基於經驗模態分解的空間錐體目標微動特徵提取方法與流程
2023-04-27 21:54:36 1
本發明屬於雷達技術領域，特別涉及一種空間錐體目標的微動特徵提取方法，可用於目標識別。
背景技術：
空間錐體目標或部件在其運行軌道上運動的同時通常伴隨著旋轉、振動等一些微小的運動，這些微小的運動稱做微動。運動目標通常伴有微動，例如人在行走時四肢的擺動、人體呼吸和心跳引起的胸腔振動、車輛在前進時車輪的轉動、直升機旋翼的旋轉、天線的旋轉、發動機工作時的振動等。微動現象首先在相干雷射雷達中被觀測到，並被應用於測振。2000年，美國海軍實驗室的V.C.Chen教授將其引入到微波雷達的研究中，並將這種由微動引起的時變都卜勒頻移定義為雷達中的微都卜勒。微都卜勒反應了目標微動結構的動力學特徵，如果能夠加以利用，則可廣泛應用到目標識別和分類中。目前微動特徵已經成功應用於空中目標、地面車輛、行人、彈道飛彈等目標的分類和識別中。
如前所述，若想要獲得空間錐體的微動特徵，須準確提取其微都卜勒信息。但是在實際工作環境中，接收到的窄帶錐體目標回波通信號通常是由主體上多個散射中心的回波信號的疊加組成。由於信號在時域和頻率相互疊加和幹擾，為了提取錐體目標微動特徵，有必要分離和提取單分量微都卜勒信號。目前，基於窄帶微動特徵提取方法主要有以下兩種：
1.基於時頻圖的微動特徵提取方法。這種方法首先將時域信號轉化至時頻域，從時頻圖中分離出目標上各個散射中心的微都卜勒，其代表方法是基於多目標追蹤的微動特徵提取方法，此類方法缺點是提取出的微都卜勒具有較低的時頻解析度。
2.參數化模型的微動特徵提取方法。該方法的思想是採用特定的參數模型對信號進行描述，這個過程是利用一些目標的先驗信息估計出模型參數，其代表方法是基於時變自回歸模型的微動特徵提取方法。
由於雷達接收到的空間錐體目標的回波信號是錐體上各個散射中心回波信號的疊加，從而回波信號的時頻圖中各個散射中心的時頻曲線相互交叉和重疊，所以難以對各個散射中心的時頻曲線在時頻圖中進行直接提取。基於時頻圖的微動特徵提取方法都需解決頻點關聯問題，但是頻點關聯存在兩方面缺點，一方面，頻點關聯易在不同散射中心的時頻曲線的交叉點產生錯誤，導致微動特徵提取失敗；另一方面，時頻關聯會導致計算複雜度增加，降低了微動特徵提取的效率。
技術實現要素：
本發明的目的在於對上述現有技術的不足，提出一種基於經驗模態分解的空間錐體目標微動特徵提取方法，以避免由頻點關聯問題導致的微動特徵提取失敗問題，提高特徵提取效率。
本發明的技術是：利用經驗模態分解EMD算法，對空間錐體目標的回波信號在時域中進行經驗模態EMD分解，從而得到多個本徵模態函數IMF，利用本徵模態函數IMF重構各個散射中心的都卜勒信號，再將這些信號從時域轉化到時頻域以提取各個散射中心的微動特徵，避免了由頻點關聯導致的微動特徵提取失敗的問題，減少計算時間，提高特徵提取效率。其實現步驟包括如下：
1、一種基於經驗模態分解的空間錐體目標微動特徵提取方法，包括：
(1)根據窄帶線性調頻信號模型，得出一個脈衝重複周期內發射信號：sf＝[sf1sf2 ... sfd ... sfN]，其中，sfd代表第d個信號，d∈[1,N]，N表示一個脈衝重複周期內的採樣次數；
(2)根據接收到的空間錐體目標回波信號：sr＝{s1,s2,...,si,...,sM}，計算s(t)與si脈衝壓縮後的信號：其中，表示卷積運算，si代表第i個脈衝重複周期的回波序列，i∈[1,M]，M表示接收到的脈衝的個數；
(3)將M個壓縮後的信號合成一個脈壓信號矩陣：sm＝[sm1 sm2 … smi … smM]，提取sm每列中幅度最大的信號xi，構造錐體目標的都卜勒回波信號:x＝{x1,x2,...,xi,...,xM}；
