1、第 1 页 共 32 页恶劣条件下目标识别的信号处理研究摘要：激光具有高相干度、高亮度、方向性好等普通光源无法比拟的优点使它在各个学科与技术领域的应用无所不在、与日俱增。但当激光在大气中长距离传输时，大气严重限制了各种激光工程（如激光通信、激光雷达、激光测距等）系统的使用性能。激光大气传输对激光雷达探测目标的能力具有重要的影响。因此，在环境条件恶劣的情况下（如雨、风、雪、雾、夜间、噪声等） ，对目标（如飞机、导弹、坦克等）进行识别时，必须考虑到大气传输的影响。本文从激光雷达探测目标为背景，介绍了激光探测距离方程，并以此为基础重点研究了激光大气的传输概况。重点讨论了激光在云、雾，雨中传输时，激光
2、的衰减变化，为实际激光系统性能研究提供了理论依据。最后以激光雷达距离方程为基础，根据具体要求，选定系统参数，在一定能见度条件下，研究激光雷达的最小接收功率、正常检测时接收机的输入端所需的最小信噪比随最大探测距离之间的关系。关键词：激光 大气传输 雷达 探测 目标识别第 2 页 共 32 页The Signal Processing of The Target Identification Under Adverse ConditioABSTRACT：Laser with high coherence, high intensity, direction and good general lig
3、ht source so that it can not match the advantages of technology in all disciplines and the application of pervasive and growing. However, when laser transmission over long distances in the atmosphere, the atmosphere severely limits the variety of laser engineering (such as laser communications, lase
4、r radar, laser ranging, etc.) system performance. Laser atmospheric transmission and the ability of laser radar target has important implications. Therefore, in the case of poor environmental conditions (such as rain, wind, snow, fog, night, noise, etc.), target (such as aircraft, missiles, tanks, e
5、tc.) to identify, must take into account the impact of air transport.This laser radar target from the background, introduced the laser detection range equation, and as a basis for research focused on laser atmospheric transmission profile. Focused laser in the clouds, fog, rain, transmission, attenu
6、ation of the laser, the actual performance of laser system provides a theoretical basis.Finally take the laser radar range equation as the foundation, according to the specific request, designates the system parameters, when certain visibility condition, research laser radars smallest receiving powe
