湯繼偉,李 晨,翁孚達(dá),于英杰,王 萍

(1.上海機(jī)電工程研究所,上海 201109；2.上海無線電設(shè)備研究所,上海 201109；3.上海航天電子技術(shù)研究所,上海 201109)

0 引言

武裝直升機(jī)在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中扮演著越來越重要的角色,尤其在反坦克、反潛作戰(zhàn)和戰(zhàn)場偵察等任務(wù)中,有獨特的優(yōu)勢。但武裝直升機(jī)飛行高度低、速度慢,甚至可以懸停飛行,這些特點對雷達(dá)預(yù)警探測構(gòu)成了嚴(yán)峻挑戰(zhàn),因此迫切需要研究雷達(dá)探測懸停武裝直升機(jī)目標(biāo)的有效措施和方法。

傳統(tǒng)脈沖多普勒體制雷達(dá)的直升機(jī)回波主要由機(jī)身回波、旋翼回波、地海雜波和接收機(jī)熱噪聲四部分構(gòu)成。對于運動直升機(jī),其機(jī)身回波包含多普勒信息,雷達(dá)利用機(jī)身回波的多普勒信息提取制導(dǎo)信息。對于慢速或懸停直升機(jī),由于機(jī)身回波與地海雜波類似,其回波無多普勒信息,所以慢速或懸停直升機(jī)不適宜采用機(jī)身回波提取制導(dǎo)信息。

主動雷達(dá)導(dǎo)引頭對慢速或懸停直升機(jī)進(jìn)行探測的主要難點在于直升機(jī)飛行高度低,其機(jī)身回波的多普勒頻率接近于零,受地海雜波影響較大。對于直升機(jī)目標(biāo)而言,即使處于懸停狀態(tài),其旋翼轉(zhuǎn)動形成的多普勒調(diào)制信息仍為可靠檢測提供了可能。懸停直升機(jī)旋翼回波信號具有持續(xù)時間短、突變快的特點,在時域上表現(xiàn)為周期的閃爍脈沖,閃爍信號過后信號能量迅速衰落,時域表現(xiàn)上與噪聲類似,能為主動雷達(dá)導(dǎo)引頭提供制導(dǎo)信息。

1 懸停直升機(jī)旋翼回波模型

遠(yuǎn)場條件下,旋翼槳葉可以等效為一定長度的理想線源,以一定速度繞葉轂中心點旋轉(zhuǎn)。本文只對直升機(jī)主旋翼回波感興趣,不考慮葉轂和尾翼回波。

假設(shè)直升機(jī)以速度水平勻速飛行,導(dǎo)彈相對于旋翼槳葉中心的速度為,旋翼槳葉在目標(biāo)本地坐標(biāo)系中繞軸勻速旋轉(zhuǎn)。以雷達(dá)導(dǎo)引頭為坐標(biāo)原點建立坐標(biāo)系,設(shè)為旋翼槳葉中心的方位角,為彈目視線(雷達(dá)導(dǎo)引頭與直升機(jī)旋轉(zhuǎn)中心連線)與旋翼旋轉(zhuǎn)平面的夾角,為旋翼槳葉中心相對于雷達(dá)導(dǎo)引頭的高度,為雷達(dá)導(dǎo)引頭天線相位中心至直升機(jī)旋轉(zhuǎn)中心的距離,為坐標(biāo)系的原點在坐標(biāo)系上的投影,雷達(dá)導(dǎo)引頭與旋翼槳葉的位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 雷達(dá)探測直升機(jī)旋翼回波的幾何模型

直升機(jī)旋翼回波模型可以表示為

式中:為槳葉數(shù)目；為旋翼回波幅度；為槳葉長度；為轉(zhuǎn)軸半徑；為雷達(dá)信號波長；為旋翼轉(zhuǎn)速；為槳葉旋轉(zhuǎn)初始角。

