局部照射微动目标微多普勒特征提取方法

1.本发明属于雷达目标探测技术领域，特别是一种局部照射微动目标微多普勒特征提取方法。


背景技术：

2.不同的微动形式会对雷达回波产生不同的频率调制，诱导出不同的微多普勒特征，如何从雷达回波中有效的提取出微多普勒特征，将直接影响到利用微多普勒特征来研究目标的相关特性。提取微动目标产生的微多普勒特征本质上是对微动回波信号进行信号处理将其隐含的时变频率特性显现出来。
3.由于微多普勒特征提取受到了雷达体制、工作场景、微动结构等因素的影响，以提取的方法进行分类主要有时频分析(time-frequency analysis,tfa)方法、小波分析 (wavelet analysis,wa)方法、经验模式分解(empirical mode decomposition,emd) 方法以及上述方法的综合运用等方法。
4.就目前已有研究而言，在进行特征分析时，为了简化分析过程，通常将微动目标为设置多个等效散射点，甚至将这些散射点作为理想散射源。虽然在针对简单目标时仿真与实际测量果吻合较好，但针对复杂目标时，由于非理想散射机理普遍存在，基于几何绕射理论建立的微动模型和回波信号模型要么过于理想化，要么对贡献成分和属性的分析过于复杂，无法经过严格数学证明，且对于微动过程中产生的遮挡效应欠缺考虑，缺少对于复合复杂战情情况的时频分析方法，并且对于有限时间资源条件下和局部照射条件下进行特征提取的研究十分鲜见。
5.局部照射是指弹目交会过程中，引信波束未覆盖完整目标，而有效面元只存在于波束厚度范围之内。由于目前研究将目标分解为多个散射中心，这些散射中心通常设置于电磁散射特性不连续的固定点和满足几何绕射理论的滑动点等，而弹目交会过程中波束经常无法将它们完全照射到，表现为散射中心时而出现时而消失的特征，例如直升机旋翼的叶尖部分接触到探测区时，因此应用等效散射中心的处理方法不再适用。
6.总之，现有技术存在的问题是：提取局部照射条件下微动目标的微多普勒特征时，特征精度不够。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于提供一种局部照射微动目标微多普勒特征提取方法，特征提取精度高。
8.实现本发明目的的技术解决方案为：
9.一种局部照射微动目标微多普勒特征提取方法，包括如下步骤：
10.(10)微动部件平移旋转：通过坐标变换实现微动部件的平移、旋转；
11.(20)获取探测区面元：将探测区域按照角度分为多个部分，将进入探测区域的微动部件所有面元进行划分，得到探测区面元；
12.(30)遮挡面元去除：采用多边形裁剪算法，去除微动部件面元被遮挡部分，得到每个面元未遮挡的多边形的顶点列表；
13.(40)rcs计算：利用物理光学法计算微动部件的rcs；
14.(50)微多普勒特征获取：采用短时傅里叶变换方法所述对rcs进行特征分析，获得时频图，根据所述时频图得到微动部件微多普勒特征。
15.本发明与现有技术相比，其显著优点为：
16.特征提取精度高：本发明通过设置微动部件的运动方式，通过裁剪算法、可见面判断对目标rcs、位置等统计信息精确计算，再通过统计信息进行特征分析，可以较精确的获得微动目标时频分析图。
17.下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。
附图说明
18.图1是本发明局部照射微动目标微多普勒特征提取方法的注流程图。
19.图2是sutherland-hodgeman裁剪算法的工作流程示意图。
20.图3是角度划分示意图。
21.图4是探测区域示意图。
具体实施方式
22.如图1所示，本发明局部照射微动目标微多普勒特征提取方法，包括如下步骤：
23.(10)微动部件平移旋转：通过坐标变换实现微动部件的平移、旋转；
24.设基元矩阵为：
[0025][0026][0027][0028]
旋转运算只需要在此基础上乘以一个旋转矩阵，向任意角度旋转的旋转矩阵为：
[0029][0030]
式中，
[0031]
[0032][0033][0034]
式中，ψ、θ、分别为绕x、y、z轴旋转的角度。
[0035]
平移(a，b，c)对应的矩阵：
[0036][0037]
(20)获取探测区面元：将探测区域按照角度分为多个部分，将进入探测区域的微动部件所有面元进行划分，得到探测区面元；
[0038]
