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毫米波雷达对直升机旋翼回波检测研究

1引言 现代战争中,毫米波雷达对武装直升机的检测与识别十分重要.直升机都有一个或多个高速转动旋翼,是其区别于空中其他飞行器的根本特征.直升机旋翼雷达回波检测是悬停直升机检测和直升机识别的基础.文献[1。6]对旋翼的雷达回波信号建模与检测进行了研究.旋翼回波在时域上表现为辛格函数形状的闪烁脉冲,在频域上存在展宽,这些特征可用于旋翼回波检测.闪烁主瓣脉宽与旋翼长度、旋转角速度和雷达波长有关.当雷达工作在毫米波段时,包含旋翼回波主要能量的闪烁脉冲主瓣宽度很小,需要较高脉冲重复频率以采样到闪烁脉冲主瓣,一般雷达都无法达到.当雷达收稿日期:200r7.睢27;修回日期:2007.11.16脉冲重复频率较低时,由于不能稳定采样旋翼闪烁主瓣回波,使得旋翼回波信噪比及信杂比较低,造成毫米波雷达对直升机识别和检测的困难.就旋翼回波检测而言,直升机身的雷达回波可被视为杂波,即目标杂波.旋翼回波时域检测时信号具有最大瞬时功率,若能有效滤除地杂波和目标杂波,可以提高旋翼回波检测时的信杂比.本文采用频域杂波直接抑制并转换到时域进行检测的方法,确保旋翼回波检测时具有较高的信噪比和信杂比,获得较好的旋翼回波检测概率和直升机识别率.本文对频域杂波直接抑制后杂波剩余和噪声的统计分布进行了分析,给出了旋翼回波时域恒虚警检测处理流程并进行了仿真分析.通过旋翼回波检测虚警率的恒定可以保证直升机检测识别结果的信度和稳定性. 2直升机旋翼回波模型 2.1旋翼回波数学模型远场条件下,旋翼桨片可以等效为一定长度的理想线源,以一定速度绕叶毂中心点旋转.旋翼叶毂中心点与雷达距离为尺,如图1所示.p是雷达入射波束与旋翼旋转平面的夹角,臼是旋翼桨片法线方向与波束在旋翼旋转平面投影的夹角,r是桨片内端至叶毂中心点的长度,z是桨片外端至叶毂中心点的长度. 3直升机旋翼回波时域检测 3.1直升机旋翼回波检测脉冲多普勒雷达的直升机回波中频采样主要由机身回波、旋翼回波、地杂波和接收机热噪声四部分构成.机身回波属于普通雷达目标回波,其RcS起伏可认为符合sweding模型.旋翼回波与符合Swed岖模型的普通雷达目标回波相比有很大差别.首先,在雷达照射期间普通雷达目标回波是持续的,即使起伏也是一个随机过程,而旋翼回波为周期性小时宽闪烁脉冲,脉峰过后迅速衰减,在下一个闪烁脉冲出现之前几乎没有旋翼回波能量;其次,普通雷达目标回波在多普勒频域相参积累为一个具有较大能量的谱峰,而旋翼回波的多普勒频谱具有分布在一定频带上的展宽.可以得出这样的结论:普通雷达目标的回波能量在时域上是持续的,在多普勒频域七是积累集中的;与此相反,旋翼回波能量在时域上是短暂闪烁的,而在多普勒频域上是分散的.由此可知,在频域进行杂波滤除并在时域完成旋翼回波信号检测可充分利用旋翼回波与杂波在时域和频域的特性,改善旋翼回波的检测能力,处理流程如图2所示.根据旋翼【日J波的时域特性设置检测单元和参考单元,通过估计参考单元中杂波剩余和噪声的功率水平实现旋翼回波恒虚警检测.旋翼回波检测的关键和前提是能够采样到有效旋翼回波,具有一定信噪比和信杂比.根据旋翼回波周期闪烁特性,有效采样对雷达的波束驻留时间和脉冲重复频率提出较高要求:应保证波束驻留时间大于闪烁脉冲周期,由脉冲重复频率决定的脉冲重复周期小于旋翼回波闪烁脉冲的3dB脉宽..旋翼回波检测可以表示为如下二元假设检验问题:月-o:r(i)=^(i)+g(i)+n(i)日1:r(i)=Ⅱ(i)+^(i)+g(i)+n(i)f=1,2,…,J7、r (7)其中‰表示回波采样中没有旋翼回波,马则表示回波采样含有旋翼回波.雷达每工作周期发射Ⅳ个相参子脉冲,回波采样为一组观测R={r(i),i=1,2,…,Ⅳ},r(i)是雷达第i个相参子脉冲回波采样,“(£)为其中的旋翼回波分量,g(i)是地杂波分量,^(i)为目标杂波分量,n(i)是热噪声分量.