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MIMO雷达目标部件旋转和振动的微多普勒效应研究

2023-10-26 来源:乌哈旅游
第11卷第5期 2010年10月 空军工程大学学报(自然科学版) V01.11 No.5 JOURNAL OF AIR FORCE ENGINEERING UNIVERSITY(NATURAL SCIENCE EDITION) 0ct.2010 MIM0雷达目标部件旋转和振动的微多普勒效应研究 梁贤姣 , 张 群 , 罗 迎 , 何 劲 (1.空军工程大学室,上海电讯工程学院,陕西西安710077;2.复旦大学波散射与遥感信息教育部重点实验 200433) 摘 要:基于MIMO雷达系统,建立了单频信号体制下目标部件旋转、振动的微多普勒效应的数 学模型。与传统单基雷达系统相比,当选取的观测雷达组合不同时,得到的旋转微多普勒正弦 曲线的幅值、初始相位均不相同,而振动微多普勒正弦曲线的初始相位不变,只有幅值改变。仿 真实验验证了理论分析的结果,从而为M1MO雷达系统的微动特征提取及目标识别提供了理论 依据。 关键词:MIMO雷达;旋转;振动;微多普勒 DOI:10.3969/j.issn.1009—3516.2010.05.009 中图分类号:TN957 文献标识码:A 文章编号:1009—3516(2OLO)05—0039—05 目标自身或目标结构部件的微小运动会对雷达回波信号产生附加的频率调制,生成关于机动目标主体 的多普勒边带,这种现象称为微多普勒效应[1 I2]。微多普勒现象反映了目标对电磁散射的综合调制特征及 目标的几何结构与运动特征,通过分析微多普勒信息可以为雷达目标的特征提取、分类和识别提供新的途 径 I7]。在现代电子战中,隐身技术和反隐身技术的发展应用对雷达的目标识别能力提出了更高的要求, Eran Fishler于2004年提出了MIMO雷达的概念 -9]。MIMO雷达有效地利用了系统的空间分集增益,能够 在不同的视角接收目标回波信号,因此能提取目标更精细的微多普勒特征,为雷达目标识别提供新的技术手 段。 目前关于MIMO的微多普勒效应研究尚未见公开报道,仅有少数文献研究了双基ISAR的微多普勒效 应[1 。本文基于单频信号体制MIMO雷达系统,探讨了由目标部件旋转、振动引入的微多普勒效应,为基于 微多普勒效应的MIMO雷达目标识别提供了理论依据。 1旋转目标的微多普勒效应 假设含旋转散射点的目标和MIMO雷达处于一个2一D平面上,见图1(a)。目标以速度v沿 轴正向 匀速运动,其中心点为o。目标上某个散射点P以旋转半径r,、旋转频率∞,及初始相位 绕初始时刻坐标 为( ,Y。)的旋转中心C旋转。 个发射雷达和Ⅳ个接收雷达均位于X轴上,横坐标分别为( ,…, X )、( ,…, )。在t时刻,第m个发射雷达辐射信号P ( ),第rt个接收雷达收到的经过散射点P反 射的回波信号为: , t- 式中: 胁为采用发射雷达m及接收雷达n时散射点P的反射系数; (t)、R (t)分别是t时刻散射点P到 发射雷达m和接收雷达n的距离;c为光速。 收稿日期:2010—05—24 基金项目:国家自然科学基金资助项目(60971100) 作者简介:梁贤姣(1986一),女,湖南涟源人,硕士生,主要从事多输入多输出雷达成像及目标识别研究; E—mail:drddl11586@163.com 张群(1964一),男,陕西合阳人,教授,博士生导师,主要从事雷达成像、电子对抗等研究. 第5期 梁贤姣等:MIMO雷达目标部件旋转和振动的微多普勒效应研究 41 当各友射 舀达稆射载频且异的止抠连续凝时,l已t时刻弟m个发射雷达辐射佰号P (t),则第n个接收 雷达收到的经过散射点R反射的回波信号为: ( ;m, ): , (t一 三_) 式中 2=) (8) 为选取发射雷达m及接收雷达n时散射点R的反射系数。经基带变换后,得到回波信号的相位: V m  一 啪 ( + + + — ̄/( 兰 )4-rvsin(∞ £+咖。)(c。s( 一 )+c。s(卢 一 )))  4-Y: ( + 一岫= )cos( (9) 对式(9)求导后再除以2 ,便得到由目标运动引起的多普勒: )+ FrO)vcos( + )(cos(o ̄m- ̄/ 0s(tf.-y 10) ) 式(10)中第一项同样是平动引入的多普勒,而第二项为散射点振动引入的微多普勒,即: 3仿真分析 鲎一 一(cos( 一 )+c。