7、r, normal examination receivers input end needs smallest signal-to-noise ratio along with biggest probing range between relations.key word: Laser Atmospheric transmission Radar Probe Target recognition第 3 页 共 32 页1 绪论1.1 研究的背景和意义在当今科技如此发达的时代，一个国家的各个方面都是以科技作为基础的，尤其是国防方面。现代战争都是高科技的战争，武器也都是高科技下的高端科技武器，
8、极难防御。而一旦发生战争，科技不是很发达的国家必然会以失败收场，由 2003 年的伊拉克战争可见一斑。因此在现代战争中要想立于不败之地，就必须有比较发达的科技，对于现在的高端武器必须有一定的防御能力。现在的高端武器诸如战斗机、导弹、坦克等，都是比较难以抵挡的，特别是在天气条件比较恶劣的情况下。要想能够地当这些高端武器，就必须提前发现它们，这就需要能够提前识别它们，这样才能拦截下来，这就用到了本课题所研究的内容。目标识别技术不仅在战争中、国防上意义重大，在其他产业方面也很重要，但是相比之下，目标识别技术还是在国防上的意义最大，因此研究大气传输对信号的影响是目标识别的关键技术之一，对目标进行精确识
9、别具有非常重要的意义。1.2 目标识别技术发展历史及现状雷 达 目 标 识 别 技 术 开 始 于 50 年 代 末 期 ， 美 国 人 用 单 脉 冲 雷 达 跟 踪 并 记录 了 苏 联 发 射 的 第 二 颗 人 造 地 球 卫 星 的 回 波 ， 通 过 对 回 波 信 号 的 分 析 ， 确 认卫 星 上 装 有 角 反 射 器 。 现 代 防 空 雷 达 已 具 有 辨 认 少 数 典 型 飞 机 机 型 的 能 力 。反 弹 道 导 弹 防 御 雷 达 能 从 洲 际 导 弹 的 碎 块 和 少 量 诱 饵 中 识 别 出 真 弹 头 。 在 空间 探 测 中 ， 对 月 球 和
10、 金 星 表 面 的 地 形 测 绘 和 电 磁 物 理 特 性 参 数 测 量 ， 以 及 判定 卫 星 发 射 后 太 阳 电 池 翼 是 否 打 开 等 ， 都 能 应 用 目 标 识 别 技 术 。 在 地 球 遥 感方 面 ， 微 波 遥 感 仪 器 可 以 测 定 潮 汐 、 海 冰 厚 度 和 海 面 风 速 ； 可 以 对 农 作 物第 4 页 共 32 页分 类 辨 识 ， 并 作 长 势 检 查 和 产 量 估 计 ； 还 可 以 勘 探 矿 藏 和 石 油 等 地 球 资 源 。目 标 识 别 技 术 已 广 泛 应 用 于 国 民 经 济 、 空 间 技 术 和 国 防
11、 等 领 域 。 早期雷达目标特征信号的研究工作主要是研究目标的有效散射截面积。但是，对形状不同、性质各异的各类目标，笼统用一个有效散射面积来描述，就显得过于粗糙，也难以实现有效识别。几十年来，随着电磁散射理论的不断发展以及雷达技术的不断提高，在先进的现代信号处理技术条件下，许多可资识别的雷达目标特征信号相继被发现，从而建立起了相应的目标识别理论和技术。随着科学技术的飞速发展，一场以信息技术为基础、以获取信息优势为核心、以高技术武器为先导的军事领域的变革正在世界范围内兴起，夺取信息优势已成为夺取战争主动权的关键。电子信息装备作为夺取信息优势的物质基础，是推进武器装备信息化进程的重要动力，其总体
12、水平和规模将在很大程度上反映一个国家的军事实力和作战能力。雷达作为重要的电子信息装备，自诞生起就在战争中发挥了极其重要的作用。但随着进攻武器装备的发展，只具有探测和跟踪功能的雷达也已经不能满足信息化战争的需要，迫切要求雷达不仅要具有探测和跟踪功能，而且还要具有目标识别功能，雷达目标分类与识别已成为现代雷达的重要发展方向，也是未来雷达的基本功能之一。目标识别技术是指：利用雷达和计算机对遥远目标进行辨认的技术。目标识别的基本原理是利用雷达回波中的幅度、相位、频谱和极化等目标特征信息，通过数学上的各种多维空间变换来估算目标的大小、形状、重量和表面层的物理特性参数，最后根据大量训练样本所确定的鉴别函数
13、，在分类器中进行识别判决。目标识别还可利用再入大气层后的大团过滤技术。当目标群进入大气层时，在大气阻力的作用下，目标群中的真假目标由于轻重和阻力的不同而分开，轻目标、外形不规则的目标开始减速，落在真弹头的后面，从而可以区别目标。目前，目标识别作为雷达新的功能之一，已在诸如海情监控系统、弹道导弹防御系统、防空系统及地球物理、射电天文、气象预报、埋地物探测等技术领域发挥出很大威力。为了提高我国的军事实力，适应未来反导弹、反卫、空间攻防、国土防空与对海军事斗争的需要，急需加大雷达目标识别技术研究的第 5 页 共 32 页力度。雷达目标识别策略主要基于中段、再入段过程中弹道导弹目标群的不同特性。从结构
