喷气式飞机的微多普勒特性分析

任殿龙，张 超，杨学岭，刘 硕

(中国船舶重工集团公司第七二四研究所，南京 211153)

喷气式飞机的微多普勒特性分析

任殿龙，张 超，杨学岭，刘 硕

(中国船舶重工集团公司第七二四研究所，南京 211153)

研究了喷气式飞机目标的微多普勒特性。根据飞机局部散射机理从理论上分析了飞机旋转部件的微多普勒回波模型。仿真分析了理想雷达参数和实际雷达参数环境下喷气式飞机的微多普勒特征。利用实测数据与仿真结果进行对比，得到了喷气式飞机的微多普勒特性，为提取稳定的喷气式飞机的微多普勒特征研究提供了思路。

喷气式飞机；微多普勒；旋转部件

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

研究基于低分辨雷达目标回波特征提取和识别技术对大量布设的常规雷达功能扩展、提升其作战效能具有重要的现实意义。但是，由于常规雷达工作带宽窄，目标回波近似为点目标的回波，不具备径向和横向上的高分辨能力，造成雷达回波中不包含目标大小、形状、结构等用作目标分类识别的细节信息[1-2]，导致利用常规回波特性来进行识别难度大大增加。另一方面，基于目标微动特征的微多普勒效应的提出为低分辨雷达对飞机的分类判别提供了新的途径。

飞机上都存在旋转部件，如直升机的主旋翼和尾旋翼、螺旋桨飞机的螺旋桨叶片和喷气式飞机发动机的压缩叶片。在飞机飞行的同时，其旋转部件自身也存在周期性的旋转运动。美国著名学者VICTOR C CHEN将旋转部件的这种旋转运动称为微运动。在一定的目标姿态角范围内，这种微运动会引起雷达回波中的多普勒调制。他将这种微运动产生的多普勒调制称为微多普勒效应。[3-4]

本文主要通过分析喷气式飞机的仿真微动特征和实测微动特征，研究喷气式飞机的微多普勒特性，从而为实现对喷气式飞机的探测和识别提供技术前提。

1 飞机旋转部件的回波模型

假设喷气式飞机的发动机具有N块旋转桨叶，并且每一个叶片都在光学区。忽略叶片和机身间的遮挡影响，则每一个桨叶可看成一个等效的散射中心。旋转部件所有的散射回波依相位求和法线性叠加构成调制散射回波，它和机身散射分量的叠加共同合成飞机目标的雷达回波。

设雷达发射信号为

us=exp (j2πfct)

(1)

其中fc为雷达工作频率。

某时刻t旋转叶片的调制回波信号为

(2)

式中，ak(t)是幅度函数，φk(t)是相位函数，fd是旋转部件相对雷达的径向多普勒频率，其中

(3)

(4)

式中，k=0,1,2,…，N-1，N为桨叶数，L为桨叶的长度，λ为雷达波长，β为雷达波束与旋转平面的夹角，fr为桨叶转速，θ0为桨叶的旋转初相角。对式(2)进行傅里叶变换，得到旋转叶片调制回波的频率表示如下[2]：

(5)

由式(5)可以看出，调制谱是由一系列线谱组成的，其线谱周期为

ΩT=PNΩr或fT=PNfr

(6)

由式(6)可以看出，调制线谱的周期由桨叶数N和桨速fr决定，其中P=1或2，对于偶数桨P=1，对于奇数桨P=2。

式(1)～(6)是理想旋转部件在相参连续波照射条件下回波复包络的时域、频域参数模型，即为调制特征产生的理想参数模型。理论参数模型表明：只要飞机有不同的旋转部件，就会对雷达回波产生不同的调制。这种不同的调制特征可作为飞机分类的重要依据。同时，调制信号与飞机姿态角和雷达参数有着复杂的关系。所以，是否能够探测到调制谱线，以及提取调制谱的谱宽、调制谱线的周期特征是微多普勒识别的重要特征。

2 仿真与分析

喷气式飞机的微多普勒效应是由发动机的压缩叶片的旋转造成的，其旋转平面垂直地面，叶片数量较多，并且由多级叶片组成。叶片半径在1～2m，转速在4 000r/min以上。

