宽带雷达弹头目标遮挡效应建模与微多普勒仿真分析.pdf
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1、第2 4卷 第3期空 军 工 程 大 学 学 报V o l.2 4 N o.32 0 2 3年6月J OURNA L O F A I R F O R C E E NG I N E E R I NG UN I V E R S I T YJ u n.2 0 2 3收稿日期:2 0 2 2-0 7-2 7基金项目:国家自然科学基金(6 1 7 0 1 5 3 0,6 1 8 7 1 3 9 6);陕西省自然科学基础计划研究项目(2 0 2 0 J M-3 4 8)作者简介:代肖楠(1 9 9 1-),男,云南玉溪人,硕士生,研究方向为雷达成像与目标识别。E-m a i l:y 1 8 5 0 0 5
2、 5 3 4 5 41 6 3.c o m引用格式:代肖楠,李开明,赵晓琛,等.宽带雷达弹头目标遮挡效应建模与微多普勒仿真分析J.空军工程大学学报,2 0 2 3,2 4(3):1 0 5-1 1 1.D A I X i a o n a n,L I K a i m i n g,Z HAO X i a o c h e n,e t a l.O c c l u s i o n M o d e l i n g a n d M i c r o-D o p p l e r S i m u l a t i o n A n a l y s i s o f B a l l i s t i c T a r g e
3、 t B a s e d o n W i d e b a n d R a d a rJ.J o u r n a l o f A i r F o r c e E n g i n e e r i n g U n i v e r s i t y,2 0 2 3,2 4(3):1 0 5-1 1 1.宽带雷达弹头目标遮挡效应建模与微多普勒仿真分析代肖楠1,2,李开明1,赵晓琛1,贺志峰3,蔡 斌1,4(1.空军工程大学信息与导航学院,西安,7 1 0 0 7 7;2.9 5 8 0 6部队,北京,1 0 0 0 7 6;3.9 3 6 0 1部队,山西大同,0 3 7 0 0 6;4.北京信息技术研究
4、所,北京,1 0 0 0 9 4)摘要 微多普勒特征是弹道导弹目标识别的重要依据。高频雷达体制下,弹头目标与雷达的位置关系直接影响雷达回波生成及后续的微多普勒特征提取,因此必须考虑遮挡效应的影响。首先,使用3 D-M a x软件对锥体弹头进行几何建模,得到三维网格模型;其次,对于弹头顶点和尾翼散射点,在计算机图形学面消隐算法的基础上,采用平均法向量法进行遮挡判断,得到较为真实的目标仿真回波,对遮挡条件下的弹道目标回波建模与微动特征分析进行了初步探索。仿真结果表明,该方法可以完成弹头目标的遮挡效应建模。关键词 宽带雷达;弹头;遮挡效应;微多普勒D O I 1 0.3 9 6 9/j.i s s
5、n.2 0 9 7-1 9 1 5.2 0 2 3.0 3.0 1 4中图分类号 T N 9 5 文献标志码 A 文章编号 2 0 9 7-1 9 1 5(2 0 2 3)0 3-0 1 0 5-0 7O c c l u s i o n M o d e l i n g a n d M i c r o-D o p p l e r S i m u l a t i o n A n a l y s i s o f B a l l i s t i c T a r g e t B a s e d o n W i d e b a n d R a d a rD A I X i a o n a n1,2,L I
6、 K a i m i n g1,Z HAO X i a o c h e n1,HE Z h i f e n g3,C A I B i n1,4(1.I n f o r m a t i o n a n d N a v i g a t i o n S c h o o l,A i r F o r c e E n g i n e e r i n g U n i v e r s i t y,X ia n 7 1 0 0 7 7,C h i n a;2.U n i t o f 9 5 8 0 6,B e i j i n g,1 0 0 0 7 6,C h i n a;3.U n i t o f 9 3 6
7、 0 1,D a t o n g 0 3 7 0 0 6,S h a n x i,C h i n a;4.B e i j i n g I n f o r m a t i o n T e c h n o l o g y R e s e a r c h I n s t i t u t e,B e i j i n g 1 0 0 0 9 4,C h i n a)A b s t r a c t M i c r o-D o p p l e r f e a t u r e i s a n i m p o r t a n t r e f e r e n c e f o r t a r g e t r e c
