王育東

(西安電子工程研究所，陜西 西安 710100)

低重頻短駐留搜索雷達(dá)的懸停直升機(jī)檢測(cè)

王育東

(西安電子工程研究所，陜西 西安 710100)

直升機(jī)在軍事上的廣泛應(yīng)用對(duì)現(xiàn)有陸基中低空防空系統(tǒng)提出了挑戰(zhàn)。低空、慢速、懸停式武裝直升機(jī)的雷達(dá)探測(cè)是一個(gè)迫切需要解決的課題。分析了低重頻搜索雷達(dá)利用旋翼回波信號(hào)來(lái)探測(cè)懸停直升機(jī)所存在的問(wèn)題，并用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證?；谶@些問(wèn)題提出了一種對(duì)駐留時(shí)間要求較小的檢測(cè)方法，并用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了算法的有效性。

懸停直升機(jī)；旋翼回波；搜索雷達(dá)檢測(cè)；低脈沖重復(fù)頻率

0 引言

在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中，武裝直升機(jī)能夠憑借其低空、慢速、懸停的優(yōu)勢(shì)發(fā)動(dòng)突然攻擊，以地雜波作為掩護(hù)。一般的陸基雷達(dá)會(huì)受到強(qiáng)雜波干擾和視距限制難于對(duì)其探測(cè)。在復(fù)雜地域環(huán)境下，武裝直升機(jī)通常還會(huì)利用地形規(guī)劃攻擊任務(wù)，在接近或達(dá)到攻擊距離時(shí)垂直躍升到無(wú)遮蔽高度，對(duì)目標(biāo)實(shí)施攻擊。在反坦克和反裝甲車輛、戰(zhàn)場(chǎng)偵查等多項(xiàng)任務(wù)中有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，是現(xiàn)代陸基中低空防空系統(tǒng)的威脅。

直升機(jī)具有長(zhǎng)而大的旋翼，一般由3～6片組成，且轉(zhuǎn)速較高(3～6r/s)，通常在水平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)。旋翼產(chǎn)生的雷達(dá)回波具有較強(qiáng)的多普勒調(diào)制，在時(shí)域上呈現(xiàn)為準(zhǔn)周期性的峰包，在頻域上具有寬的多普勒頻譜。20世紀(jì)90年代初，MARTIN等[1]提出了單基地雷達(dá)體制直升機(jī)旋翼回波模型。該回波模型是一種線性的理想旋翼回波后向散射模型，其特點(diǎn)是：將單個(gè)葉片等效為一均勻、線性、剛性的長(zhǎng)桿；每個(gè)葉片對(duì)雷達(dá)視線總是可見(葉片無(wú)遮擋)。丁建江等[2]驗(yàn)證了理想回波模型和實(shí)際回波模型的區(qū)別。陳永彬[3]、葉玲平等[4]分別采用短時(shí)傅里葉變換和Radon-Wigner變換從聯(lián)合時(shí)頻域分析了旋翼的微多普勒特性。這些都是以理論仿真為主，并沒(méi)有用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證，并且沒(méi)有考慮在常規(guī)的機(jī)械掃描搜索雷達(dá)體制下直升機(jī)的回波特性。對(duì)于機(jī)械掃描雷達(dá)，以單個(gè)主旋翼脈沖能量進(jìn)行檢測(cè)[5]，很可能難以滿足搜索雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)直升機(jī)探測(cè)距離的要求。這是因?yàn)椋阂环矫?，搜索雷達(dá)為了兼顧其它目標(biāo)探測(cè)，必須保持較高的系統(tǒng)數(shù)據(jù)率，其波束駐留時(shí)間不可能很長(zhǎng)，雷達(dá)在一次掃描期間可能獲得的直升機(jī)主旋翼回波脈沖很少，幾乎采不到槳葉的峰值信號(hào)；另一方面，根據(jù)理論分析和實(shí)際測(cè)試，直升機(jī)主旋翼的RCS較其機(jī)身要小10dB以上[6]。鑒于上述情況，本文主要考慮低重頻搜索雷達(dá)利用旋翼回波信號(hào)來(lái)探測(cè)懸停直升機(jī)所存在的問(wèn)題。分析直升機(jī)旋翼回波信號(hào)的時(shí)域模型，頻域特性，給出一種對(duì)駐留時(shí)間要求較小的懸停直升機(jī)的初步檢測(cè)方案，并用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。

1 直升機(jī)雷達(dá)回波建模與特性分析

1.1 直升機(jī)旋翼回波數(shù)學(xué)模型

圖1 直升機(jī)主旋翼與雷達(dá)位置關(guān)系

懸停直升機(jī)旋翼回波可以用以下模型表示:

(1)

其中：

(2)

