基于時域自相關的直升機旋翼回波檢測技術

湯繼偉,李 晨,翁孚達,于英杰,王 萍

(1.上海機電工程研究所,上海 201109；2.上海無線電設備研究所,上海 201109；3.上海航天電子技術研究所,上海 201109)

0 引言

武裝直升機在現代戰爭中扮演著越來越重要的角色,尤其在反坦克、反潛作戰和戰場偵察等任務中,有獨特的優勢。但武裝直升機飛行高度低、速度慢,甚至可以懸停飛行,這些特點對雷達預警探測構成了嚴峻挑戰,因此迫切需要研究雷達探測懸停武裝直升機目標的有效措施和方法。

傳統脈沖多普勒體制雷達的直升機回波主要由機身回波、旋翼回波、地海雜波和接收機熱噪聲四部分構成。對于運動直升機,其機身回波包含多普勒信息,雷達利用機身回波的多普勒信息提取制導信息。對于慢速或懸停直升機,由于機身回波與地海雜波類似,其回波無多普勒信息,所以慢速或懸停直升機不適宜采用機身回波提取制導信息。

主動雷達導引頭對慢速或懸停直升機進行探測的主要難點在于直升機飛行高度低,其機身回波的多普勒頻率接近于零,受地海雜波影響較大。對于直升機目標而言,即使處于懸停狀態,其旋翼轉動形成的多普勒調制信息仍為可靠檢測提供了可能。懸停直升機旋翼回波信號具有持續時間短、突變快的特點,在時域上表現為周期的閃爍脈沖,閃爍信號過后信號能量迅速衰落,時域表現上與噪聲類似,能為主動雷達導引頭提供制導信息。

1 懸停直升機旋翼回波模型

遠場條件下,旋翼槳葉可以等效為一定長度的理想線源,以一定速度繞葉轂中心點旋轉。本文只對直升機主旋翼回波感興趣,不考慮葉轂和尾翼回波。

假設直升機以速度水平勻速飛行,導彈相對于旋翼槳葉中心的速度為,旋翼槳葉在目標本地坐標系中繞軸勻速旋轉。以雷達導引頭為坐標原點建立坐標系,設為旋翼槳葉中心的方位角,為彈目視線(雷達導引頭與直升機旋轉中心連線)與旋翼旋轉平面的夾角,為旋翼槳葉中心相對于雷達導引頭的高度,為雷達導引頭天線相位中心至直升機旋轉中心的距離,為坐標系的原點在坐標系上的投影,雷達導引頭與旋翼槳葉的位置關系如圖1所示。

圖1 雷達探測直升機旋翼回波的幾何模型

直升機旋翼回波模型可以表示為

式中:為槳葉數目；為旋翼回波幅度；為槳葉長度；為轉軸半徑；為雷達信號波長；為旋翼轉速；為槳葉旋轉初始角。

2 直升機旋翼回波特點分析

對式(1)進行傅里葉變換,可得調制回波的頻域表示

式中:為線譜個數；C 為線譜幅度；(·)為沖激函數；為線譜周期。旋翼回波的調制譜由一系列線譜組成,線譜周期=,其中槳葉個數為偶數時1,為奇數時2。線譜幅度C 由參數,,,,,和貝塞爾(Bessel)函數決定。

理論上只要波束照射時間足夠長,雷達接收機將收到一串幅度由sinc函數調制的脈沖串,當波束垂直照射槳葉時,回波達到最強,從而形成所謂的回波閃爍。閃爍持續時間Δ近似有

在雷達檢測目標時,目標回波信噪比通常比較低,起主導作用的回波脈沖主要集中在3 dB脈沖寬度內,所以脈沖重復頻率應滿足

3 直升機旋翼回波信號仿真

對不同旋翼特征的兩類典型直升機目標回波信號進行仿真。

(1)典型目標1

典型目標1的槳葉的數目是4,轉速5.80 r/s,旋翼直徑11.5 m,對于每個槳葉,1 s 之內有23.2次閃爍,即閃爍間隔=0.043 1 s。典型目標1的旋翼回波時頻域信號如圖2所示。

