裝甲目標(biāo)毫米波被動(dòng)探測(cè)信號(hào)熵特征提取及仿真分析

馮建利 ，雒明世 ，張效民

(1.西安石油大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，陜西 西安 710065;2.西北工業(yè)大學(xué)航海學(xué)院，陜西 西安 710072)

裝甲目標(biāo)毫米波被動(dòng)探測(cè)信號(hào)熵特征提取及仿真分析

馮建利1，2，雒明世1，張效民2

(1.西安石油大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，陜西 西安 710065;2.西北工業(yè)大學(xué)航海學(xué)院，陜西 西安 710072)

根據(jù)裝甲目標(biāo)毫米波被動(dòng)探測(cè)信號(hào)的不規(guī)則波動(dòng)性，提出以熵為特征的裝甲目標(biāo)的識(shí)別方法。以實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，論證了方法的有效性。對(duì)仿真獲得的裝甲目標(biāo)、干沙、鋼板、積水的天線溫度曲線分別提取了熵特征，分析了彼此間熵的直方圖及平均值。結(jié)果表明，以熵為特征可以對(duì)地面背景及典型“干擾物”中的裝甲目標(biāo)進(jìn)行有效識(shí)別，具有切實(shí)可行的工程借鑒意義。

裝甲目標(biāo);毫米波被動(dòng)探測(cè);熵特征;目標(biāo)識(shí)別

1 引言

毫米波輻射計(jì)利用金屬和地面背景在毫米波段輻射能量的不同，可以有效識(shí)別地面上的裝甲目標(biāo)［1，2］。但真實(shí)的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中往往除了地面背景本身以外，還存在其他諸如平面鋼板、積水等與裝甲目標(biāo)毫米波被動(dòng)探測(cè)信號(hào)相似的“干擾物”。因此，對(duì)裝甲目標(biāo)的識(shí)別除了要區(qū)別裝甲目標(biāo)與地面背景以外，還要區(qū)分裝甲目標(biāo)與“干擾物”，即提高裝甲目標(biāo)的抗干擾能力。目前，對(duì)裝甲目標(biāo)的識(shí)別方法大多是在時(shí)域內(nèi)以天線溫度曲線的峰值、寬度、上升斜率、信號(hào)能量等特征［3-5］，或者通過各種傅里葉變換在頻域或其他變換域內(nèi)提取信號(hào)的特征［6-9］，依據(jù)裝甲目標(biāo)與其他地物目標(biāo)對(duì)同一特征的不同特征值進(jìn)行裝甲目標(biāo)的有效識(shí)別。本文考慮到算法的復(fù)雜度、運(yùn)算量、實(shí)時(shí)性等因素，從毫米波被動(dòng)探測(cè)的基本原理出發(fā)，建立了裝甲目標(biāo)的毫米波輻射模型，提出了裝甲目標(biāo)的熵特征，并以熵為特征量對(duì)裝甲目標(biāo)和“干擾物”進(jìn)行了對(duì)比分析，論證了熵特征對(duì)地面背景及“干擾物”中的裝甲目標(biāo)識(shí)別的有效性和可靠性。

2 毫米波被動(dòng)探測(cè)基本原理

自然界一切溫度高于絕對(duì)零度的物質(zhì)都會(huì)向外界輻射電磁能量，輻射能量的大小通常用天線附近的溫度(即視在溫度)來表征。在毫米波近距離被動(dòng)探測(cè)中，當(dāng)忽略大氣衰減時(shí)，視在溫度為:

其 中 ，TAP(θ，φ)為 目 標(biāo) 的視 在 溫 度;TB(θ，φ)為 被 測(cè) 目 標(biāo)自身主動(dòng)向外界輻射的亮度溫度，它是目標(biāo)的輻射率ε(θ，)與目標(biāo)的物理溫度Ts的乘積;TSC(θ，φ)為被測(cè)目標(biāo)反射的來自于其他輻射源的輻射溫度，其數(shù)值用目標(biāo)的反射率Γ(θ，)與目標(biāo)表面接收到的來自于其他輻射源的輻射溫度TBother(θ，φ)的乘積來計(jì)算。

