社会观察
「技巧认知」反无东谈主机雷达ATR技巧-第三章
3 ATR
雷达在标的识别方面需要特定技巧 。ATR 技巧被界说为一种利用雷达取得的信息 ,通过信号处理和信息解译妙技 ,以获取标的的物理本性、散射本性等看重信息 ,并最终详情标的属性的过程。
标的识别是雷达信号处理的中枢方法 ,但亦然传统雷达工程所冷落的要害。将“探伤”界说为一个包含2个方法的过程:当先是信号检测(signal extraction),经受基本的门限检测旨趣;其次是回波识别(echorecognition),需要解答过门限的回波代表什么标的的问题。因此,雷达探伤是从“信号检测”到“回波识别”的过程。ATR 技巧被普通以为是雷达限制的前沿技巧。 由于其敏锐性 ,很多对于 ATR 的技巧细节并不公开 。关联词 ,参考表 1 可知 , 很多反无东谈主机雷达决策具备标的识别功能。
3. 1 标的特色
就反无东谈主机雷达探伤标的而言 ,袖珍无东谈主机具备专有的特征,包括较低的雷达截面(RadarCross Section,RCS)、慢速和低飘舞高度;因此,这些无东谈主机也被称为 LSS标的。然而,仍旧需要一个量化参考来描写无东谈主机的类型,不然难以指令反无东谈主机雷达运筹帷幄。2008年,中国关连部门建议了 LSS雷达标的的见识,用于描写具有频繁 RCS值低于2 m2、飘舞速率低于 200 km/h、在 1000 m以下高度操作的袖珍空中物体。
与此同期 ,也不错参考好意思国国防部所指定无东谈主机分类法度,即 Group 1&2无东谈主机[10] ,如表 2所示。Group 1&2 无东谈主机频繁具有 的雷达截面范 围在0. 01 ~0. 1 m2 ,其大小约为典型飞机的 1/10 000~1/1 000(如图 4所示)。Group 1&2无东谈主机频繁简短、紧凑,并用于短程调查和监视任务。此外,它们在民用限制有着普通的应用,举例航拍、制图和检测。这些汉典操控的无东谈主机大约搭载多样传感器、录像头和有用载荷,以便收罗数据并完成特定任务。总体而言,Group1&2无东谈主机在现代军事和民用诈欺中饰演着焦躁扮装,为多样应用提供了经济实惠且多功能的平台,亦然反无东谈主机雷达主要的探伤对象。
3. 2 识别方法
1958 年，好意思国 Barton老师使用雷达回波信号分析得胜识别了前苏联 Spark-II 上 的角反射器结构［ 12-13］，这记号着雷达ATR技巧的着手。一般来说，雷达 ATR功能频繁被视为集成到现存雷达系统中的额外模块，这意味着 ATR模块必须在雷达参数所施加的铁心内驱动。值得严防的是，英国BAE公司学者 PeterTait编写了一册涵盖雷达ATR处分决策基本旨趣的书本，看重先容了这一主题［ 14］。雷同地，David Blacknell和HughGriffiths 合著了一册对于雷达 ATR的轮廓书本［ 15］，深化探讨了大地标的、空中标的和海上标的的各个方面。在往常的几十年里，多个 ATR宗派齐果断到了在特定情况下竣事得胜的 ATR应用所需的雷达特征的焦躁性［14-17］。雷达ATR技巧字据特征不错分为多个流派，包括RCS、高分辨率距离像（HighRangeResolutionProfile，HRRP）、多极化、微多普勒和航迹判别等。
对于反无东谈主机雷达应用，值得严防的是，利用HRRP检测和识别袖珍无东谈主机存在一些挑战，因为需要亚厘米级的距离分辨率来捕捉长度小于 1 m 的无东谈主机标的的结构［ 16-17］，这就要求雷达放射带宽在GHz级别，传统反无东谈主机雷达难以本旨。常见的反无东谈主机雷达经受窄带、低距离分辨力，迫使RCS本性、微多普勒和通顺学特征等成为识别的主要聘请之一。
表面上，标的的固有频率是由其容貌和材料因素决定的函数，由于固有频率不受距离和高度的影响，因此具有增强标的识别鲁棒性的特色［ 17 -22］。假定雷达放射的Shv = Svh ，那么标的的后向散射矩阵S不错默示为［ 17 ］：
散射矩阵的统计散播展示了一定的标的信息，但需要严防的是，利用这种方法需要对“及其”表面中谐振区域的散射极化表面有基本的了解。关联词，索求固有频率并将其与特定物体筹商起来是有挑战的。当今阛阓上履行经受这种方法的实用雷达极度隐秘。由于谐振区域的散射机制缺少明确性，大无边对于这个主题的讨论仍然停留在实验室阶段。多极化可能更常见地适用于密集集群类标的，举例一定例模鸟群、云雨和箔条等。
