太赫兹雷达目标微动特征提取研究进展

微动特征是目标探测与识别的重要辅助特征。随着近年来太赫兹研究的兴起,太赫兹雷达目标微动特征提取正在逐渐凸显出其特殊优势。本文首先对近年来国内外太赫兹频段雷达目标微动特征提取方面的研究进行整理总结,从太赫兹频段微动特性分析、微动特征提取和微动目标成像等几个方面进行了深入的介绍和分析。然后针对太赫兹频段的优势和特殊性,介绍了本单位在太赫兹微动目标特性分析、特征提取和高分辨高帧频成像方面的工作。最后对太赫兹雷达目标微动特征提取的发展趋势进行了展望,并分析了本领域值得进一步深入研究的技术方向和有待解决的技术难题。      

太赫兹雷达直升机旋翼目标微动特性研究

直升机旋翼微动形成的微多普勒特征对于战场环境下直升机目标探测识别具有重要意义,掌握直升机旋翼的微动特性是雷达目标辨识的前提。太赫兹雷达波长短,多普勒效应显著,迫切需要掌握太赫兹频段旋翼目标微动特性。首先对偶数叶片和奇数叶片的螺旋桨目标进行建模,分别使用微波波段(3 GHz)与太赫兹波段(120 GHz,220 GHz)雷达对目标进行仿真分析,并从目标的回波信号特征出发提取多普勒频移信息,利用短时傅里叶变换进行时频分析,对比分析目标与雷达参数对其多普勒效应的影响及调制关系。仿真结果表明：在转速、视角以及直升机叶片长度均相同的情况下,太赫兹频段下的微多普勒效应比微波频段显著增强,多普勒曲线也更加清晰,叶片细节更加丰富。应用太赫兹雷达提取微多普勒信息能够为直升机目标识别提供重要特征。     

频率步进太赫兹雷达的一维高分辨距离像

频率步进信号是一种较常用的距离分辨力高的雷达信号,常用于雷达的目标识别,而太赫兹波比微波信号波长短,更易于实现距离高分辨力。利用0.2 THz步进频率太赫兹雷达实现了高分辨一维距离像,分析了步进频率雷达系统中一维高分辨力距离像的成像原理,对0.2 THz步进频率雷达系统进行了介绍,最后,用Matlab对太赫兹雷达高分辨力进行了仿真,仿真结果表明,频率步进太赫兹雷达对静止目标达到了厘米级的高分辨力,而对于运动目标存在距离发散和耦合时移,速度越大,失真越大。     

角反射器在太赫兹波段的散射特性研究

太赫兹雷达散射特性的研究对于目标识别、跟踪以及截获有重要意义.设计了0.22 THz频率步进雷达散射截面(Radar Cross section,RCS)测量系统,提出了针对频率步进太赫兹雷达信号体制下,角反射器RCS的提取方法.采用实验与仿真相结合的方式,得到了单个角反射器和角反射器组在4°范围内的太赫兹雷达散射截面.结果表明,角反射器类目标的RCS实验测量结果与理论计算结果在误差范围内一致性较好,为进一步精确测量目标在太赫兹波段的散射特性奠定了研究基础.     

可调控太赫兹吸收器调制方法

设计了一种窗棂夕阳图案太赫兹超材料吸收器。利用这种图形,从超材料太赫兹吸收器结构出发,分别通过改变顶层图案几何尺寸、中间层电介质厚度、顶层图案开口处的硅电导变化率等,设计可调控太赫兹波双频、三频、四频吸收器。重点分析了顶层图案开口处的硅电导率变化的可调控太赫兹波双频吸收器机理,其低频吸收峰吸收率由68. 7%增至99. 9%,同时低频吸收峰频率1. 043 THz红移至1. 005 THz,产生38 GHz偏移,可以实现连续频率调谐。并提出进一步深入研究本课题的建议。     

高斯光圆柱太赫兹雷达散射截面的影响

通过对缩比模型的太赫兹波段雷达散射截面(RCS)测量,可以获得微波波段全尺寸目标的RCS值,因此,RCS估算和测量是当前太赫兹重要的应用技术之一。RCS估算中,通常假定入射光为均匀平面波,但在实际测量应用中,常常采用发射类似高斯光束的太赫兹源。进行了横电波情况高斯光束入射时,无限长理想导体圆柱的太赫兹雷达散射截面估算。仿真研究了2.52 THz激光准直入射和相位变化对后向雷达散射截面的影响,给出了RCS与散射角的变化曲线;同时与均匀平面波入射结果进行了比较分析。仿真结果表明,在测量圆柱半径10 mm且入射光距圆柱轴心距离1 m处的后向RCS时,用光斑半径30 mm的高斯光束较好。     

