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弹道中段不同平动多目标的平动参数估计方法.docx
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弹道中段不同平动多目标的平动参数估计方法.docx
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1. 引言
近年来随着分导式多弹头及诱饵干扰等突防技术的发展
[1]
,基于传统特征的识别技术
失效,战略预警和反导作战面临严峻考验,而微动特征作为目标固有运动属性为弹道目标
识别提供了一种有效途径
[2]
。现有许多微动特征提取、参数估计及微动分类
[3-7]
的文献都是
基于平动已得到较好补偿的前提下进行的,但群目标技术的发展使得弹道目标的平动补偿
更为复杂,有待进行更深入的研究。
对于弹道中段目标的平动补偿方法国内外学者进行了广泛研究,大致可分为以下 3
种:(1)基于多普勒频谱信息。文献[8]提出了频谱重排法,对平动 1 阶加速度进行了估计,
但此方法易受噪声影响;文献[9]提出一种分段平动补偿方法,通过使回波频谱熵最小化,
在时频混叠的情况下有效地估计了加速度和速度。(2)基于时频分析。文献[10]利用目标的
整体信息,采用 Radon 变换检测时频曲线倾斜度,结合最小熵准则和高斯模板函数对变换
域进行峰值搜索实现平动参数估计。文献[11]通过改进的 Harris 角点检测算法提取出时频
曲线的交点信息,完成平动参数估计进而实现平动补偿。但是此类方法在受到噪声严重污
染时因无法进行图像特征的有效提取而性能急剧下降。(3)基于信号处理。文献[12]利用微
多普勒信号的周期性进行延迟共轭相乘消除微动信号,然后等效为多项式相位信号参数估
计问题实现平动 2 阶加速度和 1 阶加速度的估计;文献[13,14]则利用进动目标微多普勒信
号的对称性,通过对称共轭相乘消除微动分量后进行傅里叶变换,搜索频谱峰值信息估计
平动加速度和速度。此外还可通过构造冗余的微动原子集来估计平动速度和微动参数
[15]
,
但仅适用于具有正弦形式的微动信号。
以上分析中,所采用的 2 阶多项式等效平动
[8-11,13-15]
的方法将会影响最后的补偿效果。
此外,目前所进行的研究都是基于单目标或同一平动的群目标的情况,但对于更贴近实际
的具有不同平动参数的多目标情况还没有相关方面的报道,因此有必要开展相关研究。
针对处理多目标问题,传统的思路都是先进行分离预处理,然后再进行参数估计,但
此类方法过程繁琐且运算量大。本文考虑到弹道目标的平动补偿问题实际上是一个多项式
参数估计过程,而高阶模糊函具有运算量小、估计阶数高及精度高等优势
[16]
,因此可应用
于多目标平动补偿问题中;此外,考虑到周期信号进行延迟共轭相乘处理后,可在其频谱
处出现峰值,而弹头目标的微动正是周期运动;最后,利用时频分布的差异进行时间维度
的加权累加可实现速度估计。仿真结果验证了所提方法的有效性和低噪声条件下的鲁棒
性。
2. 复合运动模型
弹道群目标中,主要包括弹头、轻重诱饵、弹体碎片及燃料箱等,其中:燃料箱和碎
片等可利用形态加以区别,因此本文将针对真假弹头组成的多目标进行平动分析研究。
2.1 回波模型分析
假设雷达发射波长为[Math Processing Error]λ 的单频信号,则雷达接收到多目标的基
频回波信号为
[Math Processing Error]sr(t)=∑i,jσijexp[−j4πλrij(t)],0≤t≤T
(1)
其中,[Math Processing Error]T 为观察时间,[Math Processing Error]σij 为多目标中
的第[Math Processing Error]i 个目标上第[Math Processing Error]j 个散射点的散射系数,
[Math Processing Error]rij(t)为[Math Processing Error]t 时刻该散射点与雷达的径向距离。
弹道中段目标运动比较平稳,其目标运动可分解为质心平动和绕目标质心的微动两部
分。故第[Math Processing Error]i 个目标上第[Math Processing Error]j 个散射点的径向距离
可表示为
[Math Processing Error]rij(t)=rTi(t)+rmij(t)
(2)
其中,[Math Processing Error]rTi(t)为平动分量,[Math Processing Error]rmij(t)为微动
分量。
2.2 平动距离分析
