雷達(dá)識別真假彈頭的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及雷達(dá)識別真假彈頭的方法，包括步驟：a.構(gòu)造能夠反映目標(biāo)彈頭特征的狀態(tài)向量；b.將目標(biāo)彈頭的運(yùn)動差異映射到狀態(tài)矩陣；c.建立觀測量與目標(biāo)彈頭運(yùn)動狀態(tài)向量的聯(lián)系；d.建立假設(shè)檢驗；e.利用信號處理中的檢測理論對目標(biāo)彈頭的運(yùn)動模型突變進(jìn)行檢測，以此識別目標(biāo)彈頭的真假。本發(fā)明的雷達(dá)識別真假彈頭的方法，能夠快速地檢測出雷達(dá)目標(biāo)彈頭的運(yùn)動特征變化，并且準(zhǔn)確的實現(xiàn)對真、假彈頭目標(biāo)的識別。
【專利說明】雷達(dá)識別真假彈頭的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于雷達(dá)【技術(shù)領(lǐng)域】，具體的講是涉及基于LOUD檢測器的MIMO雷達(dá)對真假彈頭識別方法。
【背景技術(shù)】
[0002]彈道導(dǎo)彈目標(biāo)檢測和識別是雷達(dá)空間目標(biāo)檢測和識別領(lǐng)域的難題。根據(jù)導(dǎo)彈目標(biāo)的飛行特點(diǎn)和規(guī)律，通常將中遠(yuǎn)程導(dǎo)彈等彈道目標(biāo)的飛行過程分為:助推段、中間段、再入段。在彈道導(dǎo)彈飛行中間段，彈頭會釋放一些輕誘餌、重誘餌、箔條等假目標(biāo)以欺騙和干擾敵方，這些假目標(biāo)往往與真彈頭目標(biāo)在外形尺寸、外表涂層和電磁紅外特性等特征上很相似。因此如何從相似的目標(biāo)中判別出真彈頭是識別問題的關(guān)鍵。
[0003]為達(dá)到隱身(減小雷達(dá)RCS，即雷達(dá)散射截面)和飛行姿態(tài)控制等目的，在彈道中間段及再入段飛行過程中彈頭存在著自旋運(yùn)動。同時由于彈頭的重力結(jié)構(gòu)和飛行過程中的釋放誘餌過程和陀螺儀穩(wěn)定方向等多因素共同作用，彈頭會存在微動效應(yīng)，這種運(yùn)動特性可以為真假彈頭識別提供依據(jù)。研究指出雷達(dá)目標(biāo)飛行過程中由于自身部件的自旋和一些擾動造成的細(xì)微運(yùn)動(以下簡稱微動)可以被雷達(dá)系統(tǒng)提取和識別(文獻(xiàn):Micro-Doppler Effect in Radar:Phenomenon, Model, and Simulation Study, V.C.Chen, F.Li, S.Ho, and H.Wechslerj IEEE Transactions on Aerospace and ElectronicSystems, vol.42，pp.2-21, 2006)。
[0004]對微動效應(yīng)的運(yùn)動建模有自旋、錐旋、擺動、進(jìn)動和章動等模型，這些細(xì)微運(yùn)動和目標(biāo)的平動運(yùn)動相疊加，共同作用到雷達(dá)回波上。與目標(biāo)的平動運(yùn)動相比，微動效應(yīng)從其產(chǎn)生原理和運(yùn)動特征上更能表現(xiàn)中段彈頭目標(biāo)和誘餌等假目標(biāo)的運(yùn)動差異。
[0005]多輸入多輸出(MIMO)雷達(dá)是一種多天線同時收/發(fā)信號的雷達(dá)系統(tǒng)，按照天線擺放位置和系統(tǒng)設(shè)置參數(shù)可以分為:分置天線MIMO雷達(dá)和共置天線MIMO雷達(dá)。前者天線之間距離較大，各回波信號之間互不相關(guān)；后者天線位置較為緊密，通過相位上的相干積累提高估計和檢測性能。相比傳統(tǒng)相控陣?yán)走_(dá)，分置天線MMO雷達(dá)的天線結(jié)構(gòu)帶來了空間、頻率等方面的系統(tǒng)分集增益(文獻(xiàn):Spatial Diversity in Radars-Models and DetectionPerformance, Alexander M.Haimovich, Rick S.Blum, Leonard J.Cimini, D.Chizhik, IEEEtransactions on signal processing, Volume:54, Issue:3, Page(s):823-838, March2006)。