2 直升機(jī)旋翼回波特點分析

對式(1)進(jìn)行傅里葉變換,可得調(diào)制回波的頻域表示

式中:為線譜個數(shù)；C 為線譜幅度；(·)為沖激函數(shù)；為線譜周期。旋翼回波的調(diào)制譜由一系列線譜組成,線譜周期=,其中槳葉個數(shù)為偶數(shù)時1,為奇數(shù)時2。線譜幅度C 由參數(shù),,,,,和貝塞爾(Bessel)函數(shù)決定。

理論上只要波束照射時間足夠長,雷達(dá)接收機(jī)將收到一串幅度由sinc函數(shù)調(diào)制的脈沖串,當(dāng)波束垂直照射槳葉時,回波達(dá)到最強,從而形成所謂的回波閃爍。閃爍持續(xù)時間Δ近似有

在雷達(dá)檢測目標(biāo)時,目標(biāo)回波信噪比通常比較低,起主導(dǎo)作用的回波脈沖主要集中在3 dB脈沖寬度內(nèi),所以脈沖重復(fù)頻率應(yīng)滿足

3 直升機(jī)旋翼回波信號仿真

對不同旋翼特征的兩類典型直升機(jī)目標(biāo)回波信號進(jìn)行仿真。

(1)典型目標(biāo)1

典型目標(biāo)1的槳葉的數(shù)目是4,轉(zhuǎn)速5.80 r/s,旋翼直徑11.5 m,對于每個槳葉,1 s 之內(nèi)有23.2次閃爍,即閃爍間隔=0.043 1 s。典型目標(biāo)1的旋翼回波時頻域信號如圖2所示。

圖2 典型目標(biāo)1旋翼回波時頻域信號

(2)典型目標(biāo)2

典型目標(biāo)2的槳葉數(shù)目是6,轉(zhuǎn)速3.45 r/s,旋翼直徑18.9 m,對于每個槳葉,1 s 之內(nèi)有20.7次閃爍,即閃爍間隔T=0.048 3 s。典型目標(biāo)2的旋翼回波時頻域信號如圖3所示。

圖3 典型目標(biāo)2旋翼回波時頻域信號

4 懸停直升機(jī)檢測方法

經(jīng)過前面仿真分析可知,普通雷達(dá)目標(biāo)回波能量在時域上是持續(xù)的,在多普勒頻域上是積累集中的。與此相反,直升機(jī)旋翼回波在時域上表現(xiàn)為sinc函數(shù)的周期性、小時寬閃爍脈沖。周期閃爍脈沖的能量在脈峰過后迅速衰減,在下一個閃爍脈沖出現(xiàn)之前幾乎沒有旋翼回波能量,而在多普勒頻域能量是分散的,存在頻譜展寬,作相參積累可能性不大。就旋翼回波檢測而言,慢速或懸停直升機(jī)機(jī)身的雷達(dá)回波可被視為目標(biāo)雜波。進(jìn)行旋翼回波時域檢測時,信號具有最大瞬時功率,具有一定的優(yōu)勢,若能有效濾除地雜波和目標(biāo)雜波,就可以提高信雜比,進(jìn)而提高檢測概率。

4.1 懸停直升機(jī)檢測原理

旋翼回波信號具有明顯的周期性,可以利用其周期性在時域上進(jìn)行檢測。旋翼回波時域信號是周期的,其自相關(guān)序列也具有周期性,而旋翼回波信號與噪聲不具有相關(guān)性,故采用時域自相關(guān)的方法對懸停直升機(jī)進(jìn)行檢測。

周期性信號序列的自相關(guān)函數(shù)

式中:為數(shù)據(jù)長度；()為自相關(guān)序列；*為取共軛運算；為延遲點數(shù)。

信號的自相關(guān)反映了信號和其自身作了一段延遲后信號的相似程度。一個周期信號的自相關(guān)函數(shù)也是周期性的,并且和原信號的周期相同,即()(),其中為信號周期。由于調(diào)制回波基帶信號具有閃爍周期,故其自相關(guān)函數(shù)具有周期性。