8、 o g n i t i o n o f b a l l i s t i c m i s s i l e.I n h i g h f r e q u e n c y r a d a r s y s t e m,t h e p o s i t i o n r e l a t i o n s h i p b e t w e e n w a r h e a d a n d r a d a r d i r e c t l y a f f e c t s t h e g e n-e r a t i o n o f r a d a r e c h o e s a n d m i c r o-D o p p
9、 l e r f e a t u r e e x t r a c t i o n s u b s e q u e n t l y,s o t h e i n f l u e n c e o f o c c l u s i o n e f f e c t m u s t b e c o n s i d e r e d.F i r s t l y,t h e 3 D M a x s o f t w a r e i s u s e d t o m o d e l t h e g e o m e t r y o f c o n e w a r h e a d,a n d t h e 3 D m e s
10、 h m o d e l o f t h e w a r h e a d t a r g e t i s o b t a i n e d.S e c o n d l y,f o r t h e w a r h e a d v e r t e x a n d e m p e n-n a g e s c a t t e r e r s,t h e a v e r a g e n o r m a l v e c t o r m e t h o d i s u s e d f o r o c c l u s i o n j u d g m e n t o n t h e b a s i s o f p
11、 l a n e h i d-d e n a n d e l i m i n a t i o n a l g o r i t h m f r o m t h e C o m p u t e r G r a p h i c s,t h e n t h e m o r e r e a l s i m u l a t e d e c h o e s o f t a r g e t i s o b t a i n e d,w h i c h m a k e s a p r e l i m i n a r y e x p l o r a t i o n o n e c h o e s m o d e l
12、 i n g a n d m i c r o-m o t i o n c h a r a c t e r i s t i c s a-n a l y s i s o f b a l l i s t i c t a r g e t s u n d e r t h e o c c l u s i o n c o n d i t i o n.K e y w o r d s w i d e b a n d r a d a r;w a r h e a d;o c c l u s i o n e f f e c t;m i c r o-D o p p l e r 弹道导弹在飞行过程中,通常会伴有自旋、进动
13、等微动形式。微动特征是目标的独特特征,包含目标的细节信息,微动产生的微多普勒效应为弹道导弹目标识别提供了新的技术途径1-1 2。根据电磁散射相关理论,在高频雷达下,弹头目标的散射特性可以用几个局部的散射点表示。对于弹头目标,散射点包括理想散射点和非理想散射点。理想散射点是指散射中心的位置及其散射强度不随入射电磁波频率和方位角的变化而改变,如弹头的锥顶和尾翼。非理想散射点是指散射中心的位置及其散射强度随入射电磁波频率和方位角的变化而改变,如圆锥底部和锥柱结合部的散射点,这类散射点位于雷达电磁波入射平面和边缘(棱线)的相交处或不连续处,也称作滑动散射点5-9。对于弹头目标上的理想散射点,在完成精确