采用一种局部探测工作模式，在弹目交会过程中，微多普勒目标由于其运动特征的独特性，微多普勒回波常常在一个探测区域内的各个角度上周期性的出现，同时，若将探测区域按照角度分为多个部分，就可以实现目标具体角度的探测，使得微多普勒信号更加复合实际需求，角度划分如图3所示，探测区域如图4所示，对目标的所有面元进行划分，划分依据为面元几何中心的坐标位置是否在各个区域内。
[0039]
几何中心计算公式：
[0040][0041]
式中，vi为多边形从坐标原点指向多边形各顶点的向量。
[0042]
划分判断公式为：
[0043][0044]
式中,d为面元中心与引信中心距离，β为目标点视线与导弹纵轴的夹角，i为通道编号，为目标点视线在导弹纵向对称面内投影线与地面坐标系y轴的夹角，为赤道面宽度。
[0045]
实现方法包括如下步骤：
[0046]
(21)参照图3将探测区域按角分为八个部分，称为八个通道，参照图4的波束照射范围将探测区域分为照射区域(内部)和非照射区域，将波束的半功率功率波束宽度称为波束厚度δθ，主波束照射方向称为波束倾角θ。
[0047]
当目标进入照射区域时，按照目标面元所在坐标，即(21)中的dot[3],将面元划分为有效照射面元和无效照射面元，进一步将有效照射面元分为通道以至八的面元
[0048]
(22)将获得的每组统计信息综合进行特征分析，获得满足局部探测条件的时频图。
[0049]
(30)遮挡面元去除：采用多边形裁剪算法，去除微动部件面元被遮挡部分，得到每个面元未遮挡的多边形的顶点列表。
[0050]
在典型的微动过程，例如在旋转过程中，总是伴随着遮挡效应，为了使信号复合实际情况，需要将被遮挡的部分去除。sutherland-hodgeman多边形裁剪算法是计算机图形学中常见的裁剪算法，通过sutherland-hodgeman多边形裁剪算法进行每个时刻进行遮挡判断，获得每个面元经裁剪后未遮挡的多边形部分；
[0051]
如图2所示，所述(20)遮挡面元去除步骤包括：
[0052]
(31)面元投影：按照面元坐标，将面元按照远近排序，将近处面元投影到远处面元所在的平面；
[0053]
定义面元结构为：
[0054]
struct face
[0055]
{
[0056]
long num；
[0057]
ptvector normal；
[0058]
dot dot[3]；
[0059]
bool shelter；
[0060]
}
[0061]
其中num为面元编号，normal为外法向，dot[3]为面元的三个坐标，shelter为是否遮挡标志位。
[0062]
按照面元坐标，将面元按照远近排序，将近处面元投影到远处面元所在的平面；
[0063]
投影坐标转换过程：
[0064]
假定视距为d，即投影平面距离观察坐标系原点o的距离，观察坐标系中物体上一点为p0＝(xs，ys，zs)，投影线与屏幕的交点为p
p
＝(x
p
,y
p
,z
p
)。于是根据相似三角形可得：
[0065][0066]
(32)遮挡部分裁剪：利用sutherland-hodgeman多边形裁剪算法，裁剪面元遮挡部分，保留未遮挡部分；
[0067]
算法思想是：以一多边形边界作为分界线，靠近中心的为可见侧；按照逆时针的顺序遍历各边，分为4种情况，情况1为这条边的两端点均在可见侧，则输出这条边的终点；情况2为这条边的两端点均在不可见侧，则不输出；情况3为这条边的起点在可见侧，终点在不可见侧，则输出交点；情况4为这条边的起点在不可见侧，终点在可见侧，则输出这条边的终点和交点；
[0068]
(33)未遮挡面元多边形获取：得到的点列表作为一个新的多边形，以下一个边界继续进行如上三种情况的判断，得到下一个新多边形，最终得到未遮挡面元多边形的顶点列表；
[0069]
(40)rcs计算：利用物理光学法计算微动部件的rcs；
[0070]
po法计算rcs公式为：
[0071][0072]
式中，是指向散射方向的单位矢量，为磁场的极化方向沿单位矢量，表示接收装置电场极化方向的单位矢量，为o点到ds的位置矢量，k为波数。
[0073]
(50)微多普勒特征获取：采用短时傅里叶变换方法所述对rcs进行特征分析，获得时频图，根据所述时频图得到微动部件微多普勒特征。
[0074]
时间信号的短时傅里叶变换公式为：
[0075][0076]
式中，s(t)为输入信号，g(t)为窗函数。