毫米波被動(dòng)探測(cè)體制利用毫米波輻射計(jì)來接收地物目標(biāo)的毫米波輻射能量。由于不同地物目標(biāo)的視在溫度不同，輻射計(jì)探測(cè)不同目標(biāo)時(shí)接收到的毫米波輻射能量不同，因此可以利用毫米波輻射計(jì)實(shí)現(xiàn)對(duì)不同目標(biāo)的探測(cè)、識(shí)別。由于功率與溫度的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，輻射計(jì)天線口面接收到的輻射能量表征為天線溫度，表達(dá)式為:

其中，TA為被測(cè)地物目標(biāo)的天線溫度;G(θ，)為輻射計(jì)天線的歸一化天線增益;ΩM為天線主波束立體角。根據(jù)式(2)可知，當(dāng)忽略天線旁瓣時(shí)，天線溫度是視在溫度用歸一化天線增益在天線主波束范圍內(nèi)的加權(quán)積分。當(dāng)輻射計(jì)天線確定后，天線溫度主要取決于視在溫度，視在溫度的不同必將導(dǎo)致天線溫度的不同。因此，要利用輻射計(jì)對(duì)裝甲目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)、識(shí)別，首先要建立裝甲目標(biāo)的天線溫度模型。

3 裝甲目標(biāo)天線溫度建模

裝甲目標(biāo)表面大多為金屬材料，8 mm波段，金屬的發(fā)射率近似為0，所以裝甲目標(biāo)的毫米波輻射能量主要是反射的來自于其他輻射源的輻射能量。由于裝甲目標(biāo)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜的立體金屬目標(biāo)，所以裝甲目標(biāo)除了某些表面會(huì)反射大氣向下輻射溫度以外，某些表面還會(huì)反射地面背景輻射溫度，具體的輻射情況主要取決于輻射計(jì)和裝甲目標(biāo)的相對(duì)空間關(guān)系［10］。當(dāng)輻射計(jì)天線波束僅探測(cè)到裝甲目標(biāo)時(shí)，天線波束內(nèi)的輻射溫度示意如圖1所示。

圖1 裝甲目標(biāo)的輻射溫度示意

圖1中，TSC1(θ，)表示裝甲目標(biāo)表面反射的大氣向下輻射溫度，由于裝甲目標(biāo)的反射率 Γ(θ，)=1，因此 TSC1(θ，)=TDN(θ，H);TSC2(θ，)表示裝甲目標(biāo)表面反射的地面背景輻射溫度，同樣，由于裝甲目標(biāo)的反射率為1，所以TSC2(θ，)=TBb(θ，)，其中 TBb(θ，)表示地面背景的輻射溫度。因此，根據(jù)式(2)得出裝甲目標(biāo)的天線溫度表示為:

其中，Ωi表示反射大氣向下輻射溫度的裝甲目標(biāo)表面所占立體角;Ωj表示反射地面背景輻射溫度的裝甲目標(biāo)表面所占立體角;滿足 Ωi+Ωj=ΩM。

4 裝甲目標(biāo)毫米波被動(dòng)探測(cè)信號(hào)的熵

毫米波輻射計(jì)對(duì)地面裝甲目標(biāo)的探測(cè)、識(shí)別是通過對(duì)裝甲目標(biāo)的毫米波被動(dòng)探測(cè)信號(hào)進(jìn)行特征提取、分析特征量來進(jìn)行的。為此，首先要分析裝甲目標(biāo)天線溫度曲線的特點(diǎn)，進(jìn)而才能提取特征。圖2所示為環(huán)境溫度為6℃，地面背景為干沙，毫米波輻射計(jì)從距離地面高度6 m處分別垂直探測(cè)鋼板和某坦克時(shí)輻射計(jì)獲得的天線溫度曲線。

