基于GTD模型的雷达距离像特征提取算法研究

海军蚌埠士官学校雷达教研室 赵朋亮 陈 珂 曾海兵



基于GTD模型的雷达距离像特征提取算法研究

海军蚌埠士官学校雷达教研室 赵朋亮 陈 珂 曾海兵

【摘要】几何绕射模型（GTD模型）能精确的描述雷达目标的电磁散射特性，由此模型可提取目标的散射点特征（位置、幅度、类型），进行可以进行雷达目标识别。本文在传统空间谱估计算法GEESE算法的基础上，结合空间平滑技术和奇异值分解进行改进，估计效果得到了明显提高。

【关键词】雷达距离像；特征提取；GTD模型；GEESE算法

1　引言

理论计算与实验测量均表明：在高频区，目标的电磁散射可以认为是一些局部位置上的电磁散射源的相干合成，这些散射源通常被称作等效散射中心，简称散射中心（或散射点）。雷达发射信号被目标散射点延时和幅度调制后形成散射点子回波，目标回波为各散射点子回波的向量和，这就是高分辨雷达目标的散射点模型。该模型可提供提取散射中心的位置、幅度和类型等信息，对研究目标RCS缩减、增强雷达对目标的探测能力、目标的隐身及反隐身技术都有着重要的作用，是雷达目标特征信号控制领域的重要研究课题之一。

主要的雷达目标散射中心模型有以下三种：简单散射点模型、衰减指数和模型、几何绕射模型（GTD模型）。前两种模型可以由GTD模型简化得到。本文算法以GTD模型为基础，对散射中心的特征参数提取算法进行了研究。GEESE算法只利用数据自相关矩阵的信号子空间特征向量处理后产生的广义特征值就可估计出DOA，既保留了计算的简单性又不损失估计的精度，但当信号相关时估计性能会变坏，本文将GEESE算法及空间平滑处理技术结合在一起，对GTD模型参数进行提取，同过仿真分析，取得了较好的效果。

2　GTD模型建立及简化

的N个脉冲串，雷达目标由M个散射中心组成，其回波表达式为：

以频率步进雷达为例，雷达发射初始频率为f0，步长为是步长，n是频率步进数，M是散射中心个数，C是电磁波传播速度。模型参数

由于：

故有：

则：

令：

则：

令：

3　GEESE算法基本原理

GEESE算法的基本步骤为：

（1）计算观察数据的自相关矩阵：

（2）计算RY的特征值及特征向量分别为：

（3）构造矩阵束：取矩阵S的第一行到第L行为S1，第二行到第L+1行为S2，则：，其中。可以证明矩阵束的广义特征值。结合式：

可估计GTD模型的距离参数rm和类型参数am，大量仿真实验证明，散射中心的类型估计偏差对散射中心位置估计的影响可以忽略，因此，可以先确定散射中心的位置，再计算类型参数am并按最近领域准则进行标准化和离散化。由于本文仅考的情况，那么，对于am＜-1的am值则估计为-1，am＞1的am值则估计为1。

（4）在求取距离参数rm和类型参数am后，利用最小二乘法对幅度参数Am进行估计，。

其中：

4　GEESE算法的改进

在GEESE算法中，对散射中心数目的估计是一个关键问题。只有完全去除了信号间的相关性，才能使用GEESE算法进行参数估计。本文借鉴阵列信号处理中空间平滑方法得到RY的估计。空间平滑方法有三种：前向平滑、后向平滑、前后向平滑。其中前向平滑将自相关矩阵顺序相加得到自相关矩阵的估计，对类型参数无影响；后向平滑采取置换矩阵处理子向量的自相关矩阵，类型参数与原类型参数符号相反；前后向平滑是前向平滑和后向平滑之和，类型参数始终为零。由于前后向平滑丢失了类型参数，因此本文不采用。而后向平滑在解相关性能方面，较前向平滑有一定的优势，因此本文采用后向平滑的方法计算自相关矩阵。

后向平滑自相关矩阵的计算步骤如下：

（1）将Y划分为长度为W，相互重叠的P个向量：

（2）后向平滑自相关矩阵为：

图1　GEESE算法及其改进算法的计算结果比较

求取S1的奇异值分解：

5　仿真分析

仿真条件：f0=3.0GHz，△f=1MHz，带宽B=200MHz，N=201。设目标有5个散射点，参数设置如表1所示。

表1　目标散射点参数设定

由于散射中心的类型估计偏差对散射中心位置估计的影响可以忽略，这里主要比较以下不同信噪比条件下，GEESE算法和改进后算法对距离参数和幅度参数的估计性能。设信噪比为20dB、10dB、5dB，分别进行50次仿真实验，结果如图1所示。

6　结论

本文在GEESE算法的基础上进行改进，通过仿真结果图1可以看出，改进后的GEESE算法在去相关，抗噪声方面较之前有明显的提出，距离参数、幅度参数的估计精度得到了有效改善，进一步说明了本文方法的有效性。

参考文献

［1］王菁，建江.种基于GTD模型的目标散射中心提取方法［J］.与电子技术，第3O卷第11期，2008年11月：2146-2150.

［2］贺治华，张旭峰，黎湘，庄钊文.一种GTD模型参数估计的新方法［J］.电子学报，2005年9月第9期：1679-1682.

［3］姜卫东.光学区雷达目标结构成像的理论及其在雷达目标识别中的应用［D］.国防科技大学，2000年11月：38-41.

作者简介：

赵朋亮（1982—），男，河南许昌人，硕士，主要研究方向：雷达装备保障、雷达目标识别技术。