圖2 典型目標1旋翼回波時頻域信號

(2)典型目標2

典型目標2的槳葉數目是6,轉速3.45 r/s,旋翼直徑18.9 m,對于每個槳葉,1 s 之內有20.7次閃爍,即閃爍間隔T=0.048 3 s。典型目標2的旋翼回波時頻域信號如圖3所示。

圖3 典型目標2旋翼回波時頻域信號

4 懸停直升機檢測方法

經過前面仿真分析可知,普通雷達目標回波能量在時域上是持續的,在多普勒頻域上是積累集中的。與此相反,直升機旋翼回波在時域上表現為sinc函數的周期性、小時寬閃爍脈沖。周期閃爍脈沖的能量在脈峰過后迅速衰減,在下一個閃爍脈沖出現之前幾乎沒有旋翼回波能量,而在多普勒頻域能量是分散的,存在頻譜展寬,作相參積累可能性不大。就旋翼回波檢測而言,慢速或懸停直升機機身的雷達回波可被視為目標雜波。進行旋翼回波時域檢測時,信號具有最大瞬時功率,具有一定的優勢,若能有效濾除地雜波和目標雜波,就可以提高信雜比,進而提高檢測概率。

4.1 懸停直升機檢測原理

旋翼回波信號具有明顯的周期性,可以利用其周期性在時域上進行檢測。旋翼回波時域信號是周期的,其自相關序列也具有周期性,而旋翼回波信號與噪聲不具有相關性,故采用時域自相關的方法對懸停直升機進行檢測。

周期性信號序列的自相關函數

式中:為數據長度；()為自相關序列；*為取共軛運算；為延遲點數。

信號的自相關反映了信號和其自身作了一段延遲后信號的相似程度。一個周期信號的自相關函數也是周期性的,并且和原信號的周期相同,即()(),其中為信號周期。由于調制回波基帶信號具有閃爍周期,故其自相關函數具有周期性。

為了減少計算量,在頻域計算自相關序列。先對原序列做快速傅里葉變換(FFT),同時將原序列逆序后做FFT,兩個序列FFT 結果點乘,然后將結果做快速傅里葉逆變換(IFFT),即可得到自相關序列。懸停直升機旋翼回波時域及自相關信號如圖4所示。可以看出,自相關信號具有明顯的周期性,且周期等于基帶信號閃爍周期。

圖4 懸停直升機旋翼回波時域及自相關信號

4.2 懸停直升機檢測原理

懸停直升機檢測原理框圖如圖5所示。旋翼回波信號經過天線后進入回波接收通道。回波接收通道由微波-前中組件和中頻接收機共同構成。微波-前中組件將接收到的高頻回波信號經過頻率搬移,轉換為和、方位、俯仰三路中頻信號；中頻接收機將接收的中頻信號放大、濾波,使中頻信號獲得適當的增益并抑制帶外干擾。中頻接收機本身具有一定的增益,在中頻接收機的輸出端采用數控衰減器,通過自動增益控制,使中頻輸出信號幅度始終保持在模擬數字轉換器(A/D)的動態范圍內。

圖5 懸停直升機檢測原理框圖

將和通道基帶回波信號采樣數據排列成恒虛警檢測器所需的形式,并取其模值進行恒虛警檢測,當被檢測量超過基帶回波恒虛警門限,認為閃爍信號存在,記為“1”,同時記錄閃爍信號的幅度和位置；然后將閃爍信號提取出來做自相關處理,對自相關結果進行相關峰恒虛警檢測及綜合判別。

4.3 懸停直升機檢測算法

(1)接收中頻數字化旋翼回波信號

回波接收機由微波-前中組件、中頻接收機共同構成。微波-前中組件將接收到的高頻回波信號經過頻率搬移轉換為中頻信號；中頻接收機將中頻信號放大、濾波,使中頻信號獲得適當的增益并抑制帶外干擾；模數轉換器采集中頻接收機的輸出,并通過數字自動增益控制環路實現信號的大動態接收和處理。