标的RCS的统计本性是常见的分类本性之 一 。RCS 度量标的的散射智商大小，σ 的抒发式为：
式中：r 为距离，Es 为散射场，Ei 为入射场。因此，RCS是一个统计平均值。举例，喷气式飞机频繁具有约 100 m2的 RCS，而袖珍四旋翼无东谈主机的 RCS约为0.1m2 。标的的测量RCS随时刻、波段和标的姿态等因素会波动，不错默示为波形或时刻序列。此外 , 标的 RCS 的统计本性不错提供相关标的的可贵信息 ,举例大小、容貌等 ,有助于标的的识别。
另一类特征是通顺学特征 ,包括速率和轨迹。推敲标的的速率为Vb ,这是通过雷达系统中的多普勒测量详情的 。多普勒频移可默示为 :
式中:D(r,t)默示一般的通顺学特征,R 默示标的的侦测距离,r 默示雷达的距离分辨率。这些特征也称为轨迹分类,永恒以来已在雷达系统中使用,极度用于对空中标的进行分类。当雷达系统探伤到空中标的时,会生成一个轨迹,纪录了标的在时刻上的挪动。通过对这些轨迹进行轨迹分类算法的分析,不错详情多样标的特征,包括其大小、速率和飘舞模式[23]。这些信息在标的分类中起着焦躁的作用,表面上大约区分无东谈主机、飞机、直升机或其他类型的空中标的。关联词,在利用通顺学特征时需要推敲一些因素。当先,得胜的标的检测对索求通顺学特征至关焦躁。由于无东谈主机频繁发出较弱的雷达信号,检测概率显贵影响着轨迹分类的性能,存在鸟类等其他侵犯,其轨迹模式与无东谈主机雷同,这为 ATR 性能带来了额外的挑战。此外,航迹判别需要更长的处理时刻,况且具有较短的识别领域,因为通顺学特征并不具有鲁棒性。
微多普勒效应是指标的弘扬出的微弱通顺所产生的额外多普勒频移,举例直升机旋转的叶片通顺或鸟类翅膀的振动[24]。假定无东谈主机的速率为 Vb ,微多普勒频移不错近似为推敲到叶片速率在雷达视野上的径向重量。其关系不错默示为:
式中 :R为雷达距离,L为叶片长度,ω为叶片的旋 转速率,α为所在角,β为俯仰角。字据上式,微多普勒频移由2个正弦函数调制。因此,对微多普勒特征的全面描写包括调制函数,其骨子上取决于不雅测时刻。微多普勒分析大约索求微结构信息,可用于标的识别 。诚然微多普勒特征频繁被视为通顺学特征 ,但在这种情况下 ,将一些特定的微多普勒特征 视为结构/几何特征。
微多普勒表面之父 ,Chen博士建议了微多普勒方法所靠近的要害挑战是对索求特征的有用讲明以及这些特征与标的结构方面的关连性[24] 。在无东谈主机微多普勒的情况下,微多普勒快意主要源于叶片的一致旋转通顺或旋转结构的存在,如图 5(b)所示。这种典型快意使得大约索求与无东谈主机关连的专有雷达特征,举例叶片数目和旋转速率,大大促进了对无东谈主机的识别。因此,如表 1所示,很多反无东谈主机雷达利用微多普勒分析来识别无东谈主机信号。
尽管微多普勒分类具有上风 ,但也靠近着一些挑战。当先,微多普勒更多的是一种快意而不是特征。微多普勒快意的3种局势(如图 6所示):喷气发动机调制(JetEngineModulation,JEM)或直升机旋翼调制 (HelicopterEngineRotorModulation, HERM)线在频谱中的调制,通过短时傅立叶变换(ShortTime Fourier Transform,STFT)取得的“桨叶反射信号(bladeflash)”图案的谱图,以及距离-微多普勒像。JEM谱指的是频谱中具有一定相邻远离和雷同幅度的谱峰[25] ,而 bladeflash模式描写了谱图上的微多普勒频率正弦迹;其次,增强微多普勒信号是有代价的,并非通盘的雷达停留时刻齐合乎检测无东谈主机雷达信号中旋转叶片产生的微多普勒信号。雷达停留时刻既不可太长也不可太短,以有用地检测微多普勒信号[26] 。同期,需要实足高的采样频率以获取实足的微多普勒信息以分离微多普勒信号。微多普勒数据不及可能会导致叶片数目的作假忖度[27] 。此外,利用机器学习算法取得微多普勒图像的高信噪比(Signalto Noise Ratio,SNR)对于准确识别无东谈主机至关焦躁[28] 。轮廓而言,微多普勒方法识别无东谈主机回波具有挑战性。
