直升機(jī)相控陣毫米波防撞雷達(dá)信號(hào)處理技術(shù)研究

孫棟+梁浩

摘要：在惡劣的氣候條件下，直升機(jī)在搜救、低空作業(yè)的時(shí)候易受到低空飛行走廊上的山丘、樹(shù)木、電力線、建筑物等影響，給飛行安全帶來(lái)極大隱患，而國(guó)內(nèi)對(duì)直升機(jī)防撞相關(guān)領(lǐng)域的研究相對(duì)較少。本文利用雷達(dá)實(shí)飛數(shù)據(jù)開(kāi)展信號(hào)處理檢測(cè)技術(shù)的研究，驗(yàn)證了數(shù)字陣毫米波雷達(dá)目標(biāo)檢測(cè)算法的可行性，既能準(zhǔn)確檢測(cè)目標(biāo)，同時(shí)又控制了虛警率，取得很好的效果。

【關(guān)鍵詞】防撞 數(shù)字陣 目標(biāo)檢測(cè) 虛警率

毫米波雷達(dá)具有頻帶寬、天線副瓣低、波束窄、抗干擾能力強(qiáng)、體積小、分辨力高等優(yōu)點(diǎn)，可在惡劣的氣候條件下全天候工作，因此，毫米波雷達(dá)在很多領(lǐng)域具有較大的發(fā)展?jié)摿?。目前，直升機(jī)在搜救、低空作業(yè)的時(shí)候，低空飛行走廊上的山丘、樹(shù)木等自然物體及電力線、電線桿、建筑物等都會(huì)對(duì)直升機(jī)的安全飛行帶來(lái)極大隱患，且故障率較高，典型場(chǎng)景見(jiàn)圖1。據(jù)統(tǒng)計(jì)，各類(lèi)事故中，碰撞引起的比例約占35%，因此加強(qiáng)雷達(dá)防撞技術(shù)研究具有很大的意義。漏檢導(dǎo)致事故，虛警同樣無(wú)法忍受，會(huì)給飛行員的判斷產(chǎn)生極大干擾，如何安全可靠地回避障礙物是一個(gè)難點(diǎn)。本文通過(guò)實(shí)際試飛數(shù)據(jù)來(lái)驗(yàn)證數(shù)字陣毫米波雷達(dá)信號(hào)處理算法的可行性，處理流程主要包括目標(biāo)檢測(cè)、副瓣抗干擾、精確測(cè)高、測(cè)角等方而全而提高障礙物的檢測(cè)能力。

1 目標(biāo)檢測(cè)技術(shù)

1.1 常規(guī)單元平均CFAR檢測(cè)技術(shù)

本文研究的被測(cè)目標(biāo)主要包括電力線、山體、高樓等靜止目標(biāo)，在多普勒域無(wú)法區(qū)分，因此整個(gè)檢測(cè)區(qū)域都在雜波區(qū)。單元平均CFAR處理（快門(mén)限）主要作用于雜

波區(qū)，用于抑制剩余雜波的影響，即以檢測(cè)點(diǎn)附近單元為參考單元，左右參考單元平均值選大為門(mén)限閾值，前后各一個(gè)保護(hù)單元，圖2為單元平均CFAR選大處理框圖。

然而，本文涉及到的一些障礙物回波信號(hào)寬于發(fā)射脈寬，目標(biāo)能量會(huì)延伸到參考單元中，且跨越距離門(mén)的長(zhǎng)度不固定，一些山體能跨十幾個(gè)甚至更多距離門(mén)，常用的單元平均CFAR檢測(cè)技術(shù)無(wú)法固定的選擇合適的距離保護(hù)單元，會(huì)導(dǎo)致部分目標(biāo)信息參與到參考單元中，降低信噪比，極大減弱系統(tǒng)檢測(cè)能力，導(dǎo)致漏檢，不適用于防撞檢測(cè)。

針對(duì)障礙物存在跨多距離門(mén)特性，本文采用了一種自適應(yīng)單元平均恒虛警檢測(cè)技術(shù)，能動(dòng)態(tài)剔除異常干擾大值，選擇合適的參考單元值，在保證虛警率的同時(shí)可以提升系統(tǒng)的檢測(cè)力。

1.2 自適應(yīng)CFAR檢測(cè)技術(shù)

自適應(yīng)CFAR檢測(cè)不設(shè)置固定的保護(hù)單元數(shù)，通過(guò)在被平均單元內(nèi)自動(dòng)篩選，獲得參考單元值，并實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的CFAR檢測(cè)。工作流程參考圖3。

1.2.1 樣本選擇

首先，取被測(cè)信號(hào)的前后各N/2個(gè)樣本點(diǎn)，當(dāng)信號(hào)在左右兩側(cè)時(shí)，取N個(gè)樣本做單邊檢測(cè)，對(duì)N個(gè)樣本進(jìn)行均值統(tǒng)計(jì)。

