徐利剛，苗振奎，鄭楊凡

（1.海軍駐無錫地區(qū)軍事代表室，江蘇 無錫 214061；2.江蘇自動(dòng)化研究所，江蘇 連云港 222006）

目標(biāo)或目標(biāo)組成部分的振動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)對(duì)雷達(dá)回波的頻譜產(chǎn)生調(diào)制,美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室的 Victor C.Chen將這種現(xiàn)象稱為微多普勒效應(yīng)[1]。目前對(duì)于空中目標(biāo)識(shí)別是雷達(dá)目標(biāo)識(shí)別分類的一個(gè)難點(diǎn)。由于飛機(jī)旋翼的后向散射截面較小，其產(chǎn)生的回波功率較小,很容易淹沒在機(jī)身回波和雜波中,并且不同飛機(jī)的機(jī)身和旋翼的散射截面、旋翼長(zhǎng)度、轉(zhuǎn)速和葉片數(shù)等都不相同，因此時(shí)域檢測(cè)的方法并不實(shí)用。而在頻域，由于旋翼的微多普勒頻譜與機(jī)身回波信號(hào)的頻譜是分開的,即可用頻域中的譜線個(gè)數(shù)、譜線間隔、譜線寬度作為特征量將不同結(jié)構(gòu)的空中目標(biāo)進(jìn)行分類。Rajan Bhalla和 LingHao[2]研究了使用射線追蹤法(Shooting and Bouncing Ray,SBR)計(jì)算復(fù)雜目標(biāo)的微多普勒，并利用多普勒外推法(dopplerextrapolation scheme)計(jì)算了四葉片直升機(jī)模型的時(shí)頻譜，從理論上預(yù)測(cè)了直升機(jī)的微多普勒現(xiàn)象。文獻(xiàn)[3]對(duì)直升機(jī)旋翼回波信號(hào)進(jìn)行了理論分析與計(jì)算。文獻(xiàn)[4]美國(guó)陸軍研究實(shí)驗(yàn)室使用92GHz連續(xù)毫米波雷達(dá)對(duì)Mi-24“雌鹿”D型直升機(jī)的多普勒特征進(jìn)行測(cè)量的報(bào)告，分析了直升機(jī)目標(biāo)的多普勒頻譜構(gòu)成。對(duì)于空中目標(biāo)，其調(diào)制特征由槳長(zhǎng)，槳葉數(shù)和槳葉轉(zhuǎn)速?zèng)Q定。它們的回波信號(hào)復(fù)包絡(luò)幅度調(diào)制特性和瞬時(shí)頻率從時(shí)間上描述了微多普勒現(xiàn)象；頻譜展寬調(diào)制從空間上描述了微多普勒現(xiàn)象。其中時(shí)域的幅度閃爍峰值和脈寬反映飛機(jī)槳葉的周期轉(zhuǎn)動(dòng)特征；頻域的譜線個(gè)數(shù)、譜線間隔、譜線寬度能很好地反映目標(biāo)的物理結(jié)構(gòu)。綜合時(shí)頻域的這些信息可將空中目標(biāo)分為直升機(jī)類飛機(jī)、螺旋槳類飛機(jī)、渦扇類飛機(jī)。

1 空中目標(biāo)回波特點(diǎn)

1.1 螺旋槳類飛機(jī)

螺旋槳類飛機(jī)一般有多個(gè)螺旋槳，在巡航時(shí)，通常在垂直于大地平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)，其槳葉較短，轉(zhuǎn)速較快。對(duì)于有N個(gè)槳的螺旋槳類飛機(jī)，其合成的調(diào)制回波[5]為：

在式（1）中，幅度分量 abk(t)，相位分量ψbk( t)分別為

式中，N為槳葉數(shù)；fr為槳葉轉(zhuǎn)速；L為有效槳長(zhǎng)；f0為雷達(dá)載頻；λ為雷達(dá)波長(zhǎng)；θ0是槳葉的旋轉(zhuǎn)初角，即葉片法向波束的夾角；β為雷達(dá)波束與旋轉(zhuǎn)平面的夾角。上式表明，旋轉(zhuǎn)部件調(diào)制回波基帶的幅相分量都受到轉(zhuǎn)速的周期調(diào)制。

1.2 直升機(jī)類飛機(jī)

直升機(jī)類飛機(jī)主旋翼大而長(zhǎng)，巡航時(shí)，通常在平行于大地的平面內(nèi)，其槳葉較長(zhǎng)，轉(zhuǎn)速較慢，一般為3～10 r/min。我們只對(duì)主旋翼回波感興趣，暫不考慮葉轂回波和尾旋翼的回波。當(dāng)旋轉(zhuǎn)槳旋轉(zhuǎn)中心的方位角為零時(shí)，旋轉(zhuǎn)中心相對(duì)于雷達(dá)的徑向速度為：v1=vcosβ，直升機(jī)類飛機(jī)N個(gè)槳合成的調(diào)制回波與式（1）相同。