3. 3 识别等第
对于一个 ATR 系统或者一个 ATR 方法而言 ,ATR 识别性能当先是需要量化主义来抑制 。北约(North Atlantic Treaty Organization,NATO)提供了一个全面的框架,用于意会 ATR并评估标的属性。标的获取被界说为波及检测、识别和精详情位标的的过程,旨在竣事存效的火器利用。违反,识别波及确 定被探伤到的东谈主员、物体或快意的性质、类别、类型以及在可行的情况下亚类别。字据 NATOAAP-6术语和界说词汇表[33] ,“识别(Recognition)”这一术语具有更具体的含义。这个过程不错遐想成一个分类树,在这个树状结构中,标的按照逐渐细化的子类别进行系统分类,包括:
① 检测(Detection) :将标的与场景中的其他物体分离。
② 分类(Classification) :将一个元类别赋予标的 ,比如飞机或轮式车辆。
③ 识别(Recognition) :详情标的的类别 , 比如走动机或卡车。
④ 阐发(Identification) :指定标的的子类别 ,举例米格 29 走动机或 T-72 坦克。
⑤ 描写(Characterization):推敲子类别变种 ,举例 带有燃料桶的米格 29 PL 或莫得燃料桶的 T-72 坦克。
⑥ 指纹(Fingerprinting) :进行更精准的技巧分析 ,举例带有调查吊舱的米格 29 PL。
必须承认的是 ,这些解析方法之间的界限可能对通盘问题和标的并非无边严格。然而,在现存讨论中,频繁存在 ATR性能层级分歧的不准确性,有 时在讨论主题时会非细腻地阔绰“分类”“识别”这些术语。这种缺少了了度可能会导致对雷达 ATR 处分决策的有用性产生困惑。此外,仅依赖单一雷达智商可能无法竣事更高等别的功能,比如“Finger-printing”。因此,面向反无东谈主机雷达需求,针对雷达ATR技巧层级,提议对 NATO的识别层级进行以下校正,仅依靠雷达这个单一传感器,ATR技巧能判别标的的性能为:
① 检测 ( Detection ) :索求场景中标的的雷达信号。
② 分类(Classification) :为标的分拨一个元类别 ,比如无东谈主机或鸟类。
③ 识别(Identification) :详情标的的子类别 ,比如固定翼无东谈主机或四轴飘舞器无东谈主机。
④ 描写(Description) :进行更精准的技巧分析 , 比如四轴飘舞器无东谈主机 DJI Phantom 4、配备 Go-Pro 相机的有用负载。
4 分析与讨论
尽管很少有反无东谈主机雷达厂商公开承认 ,然而履行上 ATR 技巧在一定基础上指令了反无东谈主机雷达运筹帷幄决策 。本节基于 ATR 不雅点来讨论表 1 中典 型反无东谈主机雷达运筹帷幄念念路。
在某种进程上 ,反无东谈主机雷达的性能平直影响着通盘 C-UAS的着力,因为它负责施行早期的探伤预警和标的位置诱掖等2 项任务。聘请英 国AVEILLANT公司的 Gamekeeper雷达和法国 Thales 公司的 SQUIRE雷达动作相比的典型代表。在本文中,基于不同 ATR方法视角,前者被称为“航迹雷达”和“微多普勒雷达”。此外,还将课题组竖立的多功能雷达(如图7所示)动作第 3个参考雷达。
2019 年,英国 AVEILLANT公司推出用于保护民用敏锐设施的 C-UAS决策 Eagle-SHIELD。其中,雷达经受了 Gamekeeper雷达,全息(Holographic)雷达体制,接管通谈为 4×16个,使命在L波段,PRF 为 18 kHz,距离分辨率为 75 m,俯仰角领域为 30°,数据更新时长为0.25 s,对典型 RCS为0.01 m2的无东谈主机探伤距离 5 km[34-35] 。2022 年,法国Thales 公司在Eagle-SHIELD 框架下展示了新一代的C- UAS决策Horus-Shield。其 中,雷达是SQUIRE雷达,FMCW体制,使命在X 波段,对典型RCS为0.01 m2的无东谈主机探伤距离 3 km[16,28,36] 。自 2020年起,武汉大学 ATR课题组与互助单元共同研发了新一代多功能智能雷达决策 WHU-X001。