CN109061586A - 一种基于动态rcs模型的目标微动特征建模方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于动态RCS模型的目标微动特征建模方法，属于雷达目标识别技术领域。所述方法主要包括首先建立空中目标微动部件的电磁仿真模型；其次，给定进行电磁散射建模需要用到的波形参数，并根据所述波形及目标参数计算相应频段和俯仰角度下的目标微动部件RCS模型；最后通过雷达视线照射角度的变化模拟所述目标的转动，得到所述目标的实时回波信号，并根据所述实时回波信号提取所述目标的微动特征。通过本发明，解决了微动特征分析时数据缺乏且精度较低的问题，节约了时间与经济成本，且能够对微动特征进行较为全面而准确的分析。

Description

一种基于动态RCS模型的目标微动特征建模方法
技术领域
本发明属于雷达目标识别技术领域，具体涉及一种基于动态RCS模型的目标微动特征建模方法。
背景技术
飞行器上的旋转部件，如螺旋桨叶、喷气引擎的涡轮叶片、直升机旋翼桨叶等，其反射的雷达信号随时间的变化情况具有一定的规律，这种相对于机身整体运动的旋转即为微动。微动对雷达回波的调制就产生了微多普勒效应，通过提取微多普勒特征就可以实现对目标的分类识别。为了利用微多普特特征进行目标识别，要依据对目标物理特征的深入了解，提取与分析雷达回波信号特征，从回波中高效的提取目标微多普勒特征。
目标回波的微动特征与雷达参数、目标姿态角、旋转部件参数等有关，为了对微动特征进行分析，需要获得目标和波形参数具有遍历性和代表性的试验数据，这往往需要消耗巨大的时间和经济成本。对于实测数据，难以满足多个不同参数的要求且调制特征易受杂波/噪声的干扰；对于参数化建模仿真，无法准确体现目标姿态角、扭转角等对调制特征的影响且仿真置信度较低。
发明内容
针对空中目标微多普勒特征提取与分析中，实测回波数据难以考虑到不同雷达、目标参数且易受杂波/噪声的干扰，参数化建模仿真无法准确体现目标姿态角、扭转角等对调制特征的影响的问题，本发明提出了一种基于动态RCS模型的微动特征建模方法，通过对多个空中目标微动部件动态建模，计算其电磁散射特征，并利用计算得到的RCS数据进行不同参数下动态目标回波仿真，以分析不同参数下的微动特征变化，从而实现空中飞行器目标微多普勒特征的全面精确分析，应用于雷达空中目标型号的识别。
本发明基于动态RCS模型的目标微动特征建模方法，主要包括：
步骤一、建立空中目标微动部件的电磁仿真模型；
步骤二、给定进行电磁散射建模需要用到的波形参数，并根据所述波形及目标参数计算相应频段和俯仰角度下的目标微动部件RCS模型；
步骤三、通过雷达视线照射角度的变化模拟所述目标的转动，得到所述目标的实时回波信号；
步骤四、根据所述实时回波信号提取所述目标的微动特征。
优选的是，步骤二中所述波形参数包括发射波形频率f0、雷达视线俯仰角β、雷达发射波形脉冲重复时间PRI以及目标微动部件转速fr。
优选的是，步骤二中构建所述目标微动部件RCS模型时，方位角计算精度设置为θΔ＝360*fr*PRI。
优选的是，步骤三进一步包括：
步骤31、给定如步骤二所述的波形参数；
步骤32、根据所述波形参数计算相应频段和俯仰角度下的目标微动部件在不同方位角下的RCS值，并用RCS向量σfθ表示；
步骤33、根据当前的信号模拟时间t从RCS模型σfθ中实时获取回波信号幅值At，
At＝σfθ(mod(θΔ·t/PRI,length(σfθ))+1)；
步骤34、进行回波仿真，获得回波信号u(t)：
