螺旋槳目標(biāo)的雷達(dá)回波信號(hào)相位解纏技術(shù)

姜 巖,陳筠力,王 赟

(上海衛(wèi)星工程研究所,上海 200240)

0 引言

螺旋槳對(duì)雷達(dá)回波會(huì)產(chǎn)生周期性的調(diào)制效應(yīng)。BELL,GRUBBS等建立了噴氣式飛機(jī)引擎螺旋槳調(diào)制效應(yīng)的數(shù)學(xué)模型,并由此獲得了螺旋槳回波包絡(luò)的規(guī)律[1]。MARTIN,MULGREW對(duì)直升機(jī)、螺旋槳飛機(jī)和噴氣式飛機(jī)的螺旋槳或旋轉(zhuǎn)引擎的雷達(dá)回波頻譜進(jìn)行了特征提取,進(jìn)而對(duì)三類目標(biāo)進(jìn)行分類[2、3]。丁建江、張賢達(dá)等對(duì)基于螺旋槳特征提取的目標(biāo)識(shí)別在防空系統(tǒng)中的應(yīng)用作了研究[4]。由于從回波頻譜中可得目標(biāo)的周期特征等信息,致使通過研究相位獲取目標(biāo)信息被忽視了。螺旋槳雷達(dá)回波相位中含目標(biāo)的速度、目標(biāo)螺旋槳的周期特征,以及螺旋槳類型特征等豐富的目標(biāo)信息,因此研究相位的變化規(guī)律對(duì)目標(biāo)識(shí)別、多普勒估計(jì),以及螺旋槳飛機(jī)成像去干擾均有重要意義。眾所周知,雷達(dá)接收機(jī)常利用正交雙通道接收回波。接收機(jī)的基帶輸出是以脈沖重復(fù)頻率為抽樣頻率的抽樣值,包括I通道和Q(正交)通道的輸出。信號(hào)中包括的幅值信息不會(huì)發(fā)生大的變化,但用普通方法求其相位只能得到(0,2π)間的值,即相位的主值,因此需利用某種相位解纏技術(shù)將其展開。目前,較常用的相位解纏技術(shù)有數(shù)值積分算法、SCHAFER的門限算法和TRIBOLET的自適應(yīng)數(shù)值積分算法[5、6]。其中,SCHAFER的算法利用相位主值的跳變將其展開再還原成實(shí)際相位,另兩種算法均利用相位梯度積分方法還原實(shí)際相位。實(shí)驗(yàn)表明,槳葉數(shù)為奇數(shù)和偶數(shù)時(shí)螺旋槳的雷達(dá)回波相位差異非常大。槳葉為奇數(shù)時(shí)回波相位光滑,適于用積分方式展開,槳葉為偶數(shù)時(shí)回波相位跳變很大,適于門限算法展開。

螺旋槳回波信號(hào)的離散性是形成相位混疊效應(yīng)的主要原因,而相位解纏技術(shù)又受脈沖重復(fù)頻率過低、飛機(jī)飛行速度過大,以及回波相位帶寬過大等因素的制約。本文基于經(jīng)典螺旋槳回波調(diào)制模型,研究了螺旋槳雷達(dá)回波調(diào)制模型的相位解纏技術(shù)。

1 螺旋槳雷達(dá)回波相位調(diào)制模型

1.1 基本回波模型建立

為研究螺旋槳雷達(dá)回波的相位在相對(duì)運(yùn)動(dòng)中的變化規(guī)律,建立雷達(dá)與螺旋槳相對(duì)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系如圖1所示。建模中,省略飛機(jī)部分直接給出螺旋槳的結(jié)構(gòu)。設(shè)螺旋槳相對(duì)雷達(dá)以速度v作徑向運(yùn)動(dòng),同時(shí)以角速度ωp轉(zhuǎn)動(dòng);在時(shí)刻t,螺旋槳中心相對(duì)雷達(dá)的距離為R(t);雷達(dá)視角即雷達(dá)視線與螺旋槳旋轉(zhuǎn)平面的夾角為β。同時(shí)建立螺旋槳自身坐標(biāo)系：螺旋槳旋轉(zhuǎn)平面位于平面XOY(為便于分析,取平面XOY平行于地平面);忽略槳葉螺距角的影響,每個(gè)槳葉根部至螺旋槳中心的距離為a,尖端至螺旋槳中心的距離為b,各槳葉形狀相同且槳葉間夾角一致。建立回波信號(hào)模型所需參數(shù)有：雷達(dá)與螺旋槳坐標(biāo)系中心的初始距離R0;R(t)=R0+vt;雷達(dá)載波頻率f0;雷達(dá)載波波長(zhǎng)λ;光速c;螺旋槳旋轉(zhuǎn)頻率fp;單個(gè)螺旋槳的葉片數(shù)N。