為了減少計算量,在頻域計算自相關(guān)序列。先對原序列做快速傅里葉變換(FFT),同時將原序列逆序后做FFT,兩個序列FFT 結(jié)果點乘,然后將結(jié)果做快速傅里葉逆變換(IFFT),即可得到自相關(guān)序列。懸停直升機(jī)旋翼回波時域及自相關(guān)信號如圖4所示。可以看出,自相關(guān)信號具有明顯的周期性,且周期等于基帶信號閃爍周期。

圖4 懸停直升機(jī)旋翼回波時域及自相關(guān)信號

4.2 懸停直升機(jī)檢測原理

懸停直升機(jī)檢測原理框圖如圖5所示。旋翼回波信號經(jīng)過天線后進(jìn)入回波接收通道。回波接收通道由微波-前中組件和中頻接收機(jī)共同構(gòu)成。微波-前中組件將接收到的高頻回波信號經(jīng)過頻率搬移,轉(zhuǎn)換為和、方位、俯仰三路中頻信號；中頻接收機(jī)將接收的中頻信號放大、濾波,使中頻信號獲得適當(dāng)?shù)脑鲆娌⒁种茙飧蓴_。中頻接收機(jī)本身具有一定的增益,在中頻接收機(jī)的輸出端采用數(shù)控衰減器,通過自動增益控制,使中頻輸出信號幅度始終保持在模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(A/D)的動態(tài)范圍內(nèi)。

圖5 懸停直升機(jī)檢測原理框圖

將和通道基帶回波信號采樣數(shù)據(jù)排列成恒虛警檢測器所需的形式,并取其模值進(jìn)行恒虛警檢測,當(dāng)被檢測量超過基帶回波恒虛警門限,認(rèn)為閃爍信號存在,記為“1”,同時記錄閃爍信號的幅度和位置；然后將閃爍信號提取出來做自相關(guān)處理,對自相關(guān)結(jié)果進(jìn)行相關(guān)峰恒虛警檢測及綜合判別。

4.3 懸停直升機(jī)檢測算法

(1)接收中頻數(shù)字化旋翼回波信號

回波接收機(jī)由微波-前中組件、中頻接收機(jī)共同構(gòu)成。微波-前中組件將接收到的高頻回波信號經(jīng)過頻率搬移轉(zhuǎn)換為中頻信號；中頻接收機(jī)將中頻信號放大、濾波,使中頻信號獲得適當(dāng)?shù)脑鲆娌⒁种茙飧蓴_；模數(shù)轉(zhuǎn)換器采集中頻接收機(jī)的輸出,并通過數(shù)字自動增益控制環(huán)路實現(xiàn)信號的大動態(tài)接收和處理。

(2)搜索檢測旋翼閃爍信號

對旋翼的數(shù)字化回波信號進(jìn)行正交處理,得到旋翼回波基帶信號。對旋翼回波基帶信號進(jìn)行恒虛警檢測,根據(jù)檢測結(jié)果進(jìn)行聚類處理剔除野值,計算閃爍脈沖出現(xiàn)的位置和幅度,提取閃爍信號。對提取的閃爍信號進(jìn)行自相關(guān)處理,得到相關(guān)峰。對相關(guān)峰進(jìn)行恒虛警檢測,若相關(guān)峰峰值超過設(shè)定閾值,判斷檢測到旋翼閃爍信號,執(zhí)行后續(xù)步驟；若相關(guān)峰未過設(shè)定閾值,則判斷未檢測到旋翼閃爍信號,繼續(xù)信號接收、搜索檢測。

(3)旋翼回波信號跟蹤

直升機(jī)旋翼回波信號中閃爍脈沖(即閃爍信號)具有明顯的周期性,閃爍信號過后,信號能量迅速衰減,兩次閃爍信號之間的回波信號也是多普勒調(diào)制信號,含有制導(dǎo)信息,本文稱兩次閃爍信號之間的回波信號為旋翼噪聲信號。為提高雷達(dá)誤差更新速率,應(yīng)充分利用該旋翼噪聲信號進(jìn)行直升機(jī)跟蹤。

