毫米波輻射計(jì)探測直升機(jī)研究

毫米波輻射計(jì)探測直升機(jī)研究
0 引言 摘 要：介紹了一種圓錐掃描體制的毫米披輻射計(jì)探測識別直升機(jī)的方法。在分析被動毫 米披探測直升機(jī)工作原理的基礎(chǔ)上，建立了輻射計(jì)探測直升機(jī)目標(biāo)的數(shù)學(xué)模型t根據(jù)波形特 點(diǎn)給出了目標(biāo)識另 方案，這種毫米渡被動敏感器可以較準(zhǔn)確地?cái)f測識別直升機(jī)。這種方法較 戚像等技術(shù)容易實(shí)現(xiàn)，適于智能地雷應(yīng)用。
近1O余年來，武裝直升機(jī)成了繼坦克之后地面作戰(zhàn)的主要突擊力量，反直升機(jī)地雷是一種對付超 低空飛行直升機(jī)的有效武器。它由聲預(yù)警器、毫米波探測器、戰(zhàn)斗部等組成。其工作過程如下：當(dāng)直升機(jī) 從設(shè)有反直升機(jī)地雷的空域掠過時(shí)，聲預(yù)警器能根據(jù)直升機(jī)旋翼特有的飛行噪聲對1 000 m之內(nèi)的直 升機(jī)進(jìn)行預(yù)警并啟動毫米渡探鍘器；當(dāng)直升機(jī)從探涌器上方飛過，毫米波探測器探測識別出目標(biāo)啟動戰(zhàn) 斗部；起爆數(shù)百片預(yù)制破片毀傷直升機(jī) 擴(kuò)大探測視場角是反直升機(jī)地雷武器系統(tǒng)的要求，由于單一波 束視場角太小，可采用圓錐掃描或多波束成像方法擴(kuò)大視場角。但對于探測直升機(jī)來說，因?yàn)橛新曨A(yù)警 器先識別出直升機(jī)旋翼的飛行噪聲的緣故，只要探到天空有一塊2 m×5 m 大小的金屬板即可判為直 升機(jī)，不必獲得完整的直升機(jī)圖象。濁度計(jì)| 色度計(jì)| 粘度計(jì)| 折射計(jì)| 滴定儀| 密度計(jì)| 熱流計(jì)| 濃度計(jì)| 折射儀| 采樣儀| 故無需采用成像方法，用成熟的圓錐掃描技術(shù)即可。用單一波束毫 米波做成反直升機(jī)地雷探涮器，采用高速機(jī)械圓錐掃描能保證不讓探測區(qū)內(nèi)的直升機(jī)漏過，且功耗不 大；可以在近距離(十幾米至上百米)方便地探測識別直升機(jī)。

1 探測直升機(jī)基本原理 毫米波輻射計(jì)亦稱毫米波被動敏感器，它是一種高靈敏度無線電接收系統(tǒng)，利用物體在毫米渡段輻 射特性差異來探測目標(biāo)。毫米波被動敏感器設(shè)置在地面，天線朝著天空。探測直升機(jī)是靠金屬機(jī)身反射 地面溫度與背景(天空)輻射溫度的差異來識別目標(biāo)的。假定目標(biāo)正好充滿整個(gè)波束，大氣衰減忽略不 計(jì)，假設(shè)天空無云 由文獻(xiàn)[1]，當(dāng)輻射計(jì)天線掃描到天空時(shí)，可計(jì)算得天線附近溫度： = (1) 當(dāng)天線波束掃描到金屬機(jī)身時(shí)，天線附近溫度為： T = T + P ￡ T (2) 式中丁 、丁 為天空、地面真實(shí)溫度， 為金屬反射系數(shù)， 為地面輻射系數(shù)。機(jī)身與天空的對比度為： AT = (3) 設(shè)T，一50 K，Tg=300 K，P，一1_0，￡，=0．935，Er一0 于是：△T一280．5 K 由此可見金屬機(jī)身與天空之閫有較高的溫度對比度，檢測AT即能識別直升機(jī)(金屬機(jī)身)。

2 毫米波被動探測器系統(tǒng)框圖 毫米波被動敏感器識別系統(tǒng)主 要由三大部分組成：天饋部分、高中 頻組件和信號處理部分。饋源采用波 紋波導(dǎo)和卡塞格倫天線，波束寬度 3d一=4．8。、以 =4．8。。為得到一定 的搜索目標(biāo)區(qū)域，天線波束的電軸與 戰(zhàn)斗部對稱軸之間有l(wèi)O。的夾角。電 機(jī)掃描轉(zhuǎn)速為10 r／s，以保證直升機(jī) 飛過天線探測錐時(shí)，能出現(xiàn)一定特征 的直升機(jī)機(jī)體目標(biāo)回波信號。信號處 理器選主流的定點(diǎn)l6位DSP 【．．．．．．．．．．．．_ J 圖1 毫米波被動探測器系統(tǒng)框圖 TMS32OC54X，其功耗在i00 MIPS時(shí)僅有60 mW ，其性價(jià)比符臺智能地雷的要求。

