雷达成像中基于进退法的鸟类目标运动状态自动判别方法

　　0　引言

　　鸟类目标的实时监测对于人类航空安全和航空事业的发展具有重要意义。为更好地观测鸟类的活动,雷达是一种重要的工具,它可以在广大空域里全天时、全天候地观察各种鸟类,而且雷达系统在鸟情信息收集上具有自动化程度高和数据便于分析存储等优点[1]。随着现代信号处理以及高速计算机技术的发展,高分辨雷达成像技术对于鸟类目标监测的实现是一种全新的途径,由于鸟类目标体积小,对其高分辨成像,需要雷达发射具有数GHz带宽的信号来完成。线性调频步进信号是一种具有瞬时带宽小、易于大带宽合成等优点的高分辨距离信号[2],可被选做为鸟类目标成像的主要信号。鸟类目标的运动状态包括滑翔状态和振翅状态。由于通常鸟类目标运动速度较慢,在目标和雷达相距几公里的条件下,鸟类目标必须飞过一定的路程以获得成像要求的方位高分辨率。在此过程中,鸟类目标的运动状态通常将发生滑翔状态与振翅状态的交替变化。鸟类目标在振翅状态时,回波信号将附加由于振翅运动引起的微多普勒调制[3-4],严重影响鸟类目标的成像效果;而滑翔状态时鸟类目标可以近似为刚体,对其进行通常的距离-多普勒成像或距离-多普勒瞬时成像就可以获得清晰的ISAR像[5-6]。所以,鸟类目标运动状态的准确划分是后续微多普勒特征提取和成像处理的前提。针对该问题,提出了一种利用进退法搜索精高分辨距离像的互相关系数的鸟类目标运动状态判别方法。仿真试验表明,该方法能准确且高效地自动判别鸟类目标的运动状态。

　　1　线性调频步进信号ISAR成像原理

　　线性调频步进信号是将线性调频信号作为频率步进信号的子脉冲。它的每一脉冲串中包含一系列周期性出现的频率递增的线性调频子脉冲,可以合成宽带信号。设其每个脉冲串中包含N个子脉冲,脉冲间频率步进值为Δf,子脉宽度为T1,脉冲重复间隔为Tr。雷达发射的第0簇子脉冲串中的第i个子脉冲信号为

　　假设毫米波雷达载频为94GHz,发射线性调频步进信号的频率步进值Δf=4.687 5MHz,每个脉冲串中包含N=64个子脉冲,从而获得的合成带宽NB=3GHz,距离分辨率ΔR=0.05m。脉冲串重复间隔BRI=1/400 s。设鸟类目标如图1所示。

　　其运动速度v为20m/s,翅膀振动频率为2Hz。为简单起见,假设振翅阶段鸟类目标翅膀作单摆形式的运动。其相对雷达的径向距离2 km,俯仰角为60°,成像时间为3.191 5 s,其中,前1.2 s为滑翔阶段,接着是1 s的振翅阶段,最后剩余时间再次转为滑翔阶段。当不考虑振翅产生的微多普勒效应的影响时,获得的横向距离分辨率Δc=0.05m。其距离-慢时间谱图[7]如图2所示。