圖1 雷達(dá)與螺旋槳相對(duì)運(yùn)動(dòng)Fig.1 Relative motion between radar and propeller

電磁波波長(zhǎng)遠(yuǎn)小于螺旋槳,故可認(rèn)為雷達(dá)的后向散射工作于光學(xué)區(qū)。則,假設(shè)每個(gè)螺旋槳葉片均是一強(qiáng)散射中心,N個(gè)葉片螺旋槳的雷達(dá)回波就可視作N個(gè)散射中心的雷達(dá)回波的疊加。當(dāng)不考慮雷達(dá)天線掃描形式和螺旋槳葉片螺距角的影響時(shí),螺旋槳的雷達(dá)回波可表示為

由于載波和初始距離R0對(duì)螺旋槳特性的影響較小,且載波的接收亦采用相干方式,可簡(jiǎn)化公式,去掉相位中的2πf0t項(xiàng)和由R0引起的項(xiàng),剩余部分用Sb(t)表示,即

代入式(1),得

式中：fd為多普勒頻率,且fd=2v/λ。

由式(3)可知：對(duì)單個(gè)螺旋槳葉片來說,其雷達(dá)回波復(fù)包絡(luò)的幅度部分為周期出現(xiàn)的辛格脈沖函數(shù),該周期與螺旋槳的旋轉(zhuǎn)周期相關(guān),而回波復(fù)包絡(luò)的相位部分為一條以多普勒頻率為斜率的直線疊加一正弦周期變化的波動(dòng),周期變化規(guī)律與幅值相似。

1.2 回波相位特性分析

當(dāng)飛機(jī)距離雷達(dá)很遠(yuǎn),且飛機(jī)平穩(wěn)飛行時(shí),可認(rèn)為fd,β近似不變。這樣,對(duì)單個(gè)螺旋槳葉片來說,就可提取其相位因子。設(shè)相位部分

為得到該項(xiàng)的變化規(guī)律,選定一組參數(shù)進(jìn)行仿真。

仿真1：設(shè)雷達(dá)波長(zhǎng)3 cm,脈沖重復(fù)周期0.1 ms,螺旋槳槳葉長(zhǎng)1.2 m,fp=50 Hz,螺旋槳相對(duì)雷達(dá)運(yùn)動(dòng)速度30 m/s,式(4)的仿真結(jié)果如圖2所示。由圖可知：?jiǎn)稳~螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)引起的正弦波動(dòng)因多普勒斜率被向下拉長(zhǎng),這與式(3)模型吻合。

圖2 螺旋槳回波模型相位因子Fig.2 Phase of MMBM

實(shí)際的螺旋槳至少有2個(gè)葉片,渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的扇葉甚至有數(shù)十個(gè),因此多槳葉螺旋槳回波的相位是本文研究的重點(diǎn)。本文基于式(1)模型,通過改變公式以理解和分析相位的調(diào)制特征。理論研究相位結(jié)構(gòu),需分析N分別為奇數(shù)和偶數(shù)兩種狀況。

當(dāng)N為偶數(shù)時(shí)(假設(shè)N=4,其他N類似),由式(3)可知：螺旋槳上角度相差π的兩葉片的回波復(fù)包絡(luò)的幅值(辛格函數(shù))也相差π,即相當(dāng)于這兩項(xiàng)的幅度一樣,可將其作疊加合并。對(duì)式(3)作變形,分別對(duì)n=1,3和n=2,4進(jìn)行合并,其和式分別為S1,3(t),S2,4(t),則

為便于合并,設(shè)φn0(t)=2πfpt+φ0,βr1=(ba)cosβ,βr2=(b+a)cosβ,則式(5)、(6)合并后為

實(shí)際上對(duì)多數(shù)螺旋槳和渦扇來說,槳葉或扇葉的根部均與旋轉(zhuǎn)中心直接相連,即a=0,相當(dāng)于βr1=βr2。則,式(7)可進(jìn)一步簡(jiǎn)化為

由式(8)可知：其相位由兩部分構(gòu)成。第一部分是以fd為斜率隨時(shí)間變化的斜線;第二部分由2個(gè)實(shí)辛格函數(shù)組成,相位只能是0或π。因此,偶數(shù)片槳葉的雷達(dá)回波能使相位上的正弦波動(dòng)相互抵消。

仿真2：取N=4,其他參數(shù)與仿真1相同,仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 改進(jìn)模型的螺旋槳回波相位(N=4)Fig.3 Phaseof updated model(N=4)