3 探測器輸出信號的數(shù)學(xué)模型 大地坐標(biāo)系OXYZ：坐標(biāo)原點(diǎn)0選為探渙I器安放點(diǎn)，OX逆著直升機(jī)飛行方向，OY垂直向上，OZ 正向由右手定則確定。 坐標(biāo)系定義如下：圖2中直升機(jī)飛行高度為 ，。F為探測器波束對稱軸OB與OY軸的夾角。0為探 測器波束對稱軸OB與金屬目標(biāo)微分單元dxdy的 夾角。直升機(jī)機(jī)體等效反射面在x軸方向的尺寸為 zz—z，，在z軸方向的尺寸為2 一2，。 設(shè)接收機(jī)天線功率方向圖為G(O， ，物體的輻 射溫度為T(O， ，則天線溫度可表示為 1 r 一 一 IT(g， G(O， dfl (4) G(O， 可近似為 G(O， = G。e一 (5) 式中：G0為天線波束中心的功率增益，b為波形系 數(shù)， 為微分單元與波束中心的夾角。輻射計(jì)波束圓 錐掃描與目標(biāo)交會情況如圖l所示。圖l中目標(biāo)距 地面的高度為 ，目標(biāo)面積為( 一 ．)×(2 一 ，)依 據(jù)電磁輻射機(jī)理，利用式(4)和(5)，可推出(推導(dǎo)過 程從略)計(jì)算輻射計(jì)天線溫度的數(shù)學(xué)模型為： 一GoH AT, [I 圈2 波束圓錐掃描與目標(biāo)交會情況 唧㈨[arcos 聳等 — — — — — — — ～ 式(6)中Go、△ 、△ 解釋同參考文獻(xiàn)[1]中一致。 (6)4 近距離探測直升機(jī) 由于有聲預(yù)警器，預(yù)警信號發(fā)出后，在毫米波探測器上方出現(xiàn)直升機(jī)機(jī)體大小金屬體而非直升機(jī)的 概率幾乎是零。當(dāng)探潮器掃過直升機(jī)機(jī)體時(shí)會出現(xiàn)圖3所示鐘形脈沖，脈沖的峰值幅度、寬度、上升斜率 符合一定目標(biāo)特征。這樣就比較容易識別直升機(jī)目標(biāo)了 從接收機(jī)進(jìn)來的毫水渡探測信號，經(jīng)過預(yù)處理 之后，所含噪聲主要包括雜波及系統(tǒng)噪聲。研究表明，諸如天氣之類由大量散射點(diǎn)引起的雜波及系統(tǒng)熱 噪聲均趨向Gauss分布 。我們可以從頻域內(nèi)定義目標(biāo)特征。多譜概念由維納于1 958年提出 定義為高 階蒙積量的多維傅里葉變換，其中雙譜階數(shù)最低，是多譜中研究的熱點(diǎn)。若設(shè)為零均值、三階實(shí)平穩(wěn)隨機(jī) 序列，其雙譜可定義為： B( ，山 )= Σ ΣC(m，n)expE～J(山 m+ )]=x(山 )x( z)x。(腳 4- ) 一⋯ 一∞ 式中：c( ，n)一R‘m，n)一E[x x + x + ]，為(z }的三階累積量，x(叫)為(z }的付氏變換。 一般情況下，假定干擾為加性高斯隨機(jī)分布 設(shè)零均值回波序列為： x(n)= s(n)+ w (n) (7) (8) 式中：s )是目標(biāo)信號， )為與 ( )不相關(guān)的隨機(jī)干擾及噪聲，即： E[ 。"H H ]= 0 (9) 則 )其三階累積量為： C (m ， )一R (冊， )= 兄(m ，H)+ R (m ， ) (10) 回波信號的雙譜為： B ( 。，叫2)一B (叫。， )+ ，盧為零或常數(shù) 在進(jìn)行雙譜估計(jì)時(shí)，我們?yōu)榱死�用信號的相關(guān)性，同時(shí)抵制不相關(guān)的噪聲，通常取一段時(shí)間內(nèi)的Ⅳ 組同類信號，分別作雙譜估計(jì)，然后平均作為此類目標(biāo)回波的雙譜。Ⅳ 取得越大，估計(jì)性能越好，但增加 了計(jì)算時(shí)間，需要權(quán)衡考慮。雙譜含有功率譜沒有的相位信息，且能反映出回波信號因二次相位藕合產(chǎn) 生的交叉項(xiàng)，因而可以提取雙譜的局部相位作為特征，更準(zhǔn)確地反映雷達(dá)目標(biāo)的散射結(jié)構(gòu)。在圖4所示 的不冗余區(qū)間對{z(n)}作雙譜估計(jì)： ( ， )= X ) ( ) ’( + ) (11) 并選取直線{ 一 m：l，2’¨．M為(o，Ⅱ／2)內(nèi)的常數(shù)。沿直線f (m=o，l，2，⋯)對B(“ ，∞ )積 【zm： 分： (m)一JB(m ， )d￡皿； (m)+ (m) 定義 一a眥[ ] 1．。 ‘ ● 。 t I 圖3 圓錐掃描探測波形示意圖 圖4 雙譜估計(jì)的不冗余醫(yī)問 (1Z) (13) 則廠(m)從統(tǒng)計(jì)上給出了各直線‘ 上B( ， )的平均相位，反映了{(lán)4)的付氏譜的相位信息；， ( )具有時(shí)移不變性，直流不變性和放大不變性，在回波信號中混有噪聲時(shí)，將 (m)取均值后再求相 位，作為特征矢量，在強(qiáng)噪聲下廠(m)亦不會發(fā)生很大變化。這為識別直升機(jī)帶來了方便，至于大量的計(jì) 算可由高速DSP完成。

4 結(jié)論 選擇毫米波作為反直升機(jī)地雷探測器，克服了激光或紅外對煙塵雨霧難以適應(yīng)的問題�？梢员ＷC當(dāng) 直升機(jī)飛過探測區(qū)時(shí)機(jī)體被探到，這就保證了較小的虛警率。在北京某陸航機(jī)場初步試驗(yàn)表明，毫米波 探測直升機(jī)方案具有體積小、重量輕、經(jīng)濟(jì)性較好的優(yōu)點(diǎn)，適合于反直升機(jī)地雷應(yīng)用。