基于高频电磁计算数据的太赫兹雷达高分辨成像研究

为揭示太赫兹频段雷达目标散射特性,基于高频电磁计算数据研究了太赫兹雷达高分辨成像方法.考虑到传统三维雷达成像面临的大数据量问题,提出了一种成像结果类光学图像的高分辨成像方法——方位/俯仰成像方法,通过推导其点扩展函数分析了该方法在高分辨率与散射点识别方面的优势.基于电磁计算数据的仿真与分析表,高频计算方法可以快速准确计算太赫兹频段理想导体目标RCS,高分辨成像结果可以分辨目标亚波长量级的细微结构特征.因此太赫兹雷达成像技术可获取目标更加丰富和精细的信息,为目标识别带来益处.     

基于高频电磁计算数据的太赫兹雷达高分辨成像研究（英文）

为揭示太赫兹频段雷达目标散射特性,基于高频电磁计算数据研究了太赫兹雷达高分辨成像方法.考虑到传统三维雷达成像面临的大数据量问题,提出了一种成像结果类光学图像的高分辨成像方法——方位/俯仰成像方法,通过推导其点扩展函数分析了该方法在高分辨率与散射点识别方面的优势.基于电磁计算数据的仿真与分析表,高频计算方法可以快速准确计算太赫兹频段理想导体目标RCS,高分辨成像结果可以分辨目标亚波长量级的细微结构特征.因此太赫兹雷达成像技术可获取目标更加丰富和精细的信息,为目标识别带来益处.     

金属平板的太赫兹雷达散射截面测量

为了测量金属平板的雷达散射截面,分别采用了太赫兹时域光谱系统和0.1 THz连续波测量系统两种方法进行测量,并从理论上分析了雷达散射截面测量模型。结果表明,对于太赫兹时域光谱系统,随着测量频率和角度的增加,其误差在增大;对于0.1 THz连续波测量系统,随着角度的增加,误差增大,随着被测目标尺寸增大,误差先减小后增大,实验最小误差均可达到-0.244dB。利用太赫时域光谱系统及0.1 THz连续波测量系统测量雷达散射截面均是可行的。太赫兹时域光谱系统具有频率取值范围大、角分辨率高的特点;而0.1 THz连续系统系统结构简单、成像速度快、使用方便。     

基于石墨烯的太赫兹透明吸波器设计

透明太赫兹吸波器既可在太赫兹波段实现吸波功能,又对可见光透明,隐蔽性高,因此其在电磁隐形等领域具有广泛应用。文中设计了一种基于石墨烯的太赫兹双频吸波器,它由方形加枝节的石墨烯上层宽带吸波结构和石墨烯-ITO 嵌套形下层窄带吸收结构构成,实现了独立可调的双频吸波功能。经仿真调试,该吸波器能够通过改变石墨烯费米能,分别在1.98~3.64 THz 范围内调节实现90%以上宽频带吸收率和在4.6~4.9 THz 范围内调节实现96%以上吸收率。经验证,该吸波器具有极化不敏感、宽入射范围等优点。     

基于多通道调频连续波毫米波雷达的微动手势识别

该文提出一种基于多通道调频连续波(FMCW)毫米波雷达的微动手势识别方法,并给出一种微动手势特征提取的最优雷达参数设计准则。通过对手部反射的雷达回波进行时频分析处理,估计目标的距离多普勒谱、距离谱、多普勒谱和水平方向角度谱。设计固定帧时间长度拼接的距离-多普勒-时间图特征,与距离-时间特征、多普勒-时间特征、水平方向角度-时间图特征和三者联合特征等,分别对7类微动手势进行表征。根据手势运动过程振幅和速度差异,进行手势特征捕获和对齐。利用仅有5层的轻量化卷积神经网络对微动手势特征进行分类。实验结果表明,相较其他特征,设计的距离-多普勒-时间图特征能够更为准确地表征微动手势,且对未经训练的测试对象具有更好的泛化能力。     

一种基于全极化回波的微多普勒增强算法

极化信息的有效利用可提高目标特征提取和识别的精度.针对微动目标的微多普勒提取问题,在介绍传统微多普勒提取算法的基础上,建立了微动目标的全极化回波模型,提出了一种基于全极化信息的微多普勒提取算法.该方法以时频图像的对比度作为目标函数,通过寻找一组最优极化矢量提高时频图像质量.仿真数据实验表明,本文方法比传统时频变换方法得到的时频图像的对比度更高.真实数据实验发现,本文方法得到的图像对比度高达2.56,而传统时频变换方法得到的图像对比度在0.88到1.66之间.实验结果证明了本文方法的有效性和相比传统方法的优势.     

