申请/专利权人：桂林电子科技大学

申请日：2022-03-08

公开（公告）日：2024-04-16

公开（公告）号：CN114578308B

主分类号：G01S7/41

分类号：G01S7/41;G01S13/06;G06F18/213

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.04.16#授权;2022.06.21#实质审查的生效;2022.06.03#公开

摘要：本发明公开了一种基于混合多普勒的旋翼目标特征提取方法，其特征是，包括如下步骤：1）构建圆阵天线与旋翼目标的数学模型、推导回波信号函数；2）混合多普勒特征分析；3）发射不同模态涡旋电磁波束、对回波进行信号处理；4）目标特征参数估计；5）目标识别。本发明实验结果表明，分析混合多普勒特征，可有效反演出旋翼目标的叶片数、叶片长度、转速、位置信息等多个特征，相比于传统单一多普勒特征提取，对旋翼目标的具体识别能提供更多更充分的依据。

主权项：1.一种基于混合多普勒的旋翼目标特征提取方法，其特征在于，包括如下步骤：1构建数学模型、推导目标回波信号函数：采用均匀圆形阵列的方式产生涡旋电磁波，构建涡旋电磁波与旋翼目标的数学模型，所述圆形阵列天线由N个阵元组成、阵列半径为a、采用单天线接收，设旋翼目标悬停于空中，旋翼目标的中心坐标为O'x0,y0,z0，旋翼目标上任意一点P的坐标为其中，r为PO'长度，Ω为旋翼转速，圆形阵列在空间中P点处所产生的电场强度E表示为如公式1所示： 其中，在公式1中，rpt为P点到接收天线的距离，φpt为P点的方位角，θpt为P点的俯仰角，l为涡旋电磁波模态数，Jlkasinθpt为l阶的第一类贝塞尔函数，在公式2中，R表示接收天线与旋翼目标中心的直线距离，θO'表示旋翼中心所在的方位角，设P点处的后向散射系数为σp，则接收天线接收到的回波信号表示为如公式4所示： 旋翼叶片看作为N个散射点叠加，则涡旋电磁波对旋翼产生总的回波信号表示为如公式5所示： 对于“低慢小”类型的旋翼目标，旋翼叶片长度小于发射天线到目标的距离，故公式5近似表示为如公式6所示： 其中，L为螺旋桨的叶片长度，将公式2、3带入到公式6中，整理得如公式7所示： 式中，2特征分析：旋翼目标处于悬停状态，螺旋桨的转动对涡旋电磁波信号产生微多普勒和旋转多普勒效应，故旋翼目标回波中含有微多普勒和旋转多普勒，称为混合多普勒，若旋翼目标处于移动状态，旋翼目标回波中混合多普勒包含平动多普勒，分析混合多普勒分为以下两种情况：2-1正对情况：若旋翼目标位于发射天线正上方，即O'0,0,z0，目标方位角θO'＝0，微多普勒为零，混合多普勒中只有旋转多普勒，则公式7化简为如公式8所示： 由于目标悬停于空中，位置距离固定，发射天线数目和圆形阵列半径固定，当发射固定模态数l时，则S0为常数，对回波信号中的相位进行时间求导即得到旋转多普勒值fm-D,A如公式9所示： 2-2非正对情况：若旋翼目标位于发射天线非正上方，则旋翼目标的相位函数表示为如公式10所示： 对于具有n个叶片的旋翼目标，n个叶片具有n个不同的初始旋转角，叶片之间的夹角相等，公式10的初相替换为 对公式10求导得到混合多普勒表达式如公式12-公式14所示： 其中，fm-D表示混合多普勒值，fm-D,L表示微多普勒值，对公式13中的微多普勒取最值得： 对公式14求导得到旋转多普勒的极值点满足如公式16所示： 当旋翼目标位置关系满足公式16中的第一种情况时，旋转多普勒化简为如公式17所示： 当旋翼目标位置关系满足公式16中的第二种情况时，特别地，当旋翼目标只位于x轴上时，满足则而此时微多普勒也取得最大值，故混合多普勒的极值表示为微多普勒和旋转多普勒极值的线性叠加，若已知混合多普勒和微多普勒极值，求得旋转多普勒极值，从而反演出目标叶片长度如公式18所示： 其中，|fm-D,A|max表示旋转多普勒取极值时绝对值的最大值，|fm-D,A|min表示旋转多普勒取极值时绝对值的最小值，极值同号表示旋转多普勒极大值与极小值符号相同，极值异号表示极大值与极小值符号相反，将公式18代入公式15中得如公式19所示： 3发射不同模态涡旋电磁波束、处理回波信号：固定旋翼目标和收发装置，依次发射正负不同模态的涡旋电磁波，接收回波信号，对回波中的载波信号进行剔除；4目标特征参数估计：结合步骤2中的公式，采用时频分析法和频谱分析法对目标特征进行提取，具体分析方法为以下两种情况：4-1正对情况：混合多普勒只含有旋转多普勒时，将回波信号进行短时傅里叶变换即时频分析法，在时频谱图中获得目标的转速和叶片数参数特征；4-2非正对情况：混合多普勒既含有微多普勒，又含有旋转多普勒时，将步骤3处理后的回波信号进行傅里叶变换即频谱分析法：采用延拓周期方式估计出目标转速和叶片数、且从频谱中获得多普勒的最值，当发射模态数为零和非零时，可分别得到微多普勒和混合多普勒最值，在y0＝0的情况下，可计算得到旋转多普勒最值，采用公式15获得目标叶片长度，将天线搭载雷达系统测得目标距离R，从而根据公式16获得目标方位角特征；5目标识别：将所获得的的目标特征进行汇总，为后续进行具体目标识别提供依据。

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权利要求：

百度查询： 桂林电子科技大学 一种基于混合多普勒的旋翼目标特征提取方法

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