s(卢 一y)) 对于做匀速运动的目标和任意选定的观测雷达组,由于在距离近似计算时忽略了泰勒级数展开的高阶 项(二阶以上),因此式(5)、式(10)中由平动引入的多普勒项的值为常数。而实际上平动引入的多普勒项是 随时间改变的,对微多普勒曲线起平移的作用。下面对单频信号体制下MIMO雷达系统中2种微动引入的 微多普勒效应进行分析,整理式(6)、式(11)得: fm一口一 =(rr(o /A ) ̄/(sina +sinlf ) +(COSt:)/ +co ̄ ) sin(p ̄一 ,t一0o) (12) D一 .b=(rv /A )√(sina +siq ) +(COSO ̄ +cosf ̄ ) cos(/x—y)COS( t+咖o) (13) 式中 满足tan/ ̄=(sina +si )/(COSO ̄ +cosf ̄ ),显然参数A m、 的取值是与选取的收发雷达组合 密切相关的,不同的观测雷达组合得到的值一般不同。 由式(12)得,单频信号体制MIMO雷达系统中旋转的微多普勒效应本质上是时间t的正弦函数,而且正 弦曲线的频率与散射点的旋转频率相同,这与传统单基雷达系统中旋转引入的微多普勒效应的特性一致。 在传统单基雷达系统中旋转引入的微多普勒正弦曲线的振幅为旋转半径在雷达视线方向上的投影,其初始 相位与散射点旋转方程的初始相位同步。与此不同,MIMO雷达系统中旋转引入的微多普勒正弦曲线的振 幅与旋转半径及参数A 、 、卢 均有关,此外初始相位受参数 的影响,与散射点旋转方程的初始相位并不 一致。分析式(13)得,振动引入的微多普勒效应也是时间t的正弦函数,但参数A 卢 只影响其振 幅,对初始相位没有影响。因此当选取不同的观测雷达组合时旋转微多普勒曲线的振幅和初始相位均不同, 而振动微多普勒曲线则只有振幅发生改变,初始相位始终不变。 为了验证理论分析的结果,假设MIMO雷达系统包含位于 轴的3个发射雷达和9个接收雷达,发射雷 达横坐标为(一2 000,1 000,4 000),载频分别为10 GHz、8 GHz、6 GHz,接收雷达等间隔分布,首末坐标为 (一5 000,5 000),采样频率. =6 000 Hz。目标以速度 =300 m/s沿 轴正向匀速运动,初始时刻C点的 坐标为(2 000,5 000),目标包含分别绕C点旋转和振动的散射点P、R,旋转半径、频率及旋转初始相位分别 为0.6 In、5 Hz、 qT,振幅、振动频率及振动初始相位分别为0.05 in、10 Hz、 ,振动方向与 轴夹角为 。 J J 叶 不妨把第rrt个发射雷达和第n个接收雷达组成的观测雷达组记为(m,n),各任选2组观测雷达,获得 42 空军工程大学学报(自然科学版) 2010矩 的旋转和振动引入的微多普勒曲线的理论值和采用Gabor变换进行时频分析的结果分别见图2,其中图2(a d)为旋转散射点情况,而图2(e—h)为振动散射点情况。由于目标接近或远离观测雷达时得到的多普勒 效应存在正负之分,而仿真中设定c点横坐标值为2 000,位于第6个和第7个接收雷达之间,当选取接收雷 —达I一6得到正多普勒时,选取接收雷达7—9便得到负多普勒,因此图2中第9个接收雷达得到的频率为负 值。 一4 ≤ t|S f/s 5 N 罨一 7 (a)理论值(2.6) (b)Oabor ̄换结果(2,6) (c)理论值(3.9) (d)Gsbor变换结果(3,9) f/s (e)理论值(2,3) (f)Gabor变换结果(2,3) 图2旋转和振动的微多普勒曲线 Fig.2 Micro—doppler curves of rotation and vibration 由图2可知,不管选取哪组观测雷达,对旋转和振动的微多普勒曲线而言,采用Gabor变换进行时频分 析的结果与理论值都非常接近。当选取的观测雷达组不同时,旋转微多普勒正弦曲线的幅值和初始相位互 不相同,振动微多普勒正弦曲线的幅值不同,初始相位相同,而且所得的微多普勒曲线均有不同程度的平移, 这与理论推导结果相符。此外,从微多普勒曲线估算的旋转频率约为5 Hz,振动频率为lO Hz左右,均与设 定的仿真参数相吻合。 4结束语 与传统单基雷达系统相比,MIMO雷达系统能形成多个收发通道,可以从不同的视角接收目标回波信 号,因此能获取目标更多更精细的微多普勒特征,从而提高雷达对目标的识别能力。如何在MIMO雷达系统 中对微动点进行平动补偿,获得规则的微多普勒正弦曲线,从而设计出合理的微动特征提取算法则是下一步 研究工作的重点。 参考文献: [1] Chen V C,Li F Y,Ho S S,et a1.Micro—doppler Effect in Radar:Phenomenon,Model and Simulmion Study[J].IEEE Tram on AES,2006,42(1):2—21. 