噴氣式飛機的微多普勒特性分析

任殿龍，張 超，楊學嶺，劉 碩

(中國船舶重工集團公司第七二四研究所，南京 211153)

噴氣式飛機的微多普勒特性分析

任殿龍，張 超，楊學嶺，劉 碩

(中國船舶重工集團公司第七二四研究所，南京 211153)

研究了噴氣式飛機目標的微多普勒特性。根據飛機局部散射機理從理論上分析了飛機旋轉部件的微多普勒回波模型。仿真分析了理想雷達參數和實際雷達參數環境下噴氣式飛機的微多普勒特征。利用實測數據與仿真結果進行對比，得到了噴氣式飛機的微多普勒特性，為提取穩定的噴氣式飛機的微多普勒特征研究提供了思路。

噴氣式飛機；微多普勒；旋轉部件

Abstract: The micro-Doppler features of the jet aircraft are studied. The micro-Doppler echo model for the rotating parts of the aircraft is analyzed theoretically according to the partial scattering theory of the aircraft. The micro-Doppler features of the jet aircraft are simulated and analyzed based on the ideal and practical radar parameters. The measured data and the simulated results are compared to obtain the micro-Doppler features of the jet aircraft, which provides an idea for the study of extracting stable micro-Doppler features of the jet aircraft.

Keywords: jet aircraft; micro-Doppler; rotating parts

0 引 言

研究基于低分辨雷達目標回波特征提取和識別技術對大量布設的常規雷達功能擴展、提升其作戰效能具有重要的現實意義。但是，由于常規雷達工作帶寬窄，目標回波近似為點目標的回波，不具備徑向和橫向上的高分辨能力，造成雷達回波中不包含目標大小、形狀、結構等用作目標分類識別的細節信息[1-2]，導致利用常規回波特性來進行識別難度大大增加。另一方面，基于目標微動特征的微多普勒效應的提出為低分辨雷達對飛機的分類判別提供了新的途徑。

飛機上都存在旋轉部件，如直升機的主旋翼和尾旋翼、螺旋槳飛機的螺旋槳葉片和噴氣式飛機發動機的壓縮葉片。在飛機飛行的同時，其旋轉部件自身也存在周期性的旋轉運動。美國著名學者VICTOR C CHEN將旋轉部件的這種旋轉運動稱為微運動。在一定的目標姿態角范圍內，這種微運動會引起雷達回波中的多普勒調制。他將這種微運動產生的多普勒調制稱為微多普勒效應。[3-4]

本文主要通過分析噴氣式飛機的仿真微動特征和實測微動特征，研究噴氣式飛機的微多普勒特性，從而為實現對噴氣式飛機的探測和識別提供技術前提。

1 飛機旋轉部件的回波模型

假設噴氣式飛機的發動機具有N塊旋轉槳葉，并且每一個葉片都在光學區。忽略葉片和機身間的遮擋影響，則每一個槳葉可看成一個等效的散射中心。旋轉部件所有的散射回波依相位求和法線性疊加構成調制散射回波，它和機身散射分量的疊加共同合成飛機目標的雷達回波。

設雷達發射信號為

us=exp (j2πfct)

(1)

其中fc為雷達工作頻率。

某時刻t旋轉葉片的調制回波信號為

(2)

式中，ak(t)是幅度函數，φk(t)是相位函數，fd是旋轉部件相對雷達的徑向多普勒頻率，其中

(3)

(4)

式中，k=0,1,2,…，N-1，N為槳葉數，L為槳葉的長度，λ為雷達波長，β為雷達波束與旋轉平面的夾角，fr為槳葉轉速，θ0為槳葉的旋轉初相角。對式(2)進行傅里葉變換，得到旋轉葉片調制回波的頻率表示如下[2]：

(5)

由式(5)可以看出，調制譜是由一系列線譜組成的，其線譜周期為

ΩT=PNΩr或fT=PNfr

(6)

由式(6)可以看出，調制線譜的周期由槳葉數N和槳速fr決定，其中P=1或2，對于偶數槳P=1，對于奇數槳P=2。

式(1)～(6)是理想旋轉部件在相參連續波照射條件下回波復包絡的時域、頻域參數模型，即為調制特征產生的理想參數模型。理論參數模型表明：只要飛機有不同的旋轉部件，就會對雷達回波產生不同的調制。這種不同的調制特征可作為飛機分類的重要依據。同時，調制信號與飛機姿態角和雷達參數有著復雜的關系。所以，是否能夠探測到調制譜線，以及提取調制譜的譜寬、調制譜線的周期特征是微多普勒識別的重要特征。

2 仿真與分析

噴氣式飛機的微多普勒效應是由發動機的壓縮葉片的旋轉造成的，其旋轉平面垂直地面，葉片數量較多，并且由多級葉片組成。葉片半徑在1～2m，轉速在4 000r/min以上。