14、特性看，飞行中段的威胁目标群可粗分为球锥类、球、角反射器、圆柱及碎片等，形体相对简单，通过高分辨成像进行区分是可行的。从姿态特性看，各目标的飞行姿态特性主要取决于母舱释放弹头和诱饵时的阶段，一般情况下，弹头自旋稳定飞行以保持空间定向，由于释放过程中不可避免地将对弹头产生一定的横向扰动，可能使弹头产生进动；另外，当弹头章动角较大，或者母舱投放弹头时因为某些不可控制的原因，甚至是母舱事先设计好的，弹头有可能产生翻滚，模拟弹头形状的诱饵通常也会产生翻滚。再入段是导弹防御的最后一个屏障，防御系统可以根据各进入目标的运动状态估算出质阻比，区分轻重目标。具体步骤如下：（1）通过高分辨雷达成像获取目标的结构
15、特征信息，从目标群中识别出具有锥体结构特性的目标。（2）根据锥体目标的进动数学模型，结合锥体目标在不同姿态角下,得到目标进动状态下的回波模板，当确定锥体目标回波周期分量中不是目标翻滚时，基于序列估计出章动角和运动周期，进而计算出目标的惯量比等特征。（3）为保证对所有真弹头进行有效拦截，在再入段通过跟踪目标运动状态估计其质阻比，基于此排除轻诱饵。（4）将上述不同措施确定出来的威胁目标作为“威胁目标” ，通过积累观测综合评判目标类型。1.3 国内研究创新成果雷达的主要功能是发现目标和测定其坐标（距离、方位、仰角） 。 随着相干雷达和宽带技术的发展，雷达具有了多普勒测速和成像功能，而且许多应用还需要
16、有关雷达目标属性的信息，即对雷达目标进行识别。合成孔径雷达（SAR）在国外已普遍用于地球遥感和战场侦察，除美国外，欧洲航天局等也有多种机载、星载、无人机载的 SAR 成像系统，成像分辨率最高已达 0.1 米。最近几年来，我国的雷达成像技术在需求牵引下有了很大进展，多家科研单位分别研制了 SAR 成像雷达。我国在 SAR 成像方面有群体突破，已在平稳飞行条件下获得质量较高的图像，在非平稳飞行、任何气候条件下稳定成像能力有第 6 页 共 32 页待深入研究。（1）因雷达平台颠簸，特别是小型机、直升机和无人机等，严重影响成像质量的情况，这是关系到国内 SAR 成像能否广泛应用的重要问题。雷达信号处理
17、国家重点实验室承担的“十五”预研“雷达成像技术”课题，结合国内惯导精度欠精确的问题，用信号处理方法成功地进行了运动补偿，提出的成像处理算法在无人机、直升机、运七等飞行不平稳平台下获得了连续、高质量的 SAR图像，这些方法适应多种分辨率（如 5m、3m、1m 和 0.5m） 、多个波段（如P、X 和 Ku 波段）的机载合成孔径雷达成像，已申请国防专利。实验室团队参与了多家研究所（包括中国电子科技集团公司第 14 研究所、38 所，中国航天科技集团公司第 504 研究所，中国航天科工集团公司第 704 研究所，中国兵器工业总公司第 206 研究所，中国空空导弹研究院等）实验机载/弹载 SAR 成像
18、雷达的成像处理工作，为这些单位提供了雷达平台在颠簸较大条件下的成像处理算法软件，并进行了 SAR 成像的算法软件研究和成像实时处理试验，试验效果良好，获得同行的广泛好评。（2）较系统地研究了机动目标（包括机动飞机和高海情下舰船目标）ISAR运动补偿和瞬时成像方法，提出多种有效算法。在 ISAR 机动目标成像的原理方面，采用波数扫描线概念对平面转动和三维转动目标的 ISAR 成像进行了分析，指出用时序信号对三维转动目标成像须满足的条件；在平动补偿方面，从散射点回波的时频复杂特性出发，分析了机动目标平动补偿特殊性，提出适用于机动目标的迭代相干积累自聚焦算法；在瞬时成像方面，提出了基于自适应窗短时
19、chirplet 分解的瞬时成像算法，基于“Clean”的多分量调幅-线性调频信号参数估计的瞬时成像方法，以及加权解调频 RELAX 的瞬时成像方法。这项研究在中国航天科技集团 2 院某所和某厂的飞机目标实测数据中得到很好的应用，在国内实际雷达中首次获得外层空间目标较清晰的 ISAR 像。（3）在目标识别方面，从统计理论分析和实际数据出发，研究了一维距离像的方向敏感性，以及它与各种因素的关系，提出对一定视角范围内非相干平均，抑制交叉项后可获得稳定的平均距离像模板，而大大克服目标姿态敏感性；在雷达目标高分辨距离像精细统计建模方面进行了深入研究，提出了有特色的统计建模及参数估计算法，相关成果发表在
