【最新成果】基于相位补偿的旋翼目标特征提取方法

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前言

空军预警学院张朝伟团队提出了一种基于相位补偿的旋翼目标特征提取方法，通过将多个叶片回波中其中一个叶片回波的相位补偿完全，进而将该叶片对应的时频域闪烁沿多普勒频率轴平移到相应的零多普勒频率，并可实现旋翼目标的特征提取。该算法首先分析了时频域闪烁在频率轴的位置由回波相位决定的特点，然后通过相位补偿的方法将整齐排列的闪烁转换成呈一定规律浮动的闪烁，从而实现稳健的旋翼目标特征提取。

背景介绍

近年来，无人机擅闯敏感区域的新闻频频见诸报端，美国白宫、日本首相官邸等安保要地都曾发生无人机入侵事件。2018年委内瑞拉总统马杜罗在首都加拉加斯出席军队纪念演讲时遭遇无人机炸弹袭击，爆炸引起现场极度混乱。事实上，无人机正成为不法分子窃取秘密情报、危害国家安全和公共安全的新工具。此外，上述事件中提到的大部分为消费级无人机（如：大疆精灵，3D Robotics等），这些无人机成本较低、易于获取、改装容易，极易被不法分子利用，给反恐、安保、警卫、禁毒、保密等领域工作带来巨大压力，如图1所示。在消费级无人机迎来井喷发展的今天，解决无人机监控问题已成为维护国家安全、公众安全和社会稳定的重要保障。目前针对此类目标的监控手段主要包括光电红外、无线电探测、声学探测和雷达探测。雷达因其探测距离远、搜索能力强和探测目标类型广泛等特点，在探测无人机方面具有不可替代的优势。

图1 无人机严重影响民航安全与运行效率

目前的传统雷达主要利用MTI、MTD等方法来检测目标，其核心是目标的多普勒频移，但是当前直升机或旋翼类无人机大都飞行速度较慢，还能实施悬停等技术动作，此时常规窄带雷达很难检测和识别目标。近来蓬勃发展的微动理论为上述问题提供了一条新的解决思路，其通过对目标回波微多普勒频率的分析，然后利用相应的特征提取方法实现目标的属性获取。“微动”是导致目标回波信号的多普勒频率发生非线性时变的各种复杂运动的统称，大部分目标都具有自身独特的微动形式，最常见的是旋转、振动、翻滚和进动四种类型，因此微动也成为了独一无二的运动特征，这些特征可以直接反映目标所独有的特征属性，对目标微动特征的提取可以实现这类目标稳健的识别。例如不同型号旋翼直升机的微动特征（旋翼转速、叶片个数、叶片长度等）不尽相同等。因此，对微动的研究在现代预警监视装备系统中的地位和作用越来越凸显。

团队工作

如何利用回波实现旋翼目标的特征提取是目标分类与识别中亟待解决的问题，为此空军预警学院张朝伟团队提出一种基于相位补偿的外辐射源雷达旋翼目标特征提取方法，将时频域中整齐排列的闪烁转换成呈规律浮动的闪烁，进而实现目标特征提取。

该工作已发表在《雷达学报》网络优先出版论文“基于相位补偿的外辐射源雷达旋翼目标特征提取”（周子铂，张朝伟，夏赛强，许道明，高妍，曾晓双）。

论文介绍

该文首先分析了旋翼目标回波时频域闪烁形成的数学机理，单个叶片回波各部分时频分布如图2所示。旋翼目标回波包括呈一定时间间隔重复出现的峰值构成的包络和多普勒频率呈正弦变化的相位。其中，回波包络的时频分布为间隔一定时间出现的零频闪烁，而相位的时频分布为正弦形式变化的曲线，在时频域完整信号为前面两部分的卷积，即交替出现的正闪烁和负闪烁。当旋翼目标包含有多个叶片时，其回波的时频分布为多个单叶片时频分布的组合，此时整个时频分布的规律性不强。

图2 单个叶片回波各部分时频分布

在此基础上，该文考虑通过相位补偿的方式消除掉其中一个叶片回波的相位，进而将该叶片对应的闪烁平移到零多普勒频率，并在该过程中实现旋翼目标的特征提取。在建立参数空间之后，通过迭代搜索的方式逐渐将该叶片对应的所有闪烁平移到零多普勒频率，最终获得补偿之后的最佳时频分布。以三叶片旋翼直升机为例，其时频分布的变化过程如图3所示。设定相位补偿完全的叶片为第一个叶片，可以看到对应于第一个叶片的多个闪烁逐渐平移到零频，且三次迭代之后即可比较明显的发现一系列间隔相同时间重复出现的闪烁，然后可以根据时频分布直接获取该旋翼目标包含有三个叶片。

图3 三叶片旋翼结构的时频图谱

图4给出了迭代过程中该叶片各闪烁中心频率的变化情况，可以看到随着迭代次数的增加，该叶片的五个闪烁逐渐接近于零多普勒频率。另外，在执行过程中，利用闪烁中心频率距离零频最近的原则，提取该叶片即旋翼的转速、叶片数等信息，结果如图5所示。

 图4  闪烁中心频率的变化

图5 最佳参数搜索结果

另外，该算法在提取出旋翼目标各项特征的同时，还能在时频域直接实现叶片分离。如前所述位于零频的各项闪烁对应第一个叶片，然后可以依次确定第二个叶片和第三个叶片，如图6所示。

图6 叶片分离的效果

作者介绍

周子铂，男，2018年在国防科技大学获得硕士学位，现为空军预警学院助教，主要研究方向为微波成像、目标识别与分类。

夏赛强，男，2018年在空军预警学院获得硕士学位，现为空军预警学院讲师，主要研究方法是微动目标识别。

张朝伟，男，2012年在北京理工大学博士后出站，现为空军预警学院副教授，主要从事雷达装备保障与运用研究。

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编辑：高山流水

审核：岳冰莹 贾守新

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