由于噴氣式飛機的發動機葉片由蒙皮包裹，在迎頭姿態角0°～60°范圍內時發動機的葉片能夠被雷達照射，所以只考慮仿真0°～60°范圍內的飛機頻譜。微多普勒特征仿真不考慮機身運動。仿真用雷達參數如表1所示。仿真的發動機參數如表2所示。

表1 仿真用理想雷達參數

表2 噴氣式飛機發動機仿真參數

不同姿態角下的微多普勒仿真結果如圖1所示。從圖1中可以看出，噴氣式飛機的頻譜由機身(0頻率處)和多個離散的調制譜組成，其微多普勒的主要特征如下：

(1) 調制譜譜線間隔大，姿態角對譜線的間隔沒有影響；

(2) 隨著姿態角降低，譜線數量變少；

(3) 調制譜展寬明顯，隨著姿態角降低，譜寬變小。

圖1 噴氣式飛機的仿真頻譜

3 實測與分析

噴氣式飛機受到外蒙皮的包裹影響，其發動機調制譜可視范圍相對較小(迎頭姿態角0°～60°以內可見)。典型噴氣式飛機的調制譜如圖2所示。從圖2中可以看出，目標迎頭飛來姿態角在0°～60°以內時有明顯的微多普勒調制，目標切向飛行或者飛離時無明顯的微多普勒調制。

圖2 噴氣式飛機的實測頻譜

對比噴氣式飛機的仿真頻譜和實測頻譜，得出結論如下：

(1) 仿真頻譜和實測頻譜的調制譜線間隔都很大，姿態角對譜線的間隔均沒有影響；

(2) 隨著姿態角降低，仿真頻譜的調制譜線數量變少，實測頻譜的調制譜線數量沒有變少；

(3) 仿真和實測的調制譜展寬都比較明顯，隨著姿態角降低，仿真頻譜的調制譜寬變小，實測頻譜的調制譜寬沒有變化；

(4) 仿真頻譜和實測頻譜中的調制譜均與機身譜線有一定的間隔；

(5) 仿真頻譜的調制譜線對稱地分布在機身譜線兩側，實測頻譜的調制譜不完全對稱地分布在機身譜線兩側。

造成仿真頻譜和實測頻譜有明顯差異的原因如下：

(1) 噴氣式飛機其發動機葉片分布在多級轉子上，雷達接收到的回波信號來自多級轉子葉片的反射，其復雜程度超出了仿真模型的范圍；

(2) 雷達重復頻率越高，雷達對目標的駐留時間越長，旋轉部件的微多普勒特性越明顯。仿真中為了更好地分析旋轉部件的微多普勒特性，采用了理想化雷達參數，雷達重復頻率高且駐留時間長。然而，采集實測數據的雷達設備的重復頻率和駐留時間均達不到要求；

(3) 實測數據中目標頻譜分辨率低，微多普勒特性弱，調制譜線很容易淹沒在強噪聲中。

為了更好地分析調制譜的對稱性，選擇兩批迎頭飛來的A320型民航機進行分析。圖3(a)、(b)分別是這兩批飛機各個波門內平移后(將機身多普勒位置平移到中間)的目標頻譜圖。從圖3中可以看出，頻譜中有明顯的調制譜，且其調制譜較為對稱地分布在機身多普勒的兩側。

圖3 各波門內平移后的頻譜

4 結束語

本文從理論上分析了飛機旋轉部件的回波模型，仿真和分析了噴氣式飛機發動機旋轉部件的微多普勒調制，并分析了噴氣式飛機的實測頻譜。通過仿真和實測的分析結果可以看出，噴氣式飛機的調制譜線與機身譜線有一定的間隔，調制譜線間有明顯的間隔并且對稱地分布在機身頻譜兩側。根據噴氣式飛機的微多普勒特性，可以設計更加穩定的微多普勒特征提取方法以實現對噴氣式飛機的分類識別。

[1] 杜玩文. 空中雷達目標識別技術研究[D]. 南京理工大學，2009. 6.

[2] 王寶帥，杜蘭，劉宏偉，李彥兵，馮博. 基于經驗模態分解的空中飛機目標分類[J]. 電子與信息學報，2012，9(34)：2116-2121.

[3]ChenVC，LiF,HoS,et.al.Micro-DopplerEffectinRadarPhenomenon,Model,andSimulationStudy[J].IEEETrans.onAES, 2006, 42(1): 2-21.

[4] 張群, 羅迎, 何勁. 雷達目標微多普勒效應研究概述[J]. 空軍工程大學學報(自然科學版)，2011，12(2): 22-26.

Micro-Doppler feature analysis of jet aircraft

REN Dian-long, ZHANG Chao, YANG Xue-ling, LIU Shuo

(No. 724 Research Institute of CSIC, Nanjing 211153)

TN911.7

A

1009-0401(2017)03-0035-05

2017-07-12；

2017-08-30

任殿龍(1988-)，男，工程師，碩士，雷達目標識別；張超(1986-)，男，工程師，碩士，雷達數據處理；劉碩(1986-)，男，工程師，碩士，雷達目標數據庫；楊學嶺(1986-)，男，工程師，碩士，雷達目標識別。