胡 瑞，吳琳擁

(四川九洲電器集團(tuán)有限責(zé)任公司 第2研究所，四川 綿陽 621000)

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基于直升機(jī)主旋翼回波的檢測方法研究

胡 瑞，吳琳擁

(四川九洲電器集團(tuán)有限責(zé)任公司 第2研究所，四川 綿陽 621000)

提出了一種利用直升機(jī)主旋翼雷達(dá)回波特征檢測直升機(jī)的方法。通過理論和實(shí)測數(shù)據(jù)分析直升機(jī)旋翼閃爍脈沖回波時域調(diào)制特點(diǎn)和頻域分布特性，提出了時域檢測分析方法和Hough變換算法獲取直升機(jī)旋翼閃爍回波的閃爍脈沖寬度和閃爍周期，從而實(shí)現(xiàn)對直升機(jī)的有效探測。經(jīng)實(shí)測數(shù)據(jù)驗證，該方法能夠有效檢測距離3 km、高度100 m的施瓦澤269C-1直升機(jī)和羅賓遜R44直升機(jī)。

雷達(dá)探測；懸停直升機(jī)；目標(biāo)回波；Hough變換

武裝直升機(jī)具有受地形限制少、機(jī)動性能高、敏捷靈巧、隱蔽性能好、生存能力和攻擊能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，滿足山地叢林地區(qū)作戰(zhàn)要求，可用于低空及超低空突防抵近攻擊、戰(zhàn)場前線偵察，成為現(xiàn)代空襲作戰(zhàn)中的“殺手锏”[1]。由于直升機(jī)飛行高度低、速度慢甚至可以懸停飛行，常規(guī)雷達(dá)采用的動目標(biāo)檢測(MTD)或動目標(biāo)顯示(MTI)技術(shù)對其探測時會將其作為固定目標(biāo)濾除，難以實(shí)現(xiàn)有效探測[2]。但是，對處于懸?；虻退亠w行狀態(tài)的直升機(jī)，其主旋翼轉(zhuǎn)動會形成微多普勒調(diào)制信息[3-5]，其為目標(biāo)檢測提供了可能，開展基于直升機(jī)主旋翼回波的目標(biāo)檢測方法研究，提高常規(guī)雷達(dá)低空超低空近程探測和戰(zhàn)場監(jiān)視雷達(dá)的綜合探測性能具有重要意義。本文所介紹的懸停直升機(jī)檢測方法，是利用主旋翼回波的閃爍脈沖特性，通過時域相關(guān)檢測法[6]和Hough變換檢測[7-8]，對直升機(jī)進(jìn)行分析和檢測，對施瓦澤269C-1直升機(jī)和貝爾206直升機(jī)等多個型號目標(biāo)機(jī)進(jìn)行驗證。

1 主旋翼回波特性

1.1 閃爍脈沖

直升機(jī)處于懸停狀態(tài)時，從推力平衡性考慮，多個主旋翼葉片的轉(zhuǎn)速是相同的，轉(zhuǎn)速誤差不超過1 r/min，表明主旋翼回波中只有一個調(diào)制周期特征。當(dāng)雷達(dá)波束與直升機(jī)槳葉垂直時，回波信號最強(qiáng)，當(dāng)直升機(jī)槳葉旋轉(zhuǎn)偏離垂直方向時，脈沖回波的幅度銳減，從而形成閃爍脈沖。如果雷達(dá)觀測時間足夠長，如圖1所示，雷達(dá)接收機(jī)將接收到幅度由辛格函數(shù)調(diào)制的周期性閃爍脈沖串[9]。

圖1 閃爍脈沖示意圖

1.2 閃爍脈沖寬度

取主旋翼回波脈沖的半功率點(diǎn)寬度為其閃爍脈沖寬度τs的度量，則

(1)

其中，VL為直升機(jī)旋翼頂端線速度；VL=2πfrotL，frot為直升機(jī)旋翼轉(zhuǎn)動頻率；L為直升機(jī)旋翼長度；λ為雷達(dá)工作波長。由于在雷達(dá)探測目標(biāo)時，通常信噪比(或信雜比)較低，能夠用于探測的回波脈沖能量主要集中在辛格函數(shù)的3 dB寬度內(nèi)[10]。為檢測到目標(biāo)，對目標(biāo)回波信號進(jìn)行采樣時應(yīng)保證在函數(shù)主瓣的3 dB時寬內(nèi)至少有一個采樣，即要求雷達(dá)重復(fù)頻率應(yīng)盡可能高。

