低重頻短駐留搜索雷達的懸停直升機檢測

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的懸停直升機檢測

王育東

(西安電子工程研究所，陜西 西安 710100)

直升機在軍事上的廣泛應用對現(xiàn)有陸基中低空防空系統(tǒng)提出了挑戰(zhàn)。低空、慢速、懸停式武裝直升機的雷達探測是一個迫切需要解決的課題。分析了低重頻搜索雷達利用旋翼回波信號來探測懸停直升機所存在的問題，并用實測數(shù)據(jù)進行驗證。基于這些問題提出了一種對駐留時間要求較小的檢測方法，并用實測數(shù)據(jù)驗證了算法的有效性。

懸停直升機；旋翼回波；搜索雷達檢測；低脈沖重復頻率

0 引言

在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，武裝直升機能夠憑借其低空、慢速、懸停的優(yōu)勢發(fā)動突然攻擊，以地雜波作為掩護。一般的陸基雷達會受到強雜波干擾和視距限制難于對其探測。在復雜地域環(huán)境下，武裝直升機通常還會利用地形規(guī)劃攻擊任務，在接近或達到攻擊距離時垂直躍升到無遮蔽高度，對目標實施攻擊。在反坦克和反裝甲車輛、戰(zhàn)場偵查等多項任務中有其獨特的優(yōu)勢，是現(xiàn)代陸基中低空防空系統(tǒng)的威脅。

直升機具有長而大的旋翼，一般由3～6片組成，且轉速較高(3～6r/s)，通常在水平面內旋轉。旋翼產(chǎn)生的雷達回波具有較強的多普勒調制，在時域上呈現(xiàn)為準周期性的峰包，在頻域上具有寬的多普勒頻譜。20世紀90年代初，MARTIN等[1]提出了單基地雷達體制直升機旋翼回波模型。該回波模型是一種線性的理想旋翼回波后向散射模型，其特點是：將單個葉片等效為一均勻、線性、剛性的長桿；每個葉片對雷達視線總是可見(葉片無遮擋)。丁建江等[2]驗證了理想回波模型和實際回波模型的區(qū)別。陳永彬[3]、葉玲平等[4]分別采用短時傅里葉變換和Radon-Wigner變換從聯(lián)合時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，并沒有用實測數(shù)據(jù)驗證，并且沒有考慮在常規(guī)的機械掃描搜索雷達體制下直升機的回波特性。對于機械掃描雷達，以單個主旋翼脈沖能量進行檢測[5]，很可能難以滿足搜索雷達系統(tǒng)對直升機探測距離的要求。這是因為：一方面，搜索雷達為了兼顧其它目標探測，必須保持較高的系統(tǒng)數(shù)據(jù)率，其波束駐留時間不可能很長，雷達在一次掃描期間可能獲得的直升機主旋翼回波脈沖很少，幾乎采不到槳葉的峰值信號；另一方面，根據(jù)理論分析和實際測試，直升機主旋翼的RCS較其機身要小10dB以上[6]。鑒于上述情況，本文主要考慮低重頻搜索雷達利用旋翼回波信號來探測懸停直升機所存在的問題。分析直升機旋翼回波信號的時域模型，頻域特性，給出一種對駐留時間要求較小的懸停直升機的初步檢測方案，并用實測數(shù)據(jù)進行驗證。

1 直升機雷達回波建模與特性分析

1.1 直升機旋翼回波數(shù)學模型

圖1 直升機主旋翼與雷達位置關系

懸停直升機旋翼回波可以用以下模型表示:

(1)

其中：

(2)

λ為雷達工作波長，L是主旋翼的長度和葉轂長度總和，N為葉片數(shù)目，初始相位為φ0，雷達和直升機相距R0，fr為旋翼轉速。式(1)描述了旋翼回波調制特性的時域散射點積分模型，可知直升機主旋翼回波的幅度和相位都受到主旋翼旋轉因子fr的調制。

1.2 旋翼回波特征分析

1.2.1 時域回波閃爍頻率

回波時域閃爍頻率Fp定義為雷達波束連續(xù)照射直升機目標時單位時間內產(chǎn)生的sinc函數(shù)調制主瓣的數(shù)目。如果葉片數(shù)N為奇數(shù)，則旋翼每旋轉一圈，每一個葉片與雷達波束垂直會發(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)，則當一個葉片與雷達波束垂直時，與該葉片關于葉轂對稱的葉片也與雷達波束垂直，即比奇數(shù)葉片數(shù)的情況少一倍的閃爍次數(shù)，即旋翼每旋轉一圈會產(chǎn)生N次閃爍。從式(1)和式(2)可以推得出：