檢測到旋翼閃爍信號后對其進(jìn)行跟蹤,在跟蹤的過程中,當(dāng)和通道能量低于門限時,旋翼噪聲報警指示輸出低電平,只提取閃爍脈沖的雷達(dá)誤差,雷達(dá)誤差更新時間為旋翼回波閃爍周期；當(dāng)和通道能量高于門限時,旋翼噪聲報警指示輸出高電平。

當(dāng)旋翼噪聲報警指示高電平持續(xù)時間大于門限時,在時域提取旋翼閃爍信號和旋翼噪聲信號的雷達(dá)誤差,進(jìn)行角度跟蹤,其更新時間為雷達(dá)幀處理周期,明顯高于閃爍周期,有利于提高制導(dǎo)精度。

5 實測數(shù)據(jù)處理結(jié)果

為了驗證本文基于旋翼回波時域自相關(guān)的懸停直升機(jī)旋翼回波信號檢測方法,以脈沖多普勒雷達(dá)探測懸停直升機(jī)為背景進(jìn)行外場跟飛實驗,并對實測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

跟飛直升機(jī)旋翼槳葉的數(shù)目是2,槳葉外層蒙皮是玻璃纖維,內(nèi)層蒙皮是碳纖維,前緣是塑料層,外邊用薄不銹鋼片保護(hù)。其旋翼直徑為6.3 m,旋翼正常轉(zhuǎn)速為8.6 r/s。對于每個槳葉,1 s 之內(nèi)有17.2 次閃爍,對應(yīng)的閃爍周期為58.1 ms。實測懸停直升機(jī)旋翼回波時域及自相關(guān)信號如圖6所示。

圖6 實測懸停直升機(jī)旋翼回波時域及自相關(guān)信號

定義旋翼截獲指示信號和旋翼噪聲報警指示信號:當(dāng)連續(xù)兩幀截獲閃爍脈沖,旋翼截獲指示有效；在旋翼截獲指示有效時,若通道能量高于某一門限,旋翼噪聲報警指示有效。實測的旋翼截獲指示及旋翼噪聲報警指示、旋翼截獲距離如圖7和圖8所示。實測懸停直升機(jī)旋翼回波信噪比及閃爍周期如圖9和圖10所示。

圖7 旋翼截獲指示及旋翼噪聲報警指示

圖8 旋翼截獲距離

圖9 旋翼回波閃爍及回波相關(guān)的信噪比

圖10 旋翼閃爍周期

通過實驗數(shù)據(jù)分析可知,旋翼回波的自相關(guān)序列具有明顯的周期性,其周期與旋翼回波閃爍周期一致。識別出來的旋翼周期為56.0 ms,與理論值58.1 ms較為接近,證明雷達(dá)正確跟蹤了旋翼回波信號。雷達(dá)在4.3 km 處穩(wěn)定跟蹤懸停直升機(jī)目標(biāo),1.2 km 處,回波能量增強,旋翼噪聲報警指示有效。本文提出的基于旋翼回波信號時域自相關(guān)的懸停直升機(jī)檢測技術(shù)通過實驗驗證,具備識別跟蹤懸?；蛘呗僦鄙龣C(jī)的能力。

6 結(jié)論

在防空武器打擊低慢小目標(biāo)的應(yīng)用背景下,為滿足脈沖多普勒雷達(dá)導(dǎo)引頭對慢速或者懸停直升機(jī)進(jìn)行識別跟蹤的任務(wù)需求,本文提出了運用時域自相關(guān)對旋翼回波信號進(jìn)行檢測跟蹤的技術(shù)。本技術(shù)充分利用旋翼閃爍信號的特點,對旋翼回波信號進(jìn)行自相關(guān)檢測,降低虛警概率,提高了檢測的可靠性。通過實驗驗證,本技術(shù)能夠有效檢測多種直升機(jī)旋翼回波信號,具有較強的適應(yīng)性。本技術(shù)設(shè)計簡單,計算量小,通用性好,易于工程實現(xiàn),是一種適合于脈沖多普勒雷達(dá)系統(tǒng)使用的慢速或懸停直升機(jī)檢測技術(shù)。