從圖2中可得出以下結(jié)論。

(1)8 mm波段，干沙的輻射率約為0.86，鋼板和坦克表面輻射率為0。因此，干沙和鋼板、坦克的天線溫度差異明顯。

(2)雖然鋼板和坦克表面都是金屬材質(zhì)，但鋼板是平面金屬目標(biāo)，它只反射大氣向下輻射溫度，所以當(dāng)輻射計(jì)探測(cè)鋼板時(shí)，輻射計(jì)輸出的天線溫度曲線是平坦的。與鋼板不同的是，坦克是外形結(jié)構(gòu)復(fù)雜的立體金屬目標(biāo)，其表面存在反射大氣向下輻射溫度和反射地面背景輻射溫度兩種可能，而且會(huì)隨著輻射計(jì)和坦克的相對(duì)空間位置而變化，因此，輻射計(jì)掃描坦克的過程中，輻射計(jì)獲得的天線溫度曲線是不規(guī)則波動(dòng)的。因此，可以利用天線溫度曲線的平坦程度來區(qū)分坦克與地面背景及“干擾物”。

如圖2所示，裝甲目標(biāo)天線溫度呈現(xiàn)不規(guī)則的起伏波動(dòng)，對(duì)于這種波動(dòng)性可以借助于熱力學(xué)中表征分子運(yùn)動(dòng)的不確定性的量——熵［11］來衡量。

設(shè)毫米波輻射計(jì)測(cè)得的天線溫度曲線為N個(gè)采樣點(diǎn)的 集 合 ，即 TA=｛TA1，TA2，TA3，…，TAN｝，則 毫 米 波 被 動(dòng) 探 測(cè) 信 號(hào)的熵為:

其中，E表示被測(cè)地物目標(biāo)天線溫度的熵;TAi表示被測(cè)地物目標(biāo)的第i個(gè)天線溫度采樣值;為了對(duì)比分析，稱相鄰采樣值的差值構(gòu)成的序列為差值序列，本文后續(xù)的分析工作就是圍繞差值序列和熵展開的。從式(4)可以看出，差值序列的平穩(wěn)程度代表了天線溫度曲線的波動(dòng)程度。天線溫度曲線波動(dòng)性越大，所得差值序列起伏越大，熵越大。在彈載毫米波輻射計(jì)探測(cè)地面裝甲目標(biāo)的過程中，毫米波被動(dòng)探測(cè)信號(hào)的熵與目標(biāo)、背景、輻射計(jì)探測(cè)角、環(huán)境溫度、輻射計(jì)運(yùn)動(dòng)速度及運(yùn)動(dòng)軌跡等因素相關(guān)，當(dāng)探測(cè)條件一定時(shí)，熵主要隨著輻射計(jì)與目標(biāo)的相對(duì)空間關(guān)系而變化。

圖2 鋼板和坦克的天線溫度曲線及差值序列

為了驗(yàn)證毫米波被動(dòng)探測(cè)信號(hào)的熵特征對(duì)于裝甲目標(biāo)識(shí)別的有效性，對(duì)圖2中的實(shí)測(cè)天線溫度曲線進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，獲得其差值序列，將結(jié)果對(duì)比顯示在圖2天線溫度曲線的下方(對(duì)應(yīng)右邊縱坐標(biāo)軸)。從圖2可以看出，當(dāng)輻射計(jì)探測(cè)到干沙時(shí)，得到的天線溫度曲線較平坦，相應(yīng)的差值序列也平坦;當(dāng)輻射計(jì)探測(cè)到坦克時(shí)，天線溫度曲線呈現(xiàn)大的波動(dòng)，所得差值序列起伏明顯。計(jì)算得到鋼板和坦克天線溫度曲線的熵分別為1.208 2 K和3.059 3 K，坦克的熵大于鋼板的熵。

