要集中在弹头进动特征的提取方面。描述进动现象国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 的参数有进动周期、进动角及自旋频率。其中旋转对称锥体的自旋在理论上对电磁波的回波的调制可以忽略 而且通过暗室测量实验已经得到证实 所以 需要关注的进动参数主要有进动角和进动周期两个。 在进动周期的提取方面 冯德军 19 提出通过将自相关函数与平均幅度差函数相结合的方法处理窄带回波序列 或者由一维距离像提取的径向长度序列 此算法对非平稳信号有很强的适应性 同时对于分频和倍频有极强的抑制作用。魏玺章 20 等提出通过变区间分组检验相乘积累估计进动周期的方法 该方法引入Kruskal Wallis检验 利用非参数统计理论在时域提取序列的周期 此方法对虚假周期的消除有十分显著的效果。张衡 21 等对自相关函数法进行改进 提出通过判断峰值显著度来确定自相关函数中的峰值位置的算法。刘慧敏 22 等提出基于一维距离像序列几何投影分析的进动周期估计方法 该方法通过对目标投影长度随时间的变化规律的分析 得出较实用的进动周期估计方法。王涛 23 等提出通过极化信息估计目标的进动频率 为进动特征提取开辟了新领域。金光虎 24 等提出通过对一维距离像序列的二维傅里叶变化 得到其频谱分布图 而后通过提取其基频分量估计目标的进动周期的方法。这些算法有的是基于原有算法的重新改进或组合 有的是针对某一具体问题提出的新的解决办法 各算法适应的条件不同 但是总的来说均能实现在一定的信噪比下给出较高精度的特征提取结果。 进动角的提取方面 27等提出通过对给定范围的姿态角序列进行曲线拟合估计进动角的方法 该方法对于目标上的散射强度较大的部分可以提取出较高精度的结果 但是对于散射较弱的部分则难以奏效。贺思三 26 等提出通过一维距离像之间的强散射中心的位置关系估计目标的进动角的方法 重点对两个散射点的情况进行了分析 并指出对于更多散射点的情况可以采用关联的办法 将多个散射点转化为两个点的情况 然后进行处理即可得到目标的进动角。金光虎 24 等提出通过降维的寻优化方法 该算法通过循环搜索各个参数的最佳值 避免了高维方法求解时庞大的计算量。陈行勇 27 提出通过目标的窄带RCS序列的峰值和谷值个数判断目标的平均视线角和进动角的大小关系 进而得到目标的RCS序列与目标姿态角的关系 最后由姿态角与进动角的关系确定进动角的大小的方法。朱玉鹏 42 等利用距离像散射中心位置加权 纵向积累估计空间锥体进动目标的进动周期 然后基于广义Radon变换提取空间锥体目标散射中心位置变化曲线 并根据获得的曲线参数估计目标的进动角。 进动现象的可探测性研究现状进动现象的可探测性问题是当前进动特征识别所面临的关键问题。目前关于该问题的报道只有1990年3月和10月美国进行了两次Firefly实验 28 。该实验也

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