基于直升機主旋翼回波的檢測方法研究

胡 瑞，吳琳擁

(四川九洲電器集團有限責任公司 第2研究所，四川 綿陽 621000)

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基于直升機主旋翼回波的檢測方法研究

胡 瑞，吳琳擁

(四川九洲電器集團有限責任公司 第2研究所，四川 綿陽 621000)

提出了一種利用直升機主旋翼雷達回波特征檢測直升機的方法。通過理論和實測數(shù)據(jù)分析直升機旋翼閃爍脈沖回波時域調(diào)制特點和頻域分布特性，提出了時域檢測分析方法和Hough變換算法獲取直升機旋翼閃爍回波的閃爍脈沖寬度和閃爍周期，從而實現(xiàn)對直升機的有效探測。經(jīng)實測數(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直升機和羅賓遜R44直升機。

雷達探測；懸停直升機；目標回波；Hough變換

武裝直升機具有受地形限制少、機動性能高、敏捷靈巧、隱蔽性能好、生存能力和攻擊能力強等優(yōu)點，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]。由于直升機飛行高度低、速度慢甚至可以懸停飛行，常規(guī)雷達采用的動目標檢測(MTD)或動目標顯示(MTI)技術(shù)對其探測時會將其作為固定目標濾除，難以實現(xiàn)有效探測[2]。但是，對處于懸?；虻退亠w行狀態(tài)的直升機，其主旋翼轉(zhuǎn)動會形成微多普勒調(diào)制信息[3-5]，其為目標檢測提供了可能，開展基于直升機主旋翼回波的目標檢測方法研究，提高常規(guī)雷達低空超低空近程探測和戰(zhàn)場監(jiān)視雷達的綜合探測性能具有重要意義。本文所介紹的懸停直升機檢測方法，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]，對直升機進行分析和檢測，對施瓦澤269C-1直升機和貝爾206直升機等多個型號目標機進行驗證。

1 主旋翼回波特性

1.1 閃爍脈沖

直升機處于懸停狀態(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。當雷達波束與直升機槳葉垂直時，回波信號最強，當直升機槳葉旋轉(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。如果雷達觀測時間足夠長，如圖1所示，雷達接收機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寬度為其閃爍脈沖寬度τs的度量，則

(1)

其中，VL為直升機旋翼頂端線速度；VL=2πfrotL，frot為直升機旋翼轉(zhuǎn)動頻率；L為直升機旋翼長度；λ為雷達工作波長。由于在雷達探測目標時，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，對目標回波信號進行采樣時應保證在函數(shù)主瓣的3 dB時寬內(nèi)至少有一個采樣，即要求雷達重復頻率應盡可能高。

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，要求雷達具有較長的波束貯留時間，保證雷達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

對直升機回波信號進行動目標顯示MTI對消處理，消除機身固定回波能量，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都通過空間上的某個點，每通過一次就是對空間上某固定點的積累(或加強)。直升機處于懸停狀態(tài)時，如果不考慮直升機機身的抖動、一次積累時間內(nèi)雷達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，主旋翼回波應該位于一條直線上，通過Hough變換，該直線映射成一個點，實現(xiàn)目標檢測。直線的斜率與主旋翼回波脈沖的閃爍周期和雷達的掃描周期有關(guān)，如圖3所示，該圖為米171直升機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幀周期有關(guān)。

圖3 Hough變換后結(jié)果

3 試驗仿真

3.1 目標機參數(shù)

施瓦澤269C-1直升機和羅賓遜R44直升機兩型目標機參數(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 兩型目標機參數(shù)及閃爍脈沖特性

3.2 雷達參數(shù)設(shè)計

用于回波數(shù)據(jù)采集的雷達平臺設(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。直升機回波數(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。

3.3.2 Hough變換檢測

將施瓦澤269C-1直升機8幀數(shù)據(jù)剔除機身回波后，以幀為單位排成一列，經(jīng)Hough變換，得到檢測結(jié)果，目標峰值明顯，能夠?qū)崿F(xiàn)懸停直升機的檢測，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，可實現(xiàn)對懸停直升機的檢測。在工程實現(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，達到系統(tǒng)試驗驗證要求。在本文直升機懸停檢測基礎(chǔ)上，結(jié)合各型直升機獨有的閃爍周期特性，建立直升機數(shù)據(jù)庫，能夠進一步實現(xiàn)直升機的分類功能[14-15]。

[1] 周家波,楊凱.武裝直升機現(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.雷達原理[M].3版.西安:西安電子科技大學出版社,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識別[J].現(xiàn)代雷達,2006,28(10):30-33.

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

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

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

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

[10] Merrill I Skolnik.雷達手冊[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.一種懸停直升機的探測方法[J].火控雷達技術(shù),2005,34(2):13-16.

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

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

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

[15] 丁建江.防空雷達目標識別技術(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：雷達系統(tǒng)設(shè)計。吳琳擁(1973-)，男，高級工程師。研究方向：雷達信號處理和雷達系統(tǒng)設(shè)計。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.06.026

TN957

A

1007-7820(2017)06-096-03