1.3 渦扇類飛機(jī)

對(duì)于渦扇類飛機(jī)，一般有多個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)，即有多個(gè)風(fēng)扇，每個(gè)風(fēng)扇中都有槳轂問題，處理的方法與旋轉(zhuǎn)槳類飛機(jī)一樣，但是，由于風(fēng)扇在涵洞內(nèi)，調(diào)制回波受飛機(jī)可見度的影響比較明顯，調(diào)制譜的幅度受飛機(jī)的姿態(tài)影響也較大。所有風(fēng)扇合成的調(diào)制回波為

2 識(shí)別方法

不同空中目標(biāo)回波的時(shí)域復(fù)包絡(luò)幅度調(diào)制信息、時(shí)域相位信息和頻域微多普勒調(diào)制特性，與自身物理結(jié)構(gòu)有嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系。螺旋槳類飛機(jī)槳葉數(shù)少，槳長(zhǎng)較短，轉(zhuǎn)速相對(duì)不高，調(diào)制回波時(shí)域閃爍周期較大，頻域出現(xiàn)展寬，雙邊譜線較少，譜線間隔較大，譜線寬度較寬；直升機(jī)類飛機(jī)槳葉數(shù)少，槳長(zhǎng)較長(zhǎng)，轉(zhuǎn)速較低，調(diào)制回波時(shí)域閃爍周期較小，頻域出現(xiàn)展寬，雙邊譜線較多，譜線間隔較小，譜線寬度較寬；渦扇類飛機(jī)槳葉數(shù)多，槳長(zhǎng)短，轉(zhuǎn)速高，時(shí)域閃爍周期較大，頻域出現(xiàn)展寬，雙邊譜線較少，譜線間隔較大，譜線寬度較窄。根據(jù)不同的調(diào)制特征，計(jì)算其槳長(zhǎng)、槳葉數(shù)及槳葉轉(zhuǎn)速，得出目標(biāo)不同的物理結(jié)構(gòu)，進(jìn)而將目標(biāo)進(jìn)行分類。

其轉(zhuǎn)速、譜線寬度和譜線個(gè)數(shù)由下式確定：

式中，N為旋轉(zhuǎn)槳個(gè)數(shù)；fr為旋轉(zhuǎn)槳的轉(zhuǎn)速；fT為譜線間隔；B為譜線寬度；L為旋轉(zhuǎn)槳葉的長(zhǎng)度；β為雷達(dá)波束與旋轉(zhuǎn)平面的夾角；λ為雷達(dá)波長(zhǎng)；N1為單邊譜線個(gè)數(shù)。當(dāng)槳葉數(shù)為偶數(shù)時(shí)，P=1，當(dāng)槳葉數(shù)為奇數(shù)時(shí)，P=2。

選用參數(shù)：雷達(dá)重復(fù)周期Tr=0.2ms,λ=0.43m，β=0 。補(bǔ)償目標(biāo)的多普勒頻移，綜合回波的時(shí)域復(fù)包絡(luò)幅度調(diào)制信息、時(shí)域相位信息及頻域微多普勒調(diào)制特性如圖1所示。

圖1 飛機(jī)回波特性分析

由圖1可得：斜在一個(gè)相位周期內(nèi)，時(shí)域調(diào)制出現(xiàn)兩個(gè)波峰，說明N=4，有頻域譜線的特征可以計(jì)算fT=2 00Hz，N1=6，B=1200Hz

由此確定此目標(biāo)為螺旋槳類飛機(jī)。

如得到回波的時(shí)頻域調(diào)制特性如圖2所示。

圖2 飛機(jī)回波特性分析

可得一個(gè)相位周期內(nèi)，時(shí)域調(diào)制出現(xiàn)兩個(gè)波峰，說明N=4，有頻域譜線的特征可以計(jì)算fT=2 0Hz，B=1160Hz

可以確定：fr=5r/s，L=7.94m

確定此目標(biāo)為直升機(jī)類飛機(jī)。

如得到回波的時(shí)頻域調(diào)制特性如圖3所示。

圖3 飛機(jī)回波特性分析

可得：一個(gè)相位周期內(nèi)，時(shí)域調(diào)制出現(xiàn)八個(gè)波峰，說明N=16，有頻域譜線的特征可以計(jì)算fT=8 00Hz，B=800Hz

根據(jù)計(jì)算，fr=50r/s，L=0.55m

確定此目標(biāo)為渦扇類飛機(jī)。

3 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

基于以上研究，對(duì)2010年3月在南京某試驗(yàn)場(chǎng)的雷達(dá)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，選用的雷達(dá)帶寬：5M；距離單元：30m；天線轉(zhuǎn)速：4s/圈，天線方位面波寬度（3db）3度；雷達(dá)重復(fù)頻率：300us，分析結(jié)果如下：