2 副瓣干擾抑制

盡管毫米波雷達(dá)具有高增益、低副瓣特點(diǎn)，但副瓣的影響依然存在，尤其在近地飛行過(guò)程中，副瓣干擾會(huì)嚴(yán)重影響目標(biāo)檢測(cè)及定位。為了剔除副瓣干擾，本文利用數(shù)字陣多子陣問(wèn)的相位特性及相關(guān)性，采用了子陣問(wèn)的相關(guān)法判干擾技術(shù)進(jìn)行主副瓣判斷，能夠有效進(jìn)行干擾抑制，剔除副瓣干擾信息。

相關(guān)原理：

2.1 干擾判斷

以8通道數(shù)字陣為例，假設(shè)存在一個(gè)目標(biāo)和一個(gè)干擾，則第p個(gè)子陣的接收信號(hào)可表示為

3 目標(biāo)的測(cè)角和測(cè)高

防撞雷達(dá)不僅需要判斷障礙物的有無(wú)，同時(shí)需要獲取障礙物精確的位置和高度信息，飛行員可以提前預(yù)判，確保能安全避開(kāi)障礙物。毫米波雷達(dá)本身具有波束窄、角分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，在測(cè)角方而具有天然的優(yōu)勢(shì)。通過(guò)對(duì)角誤差的補(bǔ)償來(lái)獲得精確的方位角和俯仰角，從而計(jì)算目標(biāo)的相對(duì)高度及方位。

根據(jù)子陣的之問(wèn)的位置分布，需要對(duì)目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行和通道、方位差和俯仰差的合成。

3.2 計(jì)算高度，精確測(cè)高

4 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)處理和分析

輸入?yún)?shù)如表1。

圖4為不同檢測(cè)門(mén)限下兩種不同的CFAR處理結(jié)果對(duì)比圖。

從數(shù)據(jù)分析可知，圖4中有兩個(gè)目標(biāo)，近距為目標(biāo)1，跨13個(gè)距離門(mén)，遠(yuǎn)距為目標(biāo)2，跨15個(gè)距離門(mén)，目標(biāo)1峰值點(diǎn)信雜比約為15dB，谷值點(diǎn)信雜比約為9.5 dB，目標(biāo)2峰值點(diǎn)信噪比約為16dB，谷值點(diǎn)信雜比約為lOdB。以上4幅圖分別為門(mén)限系數(shù)3.0，3.5，4.0和4 5的檢測(cè)結(jié)果，從不同門(mén)限的檢測(cè)結(jié)果來(lái)分析，被測(cè)目標(biāo)均在常規(guī)CFAR檢測(cè)（曲線1）門(mén)限以下，常規(guī)單元平均CFAR無(wú)法檢出目標(biāo)；而自適應(yīng)CFAR檢測(cè)方式則不同，隨著檢測(cè)門(mén)限（曲線2）的變化，目標(biāo)整體能被穩(wěn)定檢出，只是隨著檢測(cè)門(mén)限的降低，虛警逐漸增多。由此可見(jiàn)，一旦檢測(cè)門(mén)限系數(shù)選擇合理，在不確定目標(biāo)跨多少距離門(mén)的情況下，采用自適應(yīng)檢測(cè)技術(shù)能較好的檢測(cè)目標(biāo)。

通過(guò)表2對(duì)比分析，不同的檢測(cè)門(mén)限下，副瓣抑制對(duì)目標(biāo)的沒(méi)有影響，而對(duì)雜波有著明顯的抑制。在檢測(cè)門(mén)限為3.0時(shí)，由于門(mén)限偏低，虛警太多；而檢測(cè)門(mén)限4 5時(shí)，目標(biāo)個(gè)數(shù)偏少。因此選擇3.5和4.0的檢測(cè)門(mén)限較為合理，此時(shí)虛警個(gè)數(shù)降低到約10%，效果明顯。目前該檢測(cè)結(jié)果為單幀檢測(cè)，經(jīng)過(guò)后續(xù)幀問(wèn)積累可進(jìn)一步降低虛警率，在此不做詳細(xì)介紹。

5 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)直升機(jī)數(shù)字陣毫米波防撞雷達(dá)的信號(hào)處理技術(shù)進(jìn)行了研究，針對(duì)障礙物跨多個(gè)距離門(mén)的特性，開(kāi)展了針對(duì)性的算法研究，包括優(yōu)化的CFAR檢測(cè)技術(shù)、副瓣抑制、目標(biāo)測(cè)角測(cè)高技術(shù)等，采用了自適應(yīng)單元平均CFAR檢測(cè)，很好地解決了常規(guī)檢測(cè)無(wú)法檢測(cè)的問(wèn)題，同時(shí)，利用數(shù)字陣多通道進(jìn)行副瓣干擾抑制，能夠較好的抑制雜波虛警，最后通過(guò)角誤差計(jì)算獲得目標(biāo)的精確位置，能夠輔助飛行員規(guī)避障礙物，取得了很好的效果。

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