其中，Tm为脉冲信号时间宽度，τ为时延，fd为多普勒频率，k为调频斜率。
优选的是，步骤四中所述微动特征包括调制周期、调制谱线以及调制谱宽。
本发明通过电磁散射仿真的方法获得微动部件的动态RCS模型，实现动态目标雷达回波仿真，进而完成微动特征提取与分析。利用该方法，解决了微动特征分析时数据缺乏且精度较低的问题，节约了时间与经济成本，且能够对微动特征进行较为全面而准确的分析。
目标的微多普勒特征反映了微动目标的电磁特性、几何结构和运动特征，通过对回波微动特征进行分析，可以得到空中目标旋转部件的固有特征，用于后续的空中目标型号识别。
附图说明
图1为按照本发明的一优选实施例的基于动态RCS模型的目标微动特征建模方法的流程图。
图2为本发明图1所示实施例的RCS模型示意图。
图3为本发明图1所示实施例的目标谱频谱图。
具体实施方式
为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。
针对空中目标微多普勒特征提取与分析中，实测回波数据难以考虑到不同雷达、目标参数且易受杂波/噪声的干扰，参数化建模仿真无法准确体现目标姿态角、扭转角等对调制特征的影响的问题，本发明提出了一种基于动态RCS模型的微动特征建模方法，通过微动部件动态电磁散射建模计算得到其RCS模型，利用该模型进行不同参数下的动态目标回波模拟，以便完成微动特征提取与全面精确分析。
如图1所示，本发明基于动态RCS模型的微动特征建模方法主要包括：
步骤一、建立空中目标微动部件的电磁仿真模型；
步骤二、给定进行电磁散射建模需要用到的波形参数，并根据所述波形及目标参数计算相应频段和俯仰角度下的目标微动部件RCS模型；
步骤三、通过雷达视线照射角度的变化模拟所述目标的转动，得到所述目标的实时回波信号；
步骤四、根据所述实时回波信号提取所述目标的微动特征。
本实施例通过建模仿真计算得到飞行器微动部件的RCS模型后，设置雷达参数并结合得到的RCS仿真计算结果完成空中目标的回波仿真，用雷达视线的变化模拟部件的转动，利用回波数据进行微动特征提取与分析，将仿真结果与当前参数下的理论结果进行对比，分析雷达与目标参数对微动特征的影响，并根据特征分析需求改变目标模型参数、电磁散射仿真参数以及雷达参数等，从而得到更加精确的微动特征并可以进行较为全面的微动特征分析。
为此，需要首先通过步骤一建立空中目标旋转部件的电磁仿真模型，接着在步骤二中，利用电磁仿真软件进行模型的电磁散射仿真计算，具体包括：
(1)微动部件动态建模
一般讨论的飞行器微动部件主要包括螺旋桨飞机桨叶、喷气引擎的涡轮叶片以及直升机旋翼桨叶，为了能够精确的分析目标的微动特征，仅对这些微动旋转部件动态建模。根据部件的实际结构进行物理建模，主要参数包括叶片个数、叶片有效长度以及叶片扭转角等。
(2)电磁散射计算
利用电磁散射计算软件得到微动部件的RCS模型，计算所需设置的参数中，与微动部件回波仿真方法相关的主要包括仿真波形频率f0(Hz)、雷达视线俯仰角β、方位角采样精度θΔ(度)等。其中频率与雷达波段一致，俯仰角由仿真角度决定，方位角采样精度与雷达发射波形脉冲重复时间PRI(s)以及微动部件转速fr(r/s)相关，计算公式为：
θΔ＝360*fr*PRI(单位：度)
仿真参数设置完成后进行电磁散射计算，得到微动部件在该雷达参数以及目标俯仰角下的全角度RCS模型。
以某型喷气式飞机涡轮叶片进行仿真建模分析为例，该目标电磁散射模型有36个叶片，叶片有效长度为0.32m。利用FEKO软件进行电磁散射仿真计算，仿真采用的参数为：频率f0＝10GHz，俯仰角β＝35°，脉冲重复时间PRI＝10μs，叶片转速为fr＝10000/60r/s。发射波形参数包括：脉冲信号宽度Tm＝1μs，采样率为fs＝4MHz，线性调频信号带宽为B＝2MHz，驻留脉冲数TN＝8192。通过上述参数构建的RCS模型如图2所示。
