任殿龍，張 超，楊學(xué)嶺，劉 碩

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所，南京 211153)

噴氣式飛機(jī)的微多普勒特性分析

任殿龍，張 超，楊學(xué)嶺，劉 碩

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所，南京 211153)

研究了噴氣式飛機(jī)目標(biāo)的微多普勒特性。根據(jù)飛機(jī)局部散射機(jī)理從理論上分析了飛機(jī)旋轉(zhuǎn)部件的微多普勒回波模型。仿真分析了理想雷達(dá)參數(shù)和實(shí)際雷達(dá)參數(shù)環(huán)境下噴氣式飛機(jī)的微多普勒特征。利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，得到了噴氣式飛機(jī)的微多普勒特性，為提取穩(wěn)定的噴氣式飛機(jī)的微多普勒特征研究提供了思路。

噴氣式飛機(jī)；微多普勒；旋轉(zhuǎn)部件

Abstract: The micro-Doppler features of the jet aircraft are studied. The micro-Doppler echo model for the rotating parts of the aircraft is analyzed theoretically according to the partial scattering theory of the aircraft. The micro-Doppler features of the jet aircraft are simulated and analyzed based on the ideal and practical radar parameters. The measured data and the simulated results are compared to obtain the micro-Doppler features of the jet aircraft, which provides an idea for the study of extracting stable micro-Doppler features of the jet aircraft.

Keywords: jet aircraft; micro-Doppler; rotating parts

0 引 言

研究基于低分辨雷達(dá)目標(biāo)回波特征提取和識(shí)別技術(shù)對(duì)大量布設(shè)的常規(guī)雷達(dá)功能擴(kuò)展、提升其作戰(zhàn)效能具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。但是，由于常規(guī)雷達(dá)工作帶寬窄，目標(biāo)回波近似為點(diǎn)目標(biāo)的回波，不具備徑向和橫向上的高分辨能力，造成雷達(dá)回波中不包含目標(biāo)大小、形狀、結(jié)構(gòu)等用作目標(biāo)分類(lèi)識(shí)別的細(xì)節(jié)信息[1-2]，導(dǎo)致利用常規(guī)回波特性來(lái)進(jìn)行識(shí)別難度大大增加。另一方面，基于目標(biāo)微動(dòng)特征的微多普勒效應(yīng)的提出為低分辨雷達(dá)對(duì)飛機(jī)的分類(lèi)判別提供了新的途徑。

飛機(jī)上都存在旋轉(zhuǎn)部件，如直升機(jī)的主旋翼和尾旋翼、螺旋槳飛機(jī)的螺旋槳葉片和噴氣式飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮葉片。在飛機(jī)飛行的同時(shí)，其旋轉(zhuǎn)部件自身也存在周期性的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。美國(guó)著名學(xué)者VICTOR C CHEN將旋轉(zhuǎn)部件的這種旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)稱(chēng)為微運(yùn)動(dòng)。在一定的目標(biāo)姿態(tài)角范圍內(nèi)，這種微運(yùn)動(dòng)會(huì)引起雷達(dá)回波中的多普勒調(diào)制。他將這種微運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的多普勒調(diào)制稱(chēng)為微多普勒效應(yīng)。[3-4]

本文主要通過(guò)分析噴氣式飛機(jī)的仿真微動(dòng)特征和實(shí)測(cè)微動(dòng)特征，研究噴氣式飛機(jī)的微多普勒特性，從而為實(shí)現(xiàn)對(duì)噴氣式飛機(jī)的探測(cè)和識(shí)別提供技術(shù)前提。

1 飛機(jī)旋轉(zhuǎn)部件的回波模型

假設(shè)噴氣式飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)具有N塊旋轉(zhuǎn)槳葉，并且每一個(gè)葉片都在光學(xué)區(qū)。忽略葉片和機(jī)身間的遮擋影響，則每一個(gè)槳葉可看成一個(gè)等效的散射中心。旋轉(zhuǎn)部件所有的散射回波依相位求和法線(xiàn)性疊加構(gòu)成調(diào)制散射回波，它和機(jī)身散射分量的疊加共同合成飛機(jī)目標(biāo)的雷達(dá)回波。

設(shè)雷達(dá)發(fā)射信號(hào)為

us=exp (j2πfct)

(1)

其中fc為雷達(dá)工作頻率。

某時(shí)刻t旋轉(zhuǎn)葉片的調(diào)制回波信號(hào)為

(2)

式中，ak(t)是幅度函數(shù)，φk(t)是相位函數(shù)，fd是旋轉(zhuǎn)部件相對(duì)雷達(dá)的徑向多普勒頻率，其中

(3)

(4)