由于喷气式飞机的发动机叶片由蒙皮包裹，在迎头姿态角0°～60°范围内时发动机的叶片能够被雷达照射，所以只考虑仿真0°～60°范围内的飞机频谱。微多普勒特征仿真不考虑机身运动。仿真用雷达参数如表1所示。仿真的发动机参数如表2所示。

表1 仿真用理想雷达参数

表2 喷气式飞机发动机仿真参数

不同姿态角下的微多普勒仿真结果如图1所示。从图1中可以看出，喷气式飞机的频谱由机身(0频率处)和多个离散的调制谱组成，其微多普勒的主要特征如下：

(1) 调制谱谱线间隔大，姿态角对谱线的间隔没有影响；

(2) 随着姿态角降低，谱线数量变少；

(3) 调制谱展宽明显，随着姿态角降低，谱宽变小。

图1 喷气式飞机的仿真频谱

3 实测与分析

喷气式飞机受到外蒙皮的包裹影响，其发动机调制谱可视范围相对较小(迎头姿态角0°～60°以内可见)。典型喷气式飞机的调制谱如图2所示。从图2中可以看出，目标迎头飞来姿态角在0°～60°以内时有明显的微多普勒调制，目标切向飞行或者飞离时无明显的微多普勒调制。

图2 喷气式飞机的实测频谱

对比喷气式飞机的仿真频谱和实测频谱，得出结论如下：

(1) 仿真频谱和实测频谱的调制谱线间隔都很大，姿态角对谱线的间隔均没有影响；

(2) 随着姿态角降低，仿真频谱的调制谱线数量变少，实测频谱的调制谱线数量没有变少；

(3) 仿真和实测的调制谱展宽都比较明显，随着姿态角降低，仿真频谱的调制谱宽变小，实测频谱的调制谱宽没有变化；

(4) 仿真频谱和实测频谱中的调制谱均与机身谱线有一定的间隔；

(5) 仿真频谱的调制谱线对称地分布在机身谱线两侧，实测频谱的调制谱不完全对称地分布在机身谱线两侧。

造成仿真频谱和实测频谱有明显差异的原因如下：

(1) 喷气式飞机其发动机叶片分布在多级转子上，雷达接收到的回波信号来自多级转子叶片的反射，其复杂程度超出了仿真模型的范围；

(2) 雷达重复频率越高，雷达对目标的驻留时间越长，旋转部件的微多普勒特性越明显。仿真中为了更好地分析旋转部件的微多普勒特性，采用了理想化雷达参数，雷达重复频率高且驻留时间长。然而，采集实测数据的雷达设备的重复频率和驻留时间均达不到要求；

(3) 实测数据中目标频谱分辨率低，微多普勒特性弱，调制谱线很容易淹没在强噪声中。

为了更好地分析调制谱的对称性，选择两批迎头飞来的A320型民航机进行分析。图3(a)、(b)分别是这两批飞机各个波门内平移后(将机身多普勒位置平移到中间)的目标频谱图。从图3中可以看出，频谱中有明显的调制谱，且其调制谱较为对称地分布在机身多普勒的两侧。

图3 各波门内平移后的频谱

4 结束语

本文从理论上分析了飞机旋转部件的回波模型，仿真和分析了喷气式飞机发动机旋转部件的微多普勒调制，并分析了喷气式飞机的实测频谱。通过仿真和实测的分析结果可以看出，喷气式飞机的调制谱线与机身谱线有一定的间隔，调制谱线间有明显的间隔并且对称地分布在机身频谱两侧。根据喷气式飞机的微多普勒特性，可以设计更加稳定的微多普勒特征提取方法以实现对喷气式飞机的分类识别。

[1] 杜玩文. 空中雷达目标识别技术研究[D]. 南京理工大学，2009. 6.

[2] 王宝帅，杜兰，刘宏伟，李彦兵，冯博. 基于经验模态分解的空中飞机目标分类[J]. 电子与信息学报，2012，9(34)：2116-2121.

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

[4] 张群, 罗迎, 何劲. 雷达目标微多普勒效应研究概述[J]. 空军工程大学学报(自然科学版)，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

任殿龙(1988-)，男，工程师，硕士，雷达目标识别；张超(1986-)，男，工程师，硕士，雷达数据处理；刘硕(1986-)，男，工程师，硕士，雷达目标数据库；杨学岭(1986-)，男，工程师，硕士，雷达目标识别。