联合Cameron分解和融合RKELM的全极化HRRP目标识别方法

王晶晶; 刘峥; 谢荣; 冉磊

doi:10.12000/JR21099

联合Cameron分解和融合RKELM的全极化HRRP目标识别方法

DOI: 10.12000/JR21099

西安电子科技大学雷达信号处理国家重点实验室西安 710071

基金项目: 国家自然科学基金(62001346)，中国博士后基金面上项目(2019M663632)

详细信息

作者简介:
王晶晶(1993–)，女，河北邯郸人，西安电子科技大学在读博士生，主要研究方向为雷达目标识别、极化信息处理

刘　峥(1964–)，男，陕西兴平人，2000年在西安电子科技大学获得博士学位，现为西安电子科技大学电子工程学院教授。主要研究方向为雷达信号处理的理论与系统设计、雷达精确制导技术、多传感器信息融合等

谢　荣(1982–)，男，浙江温州人，2011年在西安电子科技大学获得博士学位，现为西安电子科技大学电子工程学院副教授。主要研究方向为雷达信号处理的理论与系统设计、雷达精确制导技术等

冉　磊(1989–)，男，山东泰安人，2018年在西安电子科技大学获得博士学位，现为西安电子科技大学电子工程学院讲师。主要研究方向为无人机/弹载雷达成像技术、SAR图像目标检测与识别、雷达信号实时处理系统等

通讯作者:
刘峥 lz@xidian.edu.cn

责任主编：殷红成 Corresponding Editor: YIN Hongcheng
中图分类号: TN95
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出版历程
- 收稿日期: 2021-07-09
- 修回日期: 2021-08-14
- 网络出版日期: 2021-09-06
- 刊出日期: 2021-12-28

HRRP Target Recognition Method for Full Polarimetric Radars by Combining Cameron Decomposition and Fusing RKELM

National Laboratory of Radar Signal Processing, Xidian University, Xi’an 710071, China

Funds: The National Natural Science Foundation of China (62001346), The China Postdoctoral Science Foundation (2019M663632)

More Information

Corresponding author: LIU Zheng, lz@xidian.edu.cn

摘要

摘要: 该文针对传统全极化高分辨一维距离像(HRRP)雷达目标识别问题，提出了结合Cameron分解和融合简化核极限学习机(RKELM)的目标识别方法，旨在提高全极化HRRP目标识别性能。在特征提取阶段，所提方法利用Cameron分解定义了目标在各个标准散射体上的投影分量。通过分析，将目标在三面角、二面角和1/4波长器件这3个散射基上沿距离维的投影分量作为目标特征，实现对目标散射特性更加精细化的描述。在分类阶段，考虑到RKELM算法识别性能的不稳定性，提出了一种基于原型聚类预处理的RKELM方法，并在此基础上设计了特征级融合RKELM网络和决策级融合RKELM网络，以对投影特征进行融合分类。实验部分利用10类民用车辆的全极化HRRP数据将所提识别方法和现有方法进行了对比，结果表明：(1)所采用的Cameron分解投影特征表现出了较高的可分性和噪声稳健性；(2)当训练样本数较多时，特征级融合RKELM算法的泛化性能较好；当训练样本数较少时，决策级融合RKELM的泛化性能较好。
- 雷达目标识别 /
- 高分辨一维距离像 /
- 全极化 /
- Cameron分解 /
- 简化核极限学习机 /
- 信息融合
Abstract: A recognition method combining Cameron decomposition and fusing Reduced Kernel Extreme Learning Machine (RKELM) is proposed for the Full Polarimetric (FP) High Resolution Range Profile (HRRP)-based radar target recognition task. In the feature extraction phase, Cameron decomposition is exploited to define the projection component of the target on the standard scatterers. Through analysis, the projection components on three scattering bases, i.e., trihedral, dihedral, and 1/4 wave device, are selected as target features, which achieve more detailed descriptions of the target characteristics. In the classification phase, considering the instability of the recognition performance of the RKELM algorithm, the RKELM based on prototype clustering preprocessing is first proposed. Then, to improve the recognition performance, we proposed the feature level fusing RKELM and the decision level fusing RKELM to fuse the three projection components of the targets. The experiments compared the performance of the proposed recognition method and the state-of-the-art methods using the FP HRRP data from 10 civilian vehicles. The results demonstrate that the projection features by Cameron decomposition exhibit higher separability and better noise robustness, and that the feature level fusing RKELM has better generalization performance with a large number of training samples, but the decision level fusing RKELM was better with a small number of training samples.
- Radar target recognition /
- High Resolution Range Profile (HRRP) /
- Full polarimetric /
- Cameron decomposition /
- Reduced Kernel Extreme Learning Machine (RKELM) /
- Information fusion