1）目標(biāo)1

目標(biāo)1的航跡圖如圖4所示，時(shí)頻域信息如圖5所示。

圖4 目標(biāo)1的航跡圖

圖5 目標(biāo)1的時(shí)頻域信息

圖5是計(jì)算該目標(biāo)在方位 206.068°，距離36.203km處下200個(gè)相關(guān)脈沖的結(jié)果。從頻譜圖上看出，譜線出現(xiàn)了展寬，其最大多普勒頻率為2133Hz，展寬譜線的單邊個(gè)數(shù)有三根，譜線間隔為216Hz，可計(jì)算螺旋槳飛機(jī)旋轉(zhuǎn)部件的結(jié)構(gòu)。與理論的fT=PNfr相一致，驗(yàn)證了回波特點(diǎn)的正確性，并且可以估計(jì)目標(biāo)為螺旋槳類飛機(jī)。從中提取調(diào)制特征，可以為以后目標(biāo)的個(gè)體識(shí)別做準(zhǔn)備。

2）目標(biāo)2

目標(biāo)2的航跡圖如圖6所示，時(shí)頻域信息如圖7所示。

圖7是計(jì)算該目標(biāo)在方位234.199°，距離21.749Km處下200個(gè)相關(guān)脈沖的結(jié)果。由于目標(biāo)與雷達(dá)視線的夾角很小，在主瓣處有明顯的副瓣產(chǎn)生。正頻率1279Hz處有一個(gè)明顯的譜線，為多普勒頻率。主瓣旁邊的副瓣是由于角度太小或機(jī)身振動(dòng)引起的譜線。在2688Hz處的譜線，說明是調(diào)制產(chǎn)生的，譜線間隔是1400Hz，與回波特點(diǎn)一致，估計(jì)目標(biāo)是渦扇類飛機(jī)。

圖6 目標(biāo)2的航跡圖

圖7 目標(biāo)2時(shí)頻域信息

3）目標(biāo)3

目標(biāo)3的航跡圖如圖8所示，時(shí)頻域信息如圖9所示。

圖8 目標(biāo)3的航跡圖

圖9 目標(biāo)3的時(shí)頻域信息

該批次目標(biāo)跟蹤時(shí)間很長(zhǎng)，目標(biāo)回波的譜線呈現(xiàn)主譜線附近有明顯的副瓣，且幅度很強(qiáng)，其譜線展寬明顯，譜線個(gè)數(shù)較多，可以認(rèn)為是直升機(jī)槳葉調(diào)制產(chǎn)生的，估計(jì)此目標(biāo)是直升機(jī)類飛機(jī)。

4）目標(biāo)4

目標(biāo)4的航跡圖如圖10所示，時(shí)頻域信息如圖11所示。

圖11是計(jì)算該目標(biāo)方位164.113°，距離15.115Hm處下200個(gè)相關(guān)脈沖的結(jié)果。飛機(jī)的多普勒頻率為1644Hz。由于該目標(biāo)基本是側(cè)向飛行，在采集數(shù)據(jù)回波中，頻域譜線沒有展開。原因是飛機(jī)側(cè)飛，發(fā)動(dòng)機(jī)葉片被擋住而沒有出現(xiàn)調(diào)制現(xiàn)象，其影響程度取決于可見函數(shù)，需進(jìn)一步探討。

圖10 目標(biāo)4的航跡圖

圖11 目標(biāo)4的時(shí)頻域信息

4 結(jié)束語(yǔ)

雷達(dá)目標(biāo)微動(dòng)特征提取與識(shí)別是目前一個(gè)新興的研究領(lǐng)域。它是運(yùn)動(dòng)學(xué)與雷達(dá)信號(hào)處理的交叉結(jié)合，技術(shù)涉及運(yùn)動(dòng)建模、時(shí)頻分析、變采樣濾波、雷達(dá)成像理論和技術(shù)等。本文對(duì)各類空中目標(biāo)回波的特性進(jìn)行分析，利用時(shí)域幅度和相位信息的周期性、頻域微多普勒特性體現(xiàn)出來的譜線個(gè)數(shù)、譜線間隔、譜線寬度等特征將空中目標(biāo)分為直升機(jī)類飛機(jī)、螺旋槳類飛機(jī)和渦扇類飛機(jī)，并利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明該方法可以用來對(duì)這些目標(biāo)進(jìn)行分類，這為雷達(dá)目標(biāo)綜合識(shí)別分類提供了可靠的依據(jù)。在現(xiàn)代高度自動(dòng)化的戰(zhàn)爭(zhēng)中，微多普勒目標(biāo)識(shí)別如何實(shí)現(xiàn)智能識(shí)別和個(gè)體識(shí)別有待于進(jìn)一步研究。

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