使用分置天線MMO雷達(dá)對目標(biāo)的位置和速度進(jìn)行估計，可以從多個維度獲得目標(biāo)運(yùn)動參數(shù)信息，有效克服對稱擴(kuò)展目標(biāo)的微動多普勒頻率互相干擾抵消現(xiàn)象，從而為我們分析目標(biāo)的微動效應(yīng)和識別的特征提供了更多運(yùn)動細(xì)節(jié)信息。
[0006]狀態(tài)空間模型是一種有效分析系統(tǒng)變化規(guī)律的方法，適合描述復(fù)雜的動態(tài)時域系統(tǒng)模型。它包括兩個模型:一是狀態(tài)方程模型，反映動態(tài)系統(tǒng)在輸入變量作用下在某時刻狀態(tài)變化規(guī)律；二是觀測方程模型，它將系統(tǒng)在某時刻的輸出和系統(tǒng)的狀態(tài)及輸入變量聯(lián)系起來。狀態(tài)空間模型表征了由系統(tǒng)狀態(tài)方程描述的系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)的變化對系統(tǒng)輸出/觀測值的影響。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明提供了 一種雷達(dá)識別真假彈頭的方法，可以快速地檢測出雷達(dá)目標(biāo)彈頭的運(yùn)動特征變化，實現(xiàn)真、假彈頭目標(biāo)的識別。
[0008]本發(fā)明雷達(dá)識別真假彈頭的方法，包括步驟:
[0009]a.構(gòu)造能夠反映目標(biāo)彈頭特征的狀態(tài)向量:以目標(biāo)彈頭的運(yùn)動特征為識別依據(jù)，將三維空間中目標(biāo)彈頭的位置和速度向量作為狀態(tài)向量；
[0010]b.將目標(biāo)彈頭的運(yùn)動特征映射到狀態(tài)矩陣:對彈道中段飛行的目標(biāo)彈頭進(jìn)行運(yùn)動分析和建模，建立連續(xù)時間運(yùn)動狀態(tài)方程，再離散化所述的運(yùn)動狀態(tài)方程，將目標(biāo)彈頭的運(yùn)動模型和特征反映到離散時間運(yùn)動狀態(tài)方程的狀態(tài)矩陣中；
[0011]c.建立觀測量與目標(biāo)彈頭運(yùn)動狀態(tài)向量的聯(lián)系:通過雷達(dá)對目標(biāo)彈頭的運(yùn)動信息進(jìn)行估計，得到各時刻雷達(dá)坐標(biāo)下目標(biāo)彈頭的位置和速度向量的最大似然估計值，將所述的估計值作為系統(tǒng)觀測量，根據(jù)觀測量的模型建模為目標(biāo)彈頭的真實運(yùn)動狀態(tài)向量與高斯白噪聲的置加；
[0012]d.建立假設(shè)檢驗:根據(jù)目標(biāo)彈頭是否因為微動效應(yīng)而使所述的狀態(tài)矩陣發(fā)生變化，構(gòu)建二元假設(shè)檢驗問題判別目標(biāo)彈頭的真假；
[0013]e.通過對目標(biāo)彈頭的運(yùn)動模型突變的檢測來判定目標(biāo)彈頭的真假:根據(jù)步驟c的觀測量的條件概率密度函數(shù)和步驟d建立的假設(shè)得到檢測函數(shù)，并計算在滿足虛警概率要求下的檢測門限；將相鄰兩個時刻的系統(tǒng)觀測量和所述狀態(tài)矩陣代入檢測統(tǒng)計量中；當(dāng)檢測統(tǒng)計量的結(jié)果大于所述檢測門限時，判定目標(biāo)彈頭為真彈頭；當(dāng)檢測統(tǒng)計量結(jié)果小于所述門限時，判定目標(biāo)彈頭為假彈頭。
[0014]通過對真、假目標(biāo)彈頭在彈道中段的平動和微動運(yùn)動建模，利用狀態(tài)空間模型中的觀測量和狀態(tài)矩陣來反映彈頭目標(biāo)的微動效應(yīng)對目標(biāo)彈頭的運(yùn)動模型的影響，最后根據(jù)真假彈頭的運(yùn)動模型差異構(gòu)建假設(shè)檢驗問題并對此進(jìn)行檢測，以檢測結(jié)果來判別彈頭的真?zhèn)巍?br> [0015]進(jìn)一步的，步驟a中所述的狀態(tài)向量包括目標(biāo)彈頭的散射點(diǎn)在雷達(dá)坐標(biāo)的位置、速度向量和參考坐標(biāo)下體現(xiàn)目標(biāo)彈頭微動運(yùn)動特征的位置坐標(biāo)。