HTML全文

1. 引言

相参积累是一种在噪声背景下有效提高雷达目标检测性能的方法。但是高速机动目标复杂的运动特性会使雷达回波不可避免地产生距离徙动，多普勒扩展和多普勒模糊，大大削弱了传统方法的检测性能，甚至会使传统方法失效^[1]。这种情况下，文献[2,3]采用霍夫变换方法，沿着目标轨迹对每个目标的回波数据进行带有距离补偿的非相参积累，将目标能量积累到参数空间中的一点，易于在参数空间检测。为了进一步利用目标的相位信息，文献[4]采用Keystone变换(KT)对目标进行距离补偿后的相参积累，更加高效地积累了目标能量，但该方法存在速度模糊的问题。文献[5]将分数阶傅里叶变换与Keystone变换相结合，适用于带有速度模糊的匀加速目标，但该方法的处理流程较为复杂。文献[6]提出的相参霍夫变换(CHT)可以看作是文献[7]提出的Radon-Fourier变换(RFT)的一个特例，这两种方法将距离补偿与相参积累相结合，显著提高了雷达的检测性能，RFT的扩展形式还能有效避免速度模糊。为了检测具有严重多普勒扩展的机动目标。文献[8]采用参数化的方程来描述非匀速直线运动的目标轨迹，通过搜索该方程中的参数，广义RFT方法能够沿着弯曲的目标轨迹进行能量积累。但是，轨迹方程的阶数随着目标机动性的增强而增大，在检测强机动目标时计算复杂度显著增高。文献[9]将RFT方法扩展到空时频多维度联合处理领域中，取得了较为优秀的检测性能，形成了比较系统的理论框架和技术体系。文献[10]将RFT算法应用于双基地雷达系统，解决了该系统中非线性相位回波的目标运动补偿问题，并在频域完成了算法的快速实现。上述基于KT和RFT的算法都需要估计出目标的具体运动参数，再对目标运动带来的距离和多普勒徙动进行补偿。然而，当目标在观测时间内进行机动，即目标的运动参数发生了突变，或目标的运动参数过于复杂，上述运动参数估计与补偿类的算法就会失效。

检测前跟踪(Track Before Detect, TBD)是一种常用的能量积累方法。基于动态规划的检测前跟踪(Dynamic Programming-TBD, DP-TBD)方法^[11]能够对弱机动目标进行检测，许多种改进的DP-TBD方法广泛应用于光学、红外以及雷达领域^[12,13]。但是TBD算法通常应用于扫描到扫描的场景，并不适用于长时间积累模式下脉冲到脉冲的场景。此外，DP-TBD类的算法对强机动目标的检测性能较差。

为了解决上述问题，该文提出了一种基于动态规划的加权自适应步长相参积累方法，所提方法采用动态规划算法的阶段性最优化思想，能够求解出机动目标复杂而不断变化的运动参数，避免了传统方法繁琐的只适用于固定运动方式的运动参数估计；该方法结合了动态规划与加权自适应相参积累，能够避免多普勒模糊，高效的对机动目标的距离徙动与多普勒扩散进行补偿。所提算法的递推特性能够使该方法对任意机动方式的目标进行检测与跟踪。

2. 问题描述

假设机动目标相对雷达径向运动，雷达在目标方向发射K个脉冲，重复周期为T_r。信号预处理之后，k时刻的目标基带回波可以表示为：

${s_k} = A{s'\!\!_k}\exp \left( {{\rm j}2{{π}} {f_{\rm d}}\left( k \right)k{T_{\rm r}}} \right) + {n_k}$

(1)

其中，A为幅度， ${s'\!\!_k}$ 为回波信号在快时间上的复包络，f_d(k)为目标机动带来的时变瞬时多普勒频率，n_k为方差为1的复高斯噪声。假设在较短时间内的观测过程中目标回波没有起伏。

将所有回波排列在时间-距离的2维空间，分别用脉冲重复周期和雷达距离单元对时间坐标和距离坐标进行归一化。将一个重复周期称为一帧，雷达回波中第k帧第n个距离单元的测量表示为z_k，第k帧所有N个距离单元中的测量值表示为 ${Z_k} =$ ${\left[ {{z_1}\;{z_2}\;...\;{z_N}} \right]^{\rm T}}$ 。

该模型中机动目标的径向速度是时变的，会带来非线性的位移和多普勒频移。因此，整个观测过程中目标回波的频谱在距离-多普勒平面内形成了一条不规则的曲线。所以传统方法很难对无规律的距离徙动和多普勒扩散进行补偿。

3. 本文方法

为了最大程度上地沿着目标轨迹积累能量，采用动态规划^[11]的思想对机动目标进行每一帧位置与速度的阶段性最优搜索。此外，充分利用目标回波的幅度与相位信息，同时对距离徙动与多普勒扩散进行补偿。

雷达记录的K个脉冲的所有观测值构成一个N×K的2维矩阵，如下：

${{Z}} = \left[ {{Z_1}\;{Z_2} ·\!·\!· {Z_K}} \right]$

(2)