14、平动补偿后,其回波的微多普勒效应一般表现为正弦调频形式,如目标自旋引起的微多普勒效应1-5。对于非理想散射点,其微多普勒在自旋时表现为直线,在进动时表现出高阶正弦调频的性质5-9。然而,现有的许多研究在讨论弹头目标微多普勒效应时,为了简化分析,大都没有考虑遮挡效应的影响。事实上,遮挡效应将使得弹头的部分散射点回波在整个观测时间窗内出现部分或成段缺失,即使完成精确的平动补偿,遮挡效应的存在也将导致这些散射点的微多普勒特征在时频域或距离-慢时间域不再完整。遮挡问题是目标跟踪与识别的难点之一,弹头目标的平动和微动必将导致散射点在雷达视线上存在遮挡现象,进而影响回波的微多普勒特征提取。在弹头目标遮挡效
15、应方面,文献8 综合考虑了弹头目标的非理想散射现象和遮挡效应,建立了基于相对坐标系的散射中心遮挡模型,但该遮挡模型依赖于作者设定的一条穿过弹头体内部的“理想”分界线(顶点与锥柱底面边缘的连线)。文献9 考虑了弹体对弹翼的遮挡效应,对散射点回波乘以遮挡因子进行回波建模,但模型的建立未能综合考虑目标的形状、与雷达的位置关系及目标的散射机理。文献1 0 和文献1 1 在窄带雷达条件下对锥柱体弹头的滑动散射点进行了遮挡效应建模,并基于压缩感知理论对弹头微多普勒历程进行了修复,但对遮挡效应的建模是在微动回波信号的基础上乘以周期性信号,调制周期由弹道目标锥旋频率和雷达共同决定,实际中难以操作。文献1 2
16、分析了基于钝头倒角锥模型的弹头目标遮挡效应,但未考虑旋翼散射点的遮挡。对于弹道导弹目标,实测数据的高成本、安全保密等因素使数据获取十分困难,更加贴近实际的计算机仿真成为重要的研究手段。本文针对平底锥弹头目标,在高频雷达下,首先采用3 D-M a x软件对弹头目标进行几何建模和网格划分,在计算机图形学消隐算法的基础上,结合弹头目标散射点独特的散射特性,完成遮挡效应下的回波建模,仿真分析了遮挡前后弹头目标的微多普勒特征,为雷达目标遮挡效应建模提供了参考和借鉴。1 弹头目标微动建模实际中,有翼锥体是弹道导弹弹头较为常见的外形结构5-9。本文以锥体弹头为例,如图1所示,雷达静止于雷达坐标系(U,V,W
17、)的坐标原点O,目标本地坐标系(x,y,z)的坐标原点位于弹头质心O 处,本地坐标系随弹头的运动而运动。参考坐标系(X,Y,Z)的坐标原点位于弹头底部P0点,P0到雷达的距离矢量为R0,其在雷达坐标系中的方位角和仰角分别为和,P1、P2为尾翼散射点,B为底面圆环边缘滑动散射点。同样,参考坐标系与雷达坐标系相互平行,只随弹头平动。弹体对称轴为O z轴,指向锥顶部,定义发射瞬时的射击平面为导弹主对称面,O y轴垂直于主对称面,弹头围绕自身对称轴O z自旋,同时绕P0N旋转,这就构成了弹头的进动,其中绕P0N的旋转称为锥旋,O z与P0N之间的夹角称为进动角,锥旋轴P0N相对于参考坐标系的方位角和俯
18、仰角分别为N和N,s和c分别为自旋和锥旋的角速度矢量。图1 雷达与进动弹头几何关系示意图设P0点在本地坐标系中的坐标矢量为r0=(0,0,z0)T,尾翼散射点P1在本地坐标系中的初始601空军工程大学学报2 0 2 3年位置为r1=(x,y,z0)T,其在参考坐标系中的初始位置矢量为r=Ri n i tr1-r0 ,其中,Ri n i t为E u l e r旋转矩阵,由初始欧拉角(,)决定1-3。则t时刻P1点在参考坐标系中的位置矢量为rt=Trr,其中,Tr=Tr(t)为t时刻的微动矩阵。对于进动弹头,其微动包含两部分,即自旋和锥旋,则微动矩阵可表示为Tr(t)=Rc(t)Rs(t),其中,
19、Rc(t)为锥旋矩阵,Rs(t)为自旋矩阵。由E u l e r-R o d r i g u e s公式可知,t时刻锥旋矩阵Rc(t)在参考坐标系中可表示为1-3:Rc(t)=I+ecs i nct +e2c(1-c o sct )(1)式中:I为 单 位 矩 阵;ec为 锥 旋 斜 对 称 矩 阵;c=c。同理,t时刻自旋矩阵Rs(t)在参考坐标系中可表示为1:Rs=I+ess i nst +e2s(1-c o sst )(2)式中:es为自旋斜对称矩阵,s=s。设弹头平动速度为v,则t时刻P1点到雷达的距离为:R(t)=R0+v t+rt(3)此时,尾翼散射点P1的瞬时多普勒频率为:fD=
20、2v Tn+2drtdt Tn=fbD+fmD(4)式中:fbD为目标主体多普勒;n为雷达视线方向(l i n e o f s i g h t,L O S)的 单 位 矢 量,可 表 示 为n=c o sc o s,s i nc o s,s i n T。在远场条件下,即R0v t+rt时,则n可近似为n=R0/R0。因此,尾 翼 散 射 点 的 微 多 普 勒fmD的 表 达式为:fmD=2drtdt Tn=2ddtRc(t)Rs(t)Ri n i tr1-r0 Tn(5)如果弹体表面较为光滑,则自旋时顶点相对静止,底面边缘滑动散射点受等效替代效应的影响,不产生微多普勒效应,此时尾翼散射点旋转
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