首先利用观察时间内的某个脉冲测得速度[Math Processing Error]vi′对速度进行粗补偿
[14]
,可解决微多普勒时频图的折叠现象,补偿后的平动速度为[Math Processing Error]Δvi。
同时在较短的观察时间内,平动分量可近似为 3 阶多项式
[12]
,则[Math Processing Error]t
时刻粗补偿后的平动距离为
[Math Processing Error]rTi(t)=Ri0+Δvit+ai1t2/2+ai2t3/6
(3)
其中,[Math Processing Error]Ri0, [Math Processing Error]ai1, [Math Processing
Error]ai2 分别为第[Math Processing Error]i 个目标的初始径向距离、1 阶加速度、2 阶加速
度。
2.3 微动距离分析
由暗室测量实验知,弹道进动锥体目标其后向散射主要由锥顶[Math Processing
Error]A 和锥底滑动散射中心[Math Processing Error]B, [Math Processing Error]C 决定,如
图 1 所示,其中:[Math Processing Error]O−XYZ 是与雷达坐标系平行的参考坐标,[Math
Processing Error]O−xyz 为目标本地坐标系,原点[Math Processing Error]O 为目标质心,
[Math Processing Error]Ox 为目标对称轴。在图 1(a)的锥体弹头进动模型中,对称轴[Math
Processing Error]Ox 与锥旋轴[Math Processing Error]OZ 的夹角为进动角[Math Processing
Error]θ,且[Math Processing Error]Ox 轴初始时刻在[Math Processing Error]Oxy 平面的投
影与[Math Processing Error]OX 轴的夹角为初始锥旋角[Math Processing Error]φ0,记初始
时刻雷达视线方向[Math Processing Error]LOS 与[Math Processing Error]OYZ 共面,且与锥
旋轴[Math Processing Error]OZ、对称轴[Math Processing Error]Ox 的夹角分别为[Math
Processing Error]α, [Math Processing Error]β。
图 1 微动模型
下载: 全尺寸图片 幻灯片
由图 1(a)可知,进动目标各散射点的微动距离为
[Math Processing Error]rm−A=h1cosβ(t)rm−B/C=h2cosβ(t)±rsinβ(t)}
(4)
其中,[Math Processing Error]h1, [Math Processing Error]h2 分别为质心[Math
Processing Error]O 到锥顶、锥底面的距离,[Math Processing Error]r 为锥体底面半径。
[Math Processing Error]β(t)=cosθcosα+sinθsinαcos(ωct+φ0)
(5)
其中,[Math Processing Error]ωc, [Math Processing Error]φ0 分别为锥旋角速度、对称
轴[Math Processing Error]Ox 的初始方位角。
图 1(b)为锥体诱饵摆动模型,记初始时刻对称轴[Math Processing Error]Ox 位于摆动
中心,与雷达视线方向[Math Processing Error]LOS 夹角为[Math Processing Error]θ0,摆动
幅度为[Math Processing Error]θ1,摆动角速度为[Math Processing Error]ωs。则[Math
Processing Error]t 时刻[Math Processing Error]LOS 与[Math Processing Error]Ox 的夹角可
表示为
[Math Processing Error]β′(t)=θ0+θ1sinωst
(6)
摆动时诱饵不存在滑动散射点,故直接将等效散射中心[Math Processing Error](A,B,C)
代入式(4)即可。远场条件下,在较短的观察时间内,可认为[Math Processing
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