令目标状态为 ${X_k} = {\left( {{x_k},{{\dot x}_k}} \right)^{\rm{T}}}$ ，其中，x_k为目标距离， ${\dot x_k}$ 为目标速度。定义目标轨迹为第1帧到第K帧的连续状态序列，则观测时间内的目标航迹为：

${{{X}}_K} = \left\{ {{X_1}\;{X_2}\; ·\!·\!· {X_K}} \right\}$

(3)

由于目标速度未知，需要对目标所有可能的速度进行搜索。假设目标的最大速度为V_max，将目标的运动速度范围[–V_max, V_max]平均分为M份，则所有搜索速度为：{v_m, m=1:M}。每一帧目标的运动速度将通过这M个搜索通道进行估计。M的取值取决于所需的速度估计精度。根据多普勒频率与目标速度和雷达波长 $\lambda$ 的关系 ${f_{\rm{d}}} = 2v/\lambda$ ，直接使用速度信息进行相位补偿，避免多普勒速度模糊。本文(Dynamic Programing (DP)-based Weigh-ted Adaptive Coherent Integration, DPWACI)算法的流程图如图1所示，具体步骤如下。

图 1 本文算法流程图

Figure 1. Flow chart of this paper algorithm

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3.1 步骤1：初始化

对第1帧的所有状态X₁

$I\left( {{X_1}} \right) = {Z_1}$

(4)

$\!\!\!\!\!\!\!\!\varPsi \left( 1 \right) = 0$

(5)

其中， $I \left( · \right)$ 为积累值函数，表示动态规划处理后的积累能量， $\varPsi \left( · \right)$ 为转移函数，记录了每一帧的状态转移过程。

3.2 步骤2：递归

当2≤ k ≤K时，对所有状态X_k，有

$I\left( {{X_k}} \right) \!=\! \mathop {\max }\limits_{m = 1:M} {\left[ {I\left( {{X_{k - 1}}} \right)\exp \left( {\frac{{{\rm j}4{{π}} {v_m}{T_{\rm{r}}}}}{\lambda }} \right)} \right]_{2M}} \!+\! {Z_k}$

(6)

$\varPsi \left( {{X_k}} \right) \!=\! \arg \mathop {\max }\limits_{m = 1:M} {\left[ {I\left( {{X_{k - 1}}} \right)\exp \left( {\frac{{{\rm j}4{{π}} {v_m}{T_{\rm{r}}}}}{\lambda }} \right)} \right]_{2M}}$

(7)

其中，max[·]表示求取上一帧最有可能转移到当前帧的状态，上一帧的有效转移状态由速度搜索通道和可能的位置偏移确定。由于脉冲间隔时间很短，第k–1帧到第k帧的位置转移只有3种情况：向前一个距离单元；停留在当前单元；向后一个距离单元。而搜索速度的正负确定了移动方向，所以共有2×M个候选有效转移状态，式(6)和式(7)中max[·]的下标为2M。式(6)中上一帧积累值函数的多普勒频移被补偿到了当前时刻，并与当前观测值进行相参积累。该递推过程无需对目标的具体运动参数进行估计，而是通过动态规划方法分依次搜索并记录。

式(6)的过程相当于两脉冲相参积累，为了减轻复噪声的影响，并充分利用后续脉冲的相参特性，后L个脉冲被用来进行相参积累。由于运动惯性，短时间内的速度变化较小。为了减轻距离徙动发生时的影响，并保证积累效果，将L设为：

$L = {\rm{round}}\left( {\rho /{V_{\max }}/{T_{\rm{r}}}/4} \right)$

(8)

其中， $\rho$ 为距离单元，round(·)表示四舍五入。加入算数平均，并将Z_k放入中括号内，有

$\begin{aligned}I\left( {{X_k}} \right) = & \mathop {\max }\limits_{m = 1:M} \Biggr\{ {I\left( {{X_{k - 1}}} \right)\exp \left( {\frac{{{\rm j}4{π} {v_m}{T_{\rm{r}}}}}{\lambda }} \right)} \\& {\left. { +\! \frac{1}{L}\sum\limits_{l = 1}^L {{Z_{k + l}}\exp \left( {\frac{{ - {\rm j}4{π} {v_m}l{T_{\rm r}}}}{\lambda }} \right)} } \right\}_{2M}} \!+\! {Z_k}\end{aligned}$

(9)

式(9)中，较长的L有利于检测低速目标，但不利于检测高速目标，反之亦然。所以固定的步长L无法同时适用于高速与低速情况。未解决这个问题，根据搜索速度引入自适应步长，有

${L_m} = {\rm{ round}}\left[ {\min \left( {\frac{1}{4}\frac{\rho }{{{v_{\rm{m}}}{T_{\rm{r}}}}},\frac{\rho }{{{V_{\max }}{T_{\rm{r}}}}}} \right)} \right],m = 1:M$

(10)