λ為雷達(dá)工作波長(zhǎng)，L是主旋翼的長(zhǎng)度和葉轂長(zhǎng)度總和，N為葉片數(shù)目，初始相位為φ0，雷達(dá)和直升機(jī)相距R0，fr為旋翼轉(zhuǎn)速。式(1)描述了旋翼回波調(diào)制特性的時(shí)域散射點(diǎn)積分模型，可知直升機(jī)主旋翼回波的幅度和相位都受到主旋翼旋轉(zhuǎn)因子fr的調(diào)制。

1.2 旋翼回波特征分析

1.2.1 時(shí)域回波閃爍頻率

回波時(shí)域閃爍頻率Fp定義為雷達(dá)波束連續(xù)照射直升機(jī)目標(biāo)時(shí)單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的sinc函數(shù)調(diào)制主瓣的數(shù)目。如果葉片數(shù)N為奇數(shù)，則旋翼每旋轉(zhuǎn)一圈，每一個(gè)葉片與雷達(dá)波束垂直會(huì)發(fā)生兩次，所以每圈一共2N次閃爍。如果葉片數(shù)N為偶數(shù)，則當(dāng)一個(gè)葉片與雷達(dá)波束垂直時(shí)，與該葉片關(guān)于葉轂對(duì)稱的葉片也與雷達(dá)波束垂直，即比奇數(shù)葉片數(shù)的情況少一倍的閃爍次數(shù)，即旋翼每旋轉(zhuǎn)一圈會(huì)產(chǎn)生N次閃爍。從式(1)和式(2)可以推得出：

(3)

其中，當(dāng)N為偶數(shù)時(shí)，k=1；當(dāng)N為奇數(shù)時(shí)，k=2。

1.2.2 時(shí)域閃爍時(shí)間寬度

由式(1)可知，旋翼回波在時(shí)域上表現(xiàn)為sinc函數(shù)形狀的脈沖串，能量主要集中在sinc函數(shù)的主瓣內(nèi)，把sinc函數(shù)主瓣寬度所表示的時(shí)間稱作閃爍時(shí)間寬度ΔT。實(shí)際中雷達(dá)對(duì)旋翼回波時(shí)間上的采樣不可能無(wú)限高，為了保證采樣采到足夠多的回波能量，最好能夠采到sinc函數(shù)主瓣內(nèi)的信號(hào)。直升機(jī)旋翼回波的主瓣寬度和主瓣的3dB寬度為[7]：

(4)

(5)

1.2.3 頻譜寬度

旋翼葉尖是整個(gè)旋翼上速度最快的地方，其產(chǎn)生的多普勒頻率表示頻譜上的最大值，即：

(6)

則整個(gè)頻譜寬度為：

(7)

2 近程機(jī)掃搜索雷達(dá)回波特性分析

2.1 駐留時(shí)間分析

2.2 頻譜展寬的必然性

對(duì)于搜索雷達(dá)而言，盡管在一個(gè)CPI內(nèi)很難采集到脈沖峰值，但從采集到的回波中可以很明顯的看出旋翼回波的頻譜展寬特性，如圖2所示。

圖2中五個(gè)曲線的交點(diǎn)是某一時(shí)刻所能獲得的多普勒最小值，因此不管搜索雷達(dá)能夠采集到多少個(gè)脈沖，也不管是否包含閃爍峰值，這些數(shù)據(jù)在距離多普勒二維平面中一定有頻譜展寬現(xiàn)象，只是展寬的頻譜強(qiáng)度有所區(qū)別。當(dāng)某一CPI內(nèi)包含閃爍峰值時(shí)，此時(shí)多普勒值達(dá)到最寬，并且頻譜幅度是最大的。

2.3 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

用某波段跟蹤雷達(dá)對(duì)米-171直升機(jī)懸停狀態(tài)下進(jìn)行照射，采集回波信號(hào)。雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)為：正斜率LFM，脈寬為8us，帶寬14MHz，重頻間隔100us，波長(zhǎng)0.1m，直升機(jī)高度200m，雷達(dá)相距直升機(jī)徑向距離2km，CPI為2 048。

圖2 五葉片旋翼各自的瞬時(shí)多普勒變化曲線

表1 米-171直升機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)

主旋翼數(shù)目主旋翼旋轉(zhuǎn)速率(r/s)主旋翼直徑(m)理論閃爍周期(ms)53．321．2930．3理論多普勒寬度(Hz)尾翼數(shù)目尾翼直徑(m)實(shí)用升限(m)882433．95000

圖3 米171時(shí)域回波數(shù)據(jù)

圖4(a)給出的是CPI=128點(diǎn)的積累結(jié)果，由于這128個(gè)脈沖中不包含時(shí)域閃爍峰值，所以展寬頻譜的幅度較小，但要比周圍雜波的譜幅度要大4dB。圖4(b)給出了距離多普勒的三維顯示，所以設(shè)定合適的門限是可以檢測(cè)到的。