(2)搜索檢測旋翼閃爍信號

對旋翼的數字化回波信號進行正交處理,得到旋翼回波基帶信號。對旋翼回波基帶信號進行恒虛警檢測,根據檢測結果進行聚類處理剔除野值,計算閃爍脈沖出現的位置和幅度,提取閃爍信號。對提取的閃爍信號進行自相關處理,得到相關峰。對相關峰進行恒虛警檢測,若相關峰峰值超過設定閾值,判斷檢測到旋翼閃爍信號,執行后續步驟；若相關峰未過設定閾值,則判斷未檢測到旋翼閃爍信號,繼續信號接收、搜索檢測。

(3)旋翼回波信號跟蹤

直升機旋翼回波信號中閃爍脈沖(即閃爍信號)具有明顯的周期性,閃爍信號過后,信號能量迅速衰減,兩次閃爍信號之間的回波信號也是多普勒調制信號,含有制導信息,本文稱兩次閃爍信號之間的回波信號為旋翼噪聲信號。為提高雷達誤差更新速率,應充分利用該旋翼噪聲信號進行直升機跟蹤。

檢測到旋翼閃爍信號后對其進行跟蹤,在跟蹤的過程中,當和通道能量低于門限時,旋翼噪聲報警指示輸出低電平,只提取閃爍脈沖的雷達誤差,雷達誤差更新時間為旋翼回波閃爍周期；當和通道能量高于門限時,旋翼噪聲報警指示輸出高電平。

當旋翼噪聲報警指示高電平持續時間大于門限時,在時域提取旋翼閃爍信號和旋翼噪聲信號的雷達誤差,進行角度跟蹤,其更新時間為雷達幀處理周期,明顯高于閃爍周期,有利于提高制導精度。

5 實測數據處理結果

為了驗證本文基于旋翼回波時域自相關的懸停直升機旋翼回波信號檢測方法,以脈沖多普勒雷達探測懸停直升機為背景進行外場跟飛實驗,并對實測數據進行分析。

跟飛直升機旋翼槳葉的數目是2,槳葉外層蒙皮是玻璃纖維,內層蒙皮是碳纖維,前緣是塑料層,外邊用薄不銹鋼片保護。其旋翼直徑為6.3 m,旋翼正常轉速為8.6 r/s。對于每個槳葉,1 s 之內有17.2 次閃爍,對應的閃爍周期為58.1 ms。實測懸停直升機旋翼回波時域及自相關信號如圖6所示。

圖6 實測懸停直升機旋翼回波時域及自相關信號

定義旋翼截獲指示信號和旋翼噪聲報警指示信號:當連續兩幀截獲閃爍脈沖,旋翼截獲指示有效；在旋翼截獲指示有效時,若通道能量高于某一門限,旋翼噪聲報警指示有效。實測的旋翼截獲指示及旋翼噪聲報警指示、旋翼截獲距離如圖7和圖8所示。實測懸停直升機旋翼回波信噪比及閃爍周期如圖9和圖10所示。

圖7 旋翼截獲指示及旋翼噪聲報警指示

圖8 旋翼截獲距離

圖9 旋翼回波閃爍及回波相關的信噪比

圖10 旋翼閃爍周期

通過實驗數據分析可知,旋翼回波的自相關序列具有明顯的周期性,其周期與旋翼回波閃爍周期一致。識別出來的旋翼周期為56.0 ms,與理論值58.1 ms較為接近,證明雷達正確跟蹤了旋翼回波信號。雷達在4.3 km 處穩定跟蹤懸停直升機目標,1.2 km 處,回波能量增強,旋翼噪聲報警指示有效。本文提出的基于旋翼回波信號時域自相關的懸停直升機檢測技術通過實驗驗證,具備識別跟蹤懸停或者慢速直升機的能力。

6 結論

在防空武器打擊低慢小目標的應用背景下,為滿足脈沖多普勒雷達導引頭對慢速或者懸停直升機進行識別跟蹤的任務需求,本文提出了運用時域自相關對旋翼回波信號進行檢測跟蹤的技術。本技術充分利用旋翼閃爍信號的特點,對旋翼回波信號進行自相關檢測,降低虛警概率,提高了檢測的可靠性。通過實驗驗證,本技術能夠有效檢測多種直升機旋翼回波信號,具有較強的適應性。本技術設計簡單,計算量小,通用性好,易于工程實現,是一種適合于脈沖多普勒雷達系統使用的慢速或懸停直升機檢測技術。