其中，min(·)用来限制低速通道下的步长。

由于惯性，目标的运动速度是连续变化的，所以下一帧目标的可能速度与当前速度越接近概率越高。假设目标在相邻两帧内最大速度变化量为 $\Delta \upsilon$ ，当前速度为 $\upsilon$ ，则下一帧目标速度范围在 $\upsilon \pm \Delta \upsilon$ 之内。下一帧在进行状态转移时，对当前速度相邻的速度通道内的状态赋予较大权值，对间隔较远的通道内的状态赋予较小权值。假设第k帧时，某一状态转移的权系数为W_kn=[w_k(1), ···, w_k(M)]，各速度搜索通道对应的权系数计算方法为：

$\left\{ {\begin{array}{*{20}{c}}\begin{array}{l}\!\!\!\!\!\! {w_k}\left( m \right) = 1 - {\left( {\frac{{\left| {{m_k} - m} \right|}}{{(M - 1)/2}}} \right)^S}\\\!\!\!\!\!\! {\left. {{w_k}\left( m \right)} \right|_{{w_k}\left( m \right) < 0}} = 0\end{array} \!\!\!\!\!, {m = 1, ·\!·\!· ,M}\end{array}} \right.$

(11)

其中，m_k为当前所在状态转移速度通道，S为权系数形状参数，S的取值与预估的目标机动性相关。目标机动性较强时，S取值较大，权系数曲线的波峰较扁平，物理意义为目标转移到相邻速度通道的范围越大，反之亦然。S的具体数值通过最大变化速度Dv覆盖的速度通道数来确定。在目标可能的机动范围内权值较大，在机动范围外，随着搜索速度与当前速度差的增大权系数逐渐减小。为保证算法能够覆盖目标机动范围，我们令偏移当前速度m_max个通道时的权系数w_k(m_max)不小于0.95，形状参数S可由式(12)确定。

$\begin{aligned}S \ge & {{\lg \left( {1 - 0.95} \right)} \mathord{\left/ {\vphantom {{\lg \left( {1 - 0.95} \right)} {\lg\left( {\frac{{\left| {\left( {M - 1} \right)/2 - {m_{\max }}} \right|}}{{\left( {M - 1} \right)/2}}} \right)}}} \right. } {\lg\left( {\frac{{\left| {\left( {M - 1} \right)/2 - {m_{\max }}} \right|}}{{\left( {M - 1} \right)/2}}} \right)}}\\ = & \frac{{\lg 0.05}}{{\lg \left( {\left| {\left( {M - 1} \right)/2 - {m_{\max }}} \right|} \right) - \lg \left( {M - 1} \right) + \lg 2}}\end{aligned}$

(12)

以M=41为例，不同参数的权系数曲线如图2所示。

图 2 权系数曲线

Figure 2. Curve of weight coefficient

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式(11)为某一个状态的权系数计算公式，状态空间中的全部N个状态都需要相似的权系数计算，得到加权矩阵W_k=[W_k₁, ···, W_kN] $^{\rm{T}}$ 。

经过加权处理以及自适应补偿处理的改进递推公式为：

$\begin{array}{l} I\left( {{X_k}} \right) = \mathop {\max }\limits_{m = 1:M} \left\{ {{W_k}I\left( {{X_{k - 1}}} \right)\exp \left( {\frac{{{\rm{j}}4\pi {v_m}{T_{\rm{r}}}}}{\lambda }} \right)} \right.\\ \left. { + \frac{1}{{{L_m}}}\left[ {\sum\limits_{l = 0}^{{L_m}} {{Z_{k + l}}\exp \left( {\frac{{ - {\rm{j}}4\pi {v_m}l{T_{\rm{r}}}}}{\lambda }} \right)} } \right]} \right\} \end{array}$

(13)

递归过程在第k –L_max帧结束，其中， ${L_{{\rm{max}}}} =$ ${\rm{round}}(\rho /{V_{{\rm{max}}}}/{T_{\rm{r}}})$ 。

在式(13)中，第k –1帧积累值函数和第k+1到第k+L_m帧观测值的多普勒频移同时被补偿到了当前时刻，距离徙动也被动态规划的位置搜索间接补偿。加权和自适应补偿处理进一步提高了搜索和积累效率。该递归过程相当于一个马尔科夫过程，递推的能量积累不受整个观测过程中多普勒扩散的影响。

3.3 步骤3：检测

当k=K–L_max:K时，I(X_k)的值保持不变。寻找I(X_K)的最大值，当最大值超过门限V_T，宣布目标被检测到，并得到最终的目标位置与速度。V_T的计算需要I(X_K)准确的概率分布函数，不幸的是该分布函数难以计算，这是因为：(a)动态规划中的max[·]运算带来了非线性，非高斯的过程，(b)动态规划中的状态实际上是不独立的，(c)加权与自适应补偿处理带来了额外的复杂性。因此，门限计算由现有的基于极值理论的计算机拟合仿真方法^[14]得到。

