谐振区目标窄带模式下的极点特征求解方法技术

本发明专利技术公开了一种谐振区目标窄带模式下的极点特征求解方法，所述方法包括如下步骤：步骤一、建立电磁响应传输函数并利用稀疏信号表示多项式主极点数学模型；步骤二、采用二阶锥寻优框架构造系数向量，通过调整窄带频域响应采样点数，计算频域响应偏差合理选定滤波器阶数；步骤三、利用系数向量计算多项式主极点，选定第四象限极点作为目标特征的主极点，并拟合目标频域响应。本发明专利技术利用很少的RCS频域数据，构造系数向量拟合多点RCS回波特征，在此基础上，提取表征目标结构的主极点信息，可用于提高目标分类识别概率。同时，引入凸优化寻优策略增强对频域响应鲁棒自适应性，由于频域采样数据量减少，有效提高了系统的实时性和环境适应性。

The method of solving the pole characteristic in the target narrow band mode of resonance region

【技术实现步骤摘要】
谐振区目标窄带模式下的极点特征求解方法
本专利技术属于雷达目标特性和识别
，涉及一种谐振区目标窄带模式下的极点特征求解方法。
技术介绍
极点是谐振区雷达目标识别的重要特征，且对方位不敏感。然而极点的提取需要宽带信号的时域晚期响应或者频域响应，这在实际系统中很难满足。在目标识别的研究过程中，人们多年来都困惑于复杂目标的散射特性随着极化、方位等因素剧烈变化。而将极点用于目标识别则可以克服这些缺点。当目标的尺寸L和雷达波长λ相当时(λ≤L＜10λ)，目标处在谐振区。极点是谐振区目标电磁散射的重要特征，它受目标本身的特性如形状、尺寸、材料等决定，与目标姿态以及雷达极化方式无关，将极点应用于目标识别可以克服极化、方位改变导致的剧烈变化。目前极点提取的方式主要分为时域法和频域法，时域法主要利用E脉冲法、Prony法，频域法主要包含MPM和Cauchy方法，其中MPM利用频域数据通过逆傅立叶变换获得时域晚期响应进行求解，而Cauchy直接利用频域数据通过矩阵分解获得传输函数系数，进而获得极点信息。因为时域法对于雷达回波信号提取难度较大，目前，主要利用频域法进行极点提取。然而，频域法通常需要在很宽的频域范围内对目标回波进行采样，因此需要大量不同频点回波数据，这对于窄带雷达系统来说难以满足。从理论上来说，极点数目有无穷多个，但一般只需考虑影响目标谐振的有限个主极点。一般来说，起主要作用的具有较大留数的极点称为主极点。其中距虚轴较近的极点又是决定中、长时间响应的主要因素，由于越靠近虚轴，衰减越缓慢。而目标的主体结构又是由距离实轴较近的极点决定，越靠近实轴，振荡频率越低。所以靠近原点而且留数较大的极点最能反映目标的结构特征。这对于窄带雷达系统如何通过更少的频域数据提取目标的特征提供了解决方向。
技术实现思路
为了解决
技术介绍
中存在的问题，特别是针对窄带雷达系统利用更少的频域响应提取目标极点特征的技术问题，本专利技术提供了一种谐振区目标窄带模式下的极点特征求解方法。该方法能够利用很少的RCS频域数据，构造系数向量拟合多点RCS回波特征，在此基础上，提取表征目标结构的主极点信息，可用于提高目标分类识别概率。同时，引入凸优化寻优策略增强对频域响应鲁棒自适应性，由于频域采样数据量减少，有效提高了系统的实时性和环境适应性。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：一种谐振区目标窄带模式下的极点特征求解方法，包括如下步骤：步骤一、建立电磁响应传输函数并利用稀疏信号表示多项式主极点数学模型，分析电磁响应传输函数系数满足稀疏条件以及采样矩阵满足重构条件。本步骤中，晚期响应可以表征目标的结构特性，并且能够利用一系列衰减正弦信号和的形式表示其电磁响应传输函数h(t)，电磁响应传输函数h(t)可以转化为频域响应函数。电磁响应传输函数h(t)表示为：式中，T＝2D/c，D是目标的最大尺寸，c是光速，σl是衰减因子，ωl是谐振角频率，L是选取的极点数，Rl是相应每个极点σl+jωl的留数，是初相，l＝1,2,…,L，t是采样时间。本步骤中，多项式求解可表示为矩阵形式，并可转化为稀疏信号的求解模型进行计算，则多项式主极点数学模型表示为：式中，ai是多项式分子系数，bj是多项式分母系数，s是频率点(即：采样频率)，H(s)是频域响应函数，i＝0,1,…,N，j＝1,2…,M，N是H(s)的分子多项式阶数，M是H(s)分母多项式阶数(即：滤波器阶数)，通常M＝N+1，b0是分母多项式常数项。本步骤中，采样矩阵表示为：Ax＝y；式中，x＝[a0…aNb1…bM]T；y＝b0[H(s1)…H(sK)]T；K是频域数据采样点数。本步骤中，从采样矩阵中抽取的每K个列向量构成的矩阵是非奇异的。采样矩阵列是非线性相关的，满足重构条件。步骤二、采用二阶锥寻优框架构造系数向量xj＝[a0…aNb1…bM]T，计算在滤波器阶数j＝1,2,…,M和系数xj下的频域响应Hj(s)，通过调整窄带频域响应采样点数，计算频域响应偏差Bias(j)合理选定滤波器阶数，如果Bias(j)≤0.001，则选定阶数j；否则重复步骤一。本步骤中，求解系数向量是范数求解问题，既是非线性的也是非二次的，将其转换为二阶锥优化问题求解，可以通过调整Newton迭代次数控制内点法计算复杂度，并且迭代次数独立于求解问题本身，保持相对较低的计算量。本步骤中，二阶锥寻优框架的公式如下：式中，zk是残差，λ是正则化参数，K是频域响应采样点数。本步骤中，当滤波器阶数选为j，估计的频域响应的计算公式如下：式中，aj是多项式分子系数，bj是多项式分母系数，s表示采样频率，j＝1,…,M选定的滤波器阶数。本步骤中，频域响应偏差Bias(j)的计算公式如下：式中，i＝1,2,…,K表示频域响应采样点数，j＝1,2,…,M表示滤波器阶数，表示估计出的频域响应，Hj(si)目标实际频域响应。本步骤中，系数的数量与选择滤波器的阶数成正比。阶数太小，传输函数不能拟合窄带数据；阶数太大，矩阵A是病态矩阵，无法得到正确的解。选择合理的阈值，可以将系数向量等效为稀疏信号。步骤三、利用系数向量xj＝[a0…aNb1…bM]T计算多项式主极点，因为主极点σl+jωl的实部σl是衰减因子，表征电磁波沿目标表面的能量损失，是负值；ωl是谐振角频率，是正值；因此，选定第四象限极点作为目标特征的主极点，并拟合目标频域响应。本步骤中，通过系数向量，求解多项式主极点及谐振频率，拟合目标的频域响应，进行目标的分类识别。相比于现有技术，本专利技术具有如下优点：1、本专利技术采用的是目标频域数据，对实际雷达系统而言更容易获得，可替代实际雷达测试或微波暗室缩比试验，能够节约目标识别成本。2、本专利技术基于窄带雷达频域数据实现，需要的频域响应数据量大大减少，符合实际雷达系统工作条件，实时性更好。3、本专利技术基于稀疏信号重构理论，利用二阶锥寻优手段提取主极点特征信息，相比于同类方法鲁棒性更好。附图说明图1是本专利技术谐振区目标窄带模式下的极点特征求解方法(SRM)的处理流程框图；图2是本专利技术SRM方法与现有MPM、Cauchy方法的处理流程对比框图；图3是本专利技术细导线目标的RCS频域响应；图4是本专利技术细导线目标在第一个谐振点附近窄带等间隔采样点；图5是本专利技术利用SRM方法针对图3采样点构造的系数向量；图6是本专利技术利用SRM方法针对图4系数向量恢复的窄带频域响应与原始频域响应的拟合结果对比；图7是本专利技术细导线目标针对第二个谐振点采样构造的系数向量；图8是本专利技术利用SRM方法针对图6系数向量恢复的窄带频域响应与原始频域响应的拟合结果对比；图9是本专利技术细导线目标极点特征提取结果和现有技术提取结果的比较。具体实施方式下本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种谐振区目标窄带模式下的极点特征求解方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：/n步骤一、建立电磁响应传输函数并利用稀疏信号表示多项式主极点数学模型，分析电磁响应传输函数系数满足稀疏条件以及采样矩阵满足重构条件；/n步骤二、采用二阶锥寻优框架构造系数向量x