当该检测距离上有直升机时,目标杂波即为机身回波;当存在非直升机目标时,目标杂波就是该目标回波;当不存在目标时,目标杂波为零.旋翼回波检测是通过比较观测R与设定检测阀值的大小来判决风或Ⅳ】成立. 3.2杂波滤除由于在时域无法确定目标杂波频率中心和谱宽且杂波能量不集中,所以杂波滤除需在多普勒频域进行.根据杂波与旋翼回波频域分布特性,杂波能量集中在频域的一个较窄范围;当雷达脉冲重复频率不高时,旋翼回波分散到了整个频谱.频域杂波直接抑制是通过多普勒频谱估计出杂波谱的中心频率和谱宽,根据给定的杂波抑制比将杂波分布范围内的多普勒谱线直接抑制为零门J.由于杂波能量在频域较集中,故频域杂波直接抑制对旋翼回波能量损失不大.杂波抑制谱各通道包括旋翼[口1波、热噪声、地杂波剩余和目标杂波剩余的能量.其处理流程如图3所示.目标多许勒频谱(复数)杂波滤除后的H杯数据窖慧纂鍪鬻缴l f逆傅立叶变换中心频率和杂波谱宽I2m“叫x伏根据H标杂波抑制比将确定范围内的谱线值置零定地杂波谱的中频率和杂波谱宽根据地杂波抑制比将确定范围内的谱线值置零图3杂波滤除处理流程杂波滤除受杂波抑制比的影响较大.当杂波抑制比增大时,被抑制为零的多普勒谱线增多,杂波剩余能量变小,旋翼回波能量损失增大.当杂波抑制比减小时,被抑制为零的多普勒谱线数减小,杂波剩余能量变大,旋翼回波能量损失减小.由于旋翼回波在时域上表现为闪烁脉冲,通过逆傅立叶变换将杂波抑制谱转换到时域,相当于对旋翼回波进行相参积累,将其主要能量集中闪烁脉峰内,提高Ir检测时的旋翼回波信噪比和信杂比. 3.3旋翼回波时域恒虚警检测旋翼回波时域检测是确定观测向量中旋翼回波闪烁脉冲是否存在的过程.旋翼回波检测通过设置滑窗检测单元以确定整个观测向量上是否存在一个单元包含旋翼回波采样.根据检测单元附近噪声与杂波的功率水平、统计分布和设定虚警率确定检测门限,使旋翼回波时域检测虚警率保持恒定. 3.3.1杂波剩余及旋翼回波的时域统计特性直升机雷达回波经杂波滤除处理后,主要由地杂波剩余、目标杂波剩余、热噪声和直升机旋翼回波组成.接收机热噪声服从高斯分布;本文假定地杂波服从高斯分布,机身目标杂波幅度起伏符合swedingI模型.通常可假设,当相参积累脉冲数较大、杂波抑制比指标较高且去除置零后的杂波区时,频域杂波直接抑制处理是一个白化过程,杂波抑制谱各通道杂波剩余的统计特性接近于高斯白噪声.经逆傅立叶变换后,可认为热噪声和杂波剩余之和服从高斯分布,其包络服从Reyle讪分布.厶(石)=参唧【一刍)(8)如前所述,每工作周期雷达7v个脉冲回波采样至多有一个脉冲重复周期采样含有旋翼回波信号.由于雷达的脉冲重复周期和直升机旋翼旋转周期是参差的,故可认为旋翼回波信号采样脉冲在旋翼回波闪烁脉冲主瓣附近的采样时问£服从均匀分布.若£=0时旋翼回波采样为闪烁脉冲主瓣的脉峰,则£的概率密度函数为 3.3.2旋翼回波时域恒虚警检测流程旋翼回波检测的输入是由Ⅳ个相参子脉冲在检测距离处杂波滤除后的时域数据.毫米波雷达旋翼回波闪烁脉冲衰减很快,每工作周期至多有一个子脉冲采样到能量较高的旋翼回波,可作为旋翼回波检测单元;其他Ⅳ一l子脉冲可认为不含有旋翼回波,包含各种杂波干扰,可作为杂波干扰功率水平估计的参考单元.其检测流程图如图5所示. 万方数据第6期 贺治华:毫米波雷达对直升机旋翼回波检测研究 1185圈5旋翼回波时域恒虚警检测流程图在观测向量上设置滑窗作为检测单元,检测单元前后各设置一个保护单元,防止旋翼回波能量泄漏到参考单元.搜索范围是整个观测向量,最后Ⅳ个检测结果作二元检测,检测门限为1.观测向量中其余Ⅳ一3观测值可以作为热噪声及杂波剩余参考单元,通过单元平均(CA)方法估计热噪声及杂波剩余Reylei曲分布参数含.旋翼回波滑窗检测单元凰的二元检测第一门限为最=晤j (11)其中7'为标称化因子.