状态转移函数 $\varPsi (\cdot)$ 记录了整个递推过程中的状态转移过程，如果需要，该机动目标每一帧的位置和速度可以通过如下的回溯过程得到。

令k=K, K–1, ···, 1，对过门限的状态X_k，有

${\widehat X_k} = \varPsi \left( {{{\widehat X}_{k + 1}}} \right)$

(14)

可得到观测过程中全部K帧的估计航迹 ${\widehat { {X}}_K} =$ $\left\{ {{{\widehat X}_1},{{\widehat X}_2}, ·\!·\!· ,{{\widehat X}_K}} \right\}$ 。

4. 运算量分析

本文算法的运算量与目标的速度范围密切相关，在目标初速较高的情况下，传统算法与本文算法都需要在较大的速度范围内进行速度搜索，所以除了距离单元数N，搜索通道数M也是运算量分析的一个重要参数。本文算法的核心递推公式(式(13))的运算量为：

$\begin{aligned}F' = & M\left[ {N{I_{\rm{m}}} + NL{I_{\rm{m}}} + \left( {NL + 2} \right){I_{\rm{a}}}} \right]\\ + & N\max{\!_{\rm{C}}}\left( {2M} \right)\end{aligned}$

(15)

其中，I_m为复乘运算，I_a为复加运算，max_C为复最大值运算。式(13)中的实运算相较于复运算为低阶运算，可以省略，自适应步长的运算按照最大步长近似。1次复乘运算相当于6次实运算，1次复加运算相当于2次实运算，1次复最大值运算相当于3次实运算加1次实最大值运算。将上述关系代入式(15)，整个递推过程的运算量为：

$F = KF' = K\left[ {\left( {10 + 8L} \right)MN + N\left( {3 + 3/2} \right)2M} \right]$

(16)

将F中的参量统一由n来代替，则算法的计算复杂度为：

$\begin{aligned}O\left( {F\left( n \right)} \right) & = O\left( {n\left[ {\left( {10 + 8L} \right){n^2} + n\left( {3 + 3/2} \right)2n} \right]} \right)\\ & = O\left( {{n^3}} \right)\end{aligned}$

(17)

RFT与MTD算法的计算复杂度分别为O(n³)与O(n²log₂n)^[7]，虽然与本文算法相比运算量相仿或更低，但这两种方法无法对运动参数发生突变的机动目标进行检测。

5. 仿真分析

假设雷达载频150 MHz，距离分辨力10 m，脉冲重复周期2 ms，观测帧数500，截取距离单元数200。100 km外的目标以初速度v₀=27 m/s相向雷达飞行。目标的加速度在观测过程中发生了两次改变，以模拟目标的机动，观测过程中的3个加速度分别为：在前150个脉冲内a₁=200 m/s²，在中间150个脉冲内a₂=50 m/s²，在最后200个脉冲内a₃=300 m/s²。加加速度j₀服从均匀分布U(–5, 5) m/s³，模拟额外机动性。设置本文算法中的参数为V_max=500 m/s, M=40, SNR为–5 dB时，本文算法处理结果如图3所示。

图 3 DPWACI处理结果

Figure 3. Result of DPWACI

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DPWACI估计出的位置为第87个距离单元，速度为220 m/s，与仿真参数相符。该仿真条件下没有速度模糊，但低信噪比下RFT和MTD失效，提高信噪比至10 dB, RFT和MTD的处理结果分别如图4和图5所示。由于距离徙动与多普勒扩散，MTD与RFT算法都无法积累出峰值，MTD算法没有距离补偿和多普勒补偿，最终积累的能量分散到了多个距离单元与多普勒通道；RFT算法实现了一部分距离补偿，但无法处理高阶运动分量和参数突变带来的多普勒扩散，最终积累的能量分散到了多个速度通道。这两种算法都无法估计出目标准确的位置与速度。为了避免能量扩散，传统算法只能缩短积累时间，浪费了积累时间之外的目标能量。

图 4 MTD处理结果

Figure 4. Result of MTD

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图 5 RFT处理结果

Figure 5. Result of RFT

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为了分析本文算法对任意机动目标的检测性能，将进行5000次蒙特卡洛实验。由–10 dB至4 dB变化SNR，每次实验中v₀在[0, 50] m/s中随机选择，a₁在[2, 400] m/s²中随机选择，a₂在[0, 200] m/s²中随机选择，a₃在[400, 600] m/s²中随机选择。此时，目标可能的最大运动速度为470 m/s，已经产生了多普勒模糊，传统方法必须通过解模糊手段来进行速度估计，而本文算法直接采用速度信息进行相位补偿，避免了多普勒模糊。若估计位置与真实位置误差在2个距离单元以内，估计速度通道与真实速度相符，则认为检测正确。将式(9)命名为DPCI，设置固定步长L=0.5L_max。虚警概率10^–6下，DPWACI, DPCI, RFT与解模糊后的MTD算法的检测性能曲线如图6所示。