该雷达使命在X 波段,具有 约20ms的 相 干处 理 间 隔(Coherent Pulse Integration,CPI)以及 5 kHz 的脉冲重复频率(Pulse Repetition Frequency,PRF)。传输带宽约为12.5 MHz,能提供约 12m的距离分辨率。该雷达系统配备了主动电子扫描相控阵(ActiveE-lectronically Scanned Array,AESA)天线,并装置在旋转桌上,竣事 360°所在扫描隐蔽。利用全系统软件可编程功能,具备及时 ATR识别智商,可在探伤距离达到 12 km时识别典型 RCS为 0.01 m2 的无东谈主机。该雷达决策可用于机场鸟类探伤雷达、反无东谈主机雷达和海岸监视雷达等限制。
传统的雷达信号处理经过频繁包括信号检测、标的追踪以及标的识别单元 [39] 。信号处理经过呈现为串行、单向方式 :当先进行信号检测以侦测回波信号 ,随后将其传递给标的追踪单元 ,临了才参加识 别单元进行标的识别(如图 8(a)所示)。
4. 1 探伤距离
探伤距离频繁被以为是估量雷达信号检测智商的一风景的,亦然最焦躁的雷达性能参数之一。雷达方程假定标的不错被视为具有平均雷达截面积的点标的。这个方程不错算计 SNR,该比率用于估量雷达系统在特定领域内检测特定标的的智商,方法是将标的的散射功率与配景噪声进行相比。雷达方程的数学抒发式如下[40]:
式中 :Ts为系统噪声温度,Bn为接管机的噪声带宽,L为总系统损耗,k 为波兹曼常数,Pt 为放射功 率,Gr为接管增益,Gt为放射增益,R为测量领域,σ 为标的的雷达截面积,λ为雷达波长。雷达方程说明雷达运筹帷幄的基本原则是雷达探伤旨趣。对于单脉冲探伤,如若检测概率特出 50%,则标的的 SNR至少应为 13.1 dB。要达到 95%的检测概率,SNR应为 16.8dB[40] 。浮浅来说,具有较低雷达 RCS的较小标的将具有较低的SNR,导致检测距离领域减弱。因此,雷达系统在检测具有较小雷达 RCS的无 东谈主机和其他物体时频繁会遭遇“漏警”和“虚警”的挑战。
针对距离方面 ,“航迹雷达”(如图 7(a)所示)经受了 L波段用于侦测无东谈主机标的,可能是推敲利用了谐振效应来增强无东谈主机回波信号的能量。表面上,L 波段雷达与无东谈主机标的 (表2中 的 Group1&2)的尺寸大致左近,因此,回波位于谐振区域。由于谐振效应的能量放大作用,无东谈主机的 RCS会被放大。相对于 X波段雷达,L 波段雷达接管到的无东谈主机回波信号具有更高的 SNR,或可特出 20 dB。这么的运筹帷幄不错大幅升迁无东谈主机标的的探伤距离。此外,基于航迹判别的 ATR方法履行上波及 2个主要问题:①如何检测细微信号;②如何进行航迹关联。在谐振区,无东谈主机的 RCS被放大,因此其回波信号不再细微。当大约强健、快速绘画无东谈主机回波的轨迹时,也有助于进行航迹关联,最终有助于标的追踪,利用航迹判别也有助于标的识别。
关联词 ,航迹判别决策也存在一些颓势。当先,“航迹雷达”系统的资本较高,需要对标的坐标进行精准测量。为此,“航迹雷达”经受了多输入多输出(Multiple-InputMultiple-Output,MIMO)决策,并需要捏续追踪景况进行探伤。因此,该雷达也称为“注视(Staring)雷达”,履行上亦然固定所在角,对标的进行捏续扫描和招引追踪(如图 9(a)所示)。据称,这不错高精度地测量标的的三维位置并用于标的识别。其次,很多侵犯标的,尤其是鸟类,也会由于谐振效应而导致 RCS增大,进而侵犯无东谈主机回波的检测。由于鸟类的航迹常常与无东谈主机的航迹重复,航迹判别的鲁棒性仍然需要升迁。再者,相较于X波段 (光学 区波段),L 波段 的波长大要是其10倍,在交流要求下,其多普勒分辨率大致为 X波段雷达的 1/10。较差的频率分辨率不利于检测微多普勒信号等特征,也不利于多维特征(如聚积微多普勒、航迹等)识别。临了,航迹判别仍然受限于探伤距离,当无东谈主机距离较远时,其回波能量仍然很低,可能产生虚警,而且推敲到无东谈主机飘舞速率较慢,越过距离单元也很艰巨。这导致在远距离情况下,很难强健追踪无东谈主机,更难以进行标的识别。
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