同理,當(dāng)N為其他偶數(shù)時(shí),同樣可得回波模型的簡(jiǎn)化形式為

由式(9)可知：除項(xiàng)數(shù)增加外,它與式(8)并無大的區(qū)別,故其相位亦與式(8)相似,均是以fd為斜率的隨時(shí)間變化的斜線疊加幅值為π的辛格脈沖函數(shù)。

當(dāng)N為奇數(shù)時(shí),螺旋槳各葉片的回波不能合并,槳葉分布的不對(duì)稱性不能消除回波相位的波動(dòng)。實(shí)際上,奇數(shù)片槳葉雷達(dá)回波的相位分布與圖2相所示的那樣分布相似,但N不同會(huì)使波動(dòng)的周期性各異。

2 回波調(diào)制模型相位混疊效應(yīng)分析

2.1 相位混疊效應(yīng)產(chǎn)生原因

雖然理論相位可由模型而得,但雷達(dá)回波的相位不可能直接獲得,通常是用正交雙通道技術(shù)對(duì)回波進(jìn)行相干解調(diào)并獲得回波復(fù)包絡(luò)的實(shí)部I(n)和虛部Q(n)(正交通道)的離散抽樣值,其抽樣頻率即為脈沖重復(fù)頻率。因此,實(shí)際的螺旋槳雷達(dá)回波與式(3)不同。用Sb(n)表示回波,則

φ(n)的主值取值范圍為(-π,π)。

仿真3：取N分別為1,4,其他參數(shù)不變,按式(11)對(duì)回波相位進(jìn)行仿真,結(jié)果如圖4所示。由圖可知：相位丟失了原來的規(guī)律性,且槳葉數(shù)越多,波形就越混亂。相位模糊主要緣于雷達(dá)回波的離散性。飛機(jī)的飛行速度越大、重復(fù)頻率越低,回波相位的跳變就越大,相位解纏實(shí)施也越難,另外主值相位的大帶寬增大了相位解纏的難度。

圖4 不同時(shí)間的螺旋槳回波相位Fig.4 Propeller phaseunder different time

2.2 兩種相位解纏方法在螺旋槳雷達(dá)回波相位解纏中的應(yīng)用

針對(duì)槳葉數(shù)為奇數(shù)和偶數(shù)時(shí)雷達(dá)回波相位的特點(diǎn),本文提出兩種相位解纏算法：TRIBOLET的自適應(yīng)數(shù)值積分算法和插值與可調(diào)門限相結(jié)合的算法。第一種算法根據(jù)相位函數(shù)的變化快慢自適應(yīng)調(diào)整步長(zhǎng),對(duì)相位梯度進(jìn)行梯形積分實(shí)現(xiàn)解纏,但當(dāng)相位有劇烈跳變或連續(xù)性很差時(shí)該算法即不再適用,故它適于槳葉數(shù)為奇數(shù)時(shí)的相位解纏。第二種算法適于相位連續(xù)性較差變化劇烈狀況,可通過相位插值和調(diào)整門限減少錯(cuò)誤解纏,較適于槳葉為偶數(shù)時(shí)的相位解纏。

2.2.1 TRIBOLET自適應(yīng)數(shù)值積分算法

設(shè)arg Sb(n)為螺旋槳的雷達(dá)回波信號(hào)的相位主值。若其真實(shí)值為φ(n),則時(shí)刻n的相位真實(shí)值

式中：lc(n)為指φ(n)與arg Sb(n)相差lc(n)個(gè)2π。只要求出lc(n),相位解纏即完成。

其中,φ′(n)可根據(jù)反正切函數(shù)求導(dǎo),即

式中：下標(biāo)R,I分別表示函數(shù)的實(shí)部和虛部。

因使用了相位的導(dǎo)數(shù),要求原相位函數(shù)連續(xù)光滑。通過插值合理調(diào)整積分步長(zhǎng)就可滿足

式中：γTHLD為相位中相鄰兩點(diǎn)的差值。該算法的核心是根據(jù)函數(shù)變化的快慢自適應(yīng)地調(diào)整步長(zhǎng),在變化劇烈處適當(dāng)插值縮短步長(zhǎng),相對(duì)平滑處增加步長(zhǎng),當(dāng)誤差小于設(shè)定的門限(γTHLD)即完成估計(jì),γTHLD的大小取決于應(yīng)用對(duì)精度的要求。此方法最后獲得對(duì)相位的一致估計(jì),完成相位解纏。

2.2.2 插值與可調(diào)門限相結(jié)合算法

此算法的核心是先對(duì)回波作插值處理,再對(duì)插值所得主值相位相鄰的兩點(diǎn)的值進(jìn)行判斷,當(dāng)這個(gè)差值超過門限時(shí),對(duì)后面的相位作2π補(bǔ)償。算法的判斷公式為