图 6 检测性能对比曲线

Figure 6. Curves of comparison of detection performances

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图 7 速度估计均方根误差

Figure 7. Root mean square error of estimated velocity

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如图6所示，虚警概率10^–6下，本文DPWACI算法在信噪比–6 dB时达到了90%。相较于传统的MTD与FRT算法，分别得到了约8 dB与6 dB的信噪比增益。相较于没有采用加权搜索和自适应步长的DPCI算法，DPWCI算法进一步将检测所需信噪比降低了约1 dB。如图7所示，在目标信噪比大于–7 dB时速度估计误差已经非常小了，当目标信噪比大于–6 dB后几乎不存在估计误差。

6. 结束语

本文提出了一种适用于任意机动目标的基于动态规划的加权自适应相参积累方法。结合加权动态规划搜索以及自适应补偿相参积累，该方法能够克服距离徙动，多普勒扩展以及多普勒模糊，在目标运动参数发生突变时依然能够沿着目标运动轨迹进行高效能量积累。仿真结果和性能对比展示了该算法相较于传统算法的优越性，误差分析证实了所提算法的估计精确性。

图 1 对称散射体所对应的 $z$ 值的单位圆盘表示

Figure 1. Unit disc representation of $z$ values and the corresponding symmetric scatterers

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图 2 基于原型聚类预处理的特征级融合RKELM网络结构

Figure 2. Feature level fusing RKELM network based on prototype clustering preprocessing

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图 3 基于原型聚类预处理的决策级融合RKELM网络结构

Figure 3. Decision level fusing RKELM network based on prototype clustering preprocessing

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图 4 民用车辆回波仿真示意图

Figure 4. Diagram of simulated echo from civilian vehicles

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图 5 10类民用车辆的Cameron投影特征RGB图

Figure 5. RGB images of the Cameron projection features from 10 civilian vehicles

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图 6 平均识别率随训练样本数的变化

Figure 6. Average recognition rates versus size of training data

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图 7 平均识别率随信噪比的变化

Figure 7. Average recognition rates versus SNR

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表 1 z值与对应的对称散射体

Table 1. z values and the corresponding symmetric scatterers

对称散射体类型	z	对称散射体类型	z
三面角	1.0	圆柱体	0.5
二面角	–1.0	窄二面角	–0.5
偶极子	0	1/4波长器件	$\pm \rm i$

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表 2 任意散射体与标准对称散射体之间的相似性计算方式

Table 2. Calculation of similarity between arbitrary scatterers and standard symmetric scatterers

散射体	${z_0}$	$\varphi \left( {z,{z_0}} \right)$	散射体	${z_0}$	$\varphi \left( {z,{z_0}} \right)$
三面角	1.0	$\sqrt {\dfrac{1}{2} + \dfrac{{{z_{\rm{r}}}}}{{1 + {{\left\| z \right\|}^2}}}}$	圆柱体	0.5	$\sqrt {\dfrac{1}{5} + \dfrac{{3 + 4{z_{\rm{r}}}}}{{5\left( {1 + {{\left\| z \right\|}^2}} \right)}}}$
二面角	–1.0	$\sqrt {\dfrac{1}{2} - \dfrac{{{z_{\rm{r}}}}}{{1 + {{\left\| z \right\|}^2}}}}$	窄二面角	–0.5	$\sqrt {\dfrac{1}{5} + \dfrac{{3 - 4{z_{\rm{r}}}}}{{5\left( {1 + {{\left\| z \right\|}^2}} \right)}}}$
偶极子	0	$\sqrt {\dfrac{1}{{1 + {{\left\| z \right\|}^2}}}}$	1/4波长器件	$\pm \rm i$	$\sqrt {\dfrac{1}{2} + \dfrac{{\left\| {{z_{\rm{i}}}} \right\|}}{{\left( {1 + {{\left\| z \right\|}^2}} \right)}}}$

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表 3 标准散射体的Cameron分解参数和相似性参数

Table 3. Cameron decomposition parameters of the standard scatterers and their similairity parameters

散射体类型	最小对称分量能量	最大对称分量能量	与标准散射体之间的相似性
散射体类型	最小对称分量能量	最大对称分量能量	三面角	二面角	偶极子	圆柱体	窄二面角	1/4波长器件
三面角	0	1.0	1.000	0	0.707	0.949	0.316	0.707
二面角	0	1.0	0	1.000	0.707	0.316	0.949	0.707
偶极子	0	1.0	0.707	0.707	1.000	0.894	0.894	0.707
圆柱体	0	1.0	0.949	0.316	0.894	1.000	0.600	0.707
窄二面角	0	1.0	0.316	0.949	0.894	0.600	1.000	0.707
1/4波长器件	0	1.0	0.707	0.707	0.707	0.707	0.707	1.000
左螺旋	0.5	0.5	0	1.000	0.707	0.316	0.949	0.707
右螺旋	0.5	0.5	0	1.000	0.707	0.316	0.949	0.707

