低重頻短駐留懸停直升機(jī)檢測技術(shù)

王 勇 張 楠 岳三創(chuàng) 杜 力 陳尹翔

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

目前，懸停直升機(jī)檢測的方法有很多，主要可以分為兩類：一類是基于時(shí)域周期性峰包檢測的方法[1-5]。另一類是基于頻域旋翼多普勒譜的檢測方法。孫文峰對旋翼回波進(jìn)行建模和分析，提出了一種時(shí)域多周期掃描Hough變換積累檢測方法，解決旋翼時(shí)域回波信噪比較低下的檢測問題[1-2]。李國健等人對文獻(xiàn)[2]的方法進(jìn)行改進(jìn)解決了主旋翼旋轉(zhuǎn)頻率抖動(dòng)條件下時(shí)域多周期掃描Hough變換積累檢測方法性能下降問題[5]。杜蘭等仿真了AH-64的雷達(dá)回波，給出了一種多周期積累方案來提高旋翼的時(shí)域回波信噪比[3]。董普靠等人給出了一種基于時(shí)域相關(guān)的檢測方法[4]，通過時(shí)域相關(guān)來檢測周期性峰包。第一類方法基于時(shí)域周期性峰包進(jìn)行檢測，對脈沖重復(fù)頻率和駐留時(shí)間要求很高，地面情報(bào)雷達(dá)的搜索工作參數(shù)一般很難滿足。由于直升機(jī)主旋翼回波頻域能量擴(kuò)散信噪比較低，第二類方法研究較少。湯子躍等人分析了旋翼多普勒譜的特點(diǎn)，提出了一種多普勒通道多級檢測方法，該方法對脈沖重復(fù)頻率要求較高[6]。陳尹翔等人提出了一種基于翼轂多普勒的檢測方法，該方法對姿態(tài)不敏感，但對信噪比要求較高[7]。王育東研究了低重頻短駐留搜索雷達(dá)的懸停直升機(jī)檢測問題，提出了一種多普勒維非相干積累的檢測方法[8]。

本文結(jié)合地面情報(bào)雷達(dá)搜索模式工作的特點(diǎn)，采用多種手段來提高旋翼回波的頻域信噪比，然后低門限CFAR將旋翼回波檢測出來，通過Hough變換檢測沿多普勒維的直線檢測懸停直升機(jī)并降低低門限檢測帶來的虛警。

1 時(shí)域周期性峰包檢測方法對系統(tǒng)參數(shù)的要求

當(dāng)采用時(shí)域周期性峰包來檢測懸停直升機(jī)時(shí)，要求在駐留時(shí)間內(nèi)盡可能多地接收到含有周期性峰包的回波信號，同時(shí)在每一個(gè)峰包的持續(xù)時(shí)間內(nèi)有一個(gè)以上的采樣，這對系統(tǒng)的脈沖重復(fù)頻率和駐留時(shí)間提出了較高的要求。

1)波束駐留時(shí)間的要求

峰包出現(xiàn)的頻率為fT=DNR0[2]，則閃爍周期T=1/DNR0，為了確保雷達(dá)觀測周期內(nèi)能夠測到峰包，雷達(dá)的波束駐留時(shí)間必須滿足

(1)

2)脈沖重復(fù)頻率的要求

(2)

其中葉片數(shù)為奇數(shù)時(shí)D=2，k=1；葉片數(shù)為偶數(shù)時(shí)D=1，k=2。

中國青年雕塑的人才與作品輩出的另一個(gè)重要背景，那就是上世紀(jì)90年代開始的大學(xué)擴(kuò)招。傳統(tǒng)的雕塑招生是一個(gè)比較精英式的定位，每一個(gè)班最多也就十來人，文革前的雕塑招生還經(jīng)常是一班招5個(gè)人。90年代的擴(kuò)招一方面是單位班從原來的幾人或者是十來人擴(kuò)招到三十來人，有的學(xué)校甚至更多；另一方面就是大量新的雕塑系或者是雕塑專業(yè)隨著藝術(shù)院校在全國各綜合性大學(xué)遍地創(chuàng)建而應(yīng)運(yùn)而生。在這樣的背景下，雕塑的學(xué)習(xí)者數(shù)量空前巨大。這樣一個(gè)龐大的基數(shù)必然是雕塑繁榮的基礎(chǔ)和土壤。雕塑的青年創(chuàng)作者這么多，每人都發(fā)揮一點(diǎn)作用，合起來的能量就會(huì)足夠地炙熱和火爆。