(4)對錐體目標的都卜勒回波信號x進行經驗模態分解，得到L個本徵模態函數IMF和剩餘信號rL：
其中，IMFn為第n個本徵模態函數，n∈[1,L]；
(5)利用分解得到的L個本徵模態函數IMF重構錐體目標的錐頂散射中心都卜勒信號sA和錐底散射中心都卜勒信號sB：
(6)對(5)重構出的散射中心都卜勒信號分別進行短時傅立葉變換，得到錐體目標錐頂散射中心時頻圖PA和錐底散射中心的時頻圖PB：
PA＝STFT(sA)，PB＝STFT(sB)，
其中，STFT(·)表示短時傅立葉變換；
(7)分別從錐頂散射中心時頻圖PA和錐底散射中心的時頻圖PB中提取錐頂散射中心的時頻曲線f1和錐底散射中心的時頻曲線f2，完成錐體目標的微動特徵提取。
本發明具有如下優點：
1)本發明有效地利用了經驗模態分解對接收信號中不同尺度的波動進行分解，該分解過程通過篩選實現，其作用類似於具有不同頻率通帶的濾波器組，由於這種通帶濾波器不需要預先設定好參數，而是基於數據自身特徵進行自適應地調整，因此可以自適應將錐體目標多個散射點的疊加信號分離開來；同時由於本發明利用經驗模態分解在時域完成對不同散射中心信號的分離，避免了由頻點關聯問題導致的微動特徵提取失敗問題，提高了特徵提取效率。
2)本發明使用本徵模態函數對錐頂和錐底散射中心信號進行重構，利用第一本徵模態函數重構錐頂散射中心信號，利用除第一本徵模態函數外的其餘本徵模態函數的和函數重構錐底散射中心信號，由於第一本徵模態函數佔居接收信號的絕大部分能量，而剩餘的本徵模態函數佔居接收信號的很少一部分能量，因此可以保證重構出的各個散射中心的信號具有足夠的能量，以體現出各個散射中心完整清晰的微動特徵。
附圖說明
圖1為本發明的實現流程圖；
圖2為本發明提取空間錐體進動目標微動的特徵的結果圖；
圖3為本發明提取空間錐體章動目標微動特徵的結果圖。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明作進一步說明：
本發明所針對的一收發同置雷達，雷達發射載頻為fc，脈衝寬度為Tp，調頻率為γ的窄帶線性調頻信號，並在錐體目標前進方向下方進行觀測。
參照圖1，為本發明的實現步驟如下：
步驟1：根據窄帶線性調頻信號模型計算發射信號sf。
1a)窄帶線性調頻信號模型如下：
其中，rect(·)表示單位矩形信號，exp(·)表示指數運算，j表示虛數單位，t為採樣時刻，γ為調頻率，fc為發射載頻，Tp為脈衝寬度；
1b)根據窄帶線性調頻信號模型,計算一個脈衝重複周期內發射信號：sf＝[sf1sf 2... sfd ... sfN]，sfd代表第d個信號，d∈[1,N]，N表示一個脈衝重複周期內的採樣次數。
步驟2：獲取脈衝壓縮信號矩陣。
2a)雷達接收空間錐體目標回波信號：sr＝{s1,s2,...,si,...,sM}，其中，si代表接收到i個脈衝，i∈[1,M]，M表示接受到的脈衝的個數。
2b)對空間錐體目標回波信號sr和雷達發射信號sf進行脈衝壓縮：其中，smi是第i個脈衝進行脈衝壓縮後的信號。
2a)將M個壓縮後的信號合成一個脈衝壓縮信號矩陣：sm＝[sm1 sm2 … smi … smM]。
步驟3：利用步驟2中脈壓信號矩陣sm，構造錐體目標都卜勒回波信號x。
3a)提取脈壓信號矩陣sm每列中幅度最大的信號xi：
3b)構造接收到錐體目標的都卜勒回波信號：x＝{x1,x2,...,xi,...,xM}。
步驟4：對步驟3中錐體目標的都卜勒回波信號x進行經驗模態分解。
4a)定義臨時信號temp＝x；
4b)對臨時信號temp進行逐點搜索，記錄下臨時信號temp的所有極值點；
4c)對於臨時信號temp的極小值點和極大值點進行插值，得到臨時信號temp的下包絡emin和上包絡emax；
4d)計算臨時信號temp的包絡均值：