【技术特征摘要】
1.一种谐振区目标窄带模式下的极点特征求解方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：
步骤一、建立电磁响应传输函数并利用稀疏信号表示多项式主极点数学模型，分析电磁响应传输函数系数满足稀疏条件以及采样矩阵满足重构条件；
步骤二、采用二阶锥寻优框架构造系数向量xj＝[a0…aNb1…bM]T，计算在滤波器阶数j＝1,2,…,M和系数xj下的频域响应Hj(s)，通过调整窄带频域响应采样点数，计算频域响应偏差Bias(j)合理选定滤波器阶数，如果Bias(j)≤0.001，则选定阶数j；否则重复步骤一；
步骤三、利用系数向量xj＝[a0…aNb1…bM]T计算多项式主极点，选定第四象限极点作为目标特征的主极点，并拟合目标频域响应。


2.根据权利要求1所述的谐振区目标窄带模式下的极点特征求解方法，其特征在于所述电磁响应传输函数h(t)表示为：



式中，T＝2D/c，D是目标的最大尺寸，c是光速，σl是衰减因子，ωl是谐振角频率，L是选取的极点数，Rl是相应每个极点σl+jωl的留数，是初相，l＝1,2,…,L，t是采样时间。


3.根据权利要求1所述的谐振区目标窄带模式下的极点特征求解方法，其特征在于所述多项式主极点数学模型表示为：



式中，ai是多项式分子系数，bj是多项式分母系数，s是频率点，H(s)是频域响应函数，i＝0,1,…,N，j＝1,2…,M，N是H(s)的分子多项式阶数，M是H(s)分母多项式阶数，即：滤波器阶数，b0是分母多项式常数项...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴小川，杨强，张鑫，董英凝，王永军，杨松岩，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙;23