20、 IEEE Trans. on Signal 第 7 页 共 32 页Processing 等国际刊物上；在面向高分辨距离像目标识别的核函数优化设计方面，提出了多种优化设计准则，对实测数据获得了较好的识别性能；系统研究了目标识别雷达的系统设计问题，在目标跟踪信息利用、序列回波融合、大类别识别问题、实时识别等方面提出较为系统的方法；在基于窄带雷达目标分类方面，提出了相应的多普勒频域特征和时域特征的提取方法，在结合实际雷达系统参数的仿真试验中取得了较好的分类性能。 “十五”期间在理论方面已取得突破性进展，目前和多家单位合作，正在开展以上研究成果的推广应用工作，可望以后在雷达目标识别技术的工程化方面
21、取得突破性进展。1.4 本文的主要研究内容本课题选择激光雷达测距的目标探测方式，主要进行了一下内容的研究：（1）对激光大气传输特性进行了理论研究，在环境条件恶劣的情况下（如雨、风、雪、雾、夜间、噪声等） ，对目标（如飞机、导弹、坦克等）进行识别。（2）重点讨论了激光在云、雾，雨中传输时，激光的衰减变化，为实际激光系统性能研究提供了理论依据。（3）最后以激光雷达距离方程为基础，根据具体要求，选定系统参数，在一定能见度条件下，研究激光雷达的最小接收功率、正常检测时接收机的输入端所需的最小信噪比与最大探测距离之间的关系。第 8 页 共 32 页2 激光雷达测距概述2.1 激光雷达系统激光雷达的基本组
22、成与微波雷达相似。图 2.1 给出了激光雷达系统图，它主要由激光发射系统、激光接收系统、信息处理系统和显示系统等组成。雷达工作时，激光发射器发射激光，通过光学系统射向大气，当激光射到目标时，反射回来的激光一部分通过接收光学系统射到光电探测器上，光电探测器使光信号转换成电信号，经放大、数模转换、数据采集、数据处理、描点画图、最后在显示器上显示。图 2.1 激光雷达系统图第 9 页 共 32 页根据上述对激光雷达系统的介绍，得出激光雷达的探测性能与传输介质及目标的参数密切相关。对于脉冲激光雷达，如果要对激光雷达系统进行仿真则必须要考虑的参数包括系统发射激光参数(如激光脉冲能量、激光脉冲宽度、激光波
23、长、激光束发散角、激光光斑直径和发射光学效率)；光学天线参数(如天线接收口径、接收视场、天线光学效率和收发天线结构)；接收机参数(如峰值检测光子探测器的额外噪声因子、探测器响应、探测器增益、暗电流和太阳辐射强度)；系统参数(如探测对象、最大作用距离和激光雷达海平面高度)；传输介质参数(如大气与气溶胶的消光系数及湍流的影响)和目标参数(如各种目标的反射率和形状)等等。2.2 激光雷达测距原理激光雷达根据接收信号工作原理可分为相干和非相干接收激光雷达，其中非相干接收激光雷达目标探测系统结构示意简图如图 2.2 所示。图 2.2 激光雷达测距原理激光雷达是激光技术和雷达技术相结合的产物，因此其工作原
24、理与传统雷第 10 页 共 32 页达基本相同，都是通过雷达发射信号，然后由接收系统收集从目标返回的信号，对其进行观察和处理来发现目标，测量目标的坐标和运动参数等。激光雷达是工作于光波段的新型雷达系统，是激光技术和雷达技术相结合的产物，因此其工作原理与传统雷达基本相同。它与微波和毫米波雷达相比，具有以下独特优势：(1)工作频率高、波长短；(2)距离、速度和角位置测量精度高；(3)体积小、重量轻、机动灵活，利于机载和航天器载。微波雷达测距是利用目标对电磁波反射来发现目标并测定其位置。其中直接探测型激光雷达的基本结构与激光测距机颇为相近。工作时，由发射系统发送一个信号，经目标反射后被接收系统收集，
25、通过测量激光信号往返传播的时间而确定目标的距离。激光雷达是微波雷达的发展，测距原理相同。不同之处是微波波长和束宽远大于激光。瞄准误差的影响小；而激光雷达则相反。2.3 激光距离方程2.3.1 激光雷达方程的一般形式激光成像雷达的性能取决于激光雷达方程，这也是衡量其有效工作能力的重要指标。激光雷达方程:= x x x (2.1) 42 42 24 式中, 是接收激光功率(W)； 是发射激光功率(W) ； 是发射天线增益； 是目标散射截面；D是接收孔径(m)；R是激光雷达到目标的距离(m)； 是单程大气传输系数； 是激光雷达的光学系统的传输系数。定义 是有效 AR=D2接收面积(m 2)。(2.2),=42其中 =