1.3 脈沖閃爍周期

閃爍脈沖周期Ts可表示為

(2)

為保證一次掃描能夠有效采樣到主旋翼的閃爍脈沖，要求雷達(dá)具有較長的波束貯留時間，保證雷達(dá)接收到更多回波信號的閃爍脈沖。

2 檢測原理

2.1 時域相關(guān)檢測法

對直升機(jī)回波信號進(jìn)行動目標(biāo)顯示MTI對消處理，消除機(jī)身固定回波能量，經(jīng)傅里葉變換在頻域消除葉榖、尾翼等回波能量和地雜波干擾，再經(jīng)過逆傅里葉變換成時域信號序列。根據(jù)主旋翼閃爍脈沖回波呈周期性固有特性，在信噪比較高的時候可用其作為檢測依據(jù)，如圖2所示。

圖2 時域相關(guān)檢測流程

2.2 Hough變換檢測

Hough變換的物理意義簡單理解為將在直線上均勻排列的一系列點(diǎn)都通過空間上的某個點(diǎn)，每通過一次就是對空間上某固定點(diǎn)的積累(或加強(qiáng))。直升機(jī)處于懸停狀態(tài)時，如果不考慮直升機(jī)機(jī)身的抖動、一次積累時間內(nèi)雷達(dá)掃描周期的變化等不確定因素，將連續(xù)多次掃描得到的數(shù)據(jù)排列在一起，主旋翼回波應(yīng)該位于一條直線上，通過Hough變換，該直線映射成一個點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)檢測。直線的斜率與主旋翼回波脈沖的閃爍周期和雷達(dá)的掃描周期有關(guān)，如圖3所示，該圖為米171直升機(jī)主旋翼閃爍脈沖回波[11]。主旋翼閃爍回波位于一條直線上，且直線的斜率與主旋翼回波脈沖閃爍周期與雷達(dá)幀周期有關(guān)。

圖3 Hough變換后結(jié)果

3 試驗仿真

3.1 目標(biāo)機(jī)參數(shù)

施瓦澤269C-1直升機(jī)和羅賓遜R44直升機(jī)兩型目標(biāo)機(jī)參數(shù)，以及依據(jù)式(1)和式(2)計算所得的閃爍脈沖寬度和閃爍周期，如表1所示。

表1 兩型目標(biāo)機(jī)參數(shù)及閃爍脈沖特性

3.2 雷達(dá)參數(shù)設(shè)計

用于回波數(shù)據(jù)采集的雷達(dá)平臺設(shè)計載頻為1 GHz，信號格式采用13位巴克碼，時寬2.6 μs，帶寬5 MHz，脈沖重復(fù)周期100 μs，天線轉(zhuǎn)速20 rpm[12-13]。

3.3 仿真結(jié)果

3.3.1 時域相關(guān)檢測法

施瓦澤269C-1直升機(jī)。直升機(jī)回波數(shù)據(jù)按照圖2所示流程處理，得到主旋翼回波的時域數(shù)據(jù)，主旋翼閃爍周期21 ms，與理論值21.23 ms相符，如圖4所示。

圖4 主旋翼回波時域特性

同理，計算得出羅賓遜R44直升機(jī)的閃爍周期為73.5 ms，與理論值73.8 ms相符。在信噪比較高的情況下，時域相關(guān)檢測法能夠檢測懸停直升機(jī)。

3.3.2 Hough變換檢測

將施瓦澤269C-1直升機(jī)8幀數(shù)據(jù)剔除機(jī)身回波后，以幀為單位排成一列，經(jīng)Hough變換，得到檢測結(jié)果，目標(biāo)峰值明顯，能夠?qū)崿F(xiàn)懸停直升機(jī)的檢測，如圖5所示。