由于热噪声及杂波剩余之和包络服从瑞利分布,则厂7———一丁=√{1Il(%1)(12)其中既是设定的虚警率. 4仿真实验与分析本文采用仿真数据验证杂波滤除和旋翼回波时域检测器的性能.假定地杂波干扰和热噪声服从高斯分布,目标杂波符合Swedi哗I模型,每相参工作周期(cPI)包括256个脉冲回波采样.雷达工作波长为0.008m,载机速度15∥s,脉冲重复频率为40kHz,目标速度为65n∥s,旋翼桨片长度6.7m,旋转频率5Hz.旋翼回波信杂噪比定义为旋翼回波信号峰值功率(即回波闪烁最强时功率)与杂波噪声平均功率之比.,l…I,、SICNR=10loglo_万』丛心盟也一(13)专∑ln(后)+^(J|I)+g(_|})l2实验一:杂波滤除性能实验一按设定参数生成雷达回波,使用本文提出的杂波滤除方法,比较杂波滤除前后旋翼回波信杂噪比的变化,地杂波与目标杂波的杂波抑制比均设为30dB.如图6(口)为直升机雷达仿真回波数据,包括直升机旋翼回波、机身回波、地杂波和高斯白噪声四个部分,其中目标杂波与地杂波之比7腿为odB,噪声与地杂波之比NCR为一10dB,旋翼回波信号与杂波噪声比sCNR是5dB.由于杂波和噪声的扰动,无法从仿真回波中确定旋翼回波闪烁的是否存在.图(6)是原始回波的多普勒频谱,频域的两个脉峰分别为地杂波和目标杂波,旋翼回波信号则展宽在整个多普勒频域.图(c)是魁馨栩参脉冲采样(口)直刀机的雷达仿真回波03503025釜02015010 05003503025倒02孽0.150.1005O多普勒通道教(6)直升机雷达仿真回波的多普勒频谱槲㈣聃川 0 50 100 150 200 250 300时间维(c)杂波滤除后转换到时域的数据10^1“61In^.肿,-.M~^4 ”。—峨H,^。^脑相参脉冲采样(d)旋翼回波与高斯白噪声的叠加图6直升机雷达仿真回波及杂波滤除 万方数据1186 电 子 学 报 2008年经杂波滤除后转换到时域的数据,可以看出杂波电平较图(n)低,与图(d)比较可知,其中最高峰为旋翼回波闪烁脉峰,可以确定是旋翼回波闪烁.表1和表2是在SCNR=5dB时杂波滤除后ScNR均值和方差,蒙特卡罗仿真次数为100.由于杂波滤除对噪声的影响较小,可以看出随雷达仿真回波噪杂比NcR的增加,杂波滤除输出ScNR在减小.随rI℃R的增加杂波滤除输出ScNR在增大,这是由于地杂波在各次相参脉冲回波采样是相瓦独立的高斯随机变量,杂波滤除后的地杂波剩余较大;目标杂波在各次相参脉冲回波的采样是相关的,杂波滤除后的杂波剩余小.可以看出通过杂波滤除可以使检测时的旋翼回波信杂噪比平均提高5dB,这提高旋翼回波检测概率.表2显示了杂波滤除的效果在各次仿真间存在波动,波动范围在ldB至2dB,这是由于噪声和杂波的不确定性引起的 5结束语 毫米波雷达对悬停直升机的检测和运动直升机识 万方数据第6期 贺治华:毫米波雷达对直升机旋翼回波检测研究 1187别的难点是旋翼同波的信噪比和信杂比很低.本文根据直升机旋翼回波、地杂波和目标杂波在时域和频域的能量分布特性,提出频域杂波滤除后时域检测思路,在较好的抑制杂波的情况下使检测时的旋翼回波瞬时功率最大.本文提出采用旋翼回波恒虚警检测以保证悬停直升机检测和直升机识别结果的信度,对杂波抑制后的杂波剩余及热噪声统计分布进行分析,引入单元平均(CA)方法对旋翼回波恒虚警检测进行了仿真.旋翼回波的有效检测取决于雷达的波束驻留时间和脉冲重复频率,当雷达工作在毫米波段时,所需的脉冲重复频率较高,这样观测向量包含的脉冲数较多.旋翼回波时域检测准则是确定观测时间内是否存在一个较高的旋翼回波闪烁脉峰.设定虚警率情况下,观测向量越长,检测门限越高,导致检测概率越低.这是影响旋翼回波检测概率重要因素,如何克服还有待于研究.

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