低重頻短駐留懸停直升機檢測技術

王 勇 張 楠 岳三創 杜 力 陳尹翔

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

目前，懸停直升機檢測的方法有很多，主要可以分為兩類：一類是基于時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行建模和分析，提出了一種時域多周期掃描Hough變換積累檢測方法，解決旋翼時域回波信噪比較低下的檢測問題[1-2]。李國健等人對文獻[2]的方法進行改進解決了主旋翼旋轉頻率抖動條件下時域多周期掃描Hough變換積累檢測方法性能下降問題[5]。杜蘭等仿真了AH-64的雷達回波，給出了一種多周期積累方案來提高旋翼的時域回波信噪比[3]。董普靠等人給出了一種基于時域相關的檢測方法[4]，通過時域相關來檢測周期性峰包。第一類方法基于時域周期性峰包進行檢測，對脈沖重復頻率和駐留時間要求很高，地面情報雷達的搜索工作參數一般很難滿足。由于直升機主旋翼回波頻域能量擴散信噪比較低，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，提出了一種多普勒通道多級檢測方法，該方法對脈沖重復頻率要求較高[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的懸停直升機檢測問題，提出了一種多普勒維非相干積累的檢測方法[8]。

本文結合地面情報雷達搜索模式工作的特點，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并降低低門限檢測帶來的虛警。

1 時域周期性峰包檢測方法對系統參數的要求

當采用時域周期性峰包來檢測懸停直升機時，要求在駐留時間內盡可能多地接收到含有周期性峰包的回波信號，同時在每一個峰包的持續時間內有一個以上的采樣，這對系統的脈沖重復頻率和駐留時間提出了較高的要求。

1)波束駐留時間的要求

峰包出現的頻率為fT=DNR0[2]，則閃爍周期T=1/DNR0，為了確保雷達觀測周期內能夠測到峰包，雷達的波束駐留時間必須滿足

(1)

2)脈沖重復頻率的要求

(2)

其中葉片數為奇數時D=2，k=1；葉片數為偶數時D=1，k=2。

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對某S波段地面情報雷達來說，采用時域周期性峰包法檢測米171脈沖重復頻率最低為2100Hz，波束駐留時間最短為31.85ms。對于地面情報雷達遠距搜索時，上述參數要求是較難滿足的。

2 低重頻短駐留參數對懸停直升機檢測的影響

1)低重復頻率的影響

地面情報雷達工作在搜索模式時，一般優先保證探測距離不模糊，因此重復頻率較低，比如當不模糊距離為150km時，重頻不能高于1000Hz。圖1給出了不同重頻米171的旋翼時域回波，從圖中可以看出，當重頻降低時，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的實測時頻平面，從圖中可以看出，重頻降低導致頻譜混疊，譜線周期特征較難提取與利用。

圖1 不同重頻米171旋翼時域回波

圖2 不同重頻下直升機實測時頻平面

2)短駐留時間的影響

地面情報雷達搜索時為了保證數據率，每個方位波束駐留時間較短，比如當數據率為6s/r，波束寬度為1.6°時，每個方位波束駐留時間為26.7ms。圖3給出了短駐留條件下米171旋翼時域回波，從圖3(a)中可以看出，駐留時間變短導致周期性峰包有可能采集不到。圖4給出了不同駐留時間條件下直升機實測歸一化頻譜，從圖中可以看出，駐留時間變短導致頻譜分辨率降低，譜線細節信息丟失。

圖3 不同回波時刻米171旋翼時域回波

綜合圖1和圖3我們發現，低重頻短駐留導致時域周期性峰包不能被可靠地采集到，因此基于時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雷達搜索模式。

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

3 低重頻短駐留懸停直升機檢測算法

1)旋翼頻域展寬特性

對于低重頻短駐留地面情報雷達搜索模式而言，盡管一個CPI內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，不管對于哪一時刻，總有葉片的多普勒頻率不為0，說明直升機旋翼頻域展寬現象是一定存在的。

圖5 米171各葉片歸一化多普勒變化曲線

圖6給出了不同參數下直升機實測距離多普勒平面，從圖6中我們發現，旋翼的展寬特征不受系統參數的影響，在距離多普勒平面上表現為沿頻率維的一條直線，因此可以根據旋翼在頻域上的展寬特征識別直升機。

圖6 直升機實測距離多普勒平面

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最大的問題是由于旋翼頻域展寬，信噪比太低，導致無法直接對旋翼回波進行頻域檢測，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給出了直升機實測回波波束間非相干積累結果。從圖7中可以看出，旋翼頻域回波信噪比明顯增強。

圖7 直升機實測回波波束間非相干積累結果

3)基于頻域展寬特征的直升機檢測流程

圖8給出了基于頻域展寬特征的直升機檢測流程。其中在CFAR檢測時，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，這樣做雖然會導致虛警，我們在后面利用Hough變換峰值檢測能夠將不在沿多普勒維直線上的虛警去掉。

圖8 基于頻域展寬特征的直升機檢測流程

試驗數據來自某低空直升機的回波數據，其中波束駐留時間較短，回波的距離多普勒平面如圖9(a)所示。圖9(b)給出了3個CPI非相干積累的結果，從圖中可以看出，旋翼的頻譜在多普勒域產生了較明顯的展寬，圖上出現了一條垂直的直線。圖9(c)、圖9(d)分別給出了CFAR檢測和二值化處理結果，其中二值化處理，指將超過門限的點的幅度置為1。圖9(e)給出了4圈數據二元積累結果，積累準則為2/4。圖9(f)給出了Hough變換結果，對應的峰值檢測結果如圖9(g)所示，從圖中可以看出hough變換結果存在峰值，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。

圖9 基于頻域展寬特征的直升機檢測結果

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

圖10 不同信噪比條件下的米171回波機身信噪比和機翼信噪比對比結果

表1 不同信噪比下米171的檢測結果

序號機身信噪比(dB)機翼信噪比(dB)信噪比下降(dB)威力比檢測結果121.713.38.40.6250/54217.09.447.560.6538/54313.87.237.570.6930/54410.54.815.690.726/54

4 結束語

本文針對低重頻短駐留條件下懸停直升機檢測問題，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帶來的多普勒維一定展寬的特點，對系統參數沒有任何要求。針對旋翼頻譜能量沿多普勒維擴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制積累等手段來提高旋翼頻譜信雜比，實測數據處理結果說明了所提方法的有效性。