式中，k=0,1,2,…，N-1，N為槳葉數(shù)，L為槳葉的長(zhǎng)度，λ為雷達(dá)波長(zhǎng)，β為雷達(dá)波束與旋轉(zhuǎn)平面的夾角，fr為槳葉轉(zhuǎn)速，θ0為槳葉的旋轉(zhuǎn)初相角。對(duì)式(2)進(jìn)行傅里葉變換，得到旋轉(zhuǎn)葉片調(diào)制回波的頻率表示如下[2]：

(5)

由式(5)可以看出，調(diào)制譜是由一系列線(xiàn)譜組成的，其線(xiàn)譜周期為

ΩT=PNΩr或fT=PNfr

(6)

由式(6)可以看出，調(diào)制線(xiàn)譜的周期由槳葉數(shù)N和槳速fr決定，其中P=1或2，對(duì)于偶數(shù)槳P=1，對(duì)于奇數(shù)槳P=2。

式(1)～(6)是理想旋轉(zhuǎn)部件在相參連續(xù)波照射條件下回波復(fù)包絡(luò)的時(shí)域、頻域參數(shù)模型，即為調(diào)制特征產(chǎn)生的理想?yún)?shù)模型。理論參數(shù)模型表明：只要飛機(jī)有不同的旋轉(zhuǎn)部件，就會(huì)對(duì)雷達(dá)回波產(chǎn)生不同的調(diào)制。這種不同的調(diào)制特征可作為飛機(jī)分類(lèi)的重要依據(jù)。同時(shí)，調(diào)制信號(hào)與飛機(jī)姿態(tài)角和雷達(dá)參數(shù)有著復(fù)雜的關(guān)系。所以，是否能夠探測(cè)到調(diào)制譜線(xiàn)，以及提取調(diào)制譜的譜寬、調(diào)制譜線(xiàn)的周期特征是微多普勒識(shí)別的重要特征。

2 仿真與分析

噴氣式飛機(jī)的微多普勒效應(yīng)是由發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮葉片的旋轉(zhuǎn)造成的，其旋轉(zhuǎn)平面垂直地面，葉片數(shù)量較多，并且由多級(jí)葉片組成。葉片半徑在1～2m，轉(zhuǎn)速在4 000r/min以上。

由于噴氣式飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)葉片由蒙皮包裹，在迎頭姿態(tài)角0°～60°范圍內(nèi)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的葉片能夠被雷達(dá)照射，所以只考慮仿真0°～60°范圍內(nèi)的飛機(jī)頻譜。微多普勒特征仿真不考慮機(jī)身運(yùn)動(dòng)。仿真用雷達(dá)參數(shù)如表1所示。仿真的發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)如表2所示。

表1 仿真用理想雷達(dá)參數(shù)

表2 噴氣式飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)仿真參數(shù)

不同姿態(tài)角下的微多普勒仿真結(jié)果如圖1所示。從圖1中可以看出，噴氣式飛機(jī)的頻譜由機(jī)身(0頻率處)和多個(gè)離散的調(diào)制譜組成，其微多普勒的主要特征如下：

(1) 調(diào)制譜譜線(xiàn)間隔大，姿態(tài)角對(duì)譜線(xiàn)的間隔沒(méi)有影響；

(2) 隨著姿態(tài)角降低，譜線(xiàn)數(shù)量變少；

(3) 調(diào)制譜展寬明顯，隨著姿態(tài)角降低，譜寬變小。

圖1 噴氣式飛機(jī)的仿真頻譜

3 實(shí)測(cè)與分析

噴氣式飛機(jī)受到外蒙皮的包裹影響，其發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)制譜可視范圍相對(duì)較小(迎頭姿態(tài)角0°～60°以?xún)?nèi)可見(jiàn))。典型噴氣式飛機(jī)的調(diào)制譜如圖2所示。從圖2中可以看出，目標(biāo)迎頭飛來(lái)姿態(tài)角在0°～60°以?xún)?nèi)時(shí)有明顯的微多普勒調(diào)制，目標(biāo)切向飛行或者飛離時(shí)無(wú)明顯的微多普勒調(diào)制。

圖2 噴氣式飛機(jī)的實(shí)測(cè)頻譜

對(duì)比噴氣式飛機(jī)的仿真頻譜和實(shí)測(cè)頻譜，得出結(jié)論如下：

(1) 仿真頻譜和實(shí)測(cè)頻譜的調(diào)制譜線(xiàn)間隔都很大，姿態(tài)角對(duì)譜線(xiàn)的間隔均沒(méi)有影響；

(2) 隨著姿態(tài)角降低，仿真頻譜的調(diào)制譜線(xiàn)數(shù)量變少，實(shí)測(cè)頻譜的調(diào)制譜線(xiàn)數(shù)量沒(méi)有變少；

(3) 仿真和實(shí)測(cè)的調(diào)制譜展寬都比較明顯，隨著姿態(tài)角降低，仿真頻譜的調(diào)制譜寬變小，實(shí)測(cè)頻譜的調(diào)制譜寬沒(méi)有變化；