高速目标雷达微多普勒特征提取

目标组成部件的机械振动或旋转(微运动动力学)会在目标的雷达回波上产生频率调制,人们将由振动或旋转产生的调制称为微多普勒现象。微多普勒特征可以被认为是运动物体的独特现象,能够提供用于目标分类识别的附加信息。文中关注高速目标的微多普勒特征提取,讨论了高速带来的距离走动补偿、平动多普勒位移校正、雷达信号条件和微多普勒特征提取方法,仿真了一种高速目标微多普勒分析方法,仿真结果验证了该方法的有效性。     

基于AlexNet-BiLSTM网络的锥体目标微动分类

针对典型弹道锥体目标分类需构造、提取人工特征而缺乏通用性及智能性的问题,提出一种利用卷积神经网络（Convolutional Neural Network,CNN）与长短期记忆网络（Long Short-Term Memory,LSTM）相结合的网络模型,对弹道锥体目标的微动时频图实现智能分类的方法。首先,分析弹道锥体目标的微多普勒特征,得出不同微动形式的微多普勒频率;然后,利用AlexNet网络的图像特征提取能力与BiLSTM网络的时序特征提取能力构造AlexNet-BiLSTM网络模型,并通过模拟雷达回波生成的时频图数据集对网络进行训练、调试;最后,仿真结果表明该网络能实现弹道锥体目标的智能微动分类,验证了该网络的有效性及鲁棒性。      

利用微动信息矩阵的弹道目标特征提取算法

为满足反导作战的现实需求及解决强噪声环境下弹道目标特征提取问题,提出了一种新的基于宽/窄带混合体制雷达的弹道目标特征提取算法。该算法分析了宽/窄带信号对应的微动特征,运用Viterbi算法分离并提取出各散射中心的微动曲线。在此基础上,根据宽/窄带微动特征的相关性,结合改进自相关法和最小二乘估计方法,构建并解算出目标最强散射中心对应的微动信息矩阵。最后利用散射中心关联和一致性匹配融合方法,构建多元方程组并求解,得到目标的微动特征和结构参数。仿真结果表明:当信噪比为0dB时,该算法估计得到的目标微动特征和结构参数的均方根误差的量级均为10-2。      

基于改进波形太赫兹雷达的多目标检测

太赫兹雷达在测点目标时具有极高的分辨力。然而在多目标条件下,使用经典的线性调频波形调制可能会引起错误的差频组合,从而出现虚假目标。为此,提出一种工作在0.22 THz频段的改进波形,它由梯形波与三角波两部分组成。通过梯形波的上、下扫频计算速度-距离的模糊范围,并通过恒频段检测目标的相对速度。由于速度-距离交叉点的不匹配,虚假目标仍存在,而后续的不同调频斜率的三角波则能在其基础上完全剔除虚假目标。文中给出了这种体制的太赫兹雷达系统的架构,并通过近乎现实的仿真,证明在这种新型波形体制下,太赫兹雷达差频配对的准确度将得到大幅度提升。     

太赫兹频段下基于EMD的人体生命特征检测

非接触式的心跳呼吸信号检测对重症患者心跳呼吸的远程监控、自然灾害中受害者的搜寻等都有重要的应用。本文针对人体心跳呼吸信号相对于复杂环境属于微弱信号的情况,提出了一种太赫兹频段下基于经验模态分解(EMD)的人体生命特征检测方法。首先建立太赫兹雷达人体目标回波模型,对回波信号进行经验模态分解。然后进行时频分析,得到心跳呼吸微多普勒信息,提取其频谱质心曲线。再做第二次时频分析,实现心跳呼吸频率的提取与分离。在高斯杂波环境中进行了仿真实验,检测结果表明,基于EMD的检测方法与直接检测方法相比,取得了更好的检测效果,具有较强抗噪能力,适合于微弱信号处理。      

典型复杂微动目标的建模和检测

针对战场典型复杂微动目标的检测问题,提出了一种基于能量聚焦的微动目标检测方法。首先对3种复杂微动目标雷达回波的微多普勒特性进行了建模和仿真,分析了回波多普勒的频域和时频域特性,提取了雷达回波多普勒时频分析数据的能量聚焦特性,并提出了一种基于能量聚焦的广义似然比微动目标检测器。数值仿真表明,在不同的信噪比和虚警概率条件下,该检测器均可实现对3种复杂微动目标的有效检测。