5 仿真與分析

仿真條件:系統(tǒng)采樣率2 000 Hz，背景為干沙，環(huán)境溫度為18℃，天線是口面半徑為0.1 m的卡塞格倫天線，彈載輻射計(jì)探測(cè)俯角30°，彈丸以200 m/s的速度從裝甲目標(biāo)的正前方上空6 m處勻速直線掠飛，數(shù)據(jù)樣本量為200個(gè)，仿真得到鋼板、積水、坦克的熵的直方圖如圖3所示。

觀察圖3(a)～圖3(c)可知，坦克的熵分布與地面背景(干沙)及典型“干擾物”(鋼板、積水)的熵分布幾乎不存在交集，依據(jù)概率論可知:以天線溫度的熵作為特征量可以準(zhǔn)確地將坦克與地面背景及“干擾物”區(qū)分開，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)裝甲目標(biāo)的有效識(shí)別。但是分析圖3(d)可知，鋼板和積水的熵分布存在明顯交集，所以它們彼此誤識(shí)別的概率較高，究其原因是鋼板和積水的毫米波輻射特性相近，而且兩者都是平面目標(biāo)，所以，對(duì)于鋼板和積水的區(qū)分要進(jìn)行進(jìn)一步研究。

表1列出了圖3的坦克、干沙、鋼板、積水的熵的平均值。

表1 不同地物目標(biāo)天線溫度熵的平均值

從表1可知，由于坦克的熵遠(yuǎn)大于干沙、鋼板及積水，因此以熵為特征可以將地面背景及“干擾物”中的坦克識(shí)別出來。與此同時(shí)，由于鋼板和積水的熵均值較相近，因此兩者之間存在一定的誤識(shí)別率，這一點(diǎn)和圖3所得結(jié)論是一致的。

結(jié)合圖2、圖3和表1可知，以毫米波被動(dòng)探測(cè)信號(hào)的熵為特征，可以有效地區(qū)分裝甲目標(biāo)與地面背景及 “干擾物”，從而實(shí)現(xiàn)毫米波輻射計(jì)對(duì)地面裝甲目標(biāo)的準(zhǔn)確識(shí)別。

圖3 坦克及典型“干擾物”的熵直方圖

6 結(jié)束語(yǔ)

依據(jù)毫米波被動(dòng)探測(cè)的基本原理，分析了裝甲目標(biāo)視在溫度的組成，建立了裝甲目標(biāo)的毫米波輻射模型。根據(jù)裝甲目標(biāo)天線溫度的波動(dòng)性，提出了以熵為特征的裝甲目標(biāo)的識(shí)別方法，在以實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了熵的有效性的基礎(chǔ)上，仿真分析了裝甲目標(biāo)和典型地面背景及 “干擾物”的熵，分別以熵的直方圖和平均值統(tǒng)計(jì)表論證了該方法對(duì)裝甲目標(biāo)識(shí)別的有效性和可靠性，具有簡(jiǎn)潔、易實(shí)現(xiàn)、計(jì)算量小、實(shí)時(shí)性好等優(yōu)點(diǎn)。

［1］KIM W G，MOON N W，KIM H K，et al.Linear polarization sum imaging in passive millimeter-wave imaging system for target recognition ［J］.Progress in Electromagnetic Research，2013，136(1):175-193.

［2］CHEN X，XU J Z.Research on millimeter-wave radiation characteristics of solid target ［J］.Progress in Electromagnetics Research M，2013，29:151-164.

［3］ZHANG Y M.Study on the technique of passive millimeter wave detector ［J］.Journal of Beijing Institute of Technology，2005，14(4):391-395.

［4］張彥梅，崔占忠.利用毫米波輻射計(jì)探測(cè)坦克頂甲的研究［J］.探測(cè)與控制學(xué)報(bào)，2004，26(3):17-20.ZHANG Y M，CUI Z Z.Study on tank top armour detection by using millimeter wave radiometer ［J］.Journal of Detection&Control，2004，26(3):17-20.