圖5 Hough變換結(jié)果

4 結(jié)束語

通過分析、仿真和試驗驗證，采用時域相關(guān)檢測法和Hough變換算法，可實(shí)現(xiàn)對懸停直升機(jī)的檢測。在工程實(shí)現(xiàn)階段，由于原始數(shù)據(jù)存儲量大，Hough變換算法資源需求多，對信號處理硬件提出較高要求。本文所提到的試驗中，信號處理模塊采用DSP6455搭載多片DDR3芯片的設(shè)計方式，系統(tǒng)具備對10幀以上回波數(shù)據(jù)的緩存和處理能力，達(dá)到系統(tǒng)試驗驗證要求。在本文直升機(jī)懸停檢測基礎(chǔ)上，結(jié)合各型直升機(jī)獨(dú)有的閃爍周期特性，建立直升機(jī)數(shù)據(jù)庫，能夠進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)直升機(jī)的分類功能[14-15]。

[1] 周家波,楊凱.武裝直升機(jī)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢探析[J].國防科技,2007(5):40-44.

[2] 丁鷺飛,耿富錄.雷達(dá)原理[M].3版.西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2002.

[3] Chen V C,Li F Y,Ho S S.Micro-Doppler efect in radarphenomenon，model and simulation study[J].IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems,2006,42(1):2-21.

[4] Chen V C,Li F.Analysis of micro-Doppler signatures[J].IEE Proceedings on Radar,Sonar and Navigation,2003,150(4):271-276.

[5] 陳行勇,黎湘,姜斌.基于微多普勒特征的空中目標(biāo)識別[J].現(xiàn)代雷達(dá),2006,28(10):30-33.

[6] 李道京,張麟兮,俞卞章,懸停直升機(jī)回波信號檢測和分類[J],航空學(xué)報,2003,24(5):452-455.

[7] 方前學(xué),孫文峰,王首勇.基于直接Hough變換的懸停直升機(jī)檢測器性能分析[J].空軍雷達(dá)學(xué)院學(xué)報,2003,17(4):4-6.

[8] 方前學(xué),孫文峰,王首勇.用二值Hough變換法檢測懸停直升機(jī)[J].空軍雷達(dá)學(xué)院學(xué)報,2004,18(1):1-3.

[9] 董普靠.直升機(jī)的雷達(dá)探測技術(shù)[J].火控雷達(dá)技術(shù),2004,33(4):17-21.

[10] Merrill I Skolnik.雷達(dá)手冊[M].3版.南京電子技術(shù)研究所,譯.北京:電子工業(yè)出版社,2010.

[11] 董普靠,朱道光,郝小寧.一種懸停直升機(jī)的探測方法[J].火控雷達(dá)技術(shù),2005,34(2):13-16.

[12] 張明友,汪學(xué)剛.雷達(dá)系統(tǒng)[M].2版.北京:電子工業(yè)出版社,2006.

[13] 孫文峰,張晨,王永良.懸停直升機(jī)的雷達(dá)探測技術(shù)[J].電子學(xué)報,2002,30(6):896-899.

[14] 張軍,趙洪鐘,付強(qiáng),等.懸停直升機(jī)的識別[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù),2002,24(2):6-9.

[15] 丁建江.防空雷達(dá)目標(biāo)識別技術(shù)[M].北京:國防工業(yè)出版社,2008.

Research on Detection Method of Helicopter Main Rotor Echo

HU Rui，WU Linyong

(Second Research Institute, Sichan Jinzhou Electric Refco Group Ltd., Mianyang 621000, China)

The article proposes a method to detect the helicopter based on the echo signal of the helicopter rotor blade. The features of the time-domain modulation and the frequency distribution of the pulse echo signal of the helicopter rotor blade are analyzed based on the theory and measured data, and the pulse width and glint period of the echo signal of the helicopter rotor blade are obtained by the time-domain detection method and Hough transform algorithm, so as to realize detection of the helicopter. The measured data show that the proposed algorithm can detect the Schweizer 269c-1 and Robinson r44 within the range of 3 km and at a height of 100 m.

radar detection; hovering helicopter; target echo; Hough transform

2016- 12- 05

胡瑞(1984-)，男，工程師。研究方向：雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計。吳琳擁(1973-)，男，高級工程師。研究方向：雷達(dá)信號處理和雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.06.026

TN957

A

1007-7820(2017)06-096-03