(3)

其中，當N為偶數(shù)時，k=1；當N為奇數(shù)時，k=2。

1.2.2 時域閃爍時間寬度

由式(1)可知，旋翼回波在時域上表現(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，把sinc函數(shù)主瓣寬度所表示的時間稱作閃爍時間寬度ΔT。實際中雷達對旋翼回波時間上的采樣不可能無限高，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)主瓣內的信號。直升機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)

則整個頻譜寬度為：

(7)

2 近程機掃搜索雷達回波特性分析

2.1 駐留時間分析

2.2 頻譜展寬的必然性

對于搜索雷達而言，盡管在一個CPI內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中五個曲線的交點是某一時刻所能獲得的多普勒最小值，因此不管搜索雷達能夠采集到多少個脈沖，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，只是展寬的頻譜強度有所區(qū)別。當某一CPI內包含閃爍峰值時，此時多普勒值達到最寬，并且頻譜幅度是最大的。

2.3 實測數(shù)據(jù)分析

用某波段跟蹤雷達對米-171直升機懸停狀態(tài)下進行照射，采集回波信號。雷達系統(tǒng)參數(shù)為：正斜率LFM，脈寬為8us，帶寬14MHz，重頻間隔100us，波長0.1m，直升機高度200m，雷達相距直升機徑向距離2km，CPI為2 048。

圖2 五葉片旋翼各自的瞬時多普勒變化曲線

表1 米-171直升機結構參數(shù)

主旋翼數(shù)目主旋翼旋轉速率(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)實用升限(m)882433．95000

圖3 米171時域回波數(shù)據(jù)

圖4(a)給出的是CPI=128點的積累結果，由于這128個脈沖中不包含時域閃爍峰值，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，所以設定合適的門限是可以檢測到的。

圖4 米171頻譜分析CPI=128

3 懸停直升機檢測方案

由上文分析可知，搜索雷達由于波束駐留時間的限制，在一個CPI內很難采集到槳葉的峰值信號，所以基于時域的方法很難奏效。由于頻譜展寬的必然性，盡管有范圍較寬的譜線，能量發(fā)生擴散，但在頻域還是可以積累的。為了消除較強的地物雜波，保證檢測的準確性，需要對回波進行MTI處理，以提高檢測時的信雜比和信噪比，盡管MTI會處理掉機身分量，損失部分能量，但這對后續(xù)的門限檢測是有利的。在做MTI時，不能加窗處理，因為加窗會導致主瓣展寬，副瓣降低，使得旋翼的多普勒信號變得更弱，不利于檢測。圖5給出了檢測懸停直升機的流程圖。其中雷達的系統(tǒng)參數(shù)同2.3節(jié)。

圖6為MTI后的多普勒處理結果，可以看出展寬的部分比周圍雜波譜高出5dB左右； 設置合適的門限得到圖7?？梢匀〕龊芏帱c過門限點，并且這些點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所在的位置。

圖5 探測懸停直升機的信號處理流程

圖6 MTI后的多普勒處理結果

圖7 多普勒維門限處理結果

圖8 多普勒維非相參積累后CFAR處理結果

4 結語

本文給出的算法處理流程具有以下優(yōu)點：①性能優(yōu)良，穩(wěn)定性好；②算法簡單，計算量??；③不需要改變雷達原來的系統(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檢測的問題。今后的工作將主要集中在以下幾個方面：①基于旋翼檢測的方法都需要有較強的旋翼幅度，對于遠距離目標，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實際作戰(zhàn)中，武裝直升機通常會利用地形規(guī)劃攻擊任務低空飛行，在接近或達到攻擊距離時垂直躍升到無遮蔽高度，對目標實施攻擊。這要求雷達對孤立突發(fā)目標的快速反應提出了很高的要求。

[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,呂金建.常規(guī)雷達飛機回波調制特性的建模[J].系統(tǒng)工程與電子技術,2003,25(11):1407-1410.

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

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

[5] 湯子躍, 王永良, 蔣興舟. 懸停直升機檢測問題研究[J].現(xiàn)代雷達,2000(1):15-19.

[6] 蔣相聞, 招啟軍. 考慮旋翼調制影響的直升機RCS特性分析及評估[J]. 航空動力學報,2014, 29(4):824-834.

(責任編輯：陳福時)

王育東(1991-)，男，陜西西安人，西安電子工程研究所碩士研究生，研究方向為雷達目標檢測技術。

10.11907/rjdk.162803

TP319

A

1672-7800(2017)003-0121-04