之后，在步骤三中进行微动部件回波信号仿真，为了提取旋转部件的微动特征，需要仿真其动态回波，利用动态建模的方法，通过雷达视线照射角度的变化模拟微动部件的转动，进而模拟在雷达持续照射时间内，飞机发动机转动部件的回波信号。
(1)设定仿真使用的雷达频段、脉冲重复时间、目标俯仰角、采样率等发射波形参数与微动部件转速特征。
(2)根据设定的波形参数查找相应的RCS模型σfθ，σfθ为一定频段、一定俯仰角下的目标RCS向量。同时需保证计算的方位角精度满足仿真要求，以雷达视线的变化模拟仿真过程中旋转部件的转动。
(3)进行回波仿真。假设雷达发射波形为线性调频信号，则其回波信号可以表示为：
其中，Tm为脉冲信号时间宽度，τ为时延，fd为多普勒频率，k为调频斜率，At为回波信号幅值，与当前时刻当前角度下的微动部件RCS有关，根据当前的信号模拟时间t从RCS模型σfθ中实时获取，At＝σfθ(mod(θΔ·t/PRI,length(σfθ))+1)，mod为取余操作，进而得到动态目标雷达实时回波信号。
最后，进行回波微多普勒特征分析
利用动态目标回波信号进行微多普勒特征提取与分析，得到如图3所示的目标谱频谱图，进而得到调制周期、谱线数以及调制带宽等微动参数。
通过仿真验证，本发明能够较为精确的模拟旋转部件动态回波，解决了微动特征分析时数据缺乏且精度较低的问题，适用于空中目标微多普勒调制特征提取与分析，为后续目标型号识别提供支持。
最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种基于动态RCS模型的目标微动特征建模方法，其特征在于，包括：
步骤一、建立空中目标微动部件的电磁仿真模型；
步骤二、给定进行电磁散射建模需要用到的波形参数，并根据所述波形及目标参数计算相应频段和俯仰角度下的目标微动部件RCS模型；
步骤三、通过雷达视线照射角度的变化模拟所述目标的转动，得到所述目标的实时回波信号；
步骤四、根据所述实时回波信号提取所述目标的微动特征。
2.如权利要求1所述的基于动态RCS模型的目标微动特征建模方法，其特征在于，步骤二中所述波形参数包括发射波形频率f0、雷达视线俯仰角β、雷达发射波形脉冲重复时间PRI以及目标微动部件转速fr。
3.如权利要求2所述的基于动态RCS模型的目标微动特征建模方法，其特征在于，步骤二中构建所述目标微动部件RCS模型时，方位角计算精度设置为θΔ＝360*fr*PRI。
4.如权利要求1所述的基于动态RCS模型的目标微动特征建模方法，其特征在于，步骤三进一步包括：
步骤31、给定如步骤二所述的波形参数；
步骤32、根据所述波形参数计算相应频段和俯仰角度下的目标微动部件在不同方位角下的RCS值，并用RCS向量σfθ表示；
步骤33、根据当前的信号模拟时间t从RCS模型σfθ中实时获取回波信号幅值At，
At＝σfθ(mod(θΔ·t/PRI,length(σfθ))+1)；
步骤34、进行回波仿真，获得回波信号u(t)：
其中，Tm为脉冲信号时间宽度，τ为时延，fd为多普勒频率，k为调频斜率。
5.如权利要求1所述的基于动态RCS模型的目标微动特征建模方法，其特征在于，步骤四中所述微动特征包括调制周期、调制谱线以及调制谱宽。
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