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[5] 陈行勇,刘永祥,黎湘,第5期 梁贤姣等:MIMO雷达目标部件旋转和振动的微多普勒效应研究 43 CHEN Hangyong,LIU Yongxiang,LI Xiang,et a1.Extraction of Micro—Doppler Signatures for Radar Target[J].Singal Pro- cessing,2007,23(2):222—226.(in Chinese) [6] Bai Xueru,Xing Mengdao,Zhou Feng,et a1.Imaging of Mieromotion Targets wit}l Rotating Parts Based on Empirical—mode Decomposition[J].IEEE Trans on Geoscienee and Remote Sensing,2008,46(11):3514—3523. [7] Qun Zhang,Tat Soon Yeo,Hwee Siang Tan,et 1a.Imaging of A Moving Target with Rotating Parts Based on the Hough Trans- ofrm[J].IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing,2008,46(1):291—299. 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(编辑:田新华) Study of Micro—Doppler Effect Induced by Rotation and Vibration Parts of Target in MIMO Radar LIANG Xian—jiao ,ZHANG Qun ,LUO Ying ,HE Jin (1.Telecommunication Engineering Institute,Air Force Engineering University,Xi an 710077,China;2.Key l aboratory of Wave Scattering and Remote Sensing Information(Ministyr of Education),Fudan University,Shang— hai 200433,China) Abstract:Based on the MIMO radar system with single frequency signals,the mathematical models of micro— Doppler effect induced by rotation and vibration parts of target are established.Compared to the traditional monosta— tic radar system,the amplitude and initial phase of micro—Doppler curves induced by rotation vary with different selections of observing transmitting/receiving radar pairs.In case of vibration,only the amplitude of micro— Doppler curves varies,the initial phase keeps the same value.The simulation results validate the theoretical con— clusions,which provide theoretic support for micro—motion feature extraction and target recognition in MIMO radar system. Key words:MIMO radar;rotation;vibration;micro—Doppler 

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