(4) 仿真頻譜和實(shí)測(cè)頻譜中的調(diào)制譜均與機(jī)身譜線(xiàn)有一定的間隔；

(5) 仿真頻譜的調(diào)制譜線(xiàn)對(duì)稱(chēng)地分布在機(jī)身譜線(xiàn)兩側(cè)，實(shí)測(cè)頻譜的調(diào)制譜不完全對(duì)稱(chēng)地分布在機(jī)身譜線(xiàn)兩側(cè)。

造成仿真頻譜和實(shí)測(cè)頻譜有明顯差異的原因如下：

(1) 噴氣式飛機(jī)其發(fā)動(dòng)機(jī)葉片分布在多級(jí)轉(zhuǎn)子上，雷達(dá)接收到的回波信號(hào)來(lái)自多級(jí)轉(zhuǎn)子葉片的反射，其復(fù)雜程度超出了仿真模型的范圍；

(2) 雷達(dá)重復(fù)頻率越高，雷達(dá)對(duì)目標(biāo)的駐留時(shí)間越長(zhǎng)，旋轉(zhuǎn)部件的微多普勒特性越明顯。仿真中為了更好地分析旋轉(zhuǎn)部件的微多普勒特性，采用了理想化雷達(dá)參數(shù)，雷達(dá)重復(fù)頻率高且駐留時(shí)間長(zhǎng)。然而，采集實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的雷達(dá)設(shè)備的重復(fù)頻率和駐留時(shí)間均達(dá)不到要求；

(3) 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中目標(biāo)頻譜分辨率低，微多普勒特性弱，調(diào)制譜線(xiàn)很容易淹沒(méi)在強(qiáng)噪聲中。

為了更好地分析調(diào)制譜的對(duì)稱(chēng)性，選擇兩批迎頭飛來(lái)的A320型民航機(jī)進(jìn)行分析。圖3(a)、(b)分別是這兩批飛機(jī)各個(gè)波門(mén)內(nèi)平移后(將機(jī)身多普勒位置平移到中間)的目標(biāo)頻譜圖。從圖3中可以看出，頻譜中有明顯的調(diào)制譜，且其調(diào)制譜較為對(duì)稱(chēng)地分布在機(jī)身多普勒的兩側(cè)。

圖3 各波門(mén)內(nèi)平移后的頻譜

4 結(jié)束語(yǔ)

本文從理論上分析了飛機(jī)旋轉(zhuǎn)部件的回波模型，仿真和分析了噴氣式飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)部件的微多普勒調(diào)制，并分析了噴氣式飛機(jī)的實(shí)測(cè)頻譜。通過(guò)仿真和實(shí)測(cè)的分析結(jié)果可以看出，噴氣式飛機(jī)的調(diào)制譜線(xiàn)與機(jī)身譜線(xiàn)有一定的間隔，調(diào)制譜線(xiàn)間有明顯的間隔并且對(duì)稱(chēng)地分布在機(jī)身頻譜兩側(cè)。根據(jù)噴氣式飛機(jī)的微多普勒特性，可以設(shè)計(jì)更加穩(wěn)定的微多普勒特征提取方法以實(shí)現(xiàn)對(duì)噴氣式飛機(jī)的分類(lèi)識(shí)別。

[1] 杜玩文. 空中雷達(dá)目標(biāo)識(shí)別技術(shù)研究[D]. 南京理工大學(xué)，2009. 6.

[2] 王寶帥，杜蘭，劉宏偉，李彥兵，馮博. 基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解的空中飛機(jī)目標(biāo)分類(lèi)[J]. 電子與信息學(xué)報(bào)，2012，9(34)：2116-2121.

[3]ChenVC，LiF,HoS,et.al.Micro-DopplerEffectinRadarPhenomenon,Model,andSimulationStudy[J].IEEETrans.onAES, 2006, 42(1): 2-21.

[4] 張群, 羅迎, 何勁. 雷達(dá)目標(biāo)微多普勒效應(yīng)研究概述[J]. 空軍工程大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2011，12(2): 22-26.

Micro-Doppler feature analysis of jet aircraft

REN Dian-long, ZHANG Chao, YANG Xue-ling, LIU Shuo

(No. 724 Research Institute of CSIC, Nanjing 211153)

TN911.7

A

1009-0401(2017)03-0035-05

2017-07-12；

2017-08-30

任殿龍(1988-)，男，工程師，碩士，雷達(dá)目標(biāo)識(shí)別；張超(1986-)，男，工程師，碩士，雷達(dá)數(shù)據(jù)處理；劉碩(1986-)，男，工程師，碩士，雷達(dá)目標(biāo)數(shù)據(jù)庫(kù)；楊學(xué)嶺(1986-)，男，工程師，碩士，雷達(dá)目標(biāo)識(shí)別。