4e)從臨時信號temp中減去包絡均值，得到新的信號xnew＝x-eav，並更新臨時信號為：temp＝xnew；
重複步驟4b)至4e)，直到新的信號xnew成為本徵模函數，得到第一個本徵模函數IMF1＝xnew和剩餘信號r1＝x-IMF1；
4f)對剩餘信號r1重複4a)到4e)直至剩餘信號滿足rL≤SD,其中，SD為事先設定的閾值，最終將都卜勒回波信號x分解為剩餘信號rL以及L個本徵模函數IMFn，n∈[1,L]；
步驟5：根據步驟4中的本徵模函數，重構出錐體目標錐頂散射中心的信號sA和錐底散射中心的信號sB：
步驟6：利用步驟5的結果，得到散射中心的時頻圖。
6a)對錐體目標的錐頂散射中心信號sA進行短時傅立葉變換，得到錐頂散射中心的時頻圖：PA＝STFT(sA)，其中，STFT(·)表示短時傅立葉變換；
6b)對錐體目標的錐底散射中心信號sB進行短時傅立葉變換，得到錐底散射中心的時頻圖：PB＝STFT(sB)。
步驟7：提取時頻圖中散射中心的時頻曲線。
7a)從錐頂散射中心時頻圖PA中取每列的最大值f1(i)，得到由M個最大值組成的序{f1(1),f1(2),...,f1(i),...,f1(M)}，把該組最大值序列按順序進行連接，得到錐頂散射中心的時頻曲線f1；
7b)從錐底散射中心時頻圖PB中取每列的最大值f2(i)，得到由M個最大值組成序列：{f2(1),f2(2),...,f2(i),...,f2(M)}，將這組最大值序列按順序進行連接，得到錐底散射中心的時頻曲線f2。
至此完成對空間錐體目標的時頻曲線的提取。
本發明效果通過以下實驗進一步說明。
實驗一
1.1)實驗參數
使用一收發同置窄帶雷達發射線性調頻信號。
設雷達參數為：載頻10GHZ，帶寬1MHZ，脈衝重複頻率500HZ，脈衝寬度5μm。
設錐體目標參數為：錐體高1m，底面半徑r＝0.25m。
設雷達視線俯仰角60°，方位角90°，雷達駐留時間2s，錐體目標初始姿態角為:[0° 90° 0°]，錐體進動參數為：自旋頻率0.8HZ，錐旋頻率3HZ，錐旋角10°。
1.2)仿真內容
在上述實驗條件下用本發明方法提取錐體目標進動狀態下錐頂和錐底的時頻曲線，結果如圖2，其中：
圖2(a)是原始接收信號的時頻圖。
圖2(b)是重構的錐底散射中心信號的時頻圖。
圖2(c)是重構的錐頂散射中心信號的時頻圖。
圖2(d)是提取出的錐頂散射中心和錐底散射中心的時頻曲線。
由圖2可見，在允許一定誤差範圍內，本發明在目標錐體進動狀態下可以較準確提取時頻曲線。
實驗二
2.1)實驗參數：
使用一收發同置窄帶雷達發射線性調頻信號。
設雷達參數：載頻10GHZ，帶寬1MHZ，脈衝重複頻率500HZ，脈衝寬度5μm。
設錐體目標參數：錐體高1m，底面半徑r＝0.25m。
設雷達視線俯仰角60°，方位角90°，雷達駐留時間2s。錐體目標初始姿態角:[0° 90° 0°]，錐體進動參數為：自旋頻率0.8HZ，錐旋頻率3HZ，錐旋角10°，擺動頻率0.3HZ，擺動幅度5°。
2.2)仿真內容
在上述2.1)實驗條件下，用本發明方法提取錐體目標章動狀態下錐頂和錐底的時頻曲線，結果如圖3，其中：
圖3(a)是原始接收信號的時頻圖，
圖3(b)是重構的錐底散射中心信號的時頻圖，
圖3(c)是重構的錐頂散射中心信號的時頻圖，
圖3(d)是提取出的錐頂散射中心和錐底散射中心的時頻曲線。
從圖3可見，在允許一定誤差範圍內，本發明在目標錐體章動狀態下可以較準確提取時頻曲線。
以上描述僅是本發明的一個具體實例，並未構成對本發明的任何限制，顯然對於本領域的專業人員來說，在了解了本發明內容和原理後，都可能在不背離本發明原理、結構的情況下，進行形式和細節上的各種修正和改變，但是這些基於本發明思想的修正和改變仍在本發明的權利要求保護範圍之內。