對某S波段地面情報(bào)雷達(dá)來說，采用時(shí)域周期性峰包法檢測米171脈沖重復(fù)頻率最低為2100Hz，波束駐留時(shí)間最短為31.85ms。對于地面情報(bào)雷達(dá)遠(yuǎn)距搜索時(shí)，上述參數(shù)要求是較難滿足的。

2 低重頻短駐留參數(shù)對懸停直升機(jī)檢測的影響

1)低重復(fù)頻率的影響

地面情報(bào)雷達(dá)工作在搜索模式時(shí)，一般優(yōu)先保證探測距離不模糊，因此重復(fù)頻率較低，比如當(dāng)不模糊距離為150km時(shí)，重頻不能高于1000Hz。圖1給出了不同重頻米171的旋翼時(shí)域回波，從圖中可以看出，當(dāng)重頻降低時(shí)，周期性峰包的峰值較難被采集到。圖2給出了不同重頻米171的實(shí)測時(shí)頻平面，從圖中可以看出，重頻降低導(dǎo)致頻譜混疊，譜線周期特征較難提取與利用。

圖1 不同重頻米171旋翼時(shí)域回波

圖2 不同重頻下直升機(jī)實(shí)測時(shí)頻平面

2)短駐留時(shí)間的影響

地面情報(bào)雷達(dá)搜索時(shí)為了保證數(shù)據(jù)率，每個(gè)方位波束駐留時(shí)間較短，比如當(dāng)數(shù)據(jù)率為6s/r，波束寬度為1.6°時(shí)，每個(gè)方位波束駐留時(shí)間為26.7ms。圖3給出了短駐留條件下米171旋翼時(shí)域回波，從圖3(a)中可以看出，駐留時(shí)間變短導(dǎo)致周期性峰包有可能采集不到。圖4給出了不同駐留時(shí)間條件下直升機(jī)實(shí)測歸一化頻譜，從圖中可以看出，駐留時(shí)間變短導(dǎo)致頻譜分辨率降低，譜線細(xì)節(jié)信息丟失。

圖3 不同回波時(shí)刻米171旋翼時(shí)域回波

綜合圖1和圖3我們發(fā)現(xiàn)，低重頻短駐留導(dǎo)致時(shí)域周期性峰包不能被可靠地采集到，因此基于時(shí)域周期性峰包的檢測方法并不適用于低重頻短駐留的地面情報(bào)雷達(dá)搜索模式。

綜合圖2和圖4我們發(fā)現(xiàn)，低重頻短駐留導(dǎo)致頻譜分辨率下降，旋翼多普勒模糊，基于頻域譜線特征的直升機(jī)檢測方法也不適用于低重頻短駐留的地面情報(bào)雷達(dá)搜索模式。

3 低重頻短駐留懸停直升機(jī)檢測算法

1)旋翼頻域展寬特性

對于低重頻短駐留地面情報(bào)雷達(dá)搜索模式而言，盡管一個(gè)CPI內(nèi)的回波可能不包含槳葉峰值，但從采集到的不包含槳葉峰值的回波中也可以看出旋翼回波的頻域展寬特性，只是此刻的最大多普勒并不是理論上最大的，并且多普勒的幅度較小，但是展寬的特性還是可以觀察到的。圖5給出了低重頻條件下米171不同葉片的歸一化多普勒曲線，從圖5中可以看出，不管對于哪一時(shí)刻，總有葉片的多普勒頻率不為0，說明直升機(jī)旋翼頻域展寬現(xiàn)象是一定存在的。

圖5 米171各葉片歸一化多普勒變化曲線

圖6給出了不同參數(shù)下直升機(jī)實(shí)測距離多普勒平面，從圖6中我們發(fā)現(xiàn)，旋翼的展寬特征不受系統(tǒng)參數(shù)的影響，在距離多普勒平面上表現(xiàn)為沿頻率維的一條直線，因此可以根據(jù)旋翼在頻域上的展寬特征識別直升機(jī)。