式中：Δφ(n,n-1)為主值相位差,且Δφ(n,n-1)=arg Sb(n)-arg Sb(n-1)。

該算法受采樣率的影響較大,采樣率不足時(shí)應(yīng)盡量對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行插值處理,再提取相位主值進(jìn)行解纏。

3 仿真

設(shè)雷達(dá)波長(zhǎng)0.43 m,雷達(dá)發(fā)射25.6μs的矩形脈沖,脈沖重復(fù)周期0.1 ms,飛機(jī)飛行徑向速度30 m/s,雷達(dá)視角30°,螺旋槳槳葉參數(shù)a=0 m,b=1.2 m,f p=50 Hz。N分別為2,4,12時(shí),插值與可調(diào)門限相結(jié)合算法所得相位解纏結(jié)果分別為圖5～7所示。由圖可知：相位可近似視作有一定間隔的幅度π的脈沖疊加于一條斜線上,與式(9)吻合。槳葉空間位置的對(duì)稱性使角度相差π的每對(duì)槳葉的回波能相干疊加,致使相位出現(xiàn)幅值為π的跳變。由圖可得斜線的斜率為-875 rad/s,與由2πfd而得的理論值-876.7 rad/s基本相符。同時(shí),相位呈現(xiàn)一定的螺旋槳周期調(diào)制特征,圖5每隔9個(gè)脈沖為1個(gè)周期,0.02 s內(nèi)共有2個(gè)周期,而螺旋槳的調(diào)制周期為0.02 s,槳葉數(shù)為2;圖6每隔6個(gè)脈沖為1個(gè)周期,槳葉數(shù)為4;圖7每隔2個(gè)脈沖為1個(gè)周期,槳葉數(shù)為12,表明相位的調(diào)制周期為螺旋槳調(diào)制周期的1/N。N分別為3,5,15時(shí),自適應(yīng)數(shù)值積分算法所得相位解纏結(jié)果分別如圖8～10所示。與N為偶數(shù)相比,N為奇數(shù)時(shí)經(jīng)解纏的相位顯更平滑,且周期性更明顯,槳葉數(shù)越多,相位的波動(dòng)就越接近正弦波形。螺旋槳調(diào)制周期為0.02 s,圖8～10的相位的周期分別為螺旋槳調(diào)制周期的1/3,1/5,1/15。因此,其周期性質(zhì)與N為偶數(shù)時(shí)一致。

圖5 用插值與可調(diào)門限相結(jié)合算法解纏后相位(N=2)Fig.5 Phase after phase-unwrapping achieved by arithmetic of interpolation and adaptive threshold(N=2)

圖6 用插值與可調(diào)門限相結(jié)合算法解纏后相位(N=4)Fig.6 Phase after phase-unwrapping achieved by arithmetic of interpolation and adaptive threshold(N=4)

圖7 用插值與可調(diào)門限相結(jié)合算法解纏后相位(N=12)Fig.7 Phase after phase-unwrapping achieved by arithmetic of interpolation and adaptive threshold(N=12)

圖8 用自適應(yīng)數(shù)值積分算法解纏后相位(N=3)Fig.8 Phase after phase-unwrapping achieved by arithmetic of self-adaptive numerical integration(N=3)

4 結(jié)束語

圖10 用自適應(yīng)數(shù)值積分算法解纏后相位(N=15)Fig.10 Phaseafter phase-unwrapping achieved by arithmetic of self-adaptive numerical integration(N=15)

本文建立了螺旋槳雷達(dá)回波信號(hào)的模型,對(duì)模型回波信號(hào)的相位混疊效應(yīng)進(jìn)行了理論分析,推導(dǎo)了槳葉數(shù)為偶數(shù)時(shí)回波模型的改進(jìn)形式,分析了螺旋槳調(diào)制模型中雷達(dá)回波的相位理論值。討論了螺旋槳回波相位出現(xiàn)模糊的原因,并據(jù)此提出了插值與可調(diào)門限相結(jié)合的算法和自適應(yīng)數(shù)值積分算法兩種算法分別在槳葉數(shù)為奇數(shù)和偶數(shù)時(shí)進(jìn)行相位解纏,結(jié)果較理想,由解纏后相位圖對(duì)多普勒頻率和螺旋槳調(diào)制周期估計(jì)的精度也較好。對(duì)螺旋槳相位的特征的研究可用于目標(biāo)的識(shí)別和分析,是對(duì)基于頻譜分析的目標(biāo)識(shí)別的重要補(bǔ)充。方法有較好的應(yīng)用前景。

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