[0016]具體的，所述的目標(biāo)彈頭微動運(yùn)動特征包括目標(biāo)彈頭的振動、擺動、錐旋和自旋等微動運(yùn)動中的至少其中一種。
[0017]優(yōu)選的，步驟c中所述的雷達(dá)為具有分置天線的MIMO雷達(dá)。這是因為分置天線MMO雷達(dá)具有空間分集增益，相比傳統(tǒng)相控陣?yán)走_(dá)，更適合在三維空間對目標(biāo)進(jìn)行檢測和運(yùn)動參數(shù)估計。
[0018]優(yōu)選的，通過局部最優(yōu)未知方向檢測器(LOUD, Locally Optimum UnknownDirection detector)得到步驟e中所述的檢測函數(shù)。
[0019]本發(fā)明的雷達(dá)識別真假彈頭的方法，能夠快速地檢測出雷達(dá)目標(biāo)彈頭的運(yùn)動特征變化，并且準(zhǔn)確的實現(xiàn)對真、假彈頭目標(biāo)的識別。
[0020]以下結(jié)合實施例的【具體實施方式】，對本發(fā)明的上述內(nèi)容再作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。但不應(yīng)將此理解為本發(fā)明上述主題的范圍僅限于以下的實例。在不脫離本發(fā)明上述技術(shù)思想情況下，根據(jù)本領(lǐng)域普通技術(shù)知識和慣用手段做出的各種替換或變更，均應(yīng)包括在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1為MIMO雷達(dá)觀測彈頭目標(biāo)的復(fù)合運(yùn)動分解示意圖。
[0022]圖2為分置天線MMO雷達(dá)識別彈頭目標(biāo)的天線分布示意圖。
[0023]圖3為本發(fā)明方法的流程圖。
[0024]圖4為檢測概率Pd隨狀態(tài)參數(shù)矩陣Fk+1改變量Λ F的變化曲線。
[0025]圖5為檢測概率Pd隨k+Ι時刻狀態(tài)矩陣變化R的變化曲線。
【具體實施方式】
[0026]本發(fā)明的實施例是通過LOUD檢測器的MIMO雷達(dá)對真假彈頭目標(biāo)運(yùn)動特征進(jìn)行分辨，本質(zhì)上是一種局部最優(yōu)檢測算法。
[0027]為了方便描述，首先進(jìn)行如下定義:
[0028]LOUD 檢測器:Locally Optimum Unknown Direction detector,局部最優(yōu)未知方向檢測器。
[0029]分置天線MMO雷達(dá):采用M個發(fā)射天線和個N接收天線，天線之間的距離較大使觀測回波互不相關(guān)；發(fā)射天線m和接收天線I的位置分別為(<，Κ)、)，
m=l, 2，…，Μ, 1=1, 2，…，N。發(fā)射天線m的發(fā)射信號基帶形式為{?，Em是第m個天線`的發(fā)射信號能量，sffl (t)是正交發(fā)射信號。
[0030]最大似然估計(MLE):是一種估計樣本參數(shù)的統(tǒng)計方法，在已知試驗結(jié)果(即是樣本觀測值)的情況下，尋求使這個結(jié)果出現(xiàn)的可能性最大的那個參數(shù)Θ作為對真實參數(shù)Θ*的估計。