［5］張彥梅.基于被動(dòng)毫米波探測(cè)技術(shù)的近場(chǎng)目標(biāo)識(shí)別方法［J］.北京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，26(7):622-625.ZHANG Y M.Method of identification for close target based on passive MMW detection technique ［J］.Transactions of Beijing Institute of Technology，2006，26(7):622-625.

［6］方向，丁凱，張衛(wèi)平，等.地面裝甲目標(biāo)聲信號(hào)的混沌特征提?。跩］.解放軍理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2013，14(2):218-221.FANG X，DING K，ZHANG W P，et al.Chaotic feature extraction of acoustic signals from armored vehicles ［J］.Journal of PLA University of Science and Technology (Natural Science Edition)，2013，14(2):218-221.

［7］張彥梅，陽(yáng)進(jìn).一種基于小波能量分析的目標(biāo)識(shí)別方法［J］.北京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，30(7):831-834.ZHANG Y M，YANG J.A target indentification method based on wavelet energy analysis ［J］.Transactions of Beijing Institute of Technology，2010，30(7):831-834.

［8］張彥梅，于敬波.坦克目標(biāo)時(shí)頻特征分析 ［J］.北京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，29(1):50-53.ZHANG Y M，YU J B.Analysis of the signal characteristics of tank in time and frequency domain ［J］.Transactions of Beijing Institute of Technology，2009，29(1):50-53.

［9］張彥梅，于敬波.基于 Zoom-FFT變換域的坦克被動(dòng)式毫米波探測(cè)識(shí)別方法 ［J］.南京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，31(3):346-349.ZHANG Y M，YU J B.Method of identifying tank by passive millimeter wave detection technology based on Zoom-FFT ［J］.Journal of Nanjing University of Science and Technology，2007，31(3):346-349.

［10］馮建利，張效民.基于多次反射的毫米波被動(dòng)探測(cè)裝甲目標(biāo)輻射特性研究 ［J］.西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，33(1):135-140.FENG J L，ZHANG X M.Research on armored target radiation characteristics with passive millimeter wave detection based on multiple reflection ［J］.Journal of Northwestern Polytechnical University，2015，33(1):135-140.

［11］王可達(dá)，張之翔.熵的定義和物理意義［J］.汕頭大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，1997，12(2):88-93.WANG K D，ZHANG Z X.Entropy:its definitions and physical meaning ［J］.Journal of Shantou University (Natural Science)，1997，12(2):88-93.

馮建利(1981-)，女，西安石油大學(xué)講師，西北工業(yè)大學(xué)博士生，主要研究方向?yàn)楹撩撞ū粍?dòng)探測(cè)信號(hào)處理及目標(biāo)識(shí)別技術(shù)。

Signal entropy feature extraction and simulation analysis of the armored target with passive millimeter wave

FENG Jianli12，LUO Mingshi1，ZHANG Xiaomin2
1.School of Computer Science，Xi'an Shiyou University，Xi'an 710065，China
2.College of Marine Engineering，Northwestern Polytechnical University，Xi'an 710072，China

According to the irregular fluctuation of the armored target's detection signal with passive millimeter wave，an armored target's recognition method which the feature is entropy was proposed.Based on the measured data，the validity of this method was demonstrated.Through simulation，the antenna temperature curve of armored target，dry sand，steel and water was obtained respectively.Then，the entropy feature of each one was extracted.The histogram and the average value of the entropy were analyzed.The results show that when the entropy was used as the feature，the armored target from the background and typical “interferences” can be effectively recognized and practical engineering significance was obtained.

armored target，passive millimeter wave detection，entropy feature，target recognition

TN928

A

10.11959/j.issn.1000-0801.2016014

2015-07-28;

2015-12-03

雒明世(1966-)，男，西安石油大學(xué)副教授，主要研究方向?yàn)樾畔⑴c通信系統(tǒng)、無線通信網(wǎng)絡(luò)等相關(guān)技術(shù)。

張效民(1963-)，男，博士，西北工業(yè)大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)樾盘?hào)檢測(cè)與辨識(shí)、目標(biāo)識(shí)別等相關(guān)技術(shù)。