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表 4 特征改进的ReliefF可分性值

Table 4. Seperability measure of features by the modified ReliefF

特征	可分性
Cameron分解	2.766
全极化幅度	2.594
Cloude分解	1.780
Krogager分解	2.600
HH	2.084
VV	2.455
HV	1.978

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表 5 所提方法和对比方法在不同隐层节点数下的识别性能(%)

Table 5. Recognition performance of the proposed methods and comparative methods with different number of hidden layer nodes (%)

隐层节点数	Cameron+特征级RKELM	幅度+特征级RKELM	Cameron+特征级RKELM(随机)	Cloude+特征级RKELM	Krogager+特征级RKELM	Cameron+决策级RKELM	幅度+决策级RKELM
50	77.3	73.4	75.7	66.7	73.5	66.7	64.5
100	87.3	84.6	86.3	76.3	84.4	79.9	77.7
150	91.4	89.8	90.1	81.0	89.3	85.6	84.2
200	93.6	92.6	93.1	83.9	92.0	88.9	88.0
250	94.9	94.2	94.5	85.9	93.5	91.1	90.2
300	95.7	95.1	95.4	87.3	94.5	92.6	91.7
350	96.3	95.7	96.1	88.5	95.2	93.6	92.9
400	96.7	96.1	96.5	89.3	95.7	94.3	93.7
450	97.0	96.5	96.8	90.0	96.1	94.9	94.3
500	97.2	96.7	97.1	90.6	96.3	95.3	94.8

隐层节点数	Cameron+决策级RKELM(随机)	Cloude+决策级RKELM	Krogager+决策级RKELM	HH+聚类-RKELM	VV+聚类-RKELM	HV+聚类-RKELM
50	66.0	59.2	65.3	51.3	52.2	43.0
100	79.0	68.8	77.9	62.0	65.1	52.2
150	84.7	74.3	84.1	69.2	72.7	56.3
200	88.4	77.8	87.0	74.4	77.8	58.8
250	90.7	80.4	89.6	78.1	81.2	60.5
300	92.2	82.2	91.0	80.8	83.8	61.8
350	93.3	83.7	92.2	82.9	85.8	62.9
400	94.0	84.8	92.6	84.5	87.3	63.8
450	94.7	85.8	93.7	85.8	88.6	64.5
500	95.0	86.6	94.2	86.9	89.6	65.1

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参考文献(19)