圖6 直升機(jī)實(shí)測距離多普勒平面

2)旋翼頻域展寬信噪比降低的解決措施

頻域檢測懸停直升機(jī)最大的問題是由于旋翼頻域展寬，信噪比太低，導(dǎo)致無法直接對旋翼回波進(jìn)行頻域檢測，為此我們采用三種積累手段來提高旋翼回波的頻域信噪比。首選通過FFT進(jìn)行相干積累，然后采用方位相鄰波束非相干積累，最后采用圈間二進(jìn)制積累，通過三種積累方式，提高旋翼回波頻域信噪比。圖7給出了直升機(jī)實(shí)測回波波束間非相干積累結(jié)果。從圖7中可以看出，旋翼頻域回波信噪比明顯增強(qiáng)。

圖7 直升機(jī)實(shí)測回波波束間非相干積累結(jié)果

3)基于頻域展寬特征的直升機(jī)檢測流程

圖8給出了基于頻域展寬特征的直升機(jī)檢測流程。其中在CFAR檢測時(shí)，門限較低，目的是為了保證旋翼頻域回波能盡量多的通過檢測門限，這樣做雖然會(huì)導(dǎo)致虛警，我們在后面利用Hough變換峰值檢測能夠?qū)⒉辉谘囟嗥绽站S直線上的虛警去掉。

圖8 基于頻域展寬特征的直升機(jī)檢測流程

試驗(yàn)數(shù)據(jù)來自某低空直升機(jī)的回波數(shù)據(jù)，其中波束駐留時(shí)間較短，回波的距離多普勒平面如圖9(a)所示。圖9(b)給出了3個(gè)CPI非相干積累的結(jié)果，從圖中可以看出，旋翼的頻譜在多普勒域產(chǎn)生了較明顯的展寬，圖上出現(xiàn)了一條垂直的直線。圖9(c)、圖9(d)分別給出了CFAR檢測和二值化處理結(jié)果，其中二值化處理，指將超過門限的點(diǎn)的幅度置為1。圖9(e)給出了4圈數(shù)據(jù)二元積累結(jié)果，積累準(zhǔn)則為2/4。圖9(f)給出了Hough變換結(jié)果，對應(yīng)的峰值檢測結(jié)果如圖9(g)所示，從圖中可以看出hough變換結(jié)果存在峰值，說明在原圖像中檢測到了直線。圖9(h)給出了原距離多普勒平面的直線檢測結(jié)果，從圖中可以看出，檢測到了旋翼引起的頻譜展寬特征，從而說明檢測到懸停直升機(jī)。

圖9 基于頻域展寬特征的直升機(jī)檢測結(jié)果

圖10分析了不同信噪比條件下的米171回波機(jī)身信噪比和機(jī)翼信噪比對比結(jié)果，從圖10可以看出，機(jī)翼回波信噪比比機(jī)身大概低6～8dB，即懸停直升機(jī)檢測威力相當(dāng)于非懸停機(jī)身檢測威力的0.65左右。表1給出了不同信噪比下懸停米171的檢測結(jié)果，從表中可以看出，隨著旋翼信噪比的下降，檢測性能也會(huì)下降，因此為了可靠檢測懸停直升機(jī)，應(yīng)該提高旋翼回波信噪比，至少保證積累后機(jī)翼信噪比大于9.44dB。

圖10 不同信噪比條件下的米171回波機(jī)身信噪比和機(jī)翼信噪比對比結(jié)果

表1 不同信噪比下米171的檢測結(jié)果

序號機(jī)身信噪比(dB)機(jī)翼信噪比(dB)信噪比下降(dB)威力比檢測結(jié)果121.713.38.40.6250/54217.09.447.560.6538/54313.87.237.570.6930/54410.54.815.690.726/54

4 結(jié)束語

本文針對低重頻短駐留條件下懸停直升機(jī)檢測問題，提出了一種基于頻域多普勒維展寬的檢測方法。該方法利用旋翼高速旋轉(zhuǎn)帶來的多普勒維一定展寬的特點(diǎn)，對系統(tǒng)參數(shù)沒有任何要求。針對旋翼頻譜能量沿多普勒維擴(kuò)散信噪比較低的問題，本文通過脈沖間相參積累、波束間非相參積累以及圈間二進(jìn)制積累等手段來提高旋翼頻譜信雜比，實(shí)測數(shù)據(jù)處理結(jié)果說明了所提方法的有效性。