[0031]目標(biāo)運(yùn)動模型:如圖1所示，目標(biāo)彈頭是擴(kuò)展目標(biāo)，以目標(biāo)彈頭上的強(qiáng)散射點(diǎn)P的位置和速度為狀態(tài)向量，建立雷達(dá)坐標(biāo)系(U，V，W)下的目標(biāo)運(yùn)動方程。將目標(biāo)在彈道中段的運(yùn)動分解為平動和微動。為便于分析微動，建立平行于雷達(dá)坐標(biāo)系(U，v，w)的參考坐標(biāo)系(X，Y，Z)。在雷達(dá)坐標(biāo)系內(nèi)，(X(t)，y(t)，z(t))是散射點(diǎn)P在t時刻的位置坐標(biāo)；(vx(t), vy(t), vz(t))是點(diǎn)P在t時刻的速度向量；gt=(gx, gy, gz)是目標(biāo)的平動加速度向量。t時刻參考坐標(biāo)系(X，Y，Z)中散射點(diǎn)？的位置向量為？(0 = [?!￡(0，&(0，？2(0]'又稱微動坐標(biāo)向量，其中(.)τ表示對向量或矩陣的轉(zhuǎn)置操作。對P(t)求導(dǎo)得到參考坐標(biāo)系內(nèi)點(diǎn)P在t時刻的速度向量(簡稱微動速度向量)和加速度向量(簡稱微動加速度向量)分別為
P' (t)=|V X(t)，p' y(t)，p' z(t)mp' 1 (t)=[p, 1 x(t)，p' 1 y(t)，p' 1 z(t)]
T
O
[0032]狀態(tài)空間模型:包括狀態(tài)方程和觀測方程。其中狀態(tài)方程反映了系統(tǒng)內(nèi)部的變化規(guī)律，可用于描述不同目標(biāo)的特征差異；而觀測方程描述了觀測量和系統(tǒng)狀態(tài)向量關(guān)系。
[0033]克拉美羅界:Cramer-Rao Bound,簡寫CRB。對于參數(shù)估計問題,克拉美羅界為任何無偏估計量的方差確定了一個下限，即不可能求得方差小于下限的無偏估計量。
[0034]如圖3所示本實施例的步驟為:
[0035]a.構(gòu)造能夠反映真/假目標(biāo)彈頭特征的狀態(tài)向量Xk:[0036]由于是以目標(biāo)彈頭的運(yùn)動特征作為識別依據(jù)，因此可以將三維空間待識別目標(biāo)的位置、速度向量作為狀態(tài)向量X(t)，即:[0037]X (t) = [X (t), y(t), z (t)，vx (t)，vy (t)，vz (t)，px (t)，py (t)，pz (t) ]τ (I)
[0038]其中⑴式中的x、y、ζ分別表示坐標(biāo)軸，t為某時刻，(.)τ表示轉(zhuǎn)置操作。(I)式的狀態(tài)量包括目標(biāo)彈頭散射點(diǎn)P在雷達(dá)坐標(biāo)系的位置、速度向量和參考坐標(biāo)系下的位置坐標(biāo)p(t)，p(t)能體現(xiàn)目標(biāo)的微動運(yùn)動特征。
[0039]b.將真假彈頭的運(yùn)動特征映射到狀態(tài)矩陣Fk+1:
[0040]具體的構(gòu)造狀態(tài)矩陣的方法如下:
[0041]b_l對彈道中段飛行的目標(biāo)彈頭進(jìn)行運(yùn)動分析和建模，建立連續(xù)時間運(yùn)動狀態(tài)方程:
[0042]
[0043]
[0044]其中X' (t)是x(t)關(guān)于時間t的導(dǎo)數(shù)，At是系數(shù)矩陣，13和03><3分別為3X3維單位陣和全零矩陣；u(t)表示系統(tǒng)輸入向量，u(t) = [0，0，0，gt，0，0，0]T，u(t)表達(dá)式中的gt是雷達(dá)坐標(biāo)系下的平動加速度向量；矩陣ε2根據(jù)目標(biāo)彈頭所具備的微動模型具體形式可以分析求得，
[0045]
A=(SKJdt)KLv
={S2Kamp/St2)A:lp{ }
[0046]其中代表復(fù)合微動模型坐標(biāo)變化的系數(shù)矩陣。在t時刻參考坐
標(biāo)系中目標(biāo)上的散射點(diǎn)P的復(fù)合微動可以分解成幾個簡單微動的疊加(見文獻(xiàn):Micro-Doppler Effect in Radar:Phenomenon, Model,and Simulation Study, V.C.Chen, F.Li, S.Ho, and H.Wechslerj IEEE Transactions on Aerospace and ElectronicSystems, vol.42，pp.2-21, 2006)，在此不做詳述:
[0047]

Pkromn —Α?,.Α.Α.A.compvibration swing coning spin
[0048]其中Ai tion、Asnwg, K0麗” 分別代表目標(biāo)的簡單微動類型包括振動、擺動、錐旋和自旋運(yùn)動的坐標(biāo)變換矩陣。對于某一特定的復(fù)合微動模型來說，某個系數(shù)矩陣可能是不需要的，例如進(jìn)動運(yùn)動分解后，K0-= K— =U-。