圖4 米171頻譜分析CPI=128

3 懸停直升機(jī)檢測(cè)方案

由上文分析可知，搜索雷達(dá)由于波束駐留時(shí)間的限制，在一個(gè)CPI內(nèi)很難采集到槳葉的峰值信號(hào)，所以基于時(shí)域的方法很難奏效。由于頻譜展寬的必然性，盡管有范圍較寬的譜線，能量發(fā)生擴(kuò)散，但在頻域還是可以積累的。為了消除較強(qiáng)的地物雜波，保證檢測(cè)的準(zhǔn)確性，需要對(duì)回波進(jìn)行MTI處理，以提高檢測(cè)時(shí)的信雜比和信噪比，盡管MTI會(huì)處理掉機(jī)身分量，損失部分能量，但這對(duì)后續(xù)的門限檢測(cè)是有利的。在做MTI時(shí)，不能加窗處理，因?yàn)榧哟皶?huì)導(dǎo)致主瓣展寬，副瓣降低，使得旋翼的多普勒信號(hào)變得更弱，不利于檢測(cè)。圖5給出了檢測(cè)懸停直升機(jī)的流程圖。其中雷達(dá)的系統(tǒng)參數(shù)同2.3節(jié)。

圖6為MTI后的多普勒處理結(jié)果，可以看出展寬的部分比周圍雜波譜高出5dB左右； 設(shè)置合適的門限得到圖7。可以取出很多點(diǎn)過(guò)門限點(diǎn)，并且這些點(diǎn)幾乎位于同一條直線上，然后非相參積累并在距離維上做CFAR處理得到圖8。根據(jù)求重心法可以估算出懸停直升機(jī)所在的位置。

圖5 探測(cè)懸停直升機(jī)的信號(hào)處理流程

圖6 MTI后的多普勒處理結(jié)果

圖7 多普勒維門限處理結(jié)果

圖8 多普勒維非相參積累后CFAR處理結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

本文給出的算法處理流程具有以下優(yōu)點(diǎn)：①性能優(yōu)良，穩(wěn)定性好；②算法簡(jiǎn)單，計(jì)算量?。虎鄄恍枰淖兝走_(dá)原來(lái)的系統(tǒng)參數(shù)和工作方式，系統(tǒng)兼容性好，在一定程度上可以解決懸停直升機(jī)檢測(cè)的問(wèn)題。今后的工作將主要集中在以下幾個(gè)方面：①基于旋翼檢測(cè)的方法都需要有較強(qiáng)的旋翼幅度，對(duì)于遠(yuǎn)距離目標(biāo)，其旋翼回波的信噪比(SNR)或信雜比(SCR)非常低，所以選擇怎樣的積累方式提高信噪比尤為重要；②實(shí)際作戰(zhàn)中，武裝直升機(jī)通常會(huì)利用地形規(guī)劃攻擊任務(wù)低空飛行，在接近或達(dá)到攻擊距離時(shí)垂直躍升到無(wú)遮蔽高度，對(duì)目標(biāo)實(shí)施攻擊。這要求雷達(dá)對(duì)孤立突發(fā)目標(biāo)的快速反應(yīng)提出了很高的要求。

[1] MARTIN J,MULGREW B.Analysis of the theoretical return signal form aircraft blades[C].Proceedings of IEEE International Conference on Radar.Washington DC:IEEE Electronics Division,1990:569-572.

[2] 丁建江,張賢達(dá),呂金建.常規(guī)雷達(dá)飛機(jī)回波調(diào)制特性的建模[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù),2003,25(11):1407-1410.

[3] 陳永彬,李少東,陳文峰,楊軍.直升機(jī)旋翼葉片回波建模與特性分析[J].空軍雷達(dá)學(xué)院學(xué)報(bào),2015,29(5):4-6.322-327.

[4] 葉玲平, 諸四海, 陳國(guó)宏. Radon-Wigner變換在旋翼回波檢測(cè)中的應(yīng)用[J]. 現(xiàn)代雷達(dá),2013,35(8):55-58.

[5] 湯子躍, 王永良, 蔣興舟. 懸停直升機(jī)檢測(cè)問(wèn)題研究[J].現(xiàn)代雷達(dá),2000(1):15-19.

[6] 蔣相聞, 招啟軍. 考慮旋翼調(diào)制影響的直升機(jī)RCS特性分析及評(píng)估[J]. 航空動(dòng)力學(xué)報(bào),2014, 29(4):824-834.

(責(zé)任編輯：陳福時(shí))

王育東(1991-)，男，陜西西安人，西安電子工程研究所碩士研究生，研究方向?yàn)槔走_(dá)目標(biāo)檢測(cè)技術(shù)。

10.11907/rjdk.162803

TP319

A

1672-7800(2017)003-0121-04