[1]	DU Lan, LIU Hongwei, WANG Penghui, et al. Noise robust radar HRRP target recognition based on multitask factor analysis with small training data size[J]. IEEE Transactions on Signal Processing, 2012, 60(7): 3546–3559. doi: 10.1109/TSP.2012.2191965
[2]	WANG Jingjing, LIU Zheng, XIE Rong, et al. Radar HRRP target recognition based on dynamic learning with limited training data[J]. Remote Sensing, 2021, 13(4): 750. doi: 10.3390/RS13040750
[3]	NOVAK L M, HALVERSEN S D, OWIRKA G, et al. Effects of polarization and resolution on SAR ATR[J]. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, 1997, 33(1): 102–116. doi: 10.1109/7.570713
[4]	GIUSTI E, MARTORELLA M, and CAPRIA A. Polarimetrically-persistent-scatterer-based automatic target recognition[J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2011, 49(11): 4588–4599. doi: 10.1109/TGRS.2011.2164804
[5]	张玉玺, 王晓丹, 姚旭, 等. 基于H/A/α分解的全极化HRRP目标识别方法[J]. 系统工程与电子技术, 2013, 35(12): 2501–2506. doi: 10.3969/j.issn.1001-506X.2013.12.10 ZHANG Yuxi, WANG Xiaodan, YAO Xu, et al. Target recognition of fully polarimetric HRRP based on H/A/α decomposition[J]. Systems Engineering and Electronics, 2013, 35(12): 2501–2506. doi: 10.3969/j.issn.1001-506X.2013.12.10
[6]	张玉玺, 王晓丹, 姚旭, 等. 一种融合多极化特征的雷达目标识别方法[J]. 计算机科学, 2012, 39(9): 208–210, 234. doi: 10.3969/j.issn.1002-137X.2012.09.047 ZHANG Yuxi, WANG Xiaodan, YAO Xu, et al. Approach of radar target recognition based on multiple polarization features fusion[J]. Computer Science, 2012, 39(9): 208–210, 234. doi: 10.3969/j.issn.1002-137X.2012.09.047
[7]	王福友, 罗钉, 刘宏伟. 基于极化不变量特征的雷达目标识别技术[J]. 雷达科学与技术, 2013, 11(2): 165–172. doi: 10.3969/j.issn.1672-2337.2013.02.011 WANG Fuyou, LUO Ding, and LIU Hongwei. Radar target classification based on some invariant properties of the polarization[J]. Radar Science and Technology, 2013, 11(2): 165–172. doi: 10.3969/j.issn.1672-2337.2013.02.011
[8]	吴佳妮, 陈永光, 代大海, 等. 基于快速密度搜索聚类算法的极化HRRP分类方法[J]. 电子与信息学报, 2016, 38(10): 2461–2467. doi: 10.11999/JEIT151457 WU Jiani, CHEN Yongguang, DAI Dahai, et al. Target recognition for polarimetric HRRP based on fast density search clustering method[J]. Journal of Electronics &Information Technology, 2016, 38(10): 2461–2467. doi: 10.11999/JEIT151457
[9]	LIU Shengqi, ZHAN Ronghui, WANG Wei, et al. Full-polarization HRRP recognition based on joint sparse representation[C]. 2015 IEEE Radar Conference, Johannesburg, South Africa, 2015: 333–338. doi: 10.1109/RadarConf.2015.7411903.
[10]	刘盛启, 占荣辉, 翟庆林, 等. 基于联合稀疏性的多视全极化HRRP目标识别方法[J]. 电子与信息学报, 2016, 38(7): 1724–1730. doi: 10.11999/JEIT151019 LIU Shengqi, ZHAN Ronghui, ZHAI Qinglin, et al. Multi-view polarization HRRP target recognition based on joint sparsity[J]. Journal of Electronics &Information Technology, 2016, 38(7): 1724–1730. doi: 10.11999/JEIT151019
[11]	翟庆林, 刘盛启, 胡杰民, 等. 全极化雷达的多任务压缩感知目标识别方法[J]. 国防科技大学学报, 2017, 39(3): 144–150. doi: 10.11887/j.cn.201703022 ZHAI Qinglin, LIU Shengqi, HU Jiemin, et al. Full-polarization radar target recognition of multitask compressive sensing[J]. Journal of National University of Defense Technology, 2017, 39(3): 144–150. doi: 10.11887/j.cn.201703022
[12]	段佳, 邢孟道, 张磊, 等. 联合属性散射中心的极化目标重构新方法[J]. 西安电子科技大学学报: 自然科学版, 2014, 41(6): 18–24. doi: 10.3969/j.issn.1001-2400.2014.06.004 DUAN Jia, XING Mengdao, ZHANG Lei, et al. Novel polarimetric target signal reconstruction method jointed with attributed scattering centers[J]. Journal of Xidian University, 2014, 41(6): 18–24. doi: 10.3969/j.issn.1001-2400.2014.06.004
[13]	DUAN Jia, ZHANG Lei, XING Mengdao, et al. Polarimetric target decomposition based on attributed scattering center model for synthetic aperture radar targets[J]. IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters, 2014, 11(12): 2095–2099. doi: 10.1109/LGRS.2014.2320053
[14]	CAMERON W L, YOUSSEF N N, and LEUNG L K. Simulated polarimetric signatures of primitive geometrical shapes[J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 1996, 34(3): 793–803. doi: 10.1109/36.499784
[15]	DENG Wanyu, ONG Y S, and ZHENG Qinghua. A fast reduced kernel extreme learning machine[J]. Neural Networks, 2016, 76: 29–38. doi: 10.1016/j.neunet.2015.10.006
[16]	ARTHUR D and VASSILVITSKII S. K-means++: The advantages of careful seeding[C]. The Eighteenth Annual ACM-SIAM Symposium on Discrete Algorithms, New Orleans, USA, 2007: 1027–1035.
[17]	DUNGAN K E, AUSTIN C, NEHRBASS J, et al. Civilian vehicle radar data domes[C]. SPIE 7699, Algorithms for Synthetic Aperture Radar Imagery XVII, Orlando, USA, 2010: 76990P. doi: 10.1117/12.850151.
[18]	KROGAGER E. New decomposition of the radar target scattering matrix[J]. Electronics Letters, 1990, 26(18): 1525–1527. doi: 10.1049/el:19900979
[19]	ROBNIK-ŠIKONJA M and KONONENKO I. Theoretical and empirical analysis of ReliefF and RReliefF[J]. Machine Learning, 2003, 53(1): 23–69. doi: 10.1023/A:1025667309714

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1. 引言
2. 问题描述
3. 本文方法
3.1 步骤1：初始化
3.2 步骤2：递归
3.3 步骤3：检测
4. 运算量分析
5. 仿真分析
6. 结束语

联合Cameron分解和融合RKELM的全极化HRRP目标识别方法

DOI: 10.12000/JR21099

通讯作者:
刘峥 lz@xidian.edu.cn

计量

HRRP Target Recognition Method for Full Polarimetric Radars by Combining Cameron Decomposition and Fusing RKELM

Corresponding author: LIU Zheng, lz@xidian.edu.cn

1. 引言

2. 问题描述

3. 本文方法

3.1 步骤1：初始化

3.2 步骤2：递归

3.3 步骤3：检测

4. 运算量分析

5. 仿真分析

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