[0049]b-2:離散化目標(biāo)彈頭運(yùn)動狀態(tài)方程；
[0050]將⑵式離散化得到:
[0051]xk+1=Fk+1xk+Gk+1uk (5)
[0052]此處假設(shè)目標(biāo)彈頭的狀態(tài)向量X (t)在k時刻的值，記為xk，F(xiàn)k+1為k+1時刻狀態(tài)矩陣，Uk為k時刻的系統(tǒng)輸入向量，Gk+1為系統(tǒng)輸入?yún)?shù)矩陣。考慮到離散化和建模引入的誤差向量Wk+1，可以建模成O均值、協(xié)方差為Re的高斯隨機(jī)變量即
【權(quán)利要求】
1.雷達(dá)識別真假彈頭的方法，其特征包括步驟: a.構(gòu)造能夠反映目標(biāo)彈頭特征的狀態(tài)向量:以目標(biāo)彈頭的運(yùn)動特征為識別依據(jù)，將三維空間中目標(biāo)彈頭的位置和速度向量作為狀態(tài)向量； b.將目標(biāo)彈頭的運(yùn)動特征映射到狀態(tài)矩陣:對彈道中段飛行的目標(biāo)彈頭進(jìn)行運(yùn)動分析和建模，建立連續(xù)時間運(yùn)動狀態(tài)方程，再離散化所述的運(yùn)動狀態(tài)方程，將目標(biāo)彈頭的運(yùn)動模型和特征反映到離散時間運(yùn)動狀態(tài)方程的狀態(tài)矩陣中； c.建立觀測量與目標(biāo)彈頭運(yùn)動狀態(tài)向量的聯(lián)系:通過雷達(dá)對目標(biāo)彈頭的運(yùn)動信息進(jìn)行估計，得到各時刻雷達(dá)坐標(biāo)下目標(biāo)彈頭的位置和速度向量的最大似然估計值，將所述的估計值作為系統(tǒng)觀測量，根據(jù)觀測量的模型建模為目標(biāo)彈頭的真實運(yùn)動狀態(tài)向量與高斯白噪聲的疊加； d.建立假設(shè)檢驗:根據(jù)目標(biāo)彈頭是否因為微動效應(yīng)而使所述的狀態(tài)矩陣發(fā)生變化，構(gòu)建二元假設(shè)檢驗問題判別目標(biāo)彈頭的真假； e.通過對目標(biāo)彈頭的運(yùn)動模型突變的檢測來判定目標(biāo)彈頭的真假:根據(jù)步驟c的觀測量的條件概率密度函數(shù)和步驟d建立的假設(shè)得到檢測函數(shù)，并計算在滿足虛警概率要求下的檢測門限；將相鄰兩個時刻的系統(tǒng)觀測量和所述狀態(tài)矩陣代入檢測統(tǒng)計量中；當(dāng)檢測統(tǒng)計量的結(jié)果大于所述檢測門限時，判定目標(biāo)彈頭為真彈頭；當(dāng)檢測統(tǒng)計量結(jié)果小于所述門限時，判定目標(biāo)彈頭為假彈頭。
2.如權(quán)利要求1所述的雷達(dá)識別真假彈頭的方法，其特征為:步驟a中所述的狀態(tài)向量包括目標(biāo)彈頭的散射點(diǎn)在雷達(dá)坐標(biāo)的位置、速度向量和參考坐標(biāo)下體現(xiàn)目標(biāo)彈頭微動運(yùn)動特征的位置坐標(biāo)。
3.如權(quán)利要求2所述的雷達(dá)識別真假彈頭的方法，其特征為:所述的目標(biāo)彈頭微動運(yùn)動特征包括目標(biāo)彈頭的振動、擺動、錐旋和自旋運(yùn)動中的至少其中一種。
4.如權(quán)利要求1所述的雷達(dá)識別真假彈頭的方法，其特征為:步驟c中所述的雷達(dá)為具有分置天線的MMO雷達(dá)。
5.如權(quán)利要求1至4之一所述的雷達(dá)識別真假彈頭的方法，其特征為:通過局部最優(yōu)未知方向檢測器得到步驟e中所述的檢測函數(shù)。
【文檔編號】G01S13/88GK103487801SQ201310392379
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2013年9月2日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月2日
【發(fā)明者】何茜, 才東陽, 王偉明, 